5. Проблемы дарвинизма

Как показано выше, теория самоорганизации дискретных элементов в природе объясняет основные факты эволюции Жизни на нашей планете. Но я не специалист в этой области науки, и поэтому не знал многих выступлений ученых, критикующих дарвинизм. И что характерно. По крайней мере, у нас в России эта критика часто замалчивается или ей не предается существенного значения. Видимо апологеты «эволюционного учения» боятся разрушения своих догматов, которые они пытались внедрить в науку в течение всей своей жизни. Само слово – «эволюционное ученье» имеет смысл некоей непререкаемой догмы, типа учения Библии или Корана, да и многих других «учений» в философии и религии. Но дарвинизм это (по моему глубокому убеждению) наука, а наука всегда развивается, совершенствуется, часто отбрасывая или существенно перерабатывая свои прошлые, устаревшие умозаключения или сложившиеся нормы и правила.

Поэтому я ниже перечислю все известные мне проблемы, с которыми встретился дарвинизм и попробую хотя бы часть из них устранить, основываясь на концепции алгоритмов самоорганизации.

Теория Дарвина совершила революцию в науке, объяснила то, что Жизнь на Земле существует очень давно (не 6000 лет, как следует из Библии) и постоянно развивается с усложнением организмов. Объясняется этот процесс очевидными явлениями изменчивости и естественного отбора. В настоящее время происходит не только эволюция биосферы, но и эволюция человеческих сообществ, и эволюция машин (технический прогресс). Как видно из всего сказанного выше закономерности эволюции биосферы легко распространяются на социальную сферу, и на совершенствование технологии производства машин.

Но остается и много вопросов:

1. Почему изменчивость разных структур организмов различна? От легко доступных изменений пропорций тела, например, тех же дрозофил или собак, до абсолютно неизменных структур. Например, алгоритм синтеза белков, работающий во всех организмах без исключения, сохраняется уже миллиарды лет. Этот срок необозрим, непредставим для человеческого разума. Нет примеров такой стабильности на Земле, кроме других настолько же древних алгоритмов (фотосинтез). Почему, например, сейчас не образуются новые классы животных и растений? Все попытки изменения искусственным отбором сильно изменяют организмы, но создаются только новые породы. Виды же остаются неизменными, тем более, классы. Отметим, что мы принимаем определение вида как разделение по невозможности свободного скрещивания. Это, конечно, не всех удовлетворит, но для нашего описания этого вполне достаточно.

Эта проблема, если принять нашу концепцию алгоритмов самоорганизации, легко объяснима. Возьмем для примера обычное высшее животное с четырьмя ногами, хвостом и головой, на которой расположены два глаза. Эти элементы организма возникли много сотен миллионов лет назад. Даже у рыбы есть два глаза, хвост и плавники. Поэтому изменить здесь что-либо не удастся – алгоритм накопления опыта вместе с алгоритмом восстановления испорченной информации так закрепили эту наследственную информацию, повторив её в генах много, много раз, что что-нибудь добавить или убавить в ней невозможно. Заметим, в качестве сумасшедшей идеи, что многие крупные единицы классификации организмов образовались в кембрийском периоде, примерно 550 миллионов лет назад. Идея заключается в том, что именно тогда образовалась ДНК, которая легко свивается в многократно закрученную спираль, создавая этим возможность работы алгоритму восстановления испорченной информации. А до этого времени был «мир РНК». И наследственная информация организмов была гораздо менее стабильна (Рис. 8).

Рис. 8. Развитие жизни с начала времен.

Перевод английских надписей рис. 8. Big bang – большой взрыв; цифры справа – миллиарды лет (billions); цифры слева – миллионы лет; Dinosaur extinction – вымирание динозавров; Major extinction – «Великое» вымирание; Cambrian radiation – кембрийская вспышка; О₂ – кислород; Abundant life – обилие жизни; Oldest rocks – старые скалы (камни); End of bombardment – конец бомбардировки (видимо, метеоритами).

На рисунке отчетливо видно, что сначала был мир РНК (RNA), а затем появилась ДНК (DNA). И замечательно то, что практически сразу возникло изобилие организмов кембрийского периода.

