У Львові вдруге відбудеться серія коротких науково-популярних лекцій 15x4 talks. Саму групу 15x4 talks створили молоді науковці, які хочуть популяризувати науку у небанальний спосіб.
Під час кожного виступу вони читають чотири лекції тривалістю до 15 хв. Це щось схоже на TED, але присвячене в основному науковим ідеям – фракталам, еволюції, теорії відносності, ядерним реакторам, 3D-друку...
ZAXID.NET подає розшифровку лекції харків'янина Гліба Сiдори про еволюцію, яка відбулася під час першої зустрічі 15x4 talks у Львові. Однак ми додали до 15-хвилинної розповіді ще 15 гіфок про механізми еволюції.
***
Коли ми говоримо про еволюцію, то добре було б почати з визначення. Згідно з синтетичною теорією, що є її найсучаснішою інтерпретацією, еволюція – це процес зміни частоти появи спадкових ознак у популяції за час, який перевищує час життя одного покоління. Таке складне визначення з'явилося тому, що багато людей намагалися спростувати теорію еволюції, використовуючи її «вузькі» місця. Таке ж визначення зараз здається непробивним.
Класичний екземпляр, на який у своєму дослідженні опирався Чарльз Дарвін, – це зяблики на Галапагоських островах. Вони мали спільного предка, але за рахунок того, що адаптувалися до різної їжі і жили в різних умовах, мали певні морфологічні відмінності. Це приклад роботи еволюції. У той же час люди, які тікають із Північної Кореї в Південну Корею, які на вигляд є бліднішими та нижчими – не є прикладом еволюції, оскільки вони банально недоїдають. Час розділення Корей не набагато перевищує час життя одного покоління, тому еволюційні зміни ще не встигли б закріпитися.
Коли ми говоримо про предмет еволюції, дуже важливо уникати помилки, про яку говорив ще Дарвін у своєму програмному творі «Про походження видів». Еволюція вивчає питання того, як змінюються живі істоти зі зміною поколінь або ж як змінюється життя. Вона не займається питанням, як з'явилося життя. Якщо ми хочемо заперечити креаціонізм, відкинути релігійну доктрину і запропонувати щось інше, то нам потрібна не еволюція, а теорія абіогенезу. Вона намагається надати альтернативну картину походження життя, пояснити, що воно з'явилося із нежиття. На відміну від теорії еволюції теорія абіогенезу не є безперечною – до неї є багато претензій.
Католицька церква вже більше півстоліття визнає теорію еволюції. Папа Пій XIII, який першим її й визнав, заявив, що це «допустима гіпотеза». Папа Іоанн Павло II сказав, що це «більше, ніж гіпотеза». Та все ж між католицькою церквою і еволюціоністами по деяких речах тривають суперечки.
Отож, чому ми думаємо, що теорія еволюції є правдивою? По-перше, у нас є палеонтологічна реальність: ми відкопуємо залишки різних істот, які вмерли достатньо давно. Ми припускаємо, що порядок їх залягання у землі відповідає порядку їх життя, ми користуємося радіовуглецевим методом для більш точного датування і бачимо, як накопичуються зміни, як види перетворюються один в одного.
Існують також морфологічні докази еволюції – види, які перебувають близько один від одного по еволюційному дереву, мають подібну будову органів. І це дуже цікаво, оскільки часто будова таких органів не є оптимальною.
Наприклад, люди мають дуже незручну будову горла, яке використовується і для прийому їжі, і для дихання. Саме тому в нас є шанс вдавитися. Це дуже неоптимально, але у наших предків шестиперих птахів, які почали ковтати воду горлом, так само як ми зараз ковтаємо їжу або повітря, просто не було іншого вибору.
Ембріологічні докази еволюції. Можливо, ви бачили фотографії ранніх стадій зародження людини, на яких ці зародки дуже подібні на ящірок. І це не просто так: еволюція так працює, що зародки видів подібні на ящірок. Зокрема у дитинчат людини закладаються навіть щілини жабр, які згодом перетворюються на різні структури, як-от внутрішнє вухо, євстахієва трубка.
