«Эволюция должна иметь направленность»
Физик Алексей Мелких бросает вызов Чарлзу Дарвину
Неожиданный подход к изучению ДНК: уральский ученый утверждает, что в этой молекуле записан код, согласно которому развивается все живое на Земле. «Огонек» поговорил с физиком, который взялся поправить теорию эволюции.
Оказывается, учение Дарвина не всесильно. И верно только отчасти
Фото: Ikon Images / Gary Waters / DIOMEDIA
Профессор Уральского университета, доктор физико-математических наук Алексей Мелких
Фото: Из личного архива
— Расскажите, почему вы, физик по образованию, занимаетесь эволюцией?
— После окончания Уральского технического университета я занимался проблемой транспортировки веществ через мембрану клеток и статистической физикой. Однажды в кулуарах услышал чью-то точку зрения, что если эволюция действительно происходила путем случайных мутаций и естественного отбора, то время, необходимое для подобного перебора полезных вариантов, не сопоставимо со всем временем существования нашей Вселенной.
Начиная с 2000-х я начал строить различные модели и быстро убедился, что у дарвинизма есть огромные проблемы, о которых ученые стараются лишний раз не говорить.
Но в целом я не первопроходец, есть серьезные работы на этот счет — скажем, «Номогенез» российского биолога Льва Берга. Он говорил об эволюции как о процессе, протекающем по определенным законам, не сводимым к воздействиям среды обитания.
— Давайте начнем с начала в буквальном смысле. Согласно популярной теории Опарина и Холдейна, 4 млрд лет назад на древней Земле самопроизвольно зародились органические вещества. А затем из них каким-то образом сложились первые организмы. Вы, если я правильно понимаю, утверждаете, что никакой случайности в этом не было?
— Если говорить о самых ранних стадиях эволюции, то там больших противоречий нет. Противоречия возникают, когда появляются сложные системы и проблема перебора вариантов, когда первые молекулы, например мРНК или ДНК, начинают что-то кодировать. И вот уже с этого этапа теория Дарвина не работает. Я не отрицаю, что случайные мутации и отбор существуют, но они не могут быть главной причиной эволюции.
— Астроном Фред Хойл как-то сказал: вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки «Боинга-747» от торнадо на мусорной свалке.
«Огонек» разобрался как представляли развитие жизни ученые прошлого
— Совершенно верно. Представьте, даже простейшая бактерия имеет миллион нуклеотидов — это те «кирпичики», из которых состоят гены. Таких нуклеотидов — четыре вида, соответственно полное число вариантов равно 4 в степени миллион. Так что, если бы простейшая бактерия появилась методом простого перебора, для этого действительно не хватило бы времени жизни Вселенной. Что уж говорить о более сложных организмах, об обилии видов и о самом человеке, у которого геном — 3 млрд нуклеотидов. Это и есть основной аргумент. То есть в целом с увеличением длины ДНК число вариантов генома растет экспоненциально, и когда число нуклеотидов становится больше, чем 102–103, перебор вариантов становится невозможным за то время, какое существует Вселенная. Эволюция должна иметь направленность, иначе никакие виды не могли бы появиться.
— Что же ею движет?
— Направленность эволюции обусловлена квантовыми эффектами в биологически важных молекулах — в белках, ДНК и РНК. Внутри них в квантовых степенях свободы зашита вся информация, которая постепенно разворачивалась и включалась в процессе эволюции. Хорошую аналогию можно привести из ботаники: если вы посадите семечко березы, то у вас вырастет именно береза, а не что-то другое, потому что в семечке есть программа ее развития. Примерно такие же процессы мы наблюдаем в эволюции Вселенной. Именно квантовая механика (нетривиальные квантовые эффекты) позволяет решить парадокс Левинталя, который до сих пор не разрешен в биологии.
— Можно поподробнее про парадокс?
