Глава 17

Дарвинизм, вероятность и термодинамика

Одним из самых известных “внешних” критиков дарвинизма был знаменитый английский физик (и по совместительству писатель-фантаст) сэр Фредерик Хойл. Именно ему принадлежит сравнение, вот уже несколько десятилетий кочующее из одной дискуссии в другую: случайная самосборка даже самых простых биологических структур на много порядков менее вероятна, чем то, что в прошедшем над авиасвалкой торнадо сам собой соберется готовый к полету “Боинг”.

Заметим, что Фред Хойл вообще любил оспаривать хорошо обоснованные теории, отнюдь не ограничиваясь при этом строго научными аргументами. Именно ему принадлежит термин Big Bang (на русский его обычно переводят как “Большой взрыв”, хотя буквально он означает что-то вроде “Большой бабах”) – так Хойл окрестил разработанную Георгием Гамовым модель образования нашей Вселенной, надеясь такой ироничной кличкой подорвать популярность этой теории, конкурировавшей в то время с его собственной. Однако его остроумие не помогло: теория Большого взрыва стала основой современной космогонии, и мало кто помнит, что это название было дано ей в насмешку ее противником. Хойл же до конца жизни упрямо отстаивал собственную модель стационарной Вселенной – довольно стройную, но все больше и больше расходящуюся со вновь открываемыми фактами. В середине 1980-х годов Хойл и его сотрудник и соавтор Чандра Викрамасингхе объявили, что хранящийся в Британском музее знаменитый отпечаток археоптерикса, изображение которого приводится едва ли не в каждой книге об эволюции и палеонтологии, – подделка: на отпечаток юрской рептилии были, дескать, каким-то образом нанесены оттиски перьев современной курицы. Дело дошло до очной дискуссии Хойла и его группы с палеонтологами, передававшейся “Би-Би-Си”, – но вскоре выяснилось, что “версия” Хойла не имеет под собой никаких оснований и прямо опровергается целым рядом особенностей тонкой структуры окаменелости. Сэр Фредерик известен также версией о внеземном происхождении вируса “испанки” (пандемического гриппа 1918–1919 гг.), поддержкой гипотезы абиогенного происхождения нефти и другими экстравагантными утверждениями. Однако они – включая даже его вполне оригинальную и хорошо проработанную космологическую модель и борьбу против теории Большого взрыва – гораздо менее известны, чем его нападки на дарвинизм.

Почему же маститому астрофизику казалось столь невероятным возникновение биологических структур по Дарвину? И почему из всех выдвинутых им еретических идей именно эта получила такую известность и привлекает людей самых разных профессий и интересов?

О невероятности всего сущего

Суть возражений Хойла и его сознательных или бессознательных последователей выглядит примерно так. Представим себе самый маленький белок – допустим, состоящий всего из сотни аминокислот (молекулы меньшего размера вряд ли имеют право называться белком). Начинаться он может с любой из 20 аминокислот. Второй тоже может быть любая аминокислота. Значит, разных молекул из двух аминокислот может быть 20×20=400. Из трех – 8 тысяч, из четырех – 160 тысяч. А из ста – 20¹⁰⁰, двадцать в сотой степени. Если записать это число (точнее, самое близкое к нему круглое число) в привычной нам десятичной форме, это будет выглядеть как единица со ста тридцатью нулями.

Дальше “антидарвинисты от комбинаторики” рассуждают так: вероятность случайного возникновения конкретной аминокислотной последовательности (или кодирующей ее последовательности нуклеотидов) можно представить как единицу, деленную на это астрономическое число. Это, конечно, относится к единичному химическому событию. Но даже если все подходящие атомы во Вселенной соберутся в нуклеотиды и аминокислоты и все время с момента Большого взрыва будут непрерывно и с максимально возможной скоростью пробовать все возможные сочетания – возникновение именно такой цепочки аминокислот все равно останется практически невероятным: слишком уж велик знаменатель. А ведь это только один белок, причем самый маленький. Любая “молекулярная машина” – ну хоть та же рибосома, на которой синтезируется наш гипотетический белок, – это десятки разных белков. В самой простенькой клетке их около тысячи, в продвинутом многоклеточном организме – десятки тысяч плюс изощренная система регуляции, обеспечивающая синтез каждого белка строго в нужное время в нужном месте. Стоит лишь вспомнить об этом, говорят последователи Хойла, – и станет ясна вся абсурдность предположения, что все это могло возникнуть в результате цепочки случайных событий.

Все это звучит настолько убедительно (особенно когда это излагает маститый ученый, пользующийся заслуженным авторитетом в научном мире), что даже профессиональные биологи, столкнувшись с такими рассуждениями, часто теряются и не знают, что возразить. На самом деле этот “неопровержимый аргумент” уязвим по крайней мере с двух точек зрения.