Біогеографічні докази еволюції. Паралельно з поділом видів у межах еволюції відбувається їх розселення по планеті, тому, наприклад, усі сумчасті зосереджені в Австралії. Також ми спостерігаємо, що еволюційно близькі види поширені неподалік один від одного.
І нарешті існують ще й експериментальні докази еволюції. Є багато лабораторних досліджень, але час, за який ми можемо провести досліди і спостерігати за еволюцією в лабораторії, доволі маленький, тому ми можемо перевіряти еволюцію лише на істотах, які дуже швидко дають нові покоління. Тобто на бактеріях. І насправді це не дуже вражає.
Еволюцію також можна спостерігати у природному середовищі. Наприклад, у нас є жахлива бактерія золотистого стафілококу, від якої дуже багато різних болячок. З часом ми придумали крутий антибіотик лінкоміцин, який прекрасно позбавляв нас від золотистого стафілокока. Однак стафілокок еволюціонував, лінкоміцин для нього був агресивним середовищем, до якого той пристосувався і зараз існують штами золотистого стафілокока, які стійкі до цього антибіотика.
Існують навіть експерименти із моделюванням еволюції. Це коли ми створюємо певну систему і визначаємо у ній принципи, за якими вона змінюється. І тоді ми бачимо системи, які хоч і не є живими, оскільки це виключно комп'ютерна симуляція, але маємо можливість спостерігати ефекти, подібні на ті, які використовує еволюція.
Що це за принципи, які ми можемо закласти в комп'ютерну симуляцію для того, щоб отримати робочий механізм еволюції? Еволюція базується на трьох китах. По-перше, це природний добір. Його суть дуже проста: у кожному поколінні народжується більше дітей, ніж здатні вижити. І виживають не просто деякі випадкові з них, а ті, які краще пристосовані.
Ті, хто краще пристосований, дають потомство на відміну від тих, хто гірше пристосований. І завдяки механізму спадковості це потомство успадковує саме ті характеристики, які допомогли їх батькам виявитися більш пристосованими. І третій механізм – це механізм мінливості, який на відміну від спадковості дозволяє не тільки повторювати основні риси батьків, а й інколи трішки від них відрізнятися.
Про природний добір багато не скажеш: просто погано пристосованих з'їдають.
Зі спадковістю теж усе просто: ви знаєте, що у нас є ДНК, ДНК робить різні круті штуки, головним чином кодує білок, білки вміють робити все, що завгодно в нашому організмі. Ми успадковуємо ДНК, ми успадковуємо білки, наш організм здатен робити ті самі речі, на які був здатен організм наших батьків.
Тепер про мінливість. Найбільш ходовий механізм мінливості – це рекомбінація. Це сукупність кількох різних механізмів, які дозволяють конкретному гену опинитися в іншому становищі. Можливо, у вашого тата був ген, якому було б добре з геном вашої мами, але у нього не було гена вашої мами, тому він не міг отримати якусь користь від цього гена. У мами ж не було якогось гена вашого тата, але от з'явилися ми, отримавши один ген від тата, один ген від мами, і виявилося, що від синергії цих двох генів ми маємо додаткову користь. Наша пристосованість збільшилася, середня кількість потомства, яке ми залишимо, збільшилася, відповідно ця зв'язка генів має більше шансів передатися далі, аніж якісь інші гени, які не приносять додаткової користі.
Найбільш ходовий механізм рекомбінації – це статеве розмноження. Окрім нього існують й інші механізми, зокрема кросинговер: при поділі клітини може відбутися щось, внаслідок чого дві хромосоми обмінюються своїми частинами.
