ЧЯД. Глава 2. 3

               НЕРЕДУЦИРУЕМАЯ СЛОЖНОСТЬ И ПРИРОДА МУТАЦИИ.


Дарвин знал, что его теория постепенной эволюции путем естественного отбора несла тяжелое бремя:

«Если бы можно было продемонстрировать, что существует какой-либо сложный орган, который не мог бы быть сформирован многочисленными последовательными незначительными изменениями, моя теория была бы абсолютно разрушена».

Можно с уверенностью сказать, что большая часть научного скептицизма в отношении дарвинизма в прошлом веке была сосредоточена на этом требовании. Принимая во внимание беспокойство Майварта по поводу начальных стадий зарождающихся структур и отрицания Маргулисом постепенной эволюции, критики Дарвина решили, что нашли критерий несостоятельности его теории. Но можно ли быть в этом уверенным? Какой тип биологической системы не может быть сформирован «многочисленными последовательными незначительными изменениями»?

Начнем с системы, которая является нередуцируемо сложной. Под нередуцируемо* сложной я подразумеваю единую систему, состоящую из нескольких хорошо согласованных, взаимодействующих частей, которые вносят вклад в основную функцию, причем удаление любой из этих частей приводит к тому, что система эффективно перестает функционировать. Неделимо сложную систему нельзя создать напрямую (то есть путем постоянного улучшения исходной функции, которая продолжает работать по тому же механизму) путем небольших последовательных модификаций системы-предшественника, поскольку любой предшественник нередуцируемо сложной системы, в которой отсутствует часть по определению нефункциональна. Неделимо сложная биологическая система, если она существует, была бы мощным вызовом эволюции Дарвина. Поскольку естественный отбор может выбирать только те системы, которые уже работают, то, если биологическая система не может быть произведена постепенно, она должна возникать как единое целое, одним махом, чтобы естественный отбор мог на что-либо действовать.

Даже если система является нередуцируемо сложной (и, следовательно, не может быть произведена напрямую), нельзя однозначно исключить возможность косвенного обходного пути. Однако по мере того, как возрастает сложность взаимодействующей системы, вероятность такого косвенного пути резко падает. И по мере того, как число необъяснимых, неделимо сложных биологических систем увеличивается, критерий несостоятельности теории Дарвина взлетает до предела, который позволяет наука.

Заманчиво представить, что для нередуцируемой сложности просто необходимы множественные одновременные мутации – что эволюция может быть намного более сложной, чем мы думаем, но все же возможной. Такая надежда на грубую удачу никогда не может быть опровергнута. И все же это пустой аргумент. С таким же успехом можно сказать, что мир, к счастью, появился вчера со всеми функциями, которые у него есть сейчас. Удача – это метафизическая спекуляция; научные же объяснения ссылаются на причины. Почти все признают, что такие внезапные события были бы несовместимы с постепенностью, которую предполагал Дарвин. Ричард Докинз хорошо объясняет проблему:

«На самом деле, эволюция, возможно, не всегда постепенна. Но она должна быть постепенной, если ее используют, чтобы объяснить возникновение сложных, явно задуманных объектов, таких как глаза. Ибо если она не является постепенной в этих случаях, она вообще перестает иметь какую-либо объяснительную силу. Без постепенности в этих случаях мы обращаемся к чуду, которое является просто синонимом полного отсутствия объяснения».

Причина, почему это так, кроется в природе мутации.

В биохимии мутация – это изменение ДНК. Чтобы наследоваться, изменение должно произойти в ДНК репродуктивной клетки. Самая простая мутация возникает, когда один нуклеотид (нуклеотиды являются «строительными блоками» ДНК) в ДНК живого существа заменяется на другой нуклеотид. В качестве альтернативы, один нуклеотид может быть добавлен или исключен, когда ДНК копируется во время деления клетки. Иногда, однако,  целая область ДНК – тысячи или миллионы нуклеотидов – случайно удаляется или дублируется. Это также считается одной мутацией, потому что это происходит одновременно, как одно событие. Как правило, одна мутация может в лучшем случае внести небольшое изменение в существо, даже если это изменение производит на нас впечатление большого. Например, существует хорошо известная мутация под названием антеннопедия (antennapedia), которую ученые могут произвести на лабораторной плодовой мушке: у бедного мутантного существа вместо антенн растут ноги из головы. Хотя это кажется нам большим изменением, на самом деле это не так. Ноги на голове – типичные ноги плодовой мухи, только в другом месте.

