Дмитрий Шабанов: Добиологический отбор

Для дарвиновской эволюции достаточно всего четырёх предпосылок: размножения, изменчивости, наследственности и отбора!

Да... Обсуждение аргументов, выдвигаемых против эволюционной биологии, свелось к выяснению отношений с комментаторами на сайте "Компьютерры"...

Меня попросили развить тему добиологического отбора. Выполняю эту просьбу. Бесконечные споры с людьми, которые раз за разом придумывают за меня какие-то аргументы, а потом радуются, показывая вздорность собственных выдумок, вести не буду. Впрочем, многое в этой колонке касается и их комментариев.

Итак. Для завязки – цитата из креационной агитки.

"Естественный отбор по определению не смог бы функционировать до появления первой живой клетки. Он мог действовать применительно лишь к тем организмам, которые способны самовоспроизводиться, то есть применительно к клеткам, содержащим молекулу ДНК, передающую генетические изменения последующим поколениям. Без ДНК не существует самовоспроизводства, а без самовоспроизводства не существует естественного отбора. Поэтому невозможно объяснить происхождение самой ДНК как результат естественного отбора"...

- Креационистский фильм "Раскрывая тайну жизни"

Странно. А кто давал столь узкое определение естественному отбору? А-а-а, сами же креационисты... Ну, это их излюбленный способ аргументации: подмена утверждений оппонентов. На самом-то деле отбор в самой общей форме можно рассматривать как дифференциальное (зависимое от свойств) воспроизводство. Не очень понятно? Поясню подробнее.

Для эволюции достаточно всего лишь следующих предпосылок:

• существуют единицы (репликаторы), способные к воспроизводству (созданию своих копий);
• репликаторы могут приобретать новые признаки (например, при помехах в ходе воспроизводства);
• при воспроизводстве особенности репликаторов (по крайней мере, некоторые) передаются их копиям;
• эти особенности влияют на вероятность воспроизводства репликаторов.

Иначе элементы этой тетрады можно назвать размножением, изменчивостью, наследственностью и отбором.

Тут есть терминологическая тонкость. Иногда отбором (а также селекцией) называют результат действия описанной тетрады – изменение состава репликаторов, соответствующее среде, в которой они находятся. Здесь мы будем называть это изменение эволюцией (дарвиновской эволюцией). Описанный механизм обеспечивает эволюцию (изменение) репликаторов, обеспечивая их соответствие актуальным условиям среды.

Несколько дополнительных замечаний. Некоторые из особенностей репликаторов могут влиять на их воспроизводство, но не передаваться их копиям. На этом уровне анализа их можно рассматривать как шум.

Насколько далеко может зайти эволюция, зависит от изменчивости репликаторов. Если бы она была ограничена начальным разнообразием, процесс остановился бы, когда остались бы самые адаптивные из исходных форм. Зато если изменения могут возникать в ходе воспроизводства, перед эволюцией репликаторов открываются замечательные перспективы. Помните, что я писал о многократном отборе с накоплением полученного в его результате опыта?

Конечно, перспективы эволюции могут быть ограничены различными препятствиями к размножению репликаторов. Воспроизводство требует ресурсов; ресурсы не могут быть бесконечными. Наилучшие перспективы эволюция репликаторов имеет в том случае, если некоторые из них разрушаются, а использованные на их построение ресурсы становятся доступными для других репликаторов. Раз так, то успех воспроизводства репликаторов должен складываться из двух слагаемых: их сохранения и их репликации. Отбор можно рассматривать как дифференциальное выживание и дифференциальное размножение. Впрочем, можно учитывать только размножение, исходя из того, что тот, кто не выжил, тот и не размножился.

Хватит теории. Посмотрим, как это работает. Вначале обсудим искусственную молекулярную селекцию.

В 1981 году Томас Чек (Thomas Cech) при исследованиях инфузории тетрагимены открыл рибозимы – молекулы РНК с каталитической активностью. Раньше считали, что биологическими катализаторами являются только ферменты (энзимы) – белки.

Рибозимы можно использовать в различных технологических целях. Зная последовательность необходимого нам рибозима, его можно синтезировать нуклеотид за нуклеотидом (вы ведь помните, что нуклеиновые кислоты, в том числе РНК, – это полимеры нуклеотидов?). Затем эту последовательность можно размножить с помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции). Нужный рибозим помещают в ПЦР-амплификатор (умножитель): реактор, содержащий нуклеотиды и ферменты, которые синтезируют по цепочке РНК соответствующую ей вторую цепочку. В ПЦР-амплификаторе повышают температуру, и цепочки отделяются друг от друга. Снижают температуру, выжидают. На обеих цепочках строится ещё две. Повышают. В реакторе уже четыре цепочки. Снижают, выжидают, повышают: восемь. Снижают, выжидают, повышают: шестнадцать...