Во-первых, с таким же успехом можно доказать столь же бесспорную невероятность появления на свет любого конкретного человека – ну хотя бы вас, уважаемый читатель. В самом деле, ваши отец и мать могли не встретиться, не понравиться друг другу, не пожениться и т. д. И даже если бы все шло так, как шло, в день вашего зачатия с вероятностью 50 % мог возникнуть эмбрион другого пола, нежели вы, – который, уж конечно, развился бы совсем в другую личность. Мало того – все те же возможности были и у родителей ваших родителей. И у их родителей – тоже. Перемножаем все эти вероятности хотя бы за пять-шесть последних поколений – и ваше появление на свет становится чудом, неоспоримым доказательством вмешательства высшей силы либо действия неведомых нам законов природы. Но точно такое же рассуждение можно выстроить для любого из окружающих вас людей и вообще для любого человека на Земле. Получается, что все мы – живые опровержения теории вероятностей? Во всяком случае, именно такой вывод из аналогичных рассуждений сделал профессор Цезарь Коуска – придуманный Станиславом Лемом автор книги De impossibilitate vitae, то есть “О невозможности жизни”.

Разумеется, любой образованный человек без труда разрешит этот парадокс. Если, скажем, у нас есть генератор случайных шестизначных чисел, то вероятность того, что при конкретном испытании выпадет некое определенное число – ну, скажем, 123 321, – одна миллионная. Но ведь какое-то число выпадет обязательно! Точно так же рождение каждого из нас – результат стечения почти невероятных обстоятельств, но сложись они иначе – на свете просто жили бы какие-то другие люди, порожденные другими цепочками столь же маловероятных совпадений.

То же самое касается и состава наших белков. Ни известные сегодня факты, ни какие-либо теоретические соображения не дают оснований думать, что тот или иной наш белок или даже вся их совокупность (протеом) – единственно допустимый вариант, что эволюция перепробовала все теоретически возможные сочетания аминокислот. Скорее наоборот: в 2011 году профессор Принстонского университета Майкл Хечт и его сотрудники сочинили несколько десятков аминокислотных последовательностей, не похожих ни на какие известные сегодня белки, но способных катализировать некоторые жизненно важные реакции в клетке. Принстонские химики синтезировали гены, кодирующие эти небывалые белки, вставили их в бактериальные клетки (из которых были удалены гены ферментов, “штатно” катализирующих те же реакции) – и в четырех случаях “протезные” ферменты смогли обеспечить клеткам нормальное существование. В свете этого факта любые расчеты вероятности появления именно таких, а не других последовательностей аминокислот ценны разве что как упражнения в работе с калькулятором.

Но еще удивительней – и интересней для анализа – другой порок подобных рассуждений. В них неизменно начисто отсутствует естественный отбор – тот самый фактор, эволюционное значение которого должны опровергнуть (или хотя бы ограничить) эти построения!

Вернитесь на несколько абзацев назад и перечитайте все рассуждения о гипотетической цепочке из ста аминокислот: где в них хоть раз упоминается какой-то отбор? Конечно, читатели могут заподозрить, что я в своем поневоле кратком пересказе сочинений оппонентов нечаянно или намеренно опустил все, что они говорят про отбор. Вынужден, однако, разочаровать читателей: опускать было нечего. Во всех сочинениях такого рода отбор вообще не обсуждается – молчаливо предполагается, что он вступает в действие уже после того, как в результате чистой случайности возникнет белок определенного размера.

Но стоит проговорить вслух это молчаливое предположение – и станет ясно, что дело тут не в расчете вероятностей, не в аминокислотах и не в белках. По сути дела, перед нами слегка подновленная и перенесенная на другое поле версия того возражения, на которое приходилось отвечать еще Дарвину в прижизненных переизданиях “Происхождения видов”. Его можно сформулировать так: да, мы понимаем, что животное, обладающее, допустим, глазами, оказывается в более выгодном положении по сравнению со своими слепыми сородичами, но не мог же такой сложный и совершенный орган, как глаз, возникнуть в результате случайных изменений!

В основе этого рассуждения лежит специфическое представление об эволюции, согласно которому та или иная структура сначала каким-то образом возникает (в готовом виде или, по крайней мере, в основных чертах), а уж только затем подвергается действию естественного отбора, оценивающего ее полезность. Именно такое представление многие выносят из школьного курса эволюции и из популярных книжек. Тем более что и там, и там эволюционные процессы чаще всего иллюстрируются примерами приспособления у бактерий – а у них подавляющее большинство изученных сегодня генетических адаптаций и в самом деле происходит “в одну мутацию” – как мы это видели в главе “Август Вейсман против векового опыта человечества”, когда рассматривали опыт Дельбрюка и Лурии. Однако применительно к формированию любой более-менее сложной структуры – будь то глаз, крыло или совершенно новый белок – подобное объяснение напоминает логику старого анекдота: “когда мы в пустой бассейн прыгать научимся, нам туда воды нальют”.