Інший механізм мінливості – це мутації або випадкові зміни ДНК. Існує кілька видів мутацій – бувають дуплікації, делеції, інверсії, тобто якийсь шматочок ДНК може скопіюватись, випасти або перевернутися. Серед причин, які викликають мутації, може бути радіація, іонізуюче випромінювання, можуть бути мутагенні речовини або банальні помилки копіювання. Але факт у тому, що мутація не несе ніякої особливої спрямованості – це проста помилка.
Оскільки це помилка, то найчастіше мутація є шкідливою. Більша частина мутацій – шкідливі. Деяка частина шкідливих мутацій є летальними. Тобто вони роблять організм нездатним до самостійного існування. Більша частина інших мутацій, які не є шкідливими, є нейтральними. І є невелика частина невеликої частини мутацій, які є позитивними – нам просто пощастило і завдяки цьому ми отримали певну перевагу. Ми як організм, який несе в собі цю позитивну мутацію, залишили більше потомства, а отже така мутація поширилася далі по популяції.
До речі, наш організм має вбудований механізм репарації ДНК і якщо відбулося випадкове ушкодження ДНК, то організм намагається його відновити, повернути ДНК до попереднього вигляду. Кожного дня у нашому організмі відбуваються тисячі мутацій, які успішно придушуються.
У вас тепер могло б виникнути питання: «Ну й що?» Я вам розказав про механізми еволюції і виходить, що жоден із них не є цілеспрямованим – усі вони достатньо випадкові та хаотичні. Однак якщо ми спостерігаємо еволюцію ретроспективно, то у нас складається ілюзія, що еволюція нас кудись веде, що вона має якусь ціль. Це пов'язано з парадоксом спостерігача.
Якась муха дрозофіла 100 тисяч поколінь назад могла відкласти 10 тисяч кладок яєць і в кожній кладці була б своя мутація. Але це було 10 тисяч поколінь дроздофіл назад, а зараз ми спостерігаємо лише тих дрозофіл, які з якихось причин виявилися більш схильними до того, аби ми їх спостерігали у цей момент. Іншими словами вони виявилися більш схильними до розмноження. Загалом еволюція робить випадкові кроки і потім закріпляє ті з них, які виявилися найбільш ефективними.
Із точки зору еволюції розмноження є єдиною осмисленою поведінкою, єдиним еволюційно значущим у житті. Тому якщо вас хтось буде звинувачувати в тому, що ви схиблені на сексі, то можете посилатися на природний відбір. Ті, хто не був схибнутий достатньо сильно, просто не залишав нащадків. У певному сенсі всі ми нащадки тих, хто був достатньо сильно схиблений на сексі, принаймні більше ніж інші.
Якщо головне розмноження, то може виникнути питання: «Навіщо нам дали такий великий мозок?» У нас же насправді дуже великий мозок, здатний до рефлексії, до екзистенційних мук, пошуку сенсу. Здається, що з точки зору еволюції все це немає особливого значення. То навіщо нам його дали? Відповідь може буде такою: та ні для чого нам його не давали. Просто виявилося, що мозок був корисний для якихось інших справ – із мозком ефективніше розмножуватися, а екзистенційні муки нам дісталися бонусом.
Отож, хоч у нас складається враження, що еволюція нас кудись веде, насправді це не так. Однак залишається ще питання кого вона кудись веде? Що ми вважаємо одиницею еволюційного відбору? Щодо цього є два протилежних підходи: один умовно можна назвати підходом егоїстичного гена (за назвою книжки Річарда Докінза), а інший, який в чомусь є відмінним від першого, – концепт групового відбору.
Із точки зору егоїстичного гена, одиницею відбору є ген. Він кодує білок і бореться з іншими генами за право відтворюватися більше, аніж вони. Така теорія не розглядає організм як окрему цілісну одиницю, адже для окремого гена інший ген в цьому ж організмі є просто середовищем, до якого потрібно пристосуватися. Якщо я не пристосовуюся достатньо добре, то мене викинуть із генофонду.
