Вернуться на страницу ежегодника Комментарий А. В. Маркова
комментарий к статье А.Д. Панова и Ф.П. Филатова «Разум в Мультиверсе вечной хаотической инфляции» (Скачать)
Статья Панова и Филатова чрезвычайно интересна во многих отношениях. Она привлекает и фундаментальностью затронутых тем, и смелостью предложенных гипотез, и хорошим языком, и замечательной ясностью изложения. Хочу подчеркнуть, что последние два пункта крайне редко сочетаются с двумя первыми: это редкое достоинство обсуждаемого текста.
Развитие инфляционной космологии действительно может оказаться поворотным пунктом в попытках людей осмыслить мироздание, в котором мы живем, и обсуждаемая статья это наглядно иллюстрирует. Современные представления о происхождении и эволюции жизни на Земле формировались в течение большей части ХХ века в контексте господствовавших представлений о конечности Вселенной и ее относительной молодости (14 млрд лет – ничтожный миг по сравнению с Вечностью). С этим, вероятно, было во многом связано снижение интереса к теории панспермии. Панспермия выглядела привлекательной идеей в XIX – начале XX в, пока господствовало представление о вечности и бесконечности Вселенной. Действительно, если в вечной и бесконечной Вселенной жизнь появилась и существует хотя бы где-то, то вывод о том, что она и раньше появлялась и развивалась бесчисленное множество раз в бесчисленном множестве мест, кажется почти неизбежным. И очень логичным и естественным выглядит предположение о сверхразумах, опять-таки бесчисленных, которые уже бессчетное число квадриллионов лет назад успели внести в структуру мироздания все необходимые (с их точки зрения) свехразумные модификации, а также, возможно, заселить бесчисленные планеты «семенами жизни». В таком случае и наша земная жизнь, и наш скромный земной человеческий разум предстают уже не как результат слепых природных процессов вроде дарвиновской эволюции, а как один из закономерных итогов этой извечной сверхразумной деятельности по усовершенствованию мироздания.
Такая картина, безусловно, завораживает воображение и привлекает мыслителей. Она сильно поблекла, когда физики усомнились в вечности и бесконечности мироздания. Но теория вечной инфляции снова вернула эти представления в научный обиход. Это не могло не привести к возрождению интереса к панспермии и связанному с ней кругу идей. Это возрождение интереса прекрасно обосновано и проиллюстрировано в первой части обсуждаемой статьи.
Дальше встает закономерный вопрос о поиске фактов, подтверждающих или опровергающих вмешательство нечеловеческого (сверх)разума в структуру и ход развития той части мироздания, которая доступна нашему изучению. И трудно не согласиться с авторами, что происхождение земной жизни – это как раз такое событие, в котором поискать следы сверхразумного вмешательства имеет смысл, возможно, в первую очередь.
Вплоть до этого момента, как можно заметить, я не спорил с авторами и даже не намекал на какие-то разногласия. Тем более, что физико-космологическая часть статьи лежит далеко за пределами моей компетенции (но было бы интересно прочесть отзывы специалистов).
Однако ко второй части статьи у меня есть несколько замечаний.
Первое состоит в том, что при поиске следов сверхразумного вмешательства мы должны очень хорошо понимать, что результаты слепого природного процесса – дарвиновской эволюции – часто выглядят чрезвычайно похожими на результаты разумного проектирования. Это – неизбежное следствие самого механизма эволюции, основанного на размножении, изменчивости, наследственности и отборе. Про это написано множество хороших книг (см., например: Dawkins, 1986; Dennett, 1995). Сказанное относится в том числе и к струтуре генетического кода. Если код – не результат сверхразумного проектирования, то он – результат дарвиновской эволюции в мире РНК. Собственно, я практически уверен в том, что код – результат дарвиновской эволюции в мире РНК. Эволюция – хоть и слепой (не направляемый разумом), но далеко не случайный процесс, и она прекрасно умеет создавать всевозможные замысловатые паттерны, корреляции и симметрии. Многие «странные» особенности генетического кода могут быть просто-напросто либо эволюционными адаптациями, либо побочными эффектами таких адаптаций.