На самом деле сложные структуры почти всегда возникают в эволюции не как гениальное изобретение, а скорее как длинная цепочка мелких “рацпредложений”, каждое из которых лишь немножко улучшает общий результат. При этом по ходу дела часто выясняется, что структура, служившая для некоторой цели и совершенствовавшаяся для наилучшего соответствия ей, начиная с некоторого момента может быть использована для чего-то совсем другого. “Генератор” электрического угря или ската развивался из видоизмененной мышечной ткани как орган электрического чувства, своего рода активный электролокатор (такой орган и сейчас есть у многих видов вполне мирных рыб – например, у нильского сомика мормируса). Чувствительность такого органа тем выше, чем выше его мощность. Однако в какой-то момент мощность “батареи” у некоторых рыб оказалась настолько велика, что ее стало можно применять как оружие – и с этого момента она начала совершенствоваться уже в этом качестве. Мощный и острый хоботок сформировался у бабочки калиптры для того, чтобы прокалывать кожицу спелых плодов (калиптры и раньше лакомились соком лопнувших плодов – понятно, что при таком питании особи, которым не нужно ждать, пока слива или вишня лопнет, получают преимущество). Но на определенном этапе бабочки вдруг обнаружили, что кровь млекопитающих ничуть не менее питательна, чем фруктовый сок, а их оружие успешно прокалывает не только кожицу, но и кожу. В результате один вид этого рода уже превратился в заправского кровососа, другой находится в самом начале этого пути – кровь пьют пока только отдельные особи и только эпизодически. Кисть обезьяны сформирована необходимостью быстро и прочно захватывать ветки самой разной толщины – но позднее оказалось, что именно такая конечность лучше любой другой подходит для манипулирования предметами и орудийной деятельности. Такие сюжеты повторялись в эволюции столь часто, что видный немецкий эволюционист XIX века Антон Дорн обобщил их под названием “принципа смены функций”.

Современные исследования показывают, что в мире молекул этот феномен встречается едва ли не чаще, чем на уровне макроскопических структур и органов. Например, у некоторых беспозвоночных есть дыхательный пигмент гемоцианин. Делает он то же самое, что в нашем организме делает гемоглобин, – при помощи “встроенного” атома металла (только не железа, а меди) связывает кислород там, где его много, и отдает там, где его мало. Анализ его аминокислотной последовательности показал, что этот пигмент происходит от фермента тирозиназы – весьма древнего и имеющегося практически у всех в животных, в том числе и у нас. Тирозиназа тоже возится с кислородом, используя в качестве инструмента атом меди. Но она не просто связывает на время кислород, а катализирует его присоединение к аминокислоте тирозину, превращая ее тем самым в диоксифенилаланин (ДОФА) – полуфабрикат для производства ряда нейромедиаторов и других сигнальных веществ.

О подобных сюжетах можно написать много томов, но это увело бы нас слишком далеко от нашей главной темы. Поэтому вернемся к ней, ограничившись общим выводом: практически во всех случаях, когда эволюционную историю той или иной структуры (будь то белковая молекула, комплекс из нескольких десятков разных белков или такой сложный орган, как головной мозг) удавалось проследить, оказывалось, что эта структура – результат постепенного усложнения, дифференциации, изменения функций и т. д. какого-то предшествующего образования – возможно, несколько менее сложного и совершенного, но непременно полезного. Как в старом советском анекдоте про кладовщика, объясняющего компетентным органам, как он при своей скромной зарплате ухитрился приобрести самый дорогой из открыто продающихся автомобилей: “«Волгу» я купил, продав «Жигули» и добавив немного сбережений.

«Жигули» я купил, продав «Москвич» и добавив немного сбережений. «Москвич» я купил, продав «Запорожец» и добавив немного сбережений… А за «Запорожец» я свое уже отсидел!”

Откуда у героя анекдота мог взяться “Запорожец”, мы поговорим в главе “Откуда берутся новые гены?”. А пока сформулируем вывод: схема “сначала признак возникает, а потом уже его оценивает естественный отбор” принципиально неверна для сколько-нибудь сложных признаков – именно отбор и создает такие признаки, они возникают только в ходе отбора и никогда бы не возникли за счет одних только случайных изменений и их комбинаций. Это и есть та самая “творческая роль естественного отбора”, о которой мы говорили в главе “Кто автор «Давида»?”.