Здесь может быть полезна такая аналогия: возьмем, для примера, пошаговый список инструкции. Мутация – это изменение в одной из строк инструкции. Вместо того, чтобы сказать: «Возьмите гайку 1/4 дюйма», мутация может сказать: «Возьмите гайку 3/8 дюйма». Или вместо «Поместите круглый колышек в круглое отверстие», мы можем получить «Поместите круглый колышек в квадратное отверстие». Или вместо «Поместите сиденье в верхней части машины» мы могли бы получить «Прикрепить сиденье к рулю» (но мы могли бы получить это только в том случае, если бы гайки и болты можно было прикрепить к рулю). Но что мутация не может сделать, так это изменить всю инструкцию за один раз – скажем, построить факс вместо радио.

Таким образом, возвращаясь к жуку-бомбардиру и человеческому глазу, вопрос заключается в том, можно ли объяснить многочисленные анатомические изменения множеством мелких мутаций. Разочаровывающий ответ в том, что мы не можем ответить. Как защитный аппарат жука-бомбардира, так и глаз позвоночных содержат так много молекулярных компонентов (порядка десятков тысяч различных типов молекул), что перечислить их – и спекулировать на мутациях, которые могли их вызвать – в настоящее время невозможно. Слишком много гаек и болтов (а также винтов, деталей двигателя, руля и т. д.) не учтено. Для нас спорить о том, может ли дарвиновская эволюция создать такие сложные структуры, все равно, как ученые XIX века спорили о том, могут ли клетки возникать спонтанно. Такие дебаты бесплодны, потому что не все детали известны.

Мы не должны, однако, терять надежду по этому поводу; в иных веках не могли ответить на многие вопросы, которые у них возникали. И поскольку мы еще не можем оценить вопрос эволюции глаза или эволюции жука, это не значит, что мы не можем оценить претензии дарвинизма на подобные биологические структуры. Когда мы спускаемся с уровня целого животного (такого как жук) или целого органа (такого как глаз) на молекулярный уровень, то во многих случаях мы можем судить об эволюции, поскольку все части многих дискретных молекулярных систем известны. В следующих пяти главах мы познакомимся с рядом таких систем и вынесем свое суждение.

Теперь вернемся к понятию неупрощаемой сложности. На данном этапе нашего обсуждения неделимая сложность – это просто термин, сила которого заключается главным образом в его определении. Мы должны спросить, как мы можем распознать нередуцируемо  сложную систему. Учитывая природу мутации, каким образом мы можем быть уверены, что биологическая система является нередуцируемо сложной?

Первым шагом в оценке неупрощаемой сложности является определение как функции системы, так и всех компонентов системы. Неделимо сложный объект будет состоять из нескольких частей, каждая из которых вносит свой вклад в функцию. Чтобы избежать проблем, возникающих с чрезвычайно сложными объектами (такими как глаза, жуки или другие многоклеточные биологические системы), я начну с простого механического примера: скромная мышеловка.

Функция мышеловки заключается в том, чтобы обездвижить мышь, лишая ее возможности к таким недружественным действиям, как пережевывание мешков с мукой или электрических шнуров, а также оставления маленького напоминания об их присутствии в темных углах. Мышеловки, которые использует моя семья, состоят из нескольких частей (см.рис): (1) плоская деревянная платформа, служащая основой; (2) металлический молоток, который фактически выполняет работу по раздавливанию мышки; (3) пружина с удлиненными концами, чтобы прижиматься к платформе и молотку, когда ловушка заряжена; (4) чувствительный фиксатор, который освобождается при небольшом давлении, и (5) металлический стержень, который соединяется с фиксатором и удерживает молоток, когда ловушка заряжена. (Есть также различные скобы для скрепления системы).

Второй шаг в определении, является ли система нередуцируемо сложной, состоит в том, чтобы спросить, все ли компоненты необходимы для ее функции. В этом примере ответ явно да. Предположим, что однажды вечером, читая, вы слышите стук маленьких ножек в кладовке и идете к ящику для хозяйственных нужд, чтобы взять мышеловку. К сожалению, из-за некачественного изготовления в ловушке отсутствует одна из перечисленных деталей. Какая часть может отсутствовать и все же позволить вам поймать мышь? Если бы деревянное основание исчезло, не было бы платформы для крепления других компонентов. Если бы исчез молоток, мышь могла танцевать всю ночь на платформе, не будучи прижатой к деревянной основе. Если бы не было пружины, молоток и платформа свободно болтались и не составляли препятствие грызуну. Если бы не было защелки или металлического удерживающего стержня, пружина закрыла бы молоток, как только вы отпустили его. Чтобы использовать такую ловушку, вам придется гоняться за мышью, удерживая ее открытой.