Например, известно, что код оптимизирован по толерантности к мутациям: он организован так, что значительная доля случайных мутаций в кодирующей последовательности (ДНК или мРНК) либо не меняет аминокислоту в белке, либо меняет на похожую по химическим свойствам. Код оптимизирован по этому параметру хорошо, но не идеально (это, кстати, типичный почерк эволюции, а не сверхразума). Идея Крика о «замороженной случайности» - это очень глубокая идея, но, опять-таки, надо хорошо понимать, что речь здесь, безусловно, идет не о полной случайности, а лишь о случайном выборе одного из множества более или менее равноценных хороших вариантов (Kooning, 2017). Скорее всего, дело было так. Пока код зарождался и эволюционировал, разные варианты кода конкурировали друг с другом. Поначалу для победы в конкуренции важнее всего была оптимальность кода (например, по таким параметрам, как толерантность к мутациям и ошибкам трансляции и число тРНК, необходимых для трансляции). Затем на каком-то этапе, когда все выжившие варианты уже были более или менее хороши, на первый план вышел отбор на конформизм. Преимущество стали получать те варианты кода, которые были более распространенными, потому что это расширяло для РНК-организмов круг потенциальных партнеров по рекомбинации (примерно по такой же схеме сейчас быстро исчезают многие малые языки, вытесняемые языками, на которых говорят миллионы). В итоге победил один из самых распространенных вариантов. Вот тут-то и «заморозилась случайность», но случайность эта была результатом предшествующей эволюции, так что победителем оказался далеко не случайный вариант кода, а один из самых удачных из тех, что были в наличии (хотя, по-видимому, и не самый оптимальный из всех возможных).
Авторы упоминают крайнюю эволюционную консервативность кода, но не объясняют ее. Возможно, полезно будет восполнить этот пробел. Разгадка довольно простая. Мутации, меняющие код, возникают очень легко (высоковероятны). Например, простая замена нуклеотида в гене какой-нибудь тРНК, в антикодоне, может сразу изменить смысл одного из кодонов. Такие мутации возникают часто, но они практически не имеют шансов не оказаться очень вредными. Ведь они приводят сразу к множеству аминокислотных замен во множестве белков. Поэтому все такие мутации быстро отбраковываются отбором, и код остается неизменным (Crick, 1968). Меняется он иногда в митохондриях и у внутриклеточных паразитов, потому что у них маленькие геномы. В маленьком геноме закодировано мало белков, и может быть очень мало случаев использования данного кодона. Поэтому повышается шанс, что изменение смысла кодона не принесет очень уж большого вреда, и мутация сможет закрепиться благодаря дрейфу.
К сожалению, на сегодняшний день у нас еще нет общепризнанного убедительного сценария поэтапной эволюции кода. Но некоторые наблюдаемые в нем паттерны больше похожи на характерную роспись дарвиновской эволюции, а не внеземного сверхразума. Например, более или менее ясно, что древнейшие варианты кода в основном полагались на первые две буквы триплета. Возможно, они вообще были диплетными, а не триплетными. Или, например, такая закономерность, которую можно заметить в приведенных в статье данных. В октете 1 на первых двух позициях основания Г и Ц стоят втрое чаще, чем А и Т, а в октете 2 – наоборот, А и Т встречаются втрое чаще, чем Г и Ц. Почему так? Что роднит первый октет с Г и Ц, а второй с А и Т? Я не знаю, что мог бы думать об этом сверхразум, но могу предположить, почему так получилось в эволюции. Комплементарная пара Г:Ц прочнее и надежнее, чем А:Т. В первом случае между комплементарными основаниями образуются три водородные связи, во втором – только две. Поэтому если мы представим себе постепенно эволюционирующий механизм трансляции, то легко увидеть, что на каком-то этапе этой эволюции, когда трансляция осуществлялась еще примитивными проторибосомами и неоптимальными тРНК, считывание триплетов с Г и Ц в первых двух позициях могло происходить точнее (надежнее), чем триплетов с А и Т в этих позициях. Поэтому во втором случае отбор чаще поддерживал, для повышения точности считывания, смысловое задействование третьей позиции триплета. Эволюционировали тРНК, хорошо различающие третью букву, что повышало вероятность того, что четверка триплетов в итоге попадет в октет 2. В первом же случае (когда в первых двух позициях стоят Г и/или Ц) связывание кодона с антикодоном за счет первых двух букв уже и так было достаточно прочным и безошибочным, задействование третьей буквы мало чувствовалось отбором и мало влияло на ход трансляции, отбор на вовлечение третьей позиции был слабее, эволюционировали безразличные к третьей букве тРНК, и четверка в итоге попадала в октет 1. Я не утверждаю, что именно так всё и было, просто иллюстрирую принципиальную возможность эволюционных, а не «сверхразумных» причин наблюдаемых в генетическом коде паттернов.
Можно также преположить, что, хотя оба октета эволюционировали параллельно, первый все-таки развивался с некоторым опережением, то есть он в каком-то смысле древнее. И это согласуется с тем, что из 8 самых легких аминокислот (среди которых, возможно, преобладают эволюционно более древние) целых 7 кодируются первым октетом. А из 12 наиболее тяжелых аминокислот кодируются вторым октетом все 12. Но эта красивая закономерность все-таки подпорчена серином и аргинином, которые кодируются сразу обоими октетами. Почерк сверхразума? Нет, по-моему, типичный почерк эволюции.
Само присутствие в современных клетках разнообразнейших функциональных молекул РНК, на мой взгляд, плохо вяжется с разумным дизайном. На месте сверхразума я бы спроектировал клетку вообще без РНК, только с ДНК и белками, так было бы куда проще и изящнее. РНК – это «историческое наследие», пример такого свойства земной жизни, для которого историческое объяснение («почему так получилось») предложить намного проще, чем функциональное («почему так лучше, чем иначе»). Не мне поучать сверхразум, но тем не менее. На фоне огромного множества сложных клеточных молекулярных «машинок», сделанных из белков, сделать самую главную машинку – рибосому – почему-то на основе РНК, а не белков? Это как минимум дурной вкус, это не изящно. Хотя могут же, наверное, и среди сверхразумов быть двоечники...
Было бы очень интересно (я бы сказал, даже необходимо) оценить количественно степень «невероятности» выявляемых в коде симметрий и паттернов. Без таких оценок на ум сразу приходят похожие «нумерологические» рассуждения из Каббалы и трудов искателей следов внеземного вмешательства в пропорциях египетских пирамид. К сожалению, авторы не попытались этого сделать, хотя вроде бы это не запредельно трудно. При таких расчетах, конечно, нужно перебирать не все мыслимые варианты кода, а только те из них, которые не уступают реальному по функциональным показателями, таким как экономия тРНК, толерантность к мутациям и ошибкам трансляции.
Еще несколько небольших комментариев по частным вопросам.
Авторы упоминают аргумент, связанный «с возникновением биологической сложности в нашей Вселенной в сроки, которые могут показаться невероятно короткими». Во-первых, мы практически ничего не знаем о темпах пребиотической «эволюции» или дарвиновской эволюции в мире РНК. Последняя в принципе могла идти очень быстро по ряду причин (низкая точность копирования, активная рекомбинация). Пребиотическая химическая эволюция тоже априори не обязана быть очень долгой, если на планете есть подходящие условия для синтеза, например, нуклеотидов, липидов, аминокислот и т.д., причем такие условия, по-видимому, вовсе не являются чем-то невероятным (Becker et al., 2019). Во-вторых, в многочисленных эволюционных экспериментах показано, что в подходящих условиях эволюция довольно сложных адаптаций (например, фермента с новой функцией) может происходить быстро (см., например: Näsvall et al., 2012). Так что лично мне полмиллиарда лет на зарождение жизни и четыре миллиарда на путь от прокариот до человека совершенно не кажутся слишком малыми сроками.
Авторы также упоминают (не называя по имени) неферментативную репликацию РНК и ДНК: «Есть предположения, что реплицироваться (пусть с более частыми ошибками) могут и более короткие полинуклеотиды, и что они способны — в порядке эволюции — объединяться в более длинные (Гельфанд 2022, Марков 2022). Но это, однако, пока только предположения. Следов такой химической «преджизни» пока не обнаружено. Таким образом, окончательное понимание, существует ли реальная и критическая проблема комбинаторной сложности возникновения первых репликаторов, или нет, в настоящее время отсутствует»
Я не знаю, какие именно «следы преджизни» имеются здесь в виду, но в любом случае релевантные следы, безусловно, привутствуют в строении современных клеток. Известны многочисленные биохимические рудименты РНК-мира (одна молекула АТФ чего стоит, как и многие кофакторы на основе рибонуклеотидов) (Jadