«Эволюция должна иметь направленность»

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.

Доклад о «направленной эволюции», прозвучавший на конференции «Развитие жизни: вопросы эволюции и развитие организмов» наделал шума. Профессор Уральского университета, доктор физико-математических наук Алексей Мелких презентовал свою теорию, которая, по его мнению, должна прийти на смену дарвиновской. До этого основные аспекты своего 20-летнего исследования он изложил в уважаемых журналах — Origin of Life and Evolution of Biospheres, Biosystems, Progress in Biophysics and Molecular Biology. О том, куда и, главное, зачем движется эволюция, «Огонек» расспросил автора теории.

— 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.

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.

— 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.

— 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.

— 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.

— 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».

— 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.

— 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.

— 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.

— 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.

— 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.

— 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.