Но как найти последовательность рибозима, который нужен для какой-то технологической цели? В живой природе его, скорее всего, нет. Рассчитать, каким должен быть этот полимер, чтобы после сворачивания он образовал пространственную структуру из атомов и зарядов, которая будет взаимодействовать с нужным веществом, - сложнейшая задача. Проще поручить её выполнение отбору.

Закрепляем на поверхности молекулы-мишени. Пропускаем мимо них случайную смесь олигонуклеотидов (недлинных фрагментов) РНК. Те молекулы РНК, которые способны связываться с мишенями, задержатся на них, а прочие – будут унесены. Изменим условия, чтобы смыть связавшиеся молекулы. Синтезируем в ПЦР-амплификаторе их копии (с определённой долей ошибок). Опять прогоним получившуюся смесь мимо мишеней. В конце концов можно прочесть последовательности, которые получились, и работать уже с ними.

Вероятно, "доводка" результата, чтобы он соответствовал технологической задаче, всё равно останется необходимой, но она будет основываться на последовательности, которая создалась "сама собой", "на основе случайности".

Дарвиновскую эволюцию пытаются объявить невозможной, поскольку она базируется на случайности. Как вы считаете, случайно или закономерно в ходе описанной процедуры получается последовательность РНК, соответствующая молекуле-мишени? Конечно, закономерно, ведь закономерность вполне может основываться на случайностях! Важно, чтобы одновременно действовали размножение, изменчивость, наследственность и отбор.

Но описанные процессы происходят в условиях, контролируемых человеком. Нам скажут, что они требуют управления со стороны творца. А вот в условиях ранней Земли...

В условиях ранней Земли должны были происходить подобные процессы.

Планеты формируются при образовании звёздных систем. Большая часть вещества таких систем концентрируется в звёздах, где в результате гравитационного сжатия запускаются термоядерные процессы. Энергия звёзд излучается в космос, нагревая планеты. Так, в случае Солнца и Земли температура видимой поверхности звезды примерно равна 6000°К (внутри намного горячее!), поверхности планеты – порядка 300°К, а температура открытого космоса ненамного выше абсолютного ноля – около 4°К. Планета находится в потоке энергии звезды, поглощает и переизлучает его.

Вероятно, ситуация, при которой у звезды есть несколько планет, является вполне типичной. На тех, что ближе к звезде, будет жарко, на далеких – холодно, но некоторые окажутся в том диапазоне температур, где будут образовываться разнообразные органические вещества.

Органика часто образуется в результате обратимых реакций. Равновесие между синтезом и распадом сложных веществ зависит от условий среды, в частности – от температуры. Смена дня и ночи, зимы и лета будет порождать колебания состояния химического равновесия. Планета ведёт себя как ПЦР-амплификатор: то повышает, то снижает температуру!

В синтезе, а потом в разрушении сложной органики могут принимать участие конкурирующие автокаталитические реакции. Речь идёт о реакциях, протекание которых стимулируется их собственными продуктами. Такие реакции – редкость? Нет.

Классический пример таких реакций – реакция Бутлерова, синтез моносахаридов из формальдегида в щелочном растворе с катализаторами. Её открыл в середине XIX века Александр Михайлович Бутлеров, создатель теории строения органических веществ. В XX веке эту реакцию стали изучать с особым интересом, надеясь, что с её помощью можно получать пищу для космонавтов. Увы, кроме тех моносахаридов, которые пытаются получить с её помощью, помещая в реакционную смесь требуемые затравки, получаются и иные, делающие смесь на выходе токсичной. Зато изменчивость продуктов реакции и конкуренция между образующими их процессами делает реакцию Бутлерова замечательным объектом для изучения дарвиновской эволюции автокаталитических реакций!

То, какие сахара будут "побеждать" в конкуренции за реагенты в реакции Бутлерова, зависит от условий. В цитированной статье, например, сообщается, что при наличии апатитов (фосфорсодержащих пород) в реакции Бутлерова почти селективно получается рибоза – сахар, образующий основу цепочки РНК. В присутствии силикатов (чрезвычайно распространённых кремнийсодержащих пород) состав продуктов реакции Бутлерова стабилизируется, то есть возрастает наследуемость определённого состава продуктов реакции.

Главное, что в этих условиях наблюдается размножение, изменчивость, наследственность и отбор. Есть все основания ожидать преобразования геохимического круговорота в биогеохимический. И – о чудо! – биогенный круговорот оказывается организованным практически так же.

С этой точки зрения вопрос, кто появился первым - гетеротрофы или автотрофы, лишён смысла. Жизнь возникала в виде экосистем, где реализовался круговорот веществ, и синтез органики, и её распад.

Так, допустимый объём колонки исчерпан... Как только что-то начинаешь объяснять подробнее, место для текста и время для объяснений утекают, как сухой песок сквозь неплотно сжатые пальцы. Уважаемые читатели, захотите – расскажу о возможных переходных этапах между миром автокаталитических реакций и миром жизни в следующий раз.

Запомните: размножение, изменчивость, наследственность, отбор!