2. Чем объяснить направленность эволюции в целом от простого к сложному и необратимость её? Возникновение начальных алгоритмов эволюции привело к лавинообразному нарастанию числа примитивных организмов в «первобытном бульоне». Увеличение их сложности создал сам естественный отбор, так как более сложные организмы могут противостоять более разнообразным условиям внешней среды, жить в большем диапазоне их изменений.

Другое дело – сохранить эту сложность в потомках. Этого сделать естественный отбор не может. Об этом я писал выше – внешние разрушающие факторы внешней среды на Земле очень часто выходят за пределы, терпимые для организмов. И они гибнут. Но гибнут одинаково, и простые, и сложные. Но не все! Часть из них успеет оставить потомство. И если работает алгоритм накопления опыта, то полученное в результате естественного отбора изменение сохраняется в наследственной памяти во все большем количестве копий, по мере повторных размножений. Разрушить вновь приобретенное благоприятное свойство все трудней и трудней, так как копии сравниваются между собой и исправляются в этом сравнении. Зависимость здесь весьма нелинейная (см. рис. 8).

Таким образом, первый алгоритм (размножения и отбора) выделяет более сложные организмы, а второй и третий алгоритмы (накопления опыта и восстановления испорченной информации) сохраняют их при размножении организмов. Поэтому эволюция идет по пути увеличения сложности организмов. Но не всех. Некоторые организмы попадают в благоприятную нишу обитания, и у них нет причин для изменчивости. И если эти благоприятные условия сохранялись достаточно долго, структуры и функционирование организмов закрепляются в потомках, «создают» формы, свойственные только данному организму, выделяют его из среды других. Так образовались все таксонометрические единицы.

Причина необратимости эволюции описана выше (см. Алгоритм накопления опыта).

3. Следующий недостаток дарвинизма, как научной теории – неспособность предсказывать ход эволюции, в частности, появление новых видов.

Важным свойством научной теории является то, что она предоставляет проверяемые объяснения и предсказания. Но дарвинизм это не теория создания каких-либо организмов. Она объясняет лишь механизм, «технологию» их появления и развития. Применение упомянутых выше алгоритмов самоорганизации определяет предсказание направленности эволюции в целом к увеличению сложности. Кроме этого очевидны и следующие предсказания [16], вытекающие из теории эволюции: эволюция живых существ потенциально беспредельна, все ныне существующие организмы – не окончательно застывшие формы, и принципиально способны к дальнейшей эволюции. Далее. Вновь возникающие виды или популяции не дадут полного повторения, каких-либо прежде существовавших; «динозавры вновь не появятся». При любых грубых нарушениях в биосфере жизнь не исчезнет, и будет восстанавливаться, и многообразие ее проявлений будет опять возрастать. Полностью уничтожить жизнь на планете можно разве что только вместе с ней.

Если основные факторы эволюции усилятся (т. е. мутаций станет больше, размножение обильнее, отбор жёстче), то скорость эволюции возрастёт.

Появляющиеся новые среды возможного обитания (вроде, например, жилищ или иных сооружений человека) будут постепенно заселяться специфически адаптированными к ним обитателями.

Предсказывать появление какого-либо конкретного вида действительно невозможно, так как требуется предсказать условия внешней среды, которые будут влиять на его естественный отбор. Предсказать же вероятностный характер этого процесса принципиально нельзя.

Такая же ситуация и с эволюцией техники. Ясно, что там действуют алгоритм размножения и отбора и алгоритм накопления опыта. Ясно также, что по мере развития техника усложняется. Но предсказать некую ассоциацию в мозгу некоего изобретателя, которая приведет к созданию новой машины или технологии невозможно. Опять мы имеем дело со случайным процессом.

В социальных системах также действуют законы эволюции. Но кроме обычных случайностей этот процесс осложняется сознательными действиями людей. Об этом еще будет большой разговор позднее.

А вот увеличение сложности уже по отношению к человеку (если цивилизация выживет) может привести к расширению элементной базы организмов, т.е. внедрению в него небиологических устройств, что уже и делается. Но это направление дальнейшей эволюции только зарождается, но, похоже, имеет большое будущее. У меня самого в организме встроен генератор сердечных импульсов (электрокардиостимулятор). Дальнейший путь, это как раз возникновение нового вида организмов (киборгов), предсказать конкретную «конструкцию» которых невозможно.