Миллиард обезьян, или Конкретный ответ

на сакраментальный вопрос

Казалось бы, после этого разговор о том, что дарвинизм якобы сводит всю эволюцию к случайности, просто нелеп. И, однако же, критики теории естественного отбора поколение за поколением азартно ломятся в открытую дверь, увлеченно доказывая очевидное – невозможность возникновения биологических структур путем случайной самосборки – и с завидным упорством игнорируя вопрос о естественном отборе.

Примерно с таким же успехом можно утверждать, что на смотровой площадке Исаакиевского собора никогда не ступала нога человека, ибо никакой человек не в силах запрыгнуть на такую высоту, – старательно отводя глаза от ведущей туда лестницы.

Впрочем, когда иные опровергатели Дарвина пытаются учесть в своих рассуждениях естественный отбор, конфуз получается еще оглушительнее.

“Вот мы видим нечто сложное и совершенное: розу например или 130й сонет Шекспира. <…> Эволюционист считает что множество случайных изменений плюс естественный отбор создали первое, так же они могут верить, что сто миллиардов обезьян стуча случайным образом по клавишам однажды напечатают второе. А чтоб включить сюда естетсвенный отбор нужно давать обезьянам бана каждый раз, когда она напечатает что-нибудь в рифму”, – пишет современный блогер, явно любуясь своим свободомыслием (орфография и синтаксис оригинала сохранены).

Каким образом можно “дать банан” мутагенезу (то есть случайным изменениям молекул ДНК), который в этом рассуждении олицетворяют “сто миллиардов обезьян”, – ведомо только его автору. Зато ему, видимо, неизвестно другое: к тому времени, когда он писал эти иронические строки, событие, невозможность которого он считал столь очевидной, уже произошло. Для этого не понадобились ни “сто миллиардов обезьян”, ни неограниченно долгое время. Генератор случайных букв в сочетании со специальной программой, разработанной американцем Джесси Андерсоном, справился с этим за 33 дня. И первым его продуктом стало именно произведение Шекспира – правда, не 130-й сонет, а поэма “Жалоба влюбленной”. “Виртуальная обезьяна” Андерсона выдавала случайные последовательности латинских букв, а программа, имитировавшая действие естественного отбора, сохраняла те сочетания букв, которые встречаются в произведениях Эйвонского барда (в памяти программы имелась не только “Жалоба влюбленной”, но и еще 38 шекспировских текстов, и сочетание букв сохранялось, если соответствовало хотя бы одному из них; просто полный текст “Жалобы влюбленной” возник первым). Отобранные последовательности букв срастались в строки и строфы (“правильные” соединения сохранялись, “неправильные” – снова разделялись на исходные части), и всего за месяц случайный набор букв сложился в творение гения.

Правда, “шекспиримент” Андерсона трудно считать точной аналогией дарвиновской эволюции: отбор последовательностей букв в нем велся на соответствие заранее заданному тексту – а для этого необходимо, чтобы такой текст уже в каком-то виде существовал. Понятно, что естественный отбор не “держит в голове” никакого идеального генома, к которому он стремится привести геном эволюционирующего вида, – он просто сохраняет и размножает все, что в данных конкретных обстоятельствах позволяет обладателю данного отличия размножаться успешнее, чем носители иных вариантов. Но нас в данном случае интересует не корректность “шекспиримента” как модели естественной эволюции и даже не то, можно ли создать модели более корректные. Нам важно было показать, что введение в модель отбора сразу же делает все рассуждения насчет “статистической невозможности” того или иного маловероятного события попросту не относящимися к делу.

С другой стороны, если бы можно было указать какие-то объективные признаки, отличающие более талантливый текст от менее талантливого, написать программу, генерирующую оригинальные поэтические шедевры, не составило бы труда. В 2012 году группа английских и японских исследователей во главе с молекулярным генетиком Робертом Мак-Каллумом из лондонского Имперского колледжа сделала нечто подобное применительно к музыке: “популяция” восьмисекундных звуковых последовательностей предъявлялась слушателям, которые должны были оценить каждую “мелодию”. Всякий раз после оценки худшая (набравшая наиболее низкие рейтинги) половина последовательностей “умирала”, а лучшая вступала в “скрещивание” – “мелодии” попарно обменивались своими элементами. Получившееся “потомство” вновь предъявлялось слушателям для оценки. В течение 400–600 поколений “дарвиновские напевы” (так назвали экспериментаторы свои эволюционирующие “мелодии”) стали значительно благозвучнее – как по мнению слушателей, так и по объективным показателям (ритмичности и гармоничности). Правда, после этого прогресс прекратился, но это и понятно: в эксперименте не были предусмотрены мутации, эволюция могла выбирать только разные сочетания одного и того же числа одних и тех же элементов. Нам же в этой истории важно, что отбор не на соответствие какому-либо образцу, а на сугубо функциональные качества (приятность для уха слушателя) также ведет к появлению смысла в исходно бессмысленных последовательностях.