Ген в іншому організмі, наприклад, в організмі шаблезубого тигра, який хоче мене з'їсти, нічим не кращий за ген з мого організму. Це також середовище, до якого треба пристосуватися. Докінз називає тіла наших індивідів машинами для виживання генів – гени скооперувалися, створивши тіла, щоб краще виживати. Із точки зору генів, єдине, що насправді має значення для того, аби краще відтворюватися, – це чи пов'язаний інший елемент із моїм репродуктивним циклом, чи не пов'язаний.
Альтернативна до цієї концепції – ідея групового відбору. Припустимо, що у нас є ген, який пристосовується до певного середовища. У цьому середовищі є інший ген, який також пристосовується. Виходить, що два цих гени опосередковано пристосовуються один до одного, зліплюючись у такий собі еволюційний клубок, аби разом протистояти довкіллю. За рахунок того, що вони різні, у них з'являється більше можливостей і така співпраця може виявитися вигідною. Тому наші гени й об'єднуються у ДНК, формують складні тіла, адже виявляється, що працювати разом логічніше.
Але немає особливої необхідності зупинятися на рівні окремого організму. Індивіди в стаді можуть піклуватися один про одного – із тих самих мотивів. Вони формують цілісну структуру, яка протистоїть довкіллю. Однак для кожної екосистеми настає момент, коли вона стає надто великою і нездатною інтегрувати до себе нові одиниці. І тоді, якщо ми у цю екосистему додамо ще один ген, він буде нездатним бути всередині, а отже він буде зовні. Там він намагатиметься створити навколо себе власну екосистему і конкурувати з першою. Тому екосистеми в певному розумінні так само конкурують між собою, як і «дарвінівські» види. Гени всередині однієї екосистеми еволюціонують пов'язано один із одним – це називається механізмом коеволюції.
Можливо, вам здалося, що моя розповідь була трішки похмурою, адже я кілька разів підкреслював достатньо жорстоку бездуховну природу еволюції. Тому наостанок я хочу дати можливість подивитися на все це з іншої сторони.
Теорія креаціонізму, зокрема теорія розумного задуму, передбачає, що у нас є якийсь цільовий стан землі, який заданий Богом, і ми просто йдемо до цього стану. Це означає, що у нас є верхня планка, за яку ми ніколи не зможемо вистрибнути. Теорія еволюції, яка в своїй ортодоксальній формі передбачає, що у нас немає ніякого задуму, а еволюція просто йде, може створювати інформацію безкінечно, вона може створювати безкінечно складні системи. І завдяки такій жорстокій природі вона в певному сенсі пропонує навіть більше, ніж релігійна концепція.
Із точки зору еволюції питання людства дуже просте – людство не має нічого особливого. Це або вдала гілка еволюції, яка домінує, розвивається, дає початок новим гілкам, які з часом його витісняють, або ж це тупикова гілка еволюції, яка вимирає сама по собі. Виграє не той, хто кращий, розумніший чи сильніший. Виграє той, хто здатен показати стабільну стратегію. Якщо наша стратегія призводить до того, що ми стаємо childfree, або нас стає багато і в нас закінчується їжа або кисень, або ми починаємо воювати – що завгодно, то це означає, що ми не стабільні. І ми підемо.
Останні дві тисячі років, з того часу, коли в Спарті перестали скидати зі скелі слабких дітей, людство кинуло виклик еволюції. Воно кидає виклик фундаментальному принципу природного відбору.
У нас слабкі не вмирають. Ми даємо слабким можливість жити, адже із них можуть вирости відомі композитори, хоч можуть і не вирости, але це не так важливо – факт у тому, що ми кидаємо виклик еволюційній теорії. Ми своїм культурним рішенням не скидати дітей, яких ми вважаємо слабкими кидаємо виклик механізму, який існував до нас. Раніше говорили: ти не можеш себе забезпечити – помри. Так само птахи своїх слабких дітей викидають із гнізда. Ми кажемо: ні, ми так не хочемо жити. Ми хочемо жити за іншими правилами. Ми придумали собі гуманізм замість природного відбору.