Добиологический отбор. Колонка в КомпьютерреOnline #27

Так... Обговорення аргументів, що висуваються проти еволюційної біології, звелося до з'ясування стосунків з коментаторами на сайті «Комп'ютерри»...

Мене попросили розвинути тему добіологічного добору. Виконую це прохання. Нескінченні суперечки з людьми, які раз за разом вигадують за мене якісь аргументи, а потім радіють, показуючи безглуздість власних вигадок, вести не буду. Утім, багато що в цій колонці стосується і їхніх коментарів.

Отже. Для зав'язки – цитата з креаційної агітки.

«Природний добір за визначенням не зміг би функціонувати до появи першої живої клітини. Він міг діяти стосовно лише тих організмів, які здатні самовідтворюватися, тобто стосовно клітин, що містять молекулу ДНК, яка передає генетичні зміни наступним поколінням. Без ДНК не існує самовідтворення, а без самовідтворення не існує природного добору. Тому неможливо пояснити походження самої ДНК як результат природного добору»... (Креаціоністський фільм «Розкриваючи таємницю життя»

Дивно. А хто давав таке вузьке визначення природному добору? А-а-а, самі ж креаціоністи... Ну, це їхній улюблений спосіб аргументації: підміна тверджень опонентів. Насправді ж добір у найзагальнішій формі можна розглядати як диференціальне (залежне від властивостей) відтворення. Не дуже зрозуміло? Поясню детальніше.

• існують одиниці (реплікатори), здатні до відтворення (створення своїх копій);
• реплікатори можуть набувати нових ознак (наприклад, при перешкодах у ході відтворення);
• при відтворенні особливості реплікаторів (принаймні, деякі) передаються їхнім копіям;
• ці особливості впливають на ймовірність відтворення реплікаторів.

Інакше елементи цієї тетради можна назвати розмноженням, мінливістю, спадковістю та добором.

Тут є термінологічна тонкість. Іноді добором (а також селекцією) називають результат дії описаної тетради – зміну складу реплікаторів, що відповідає середовищу, у якому вони перебувають. Тут ми будемо називати цю зміну еволюцією (дарвінівською еволюцією). Описаний механізм забезпечує еволюцію (зміну) реплікаторів, забезпечуючи їхню відповідність актуальним умовам середовища.

Кілька додаткових зауважень. Деякі з особливостей реплікаторів можуть впливати на їхнє відтворення, але не передаватися їхнім копіям. На цьому рівні аналізу їх можна розглядати як шум.

Наскільки далеко може зайти еволюція, залежить від мінливості реплікаторів. Якби вона була обмежена початковим різноманіттям, процес зупинився б, коли залишилися б найадаптивніші з вихідних форм. Зате якщо зміни можуть виникати в ході відтворення, перед еволюцією реплікаторів відкриваються чудові перспективи. Пам'ятаєте, що я писав про багатократний добір з накопиченням отриманого в його результаті досвіду?

Звісно, перспективи еволюції можуть бути обмежені різними перешкодами до розмноження реплікаторів. Відтворення вимагає ресурсів; ресурси не можуть бути нескінченними. Найкращі перспективи еволюція реплікаторів має в тому випадку, якщо деякі з них руйнуються, а використані на їх побудову ресурси стають доступними для інших реплікаторів. Раз так, то успіх відтворення реплікаторів має складатися з двох доданків: їх збереження та їх реплікації. Добір можна розглядати як диференціальне виживання й диференціальне розмноження. Утім, можна враховувати лише розмноження, виходячи з того, що той, хто не вижив, той і не розмножився.

Досить теорії. Подивимося, як це працює. Спочатку обговоримо штучну молекулярну селекцію.

У 1981 році Томас Чек (Thomas Cech) при дослідженнях інфузорії тетрагімени відкрив рибозими – молекули РНК з каталітичною активністю. Раніше вважали, що біологічними каталізаторами є лише ферменти (ензими) – білки.

Рибозими можна використовувати в різних технологічних цілях. Знаючи послідовність необхідного нам рибозиму, його можна синтезувати нуклеотид за нуклеотидом (ви ж пам'ятаєте, що нуклеїнові кислоти, у тому числі РНК, – це полімери нуклеотидів?). Потім цю послідовність можна розмножити за допомогою ПЛР (полімеразної ланцюгової реакції). Потрібний рибозим поміщають у ПЛР-ампліфікатор (примножувач): реактор, що містить нуклеотиди й ферменти, які синтезують по ланцюжку РНК відповідний йому другий ланцюжок. У ПЛР-ампліфікаторі підвищують температуру, і ланцюжки відділяються один від одного. Знижують температуру, вичікують. На обох ланцюжках будується ще два. Підвищують. У реакторі вже чотири ланцюжки. Знижують, вичікують, підвищують: вісім. Знижують, вичікують, підвищують: шістнадцять...

Але як знайти послідовність рибозиму, який потрібен для якоїсь технологічної мети? У живій природі його, найімовірніше, немає. Розрахувати, яким має бути цей полімер, щоб після згортання він утворив просторову структуру з атомів і зарядів, яка буде взаємодіяти з потрібною речовиною, - найскладніша задача. Простіше доручити її виконання добору.

Закріплюємо на поверхні молекули-мішені. Пропускаємо повз них випадкову суміш олігонуклеотидів (недовгих фрагментів) РНК. Ті молекули РНК, які здатні зв'язуватися з мішенями, затримаються на них, а інші – будуть унесені. Змінимо умови, щоб змити молекули, що зв'язалися. Синтезуємо в ПЛР-ампліфікаторі їхні копії (з певною часткою помилок). Знову проженемо отриману суміш повз мішені. Зрештою можна прочитати послідовності, які вийшли, і працювати вже з ними.

