Живой объект                                 Механическое устройство

                                 Строение

Сложное (органы и клетки)           Сложное (узлы и детали)

                                Сборка

Обусловлена уже имеющимися Обусловлена внешними

структурами (рост клетки)         функциями (материал детали)

                                (Само)разборка

Может быть обратима                   Необратима (часы)

(рибосома)   

                               «Внешний сборщик»

Создает условия                              Выполняет сборку  

                               Энергетика

Накапливает и канализирует        Пользуется предварительно                                            

энергию                                           созданной разностью

                                                         уровней энергии.

                              Упорядоченность

Сохраняется дольше, чем это         Не возрастает

предписано законами физики,

и даже возрастает

Таким образом, различия между живым и неживым просматриваются. Однако, как мы полагаем в настоящее время, основой живой (белковой) материи являются молекулы ДНК. Но живы ли они – эти химические соединения, набор атомов, каждый из которых “подчиняется” установленным для него законам неживой природы? Остается неясным, в каком месте наступает переход от неживой природы к живой, как определить тот уровень сложности системы, начиная с которого она может обрести черты «живого».

Обычно говорят об эволюции только в применении к живым существам (что, как мы теперь понимаем, требует дополнительного обсуждения).

Одним из первых исследователей, сформулировавших свои взгляды на эволюцию, был Ж.Б.Ламарк, который утверждал, что эволюция живых организмов определяется исключительно воздействием окружающей среды. При этом все благоприятные признаки и свойства наследуются. Например, жирафу было трудно дотянуться до ветвей с листьями, вот шея у него и выросла. Несмотря на очевидную (сейчас) наивность, такая концепция содержала в себе определенное указание на «движущую силу» эволюции, причину изменений, происходящих с живыми существами с течением времени и отличающихся от изменений, происходящих с неживыми объектами.

Посмотрим на эволюцию с более традиционно-биологической точки зрения. Теория Дарвина является одной из наиболее известных концепций биологической эволюции на нашей планете. Несмотря на то, что она, как это обычно бывает в естественных науках, подкреплена обширным эмпирическим материалом, собранным и осмысленным Ч.Дарвиным и его предшественниками и последователями, происхождение этой теории не является, строго говоря, естественнонаучным. Книга Дарвина называется «Происхождение видов...», и основная ее идея состоит в использовании концепции естественного отбора для объяснения многообразия видов живых существ, обитающих на Земле. Однако уже сам Дарвин указывал, что эта концепция была взята им из социологии, т.е. общественной науки, где она присутствовала в так называемой доктрине Мальтуса. Борьба за существование и выживание сильнейшего в сообществах людей послужила Дарвину моделью для описания биологических трансформаций в природе. По-видимому, внутривидовые изменения действительно могут происходить подобным образом. Однако уже «спуск» на следующий уровень, то есть род, вызывает вопросы. Создается впечатление, что дарвиновская теория естественного отбора, обсуждающая взаимодействие организма и среды, предполагает как бы воздействие вида на род, класс, тип и так далее, в то время как более последовательным выглядел бы эволюционный процесс, позволяющий проследить развитие от типа к виду. Это затруднение было преодолено лишь позднее.

Укажем основные постулаты теории Дарвина:

· изменчивость является неотъемлемым свойством живого;

· из огромного количества потомства, наделенного чертами, обусловленными изменчивостью, выживает лишь малая часть (это – лишь констатация, наблюдение, хотя и существенное);

· отбор этой малой части есть естественный процесс (естественный отбор) – выживание сильных за счет гибели слабых (это – наблюдение в природе действительно существующего в ней процесса, аналогичного процессу в человеческом обществе), выживание наиболее приспособленных к окружающим условиям. Дарвин и его последователи использовали при этом понятие движущей силы эволюции, но применяли его не к объяснению причин и характера изменчивости, а к объяснению того, какие именно из результатов изменчивости сохранятся в результате естественного отбора. Между тем, движущая сила скорее «двигает», чем ограничивает.

У теории, основанной на перечисленных постулатах, имеется очевидный недостаток: если эволюция связана со случайным появлением благоприятных изменений, то как они могут сохраняться и усиливаться в дальнейшем, в следующих поколениях? Отличительные (благоприятные) признаки родителей «растворятся» в разнообразном (в силу отмеченного случайного характера изменчивости) потомстве. То есть каждое следующее поколение по-прежнему может содержать лишь незначительную часть особей, обладающих этим благоприятным свойством. Не имея возможности ответить на этот вопрос (поскольку в первом постулате не были рассмотрены причины и характер изменчивости), Дарвин в конце жизни перешел на позиции, близкие к взглядам Ламарка: направление эволюции определяется внешней средой. Но тогда трудно объяснить внутривидовой отбор, собственно борьбу. Однако он наблюдается. Таким образом, в теории имелись логические противоречия.

Основной концепцией (и заслугой) Дарвина было утверждение об эволюционном, изменяющемся характере живой природы, проявляющемся в том числе и во взаимодействии с неживой природой. Эта идея решительно противоречила предшествующей парадигме о неизменности сущего и, таким образом, давала возможность поставить целый ряд вопросов, которые раньше были просто невозможны. В частности, как возник человек, какова его взаимосвязь с миром других живых существ, в чем его отличие, есть ли у него (как у вида) предназначение и в чем оно состоит...? Указание Дарвина на то, что некоторые явления, наблюдаемые в человеческих сообществах, свойственны также и остальному живому миру, поколебало антропоцентристские позиции в том же смысле, что и перемещение центра мира с Земли на Солнце в астрономии. Однако естественный отбор как фактор оказывался не всегда пригоден для объяснения причин и движущей силы эволюции. Есть и более существенное затруднение, которое мы обсудим далее, говоря о неодарвинизме.

Приведем примеры некоторых конкретных фактов эволюции, не находящих объяснения в рамках теории Дарвина:

· существуют организмы, которые практически не эволюционируют (акула, опоссум, таракан);

· изменение зубов и копыт у лошадей в процессе эволюции, обнаруженное при палеонтологических исследованиях, не удается связать с какого-либо рода борьбой за существование или приспособлением к условиям среды обитания;

· многократное возникновение в процессе эволюции одного и того же явления (например, биолюминисценция у различных классов организмов, одни и те же последовательности ДНК обнаруживаются в одном и том же месте белковых молекул у разных видов) указывает на то, что они обусловлены скорее внутренними, чем внешними причинами;

· формирование определенных структур может происходить до того, как они стали необходимы (так называемая преадаптация). Так, перо возникло до того, как сформировались птицы, а возникновение глаз нельзя объяснить отбором (хотя, если уж они появились, то отбор приведет к их совершенствованию) .

Нельзя не упомянуть часто задаваемый и в наше время наивный вопрос, направленный против дарвиновской теории: почему в настоящее время не происходит превращения обезьяны в человека? Как правило, спрашивающий не отдает себе отчета в масштабах времени, которое предположительно потребуется для такого «превращения», а это – не одна тысяча поколений. Так что, почему, собственно, не происходит? Однако, более привычный (и в общем правильный) ответ на него состоит в том, что обезьяны, человекообразные обезьяны и люди есть оконечные ветви одного ствола, живущие одновременно иэволюционировавшие параллельно. Тут находится место для дальнейших вопросов о том, что явилось причиной такого расхождения.

Иногда происходит и довольно «поверхностное» применение теории Дарвина к некоторым естественноисторическим процессам, при котором не все возможности рассматриваются достаточно внимательно. Например, описание завоевания суши позвоночными. Обычно его представляют как весьма продолжительный процесс, явившийся результатом борьбы за выживание: произошло вытеснение менее приспособленных к водной среде видов, и они постепенно (за тысячелетия) приспособились к жизни на суше. С одной стороны, при таком описании остро стоит проблема «пропущенного звена», хорошо знакомая на примере эволюции человека. Палеонтологическая «летопись» останков имеет множество пропущенных участков, причем обширных, то есть мы не имеем материальных свидетельств существования всех переходных форм животных. С другой стороны, имеется ряд обстоятельств жизнедеятельности определенных видов животных, позволяющий, по крайней мере, усомниться в столь большой длительности этого процесса. Превращение головастика в лягушку происходит без всякого отбора, а индуцируется синтезируемым в его организме химическим соединением тироксином, концентрация которого на определенном этапе повышается примерно в десять раз. Если у головастика удалить щитовидную железу, то он благополучно живет и развивается в водной форме. Если же принудительно впрыснуть ему в кровь тиреоидный гормон, то он превратится в лягушку. Известны и другие примеры: земноводное животное аксолотль в своих фазах столь существенно различается, что долгое время считалось, что это разные даже не виды, а рода. Отсутствие воды стимулирует выделение тироксина в организме аксолотля, и наступает разительная метаморфоза. Могло показаться (и казалось), что для таких изменений необходимы тысячи мутаций и отбор, а выяснилось, что достаточно просто химического сигнала. Никаких изменений в генетической конструкции при этом не происходит. Значит, глубокие структурные и функциональные превращения могут происходить и без них. Любопытно, что и процесс рождения человека сходен с трансформацией у амфибий.