4. Не объясняет отсутствие переходных форм видов. В разделе под названием «Трудности теории» в его книге Ч. Дарвин пишет так: «Если на самом деле виды произошли друг от друга, постепенно развиваясь, то в таком случае, почему мы не сталкиваемся с бесчисленным количеством переходных форм? Почему в природе все на своих местах, а не в хаосе? Должны быть бесчисленные переходные формы в многочисленных слоях земли… Почему каждое геологическое строение и каждый слой не наполнены этими связующими звеньями? Геология не смогла выдвинуть поэтапного процесса, не обнаружила переходных форм и, возможно, в будущем это будет самым веским аргументом против моей теории».

Единственным объяснением, которое Дарвин предлагал для решения данной проблемы, была нехватка в те годы палеонтологических находок. Он утверждал, что «при более детальном изучении останков, переходные формы будут обязательно найдены». Во времена Дарвина геолого-палеонтологический материал был действительно очень скудным. Но с тех пор прошло полтора столетия, и в огромном накопленном за это время палеонтологическом материале учеными было обнаружено множество «внутриродовых» переходных форм, например переходные формы в ряду эволюции лошадей или обезьян. Однако, при этом, не были найдены никакие переходные формы, связанные с появлением новых сложных систем, – например, новых органов.

Какие органы?! Они, в основном, появились 500-600 млн. лет назад в период кембрийской вспышки. Тем более, фактически неверно, что дарвиновская теория как-то ограничивает скорость эволюции или масштабы эволюционных перемен. Не скачки это, а плавные переходы, продолжающиеся многие тысячи лет.

Но ещё важнее другое. Образовавшееся путём «скачка» «живое существо, имеющее совершенно новый тип организации, чтобы выжить, должно, во-первых, обладать высочайшей степенью слаженности, согласованности всех процессов развития и функционирования всех своих систем; во-вторых, оно должно сразу же оказаться в благоприятных для него внешних условиях, в которых оно смогло бы выдержать жестокую борьбу за жизнь с уже существующими организмами и далее размножиться. Возможность одновременного осуществления этих внутренних и внешних условий не только маловероятна – она просто неправдоподобна» [17].

Сформулируем теперь общий подход к проблеме скачков.

В биологических системах элементарная база для этого существует в виде дискретности генов. Далее. При наличии энергии может возникнуть цепочка последовательных переключений при наличии положительной обратной связи. Мы имеем в виду цепочку последовательных химических реакций нуклеотидов и им подобных органических веществ. Такие цепочки легко могут замкнуться в циклический алгоритм. И он будет постоянно работать (переключаться), если есть энергия и положительная обратная связь. Говоря языком техники, возникнет система релаксационных колебаний. Такие генераторы колебаний существуют в большом разнообразии в различных устройствах электроники, от бытовых приборов до сложнейших устройств автоматики типа авиационной и космической техники. Но и биологические цепочки могут образовывать многосвязную сложную цепь, если это допускают условия окружающей среды. То есть, в зависимости от внешних условий или от многообразия внутренних «взаимоотношений» это функционирование может становиться все более сложным, разнообразным, закрепляясь в наследственной памяти. И действует постоянный контроль естественного отбора.

Опустимся теперь, вместе с Вами, читатель, в сложнейшую систему функционирования организма. Куда тут системам, созданным человеком. Все гораздо сложнее. Все вокруг нас шевелится, куда-то перетекает, срывается, щелкает, и далее подойдут все придуманные человеком слова, определяющие любые действия. Может и не хватить этих слов.

Но в такой сложной системе велика вероятность возникновения новых структур и, главное, новых алгоритмов. Примеры этого есть в неорганическом мире – синергетика. При этом оказывается важным свойство накапливать «молчащие» изменения. Таким образом, вероятность «скачка» в образовании новых единиц классификации организмов довольно высока. Плавные же изменения в организмов (по Дарвину) практически приводят к образованию пород домашних животных или подвидов (в диком мире).