Принцип молекулярної селекції РНК-послідовностей, що зв'язують певну мішень (В. Власов, А. Власов. 2004)

Імовірно, «доведення» результату, щоб він відповідав технологічній задачі, усе одно залишиться необхідним, але воно ґрунтуватиметься на послідовності, яка створилася «сама собою», «на основі випадковості».

Імовірно, «доведення» результату, щоб він відповідав технологічній задачі, усе одно залишиться необхідним, але воно ґрунтуватиметься на послідовності, яка створилася «сама собою», «на основі випадковості».

Дарвінівську еволюцію намагаються оголосити неможливою, оскільки вона базується на випадковості. Як ви вважаєте, випадково чи закономірно в ході описаної процедури виходить послідовність РНК, що відповідає молекулі-мішені? Звісно, закономірно, адже закономірність цілком може ґрунтуватися на випадковостях! Важливо, щоб одночасно діяли розмноження, мінливість, спадковість і добір.

Але описані процеси відбуваються в умовах, контрольованих людиною. Нам скажуть, що вони вимагають керування з боку творця. А ось в умовах ранньої Землі...

В умовах ранньої Землі мали відбуватися подібні процеси.

Планети формуються при утворенні зоряних систем. Більша частина речовини таких систем концентрується в зорях, де в результаті гравітаційного стиснення запускаються термоядерні процеси. Енергія зір випромінюється в космос, нагріваючи планети. Так, у випадку Сонця та Землі температура видимої поверхні зорі приблизно дорівнює 6000°К (усередині набагато гарячіше!), поверхні планети – близько 300°К, а температура відкритого космосу ненабагато вища за абсолютний нуль – близько 4°К. Планета перебуває в потоці енергії зорі, поглинає й перевипромінює його.

Імовірно, ситуація, при якій у зорі є кілька планет, є цілком типовою. На тих, що ближче до зорі, буде жарко, на далеких – холодно, але деякі опиняться в тому діапазоні температур, де будуть утворюватися різноманітні органічні речовини.

Планети перебувають у потоках енергії, що йдуть від зір. Через обертання планет інтенсивність потоку й температура на них мають періодично коливатися

Органіка часто утворюється в результаті оборотних реакцій. Рівновага між синтезом і розпадом складних речовин залежить від умов середовища, зокрема – від температури. Зміна дня й ночі, зими й літа буде породжувати коливання стану хімічної рівноваги. Планета поводиться як ПЛР-ампліфікатор: то підвищує, то знижує температуру!

У синтезі, а потім у руйнуванні складної органіки можуть брати участь конкуруючі автокаталітичні реакції. Ідеться про реакції, перебіг яких стимулюється їхніми власними продуктами. Такі реакції – рідкість? Ні.

Класичний приклад таких реакцій – реакція Бутлерова, синтез моносахаридів з формальдегіду в лужному розчині з каталізаторами. Її відкрив у середині XIX століття Олександр Михайлович Бутлеров, творець теорії будови органічних речовин. У XX столітті цю реакцію стали вивчати з особливим інтересом, сподіваючись, що з її допомогою можна отримувати їжу для космонавтів. На жаль, крім тих моносахаридів, які намагаються отримати з її допомогою, поміщаючи в реакційну суміш потрібні затравки, виходять і інші, що роблять суміш на виході токсичною. Зате мінливість продуктів реакції та конкуренція між процесами, що їх утворюють, робить реакцію Бутлерова чудовим об'єктом для вивчення дарвінівської еволюції автокаталітичних реакцій!

На поверхні планет ідуть оборотні реакції, деякі з яких є автокаталітичними. Коливання потоку енергії приводять до того, що перевагу отримує то синтез, то розпад складніших сполук

Те, які цукри будуть «перемагати» в конкуренції за реагенти в реакції Бутлерова, залежить від умов. У цитованій статті, наприклад, повідомляється, що за наявності апатитів (фосфоровмісних порід) у реакції Бутлерова майже селективно виходить рибоза – цукор, що утворює основу ланцюжка РНК. У присутності силікатів (надзвичайно поширених кремнієвмісних порід) склад продуктів реакції Бутлерова стабілізується, тобто зростає успадковуваність певного складу продуктів реакції.

Головне, що в цих умовах спостерігається розмноження, мінливість, спадковість і добір. Є всі підстави очікувати перетворення геохімічного кругообігу на біогеохімічний. І – о диво! – біогенний кругообіг виявляється організованим практично так само.

У сучасному світі можна побачити дивовижний збіг. Існують дві групи організмів, що відповідають одна одній, як дві половинки розбитої тарілки: відходи однієї групи є ресурсами для іншої! І підтримує їхнє існування той самий потік енергії, який їх і створив.

З цієї точки зору питання, хто з'явився першим - гетеротрофи чи автотрофи, позбавлене сенсу. Життя виникало у вигляді екосистем, де реалізувався кругообіг речовин: і синтез органіки, і її розпад.

Так, припустимий обсяг колонки вичерпаний... Як тільки щось починаєш пояснювати детальніше, місце для тексту й час для пояснень витікають, як сухий пісок крізь нещільно стиснуті пальці. Шановні читачі, захочете – розповім про можливі перехідні етапи між світом автокаталітичних реакцій і світом життя наступного разу.

Запам'ятайте: розмноження, мінливість, спадковість, добір!