— Речь идет о работе белков. Дело в том, что белок состоит из очень большого количества аминокислот, которые в живой клетке могут соединиться невероятно большим количеством способов. Но для продолжения жизни подходит одна-единственная комбинация. Перебор всех возможных вариантов укладки белковой цепи займет время, также превышающее время жизни Вселенной. Однако белок успевает найти верный вариант в течение считаных секунд или долей секунды. Мы можем это объяснить, если предположим, что в белке изначально закодировано определенное количество квантовых степеней свободы и только из них он может «выбирать».
— Что же является носителем этих квантовых эффектов?
— До конца это не ясно, я предположил, что это квантовые поля. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно провести большое число экспериментов. Например, нужно наблюдать за изменениями генома в клетке в режиме реального времени, то есть на очень малых расстояниях и временах, равных фемтосекундам. Когда мы сможем это сделать, то увидим, что мутации в генах происходят в основном не случайно, а направленно, в соответствии с силами, которые в них действуют. В настоящее время наши эксперименты очень грубые: мы видим лишь то, что с геномом происходит сейчас и что было раньше. Но как именно одни нуклеотиды заменились на другие — мы не знаем.
— Какие эксперименты это могут показать?
— Сейчас в Гамбурге построен мощнейший Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах. Это очень дорогостоящая установка, в которую, кстати, порядка 25 процентов стоимости вложила Россия. Длина волны рентгеновского лазерного излучения здесь будет меняться от 0,05 до 6 нм, что позволит проводить измерения на атомном масштабе длины. Так что, в принципе, такие исследования станут возможны.
— Откуда вообще этот код взялся? Похоже на подтверждение христианской концепции о сотворении мира разумным Творцом.
— Я не отношу себя ни к одной конфессии и рассуждаю исключительно как ученый. Эволюционный код — это такая же природная сила, которая априорно заложена в физических объектах. Мы же не говорим, что сила Ньютона была заложена кем-то свыше.
— Сила Ньютона — это простая величина, характеризующая взаимодействие объектов. Вы же говорите о гигантском коде, содержащем информацию о развитии всего живого. Чтобы его создать, нужно приложить огромное количество энергии. А если такой код все-таки возник, то каким образом попал в биологические молекулы?
Разгадать жизнь
Происхождение самой жизни и эволюция живого — самые популярные и одновременно самые спорные направления науки. «Огонек» собрал парадоксы, которые пока не могут разрешить ученые.
— Скорее всего он возник еще на ранних этапах развития Вселенной. Согласно современным космологическим теориям (например, теории большого отскока) до Большого взрыва Вселенная существовала. Я предложил модель, согласно которой Вселенная находилась в чистом квантовом состоянии. В этом состоянии закодированы все природные свойства — мировые константы, массы частиц и т.д. А после Большого взрыва они уже реализовались. Получается, первые молекулы вещества уже появились в соответствии с изначальным кодом. Затем они образовали необходимые биологические молекулы и так далее. Значит, законы направленной эволюции в конечном итоге являются следствием законов физики и начальных условий, характеризующих Вселенную.
— Что это меняет в нашей картине мира?
— Это означает для нас новые знания в картине жизни. Тот факт, что человек как высокоорганизованное существо, наделенное сознанием, появился не случайно, может кардинальным образом изменить наше мировоззрение.
— Тогда мы можем сказать, от чего к чему движется направленная эволюция. Если ею управляют мутации, то конечный результат непредсказуем. А здесь?
— Ну, это довольно сложный вопрос для ученых. В 1970-х известный ученый Джеймс Лавлок выдвинул гипотезу Геи, которая утверждает, что совокупность организмов биосферы тесно связана с физическими условиями в ней. Эту совокупность можно трактовать как единый организм с саморегулирующимися свойствами. Судя по всему, направленная эволюция должна вести к возникновению все более сложных биологических систем, наделенных сознанием, которые со временем достигнут размеров Галактики. Это что-то вроде гипотезы Геи по отношению к Вселенной как к целому.