Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

• Название: Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
• Автор: Питер Эткинз
• Жанр: Математика
• ISBN: 978-5-17-051198-3, 978-5-17-050272-1, 978-5-271-19820-5, 978-5-271-19821-2

Эта книга предназначена для широкого круга читателей, желающих узнать больше об окружающем нас мире и о самих себе. Автор, известный ученый и популяризатор науки, с необычайной ясностью и глубиной объясняет устройство Вселенной, тайны квантового мира и генетики, эволюцию жизни и показывает важность математики для познания всей природы и человеческого разума в частности.

---

Одним из подходов к выявлению единицы отбора является установление сущности, которая является потенциально бессмертной. Бессмертными являются атомы, но они представляют царство минералов, а не царство организмов. Компоненты, из которых формируется двойная спираль ДНК («нуклеотидные основания», которые мы обсуждаем в главе 2), не несут жизни внутри, так же как буквы алфавита не являются литературой. Даже если бы эти компоненты были бессмертны, считать их живыми не приходится. Геном человека, полный набор ДНК в каждой клетке, также не бессмертен, поскольку он постоянно меняется в процессе, называемом мейотической рекомбинацией, который сопровождает половое воспроизведение, когда одна цепочка — генов — заменяется другой (обсуждение этой проблемы также содержится в главе 2). Тут мы меняем уровень, переходя к генам, репродуктивно активным цепочкам ДНК. Ген потенциально бессмертен — пока не подвергнется мутации — так как он переносится от генома к геному, от мыши к мыши, оставаясь практически неповрежденным.[3] Является ли тогда именно он единицей отбора? В своей книге Адаптация и естественный отбор (1966) Джордж Уильямс утверждал, что ген следует рассматривать как некоторую порцию хромосомного материала, потенциально сохраняющуюся в поколениях, число которых достаточно для того, чтобы считать ее единицей естественного отбора. Оксфордский зоолог Ричард Докинз (р. 1941) в своей заслуженно знаменитой книге Эгоистичный ген (1976) безжалостно развил эту идею и проследил, как посредством эгоистического действия ген разворачивается в биосистему и обеспечивает свое собственное выживание.

Я упоминал в Прологе, что наука, как правило, углубляет свои прозрения и умножает свои успехи, переходя на более высокие уровни абстракции. Эта тенденция заметна и в биологии. Естественный отбор играет роль естественной кучи компоста для произрастания абстракций, а идентификация гена как единицы отбора явилась главным шагом в данном направлении. Докинз ищет поэтому естественный отбор, протекающий на самом низком уровне, в генах, и считает организм лишь временно используемым сосудом, который безжалостно эгоистичный (в техническом смысле, я подчеркиваю) ген арендует, чтобы обеспечить свое собственное распространение. Бессознательный ген формирует свой сосуд, его фенотип, так, чтобы наилучшим образом приспособить его к окружающей среде, ибо именно наиболее приспособленный сосуд будет гарантировать распространение гена.

Но существует более низкий уровень отбора, еще более абстрактный, чем ген, потенциально даже более бессмертный. Ген кодирует фенотипическую информацию, такую как информация о строении тела, его окраске или физиологических модификациях, необходимых для усиления громкости рыка. Ген представляет собой физическую целостность, которая вынуждена обновляться, когда метаболические процессы копируют нити ДНК и обеспечивают поступление копий в каждую клетку и к следующему поколению. Сам по себе, как физическая целостность, даже ген не бессмертен, ибо физический ген должен непрерывно перестраиваться. Тот факт, что в ДНК закодирована информация, только деталь, ведь функция не есть основание. Но когда мы рассматриваем ген как единицу отбора, мы в действительности фокусируемся на информации, которую он передает, и точно так же как тело организма пригодно для использования в качестве сосуда для генов, так и последовательность элементов ДНК есть подходящая физическая реализация для информации, содержащейся в гене. Подлинно бессмертной компонентой жизни является не физический ген, ею является абстрактная информация, которую он содержит.[4] Информация бессмертна, и информация безжалостно эгоистична. Генетическая информация, вероятно, является предельной единицей отбора, с ДНК в качестве своей реализации и с телом в качестве сбрасываемого служебного сосуда.

Живой мир возникает, когда неорганическое вещество спотыкается на пути, проходящем среди сложной, непредсказуемой информации, и обнаруживает, что может обеспечить бессмертие для этой информации, непрерывно воспроизводя ее. И здесь зарыта еще одна неистово бегущая Красная Королева, ибо постоянство достигается только вечным воспроизведением. Подобным же образом наш собственный номинально цивилизованный, культурный, разумный и рефлексирующий уровень жизни возник, когда организмы на пути, проходящем среди сложной, непредсказуемой информации, споткнулись о другие организмы, окружающие их и следующие за ними. Когда это случилось, был изобретен язык и все человеческие организмы, прошлые, настоящие и будущие, эффективно спаялись вместе в единый мегаорганизм с потенциально неограниченными возможностями.