5. Не объясняет, как возникают формы, которые не могут быть получены плавным переходом – органы организма (глаза, печень и т.д.), циклы (алгоритмы) функционирования (фотосинтез и т.п.), формы поведения (танец пчел, взаимоотношения в сообществах общественных насекомых и многое другое). Дарвин и сам признавал, что его теория не дает удовлетворительного объяснения механизма возникновения дискретных структур. Он писал: «Предположение о том, что глаз, со всеми его филигранными механизмами регулировки фокуса хрусталика, настройки на яркость света и коррекции сферических и хроматических аберраций, возник в результате естественного отбора, – может показаться, будем смотреть правде в глаза, в высшей степени абсурдным».

Наша идея такова, что в основном существует только топологическая изменчивость. То есть, меняются уже существующие системы и органы. Здесь царствует естественный отбор. Но можно представить и дискретную изменчивость. Гены дискретны. То есть основа дискретности заложена. Но почти всегда, это кажется очевидным, единичная мутация повлечет за собой изменения и других, рядом расположенных или зависимых от нее элементов наследственной информации организма.

Первоначально такая мутация запоминается, как безразличная для выживания информация. При этом в организме возникает некое малое новообразование, которое может вызвать цепочку последовательных реакций. Эта цепочка, в свою очередь, может замкнуться в алгоритм. Так же как и самые первые алгоритмы эволюции. Но алгоритм во всех случаях работает, както влияет на свое окружение. И, следовательно, может что-то изменить в организме. И эта изменчивость также как и все остальное, попадает под естественный отбор. Но алгоритмы могут эволюционировать, это ясно видно на примере алгоритма размножения. Так, например возникновение и развитие больших дискретных органов типа сердца, печени и т.п. хорошо видно в процессе эмбрионального развития. Возникает не только структура органа, но и формируется его функционирование. То есть скачок существует, но он очень мал. Эволюционное образование многих дискретных органов легко прослеживается в этапах эволюции.

Рис.9 Актиния Nematostella.

Но если это новообразование, начав расти, приводит к вреду, к уменьшению способности выживания организма, то он быстро умрет, не дав потомства. Такая изменчивость видимо была широко распространена на начальных этапах жизни, в мире РНК, когда массивы повторяющейся наследственной информации были невелики. В современных условиях вероятность возникновения такой цепочки событий остается.

Раковые клетки или информация о них (предрасположенность к раку), уж точно, переходят по наследству. Но такие организмы должны, по требованию эволюции, вымирать. Это одна из главных проблем цивилизации – не вымирает никто! Рак – это пример возникновения изменчивости, как и другие наследственные болезни. Конечно, такие люди не должны «вымирать», но потомков они оставлять не должны!

По поводу танца пчел. Ситуация аналогична. Этот алгоритм имеет возможность развития. Прилетела пчелка с добычей. Наверняка она должна как то дать знать об этом в улье. Она трясется, вертится, машет крылышками. Но она только что летела, выбирала направление.

Поэтому ее движения будут связаны с этим полетом. Они не будут равновероятны по всем сторонам. Этими движениями «заразятся» ее «товарки». Не сразу, конечно, и не все. Но начало будет положено и естественный отбор отточит эту методику.

6. Не существует корреляции между количеством генов и сложностью организма. Да, это так. Разница между геномами различных многоклеточных, хотя эволюционное расстояние между ними огромно, существенно менее велика (в относительных единицах, например, в процентах). В процессе эволюции многоклеточных гены дуплицировались, изменялись, но принципиально новые гены почти не появились. Приведем факты из книги А.В. Маркова [14]. «И вот в 2007 rоду американские ученые сообщили о «черновом» прочтении генома актинии Nematostella. (Рис. 9) геном состоит из 15 пар хромосом, имеет размер около 450 млн. пар нуклеотидов (в 100 раз больше, чем у кишечной палочки, и в 6 раз меньше, чем у человека) и содержит примерно 18000 белок-кодирующих генов, что вполне сопоставимо с другими животными.

Геном актинии был весьма широк и включал не менее 7766 генных семейств. Человек унаследовал не менее 2/3 своих генов от общего с актинией предка; сама актиния – примерно столько же. Сходство затрагивает не только набор генов, но и порядок их расположения в хромосомах. Получается, что геном на удивление мало изменился при становлении животного царства».

Это вполне подходящий «общий предок», от которого произошли все остальные организмы. По крайней мере, пока не будет найден еще более древний организм с такой генной структурой.