Чтобы ощутить всю силу вывода о том, что система нередуцируемо сложна и, следовательно, не имеет функциональных предшественников, нам нужно провести различие между физическим предшественником и концептуальным предшественником. Описанная выше ловушка – не единственная система, способная обездвижить мышь. В других случаях моя семья использовала клеевую ловушку. По крайней мере, теоретически, можно использовать ящик с крышкой, подпертой в открытом состоянии палкой, которую можно в нужный момент выбить. Или можно просто стрелять в мышь из пневматического пистолета. Однако они не являются физическими предшественниками стандартной мышеловки, поскольку шаг за шагом по Дарвину не могут быть преобразованы в ловушку с основанием, молотом, пружиной, фиксатором и удерживающим стержнем.

Чтобы прояснить ситуацию, рассмотрим следующую последовательность: скейтборд, игрушечный автомобиль, велосипед, мотоцикл, автомобиль, самолет, реактивный самолет, космический челнок. Эта последовательность кажется естественным прогрессом, потому что это список объектов, которые можно использовать для транспортировки, а также потому, что они выстроены в порядке сложности. Они могут быть концептуально связаны и объединены в единый континуум. Но, является ли, скажем, велосипед – физическим (и потенциально дарвиновским) предшественником мотоцикла? Нет, это только концептуальный предшественник. Ни один мотоцикл в истории, даже первый, не был сделан просто путем постепенной модификации велосипеда. Вполне может быть так, что подросток в субботу днем мог взять старый велосипед, старую газонокосилку и некоторые запасные части и (за пару часов) построить себе работающий мотоцикл. Но это только показывает, что люди могут создавать неупрощаемо сложные системы, которые мы уже знаем. Чтобы быть предшественником в смысле Дарвина, мы должны показать, что мотоцикл можно построить из «многочисленных, последовательных, небольших модификаций» велосипеда.

А  давайте попробуем эволюционировать велосипед в мотоцикл путем постепенного накопления мутаций. Предположим, что фабрика производила велосипеды, но иногда в производстве случаются ошибки. Предположим далее, что если ошибка привела к улучшению в велосипеде, то друзья и соседи счастливого покупателя потребовали бы аналогичные велосипеды, и фабрика переоборудовала производство, чтобы сделать такую мутацию постоянной особенностью. Таким образом, как и биологические мутации, успешные механические мутации будут размножаться и распространяться. Однако если мы хотим, чтобы наша аналогия относилась к биологии, каждое изменение может быть лишь незначительной модификацией, дублированием или перегруппировкой ранее существовавшего компонента, и это изменение должно улучшить работу велосипеда. Так что, если завод по ошибке увеличил размер гайки или уменьшил диаметр болта, или добавил дополнительное колесо на переднюю ось, или убрал заднюю шину, или поставил педаль на руль или добавил дополнительные спицы, и, если из этих незначительных изменений улучшилась поездка на велосипеде, тогда покупатели сразу заметят это улучшение, и мутировавшие по-дарвиновски велосипеды, будут доминировать на рынке.

Учитывая такие обстоятельства, можем ли мы превратить велосипед в мотоцикл? Мы можем двигаться в правильном направлении, делая сиденье более удобным, колеса больше или меньше и даже (если предположить, что наши клиенты предпочитают «байкерский» вид) имитируя общую форму различными способами. Но мотоцикл зависит от источника топлива, а у велосипеда нет ничего, что можно было бы слегка модифицировать, чтобы получить бензобак. И какую часть велосипеда можно продублировать, чтобы начать строить мотор? Даже если бы в результате несчастного случая двигатель газонокосилки с соседнего завода попал на велосипедный завод, его нужно было бы установить на велосипед и правильно соединить с приводной цепью. Как это можно сделать шаг за шагом из велосипедных деталей? Фабрика, производящая велосипеды, просто не могла бы произвести мотоциклы путем естественного отбора, действующего на вариации через «многочисленные, последовательные, небольшие модификации». В истории нет примера сложных изменений продукта, происходившего таким образом.

Итак, велосипед может быть концептуальным предшественником мотоцикла, но он не является его физическим основанием. Дарвиновская эволюция требует физических предшественников.


                МИНИМАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ


До сих пор мы рассматривали вопрос о нередуцируемой сложности как вызов пошаговой эволюции. Но есть еще одна проблема для сторонников Дарвина. Мой предыдущий список факторов, которые делают мышеловку неделимо сложной, на самом деле был слишком общим, потому что почти любое устройство с пятью компонентами стандартной мышеловки, тем не менее, не сможет функционировать. Например, если основание будет сделано из бумаги, ловушка развалится. Если молоток будет слишком тяжелым, он сломает  пружину. Если пружина будет слишком слабой, она не сдвинет молоток. Если  удерживающая планка будет слишком короткой, она не достанет до защелки. Если фиксатор будет слишком велик, он не будет отпущен в нужное время. Простой список компонентов мышеловки необходим, но не достаточен, чтобы создать работающую мышеловку.

Чтобы быть кандидатом на естественный отбор, система уже должна иметь минимальную функцию: способность выполнять задачу в физически реалистичных условиях. Мышеловка, изготовленная из неподходящих материалов, не будет соответствовать критерию минимальной функции, и даже сложные машины, которые делают то, что они должны делать, могут оказаться бесполезными. Чтобы проиллюстрировать это, предположим, что первый в мире подвесной лодочный мотор был спроектирован и пущен в продажу. Двигатель работает плавно – сгорает бензин с контролируемой скоростью, передается усилие по оси и вращается пропеллер – но пропеллер вращается со скоростью всего один оборот в час. Это впечатляющий технологический прорыв. Однако, сжигание бензина в баллончике рядом с пропеллером совсем не вращает его. И поэтому мало кто будет покупать такую машину, потому что она не сможет работать на уровне, соответствующем ее назначению.

Продукт производства может быть неприемлемым по одной из двух причин. Первая причина заключается в том, что машина не выполняет свою работу. Пара, ловящая рыбу посреди озера в лодке с медленно вращающимся винтом, не добралась бы до берега: случайные потоки воды и ветра сбили бы их лодку с курса. Вторая причина, по которой продукт может оказаться неподходящим, заключается в том, что он менее эффективен, чем уже имеющиеся более простые средства. Никто не станет использовать неэффективный подвесной мотор, если,например, с парусом можно передвигаться так же хорошо или даже лучше.

В отличие от неупрощаемой сложности (где мы можем перечислить дискретные части), минимальную функцию иногда довольно сложно определить. Если одного оборота в час недостаточно для подвесного мотора, как насчет ста? Или тысячи? Тем не менее, минимальная функция имеет решающее значение в эволюции биологических структур. Например, какое минимальное количество гидрохинона должен получить хищник? Если хищник не заметил крошечного количества гидрохинона или небольшого изменения температуры, то наш рассказ в стиле Докинза об эволюции жука-бомбардира можно поместить рядом с историей о корове, прыгнувшей через Луну. Неделимо сложные системы являются неприятными препятствиями для дарвиновской эволюции; потребность в минимальной функции значительно усугубляет дилемму.

                ГАЙКИ И БОЛТЫ

Биохимия продемонстрировала, что любая биологическая конструкция, включающая более одной клетки (такая как орган или ткань), обязательно представляет собой сложную сеть из множества различных идентифицируемых систем чрезвычайной сложности. «Простейшая» самодостаточная реплицирующаяся клетка способна продуцировать тысячи разных белков и других молекул в разное время и в разных условиях. Синтез, деградация, выработка энергии, репликация, поддержание сотовой архитектуры, мобильность, регулирование, восстановление, связь – все эти функции выполняются практически в каждой клетке, и каждая функция сама требует взаимодействия многочисленных частей. Поскольку каждая клетка представляет собой такую переплетенную сеть систем, мы повторили бы ошибку Фрэнсиса Хитчинга, спросив, могли ли бы многоклеточные структуры развиваться поэтапно дарвиновским образом. Это все равно что спрашивать не о том, может ли велосипед превратиться в мотоцикл, а о том, может ли велосипедный завод превратиться в мотоциклетную фабрику! Эволюция не происходит на фабричном уровне; она происходит на уровне гаек и болтов.