Неодарвинизм

Во времена Дарвина говорить о молекулярной биологии было еще рано. Когда же она возникла, то возник и закономерный вопрос: в чем же состоят естественный отбор и борьба за выживание среди молекул? И ответ на него с учетом современных представлений о молекулярной основе живых существ находит свое отражение в различных неодарвинистских теориях, в рамках которых предпринимаются попытки преодолеть затруднения классического дарвинизма. Проводятся следующие рассуждения. В первичном “бульоне”, образовавшемся на поверхности планеты, под воздействием внешних факторов: тепла, излучения, электрических разрядов, могут возникать и возникают различные молекулы (в том числе и органические). Они могут существовать какое-то время, распадаться, взаимодействовать с другими молекулами, образуя с ними соединения. Обратим внимание на два обстоятельства:

1) в результате этих процессов возникает своеобразный тип молекул – так называемые репликаторы;

2) репликаторы способны создавать и отщеплять собственные копии, составляемые из “обломков” химических соединений, содержащихся в окружающей среде (“бульоне”).

Событие возникновения молекул-репликаторов является для неодарвинистской теории ключевым. Именно оно позволяет придать дарвинизму полностью естественнонаучный смысл и сообщает свойство «размножения» неживому (пока еще) веществу. Понятно, что с течением времени число таких молекул в «бульоне» будет все более возрастать за счет происходящего копирования. Предположим, что свойством репликации обладает несколько различных видов молекул. Которые из них уцелеют? Во-первых, долгоживущие. Чем дольше молекула сохраняет стабильность, тем больше своих копий она сумеет воспроизвести. Во-вторых, размножающиеся быстро. В-третьих, размножающиеся точно, с наименьшими отклонениями от исходных. И вот весь «бульон» использован. В нем не осталось обломков, пригодных для использования при репликации, они поступают в него только с разрушением уже существующих молекул. Если по каким-то причинам у одного из видов репликаторов возникает механизм расщепления других молекул, то его собственная численность возрастает. С другой стороны, вид репликаторов, обладающий по каким-то причинам механизмом защиты от такого воздействия – протооболочкой, также уцелеет в процессе такой эволюции. По мере усложнения “атакующих” усложняются и “защитные” механизмы. При этом необязательно говорить о целенаправленном усложнении, просто по прошествии достаточно большого промежутка времени останутся лишь те молекулы, в которых эти механизмы так или иначе возникли. Путь от протооболочки ведет к протоклетке. Ее внутренняя часть содержит “исходную” реплицирующуюся молекулу. Это – модель гена. И все дальнейшее есть лишь создание все более совершенных “машин” для выживания гена. Те сложные, часто многоклеточные, многофункциональные существа, которые мы теперь называем живыми (в том числе и человек), есть наиболее приспособившиеся потомки молекул-репликаторов.

     Недостатком этого подхода является невозможность (по крайней мере, на современном уровне понимания) построить достаточно адекватную количественную модель такого процесса, позволяющую выполнить прогноз для существующих биологических систем. Имеющиеся аналоговые игры (типа «Жизнь») слишком просты. Тем не менее, основные черты эволюции такие модели демонстрируют. После возникновения репликаторов при наличии изменчивости в потомстве механизм естественного отбора работает вполне эффективно. С помощью теоретических рассуждений можно объяснить даже постепенное формирование такого сложного органа, как глаз (традиционный пример в литературе по вопросам эволюции). Но удовлетворительного доказательства возможности начала данного процесса пока не существует. Получить молекулы-репликаторы чисто химическим, но не биохимическим путем пока не удается. Оценки, сделанные на основе теории вероятности, требуют тщательного анализа.