Теперь это малое изменение легко объяснить работой алгоритма накопления опыта. Как только появилась ДНК и хромосомы, он начал работать в полную силу. И с повторением многочисленных поколений организмов «намертво» закрепил содержимое наследственной информации. В дальнейшем изменчивость, в основном, обеспечивалась повторением или перетасовкой уже имеющихся генов. Конечно, остались и другие механизмы формирования изменчивости. Природа вынуждена была бороться с этим окостенением. Тут и половое размножение, кроссинговер и т.д.

7. Проблема «точеных» мутаций. Выше мы излишне эмоционально «запретили» точечные мутации. Видимо структура и работа алгоритмов накопления опыта и восстановления испорченной информации за прошедшие миллиарды лет сильно изменились, дополнившись многими усложнениями.

В учебниках по биологии принята следующая классификация мутаций согласно синтетической теории эволюции:

Геномные мутации связаны с образованием организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя наборами хромосом или изменение числа хромосом.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря или удвоение части генетического материала одной или нескольких хромосомах, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую. Крайний случай – объединение целых хромосом, так называемая, Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной.

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, потери и вставки одного или нескольких нуклеотидов, переносы, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях.

Точечная мутация – тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов.

Первые два типа мутаций имеют значение для половых клеток и ими «занимается» естественный отбор. Точечные мутации происходят во всех клетках организма, и они весьма многочисленны. Известен следующий расчет (М. Бернет)3.

Ежедневно у человека вступает в митоз (деление клеток) от 10¹¹-10¹² клеток. Предположим, что какое-либо мутационное изменение встречается с частотой 10^-6 на одно деление. Из этого следует, что ежедневно, должно накапливаться количество мутаций, равное 10⁵. Если принять, что в одной клетке происходит только одно мутационное событие, то к зрелому возрасту (приблизительно к 27 годам; 10000 дней) в организме человека должно накопиться около 10⁹ мутантных клеток. Человек этот должен был давно умереть!

И от этой точечной мутации нет защиты. С самого начала Жизни она всегда находилась под действием жесткого космического излучения и других разрушительных и непреодолимых факторов. Но искажение наследственной информации соматических (не половых) клеток организма недопустимо. Иначе организм непрерывно искажался бы, и быстро умирал. Но этого нет! В клетках непрерывно работает алгоритм восстановления испорченной информации, который исправляет повреждения с не меньшей скоростью, чем они появляются.

Аналогична ситуация и для половых клеток. Полезная для выживания информация, закрепленная опытом многих поколений, защищена от изменчивости этим же алгоритмом. Но оказалось, что эта защита слишком сильна, и Жизни пришлось искать методы, ослабляющие эту защиту. Об этом много говорилось выше.

«С открытием горизонтального переноса генов между разными видами и даже царствами живых организмов (в последнее время получено множество доказательств) ситуация изменилась, и эволюция предстает в совершенно ином свете. Получается, что любое «удачное изобретение» одного из видов становится доступным и может быть заимствовано всеми остальными. Биосфера теперь представляется единой информационной средой, в которой вирусы и различные мобильные генетические элементы распространяют информацию примерно так же, как в человеческом обществе благодаря устной и письменной речи достижения и открытия одних людей становятся известными другим и могут ими использоваться» [14].

Но возникает и следующая идея. Мутации следуют очень часто. Гораздо чаще, чем срок жизни, допустим, млекопитающего. Теперь представим, что родился организм с мутацией, но она его не уничтожила, так как некий параметр организма, на который она влияет, хотя и отклонился от нормального для этого вида значения, находится в пределах нормы, но на самом краю ее. Высока вероятность того, что внешние условия «поехали» в сторону благоприятную этой мутации. Тогда наш организм получает преимущество перед другими. Более того, и это главное, он может «дождаться» мутации похожей на предыдущую и произвести потомство уже с двумя похожими мутациями. Получается, что фенотип как бы просеивает полностью случайные мутации своего генотипа, создавая некий тренд изменчивости. Причем этот тренд связан с направлением изменений в окружающей среде. И если такая ситуации случится хотя бы три раза, то это изменение в организме будет все более закрепляться с поколениями. Вполне может появиться «развилка» между видами. Это известная идея эпигенетической теории эволюции.