После этой риторической, но прочувствованной пышности слога самое время спуститься к проблемам пола. Одним из наиболее загадочных проявлений естественного отбора является эволюция полового воспроизводства. На первый взгляд пол выглядит хорошей идеей, в том смысле, что он наделяет виды генетической гибкостью и быстрой реакцией на меняющиеся условия. Однако здесь имеются проблемы.

Во-первых, пол не является необходимым. Довольно многие виды превосходно обходятся без него. Партеногенез (непорочное зачатие) обычное дело у растений, где его более уместно называть партенокарпией. Мы уже упоминали партенокарпические одуванчики, но могли бы добавить и много других распространенных растений, таких как черная смородина (Rubus) и манжетка обыкновенная (Alchemilla). Неполовым путем размножаются и некоторые рептилии, наиболее заметны ящерицы Нового Света рода Cnemidophorus (семейство Teiidae), ящерицы Старого Света рода Lacerta (семейство Lacertidae) и слепозмейка (Raphotyphlops braminus; семейство Typhlopidae). Никакие млекопитающие неполовым путем не размножаются, если не считать противоположных утверждений из Библии.

Во-вторых, пол неустойчив. Предположим, что некоторый вид размножается половым путем, и каждая пара производит многочисленное потомство, в котором половина мужских особей и половина женских. Чтобы численность популяции оставалась приблизительно постоянной, все потомство, за исключением примерно двух особей, должно погибнуть, чтобы остались в среднем одна мужская особь и одна женская. Предположим теперь, что с одной из женских особей случилась мутация, и она приобретает способность размножаться неполовым путем. Она снова произведет многочисленное потомство, из которого выживут примерно двое; однако они, являясь клонами матери, будут обе женского пола. Обе могут размножаться с помощью партеногенеза, производя еще больше самок. При условии, что одна асексуальная самка производит столько же потомков, сколько пара сексуальных партнеров (спорное предположение, разумеется, поскольку отцы часто выполняют определенные функции и после копуляции), через несколько поколений партеногенетическая женская популяция затопит исходную. Чтобы обеспечить устойчивость, у пола должно быть некое уравновешивающее преимущество.

В-третьих, пол в высшей степени сложен. Половое воспроизведение зависит от загадочного механизма мейоза, в котором, как мы увидим в главе 2, число хромосом в зародышевых клетках (гаметах, сперме и яйцеклетке) делится пополам, но восстанавливается снова в соматических (типичных для тела) клетках после оплодотворения. Насколько же невероятно мощным должно быть селективное давление, чтобы привести к развитию столь «умного» механизма? Нет ничего необычного в развитии сложных механизмов путем сталкивания вместе и видоизменения уже существующих анатомических и биохимических свойств — примером являются бесчисленные независимые случаи эволюции глаза — но, как и само обладание глазом, пол был подарком, захватывающим дух, предложением, от которого организм не мог отказаться.

Оксфордский биолог Уильям Гамильтон (1936-2000), которого Ричард Докинз считал кандидатом на титул самого выдающегося дарвиниста после Дарвина, полагал, что он идентифицировал этот подарок. Гамильтон глубоко интересовался паразитами, и незадолго до того, как он сам был иронически и трагически сражен одним из них, заболев малярией, предположил, что пол дает возможность организму оставаться на шаг впереди охотящихся на него паразитов. Совместная эволюция паразита и хозяина, в которой каждый из участников создает быстрое изменение среды для эволюции другого, нуждается в быстром и специфическом типе реакции, которую может обеспечить пол. Тщательный анализ динамики сосуществования, скорее похожего на маневрирование наций в период «холодной войны», показывает, что пол создает преимущество, обеспечивая механизм сохранения генетической информации, которая становится избыточной, но может быть востребована снова, когда генотип паразита возвращается к предшествующей инкарнации. Иными словами, пол создает хранилище для мечей в эпоху мушкетов, но мушкеты могут быть сняты с вооружения. Припрятанные мечи, однако, бесполезны, если мушкеты уступают место ядерному оружию; то есть пол бесполезен, если паразит скорее вырабатывает новую стратегию, чем возвращается к старой. Эта теория остается умозрительной, так как зависит от наличия специфической эволюционной связи между паразитом и хозяином, и ее трудно подтвердить экспериментально.