     Обсудим одну из теорий, касающихся возможности появления молекул-репликаторов и лежащих в основе неодарвинизма, принадлежащую биологу Кэйернс-Смиту. Сама по себе вероятность появления молекулы, по сложности сопоставимой с ДНК или РНК, исчезающе мала. Даже с учетом возраста Земли, а также с допуском возникновения жизни на каких-либо других планетах, где могли бы существовать физико-химические условия, сходные с земными, уникальность такого события представляется очевидной, и вероятностные оценки это подтверждают. Однако Кэйернс-Смит выдвинул гипотезу о том, что биологическая репликация, т.е. создание себе подобных объектов, способных в дальнейшем участвовать в «борьбе за существование» за счет изменений наследуемых свойств, является вторичным этапом в эволюции. Поначалу же можно говорить о неорганических репликаторах, например, о глиноземах или грунтах, состоящих из кристаллических песчинок различного состава, основным компонентом которых является кремний – элемент, близкий по свойствам к углероду, т.е. способный образовывать большое разнообразие веществ. Кристаллы и сами по себе представляют репликаторы: достаточно взглянуть на элементарную ячейку кристалла и убедиться в том, что весь рост кристалла – это повторение точных копий такой ячейки, присоединяемых к его поверхности. В кристалле, однако, возможны дефекты – случайные локальные нарушения упорядоченности или симметрии, которые служат источником «наследуемых» изменений. Соединяясь в глинозем, различные кристаллики с теми или иными дефектами образуют вещества различных структур. А структуры зависят от типов и количеств различных кристаллов, входящих в их состав, способных взаимодействовать с окружающей средой. Так, например, при наличии суши и водных потоков растворенные в жидкости вещества образуют нерастворимые соединения, выпадающие в осадок, поток мельчает, образующийся на дне грунт поднимается, оказывается на поверхности, и меняет рельеф местности. Различные по химическому составу грунты будут делать это быстрее или медленнее в зависимости от состава и структуры, входящих в них этих достаточно простых кристаллических соединений.

Но возникновение и рост любого кристалла начинается с зародыша, и от того, какой именно зародыш окажется в растворе, зависит, какие осаждающиеся кристаллы будут преобладать, а это в свою очередь в дальнейшем влияет на скорость изменения рельефа. На поверхности грунт сохнет, подвергается выветриванию, и его мельчайшие частички разносятся ветром. Попав в соседние рукава потока, они становятся зародышами новых кристаллов. Причем это будут как раз такие частички, которые оказались на поверхности, а содержавший их грунт высох и растрескался быстрее всех. Таким образом, возникает экспансия именно этих кристаллов, сопровождающаяся вытеснением других, медленнее растущих, медленнее сохнущих, хуже трескающихся грунтов. Понятно, что во всех этих процессах главная роль принадлежит свойствам поверхности. И те грунты, поверхность которых случайным образом модифицируется так, что они «захватывают» все большую территорию, в конце концов и будут преобладать на поверхности планеты. «Биологические» молекулы на основе углерода, как известно, обладают чрезвычайно благоприятными для описанной «неорганической эволюции» свойствами. Понемногу формируясь на поверхностях кристаллов в процессе возникновения дефектов, они способствовали «успеху» именно тех кристаллических веществ, на которых сами и наращивались. Продолжительное время эти РНК-подобные молекулы сосуществовали со своей неорганической основой. Однако и сами они, будучи кристаллами, обладали способностью «создавать себе подобных». И, если в какой-то момент они смогли отделиться от формировавшей их поверхности, то вот тогда-то и начался тот «процесс в бульоне», о котором говорилось выше. Оказалось, что такое «размножение» шло гораздо быстрее и эффективнее, чем у их неорганических «прародителей». Возникло резкое ускорение эволюционного (уже в дарвиновском смысле) процесса, и протобиологические молекулы-репликаторы, возникшие с помощью и на основе простых неорганических веществ, положили начало биологической неодарвинистской эволюции. Таким образом, в теории Кэйернс-Смита возникновение биологических репликаторов не является чисто случайным процессом, что повышает вероятность этого события. Правда, не объясняется, как произошло отделение протобиологических молекул от неорганической поверхности, но интуитивно кажется, что это все же более вероятное событие, чем непосредственная химическая сборка их в растворе.

     Любопытен немедленно вытекающий отсюда вывод. В конце концов, в эволюции все решает способность копировать и распространять во времени и пространстве информацию: структурную – на предбиологическом этапе, генную – на биологическом. А вот теперь, когда биологическая эволюция привела к возникновению разума, научившегося копировать и распространять информацию куда эффективнее, чем на основе биохимических процессов, например, с помощью компьютеров, соединенных в сети, нынешний – биологический – способ обработки информации может проиграть так же, как проиграл в свое время неорганический в теории Кэйернс-Смита. И отдаленные (или не столь уж и отдаленные?) потомки современных компьютеров будут так же скептически рассматривать возможность и вероятность случайного появления первой микросхемы, положившей начало электронной (вновь кремниевой!) эволюции, как мы сейчас рассматриваем возможность и вероятность случайного появления первой белковой молекулы.

Таким образом, дарвинизм и его современная модификация неодарвинизм являются концепциями, оказавшими мощное мировоззренческое (для всех людей) и методологическое (для специалистов) влияние на естествознание.