Аргументы Докинза и Хитчинга проваливаются, потому что они никогда не обсуждают то, что содержится в системах, о которых они спорят. Мало того, что глаз чрезвычайно сложен, но и «светочувствительное пятно», с которого Докинз начинает свой рассказ, само по себе является многоклеточным органом, по сравнению с каждой клеткой которого сложность мотоцикла или телевизионного экрана просто ничтожна. Мало того, что защитный аппарат жука-бомбардира зависит от ряда взаимодействующих компонентов, но клетки, которые производят гидрохинон и перекись водорода, зависят от очень большого числа компонентов, чтобы их произвести. Клетки, которые секретируют каталазу, очень сложны. И сфинктерная мышца, отделяющая собирающий пузырь от камеры взрыва, представляет собой систему систем. Из-за этого аргументы Хитчинга о великолепной сложности жука-бомбардира легко размываются до неуместности, и ответ Докинза удовлетворяет нас только до тех пор, пока мы не попросим более подробной информации.

В отличие от биологических органов, анализ несложных механических объектов относительно прост. Мы показали, что мышеловка является неупрощаемо сложной, и поэтому мы можем сделать вывод о том, что мы уже знаем: мышеловка сделана как цельная система. Мы уже знаем, что мотоцикл не был подсознательно произведен небольшими последовательными усовершенствованиями велосипеда, беглый анализ показал нам, что это невозможно. Механические объекты не могут воспроизводиться и мутировать подобно биологическим системам, но выдвижение гипотезы о сопоставимых событиях на воображаемой фабрике показывает, что мутация и размножение не являются основными барьерами на пути эволюции механических объектов. Именно требования самих структурно-функциональных отношений блокируют эволюцию в дарвиновском смысле.

Машины относительно легко анализировать, потому что их функции и все их части, каждая гайка и болт, известны и могут быть перечислены. Тут просто увидеть, требуется ли какая-либо конкретная часть для функционирования подобной системы. Если для функционирования системы требуется несколько тесно связанных друг с другом частей, то она неупрощаемо сложна, и мы можем заключить, что она была произведена как единое целое.  В принципе, биологические системы также могут быть проанализированы таким образом, но только если можно перечислить все их части и распознать их функцию.

В последние несколько десятилетий современная биохимия прояснила все или большинство компонентов ряда биохимических систем. В следующих пяти главах я расскажу о некоторых из них. В третьей главе я рассмотрю увлекательную структуру, называемую «жгутик», которую некоторые клетки используют для плавания. В четвертой главе я расскажу, что происходит, когда вы порежете палец, и покажу, что кажущаяся простота свертывания крови обманчива. После этого я рассмотрю, как клетки транспортируют материалы из одного субклеточного отсека в другой, сталкиваясь со многими из тех же проблем, с которыми сталкивается Federal Express (Федэкс корпорейшн) при доставке почты. В шестой главе я расскажу об искусстве самозащиты – конечно, на клеточном уровне. Мой последний биохимический пример будет в седьмой главе, где я рассмотрю сложную систему, которая требуется клетке для того, чтобы просто сделать один из ее «строительных блоков». В каждой главе я рассмотрю вопрос о том, могла ли обсуждаемая система развиваться постепенно по дарвиновскому принципу, а также о том, что научное сообщество заявило о возможной эволюции такой системы.

Я постарался сделать эти пять глав с примерами максимально читабельными и приятными. Я не обсуждаю никаких известных только посвященным концепций, свойственных биохимии. Только каких идей стоит придерживаться, а какие должно отбросить. Тем не менее, как я уже упоминал в предисловии, чтобы оценить сложность, вы должны ее прочувствовать. Системы, которые я обсуждаю, сложны, потому что они содержат много компонентов. Однако после прочтения книги вам не придется сдавать экзамен. Подробные описания предназначены только для того, чтобы дать вам представление о сложности системы, а не для проверки вашей памяти.

Некоторые мои читатели, возможно, избороздят все вдоль и поперек. Другие только пролистают книгу, но они смогут вернуться к ней еще раз, когда будут готовы для восприятия более подробной информации.

Я заранее прошу прощения за сложность материала, но это неизбежно в том деле, которое я должен был сделать.  Ричард Докинз может все упрощать сколько его душе угодно. Его задача убедить своих читателей, что дарвиновская теория эволюции не сложнее дуновения легкого ветерка.  Однако, чтобы понять какие барьеры есть в эволюции, мы должны грызть зубами всю сложность.


* В оригинале «irreducibly complexity». Идея и термин принадлежат М.Бихи. Переводят по-разному: «неупрощаемая сложность», «неделимая сложность», «нечленимая сложность», «неуменьшаемая сложность» и т.п. Или «научным» термином «нередуцируемая сложность».

Продолжение http://proza.ru/2024/07/13/1102

Начало http://proza.ru/2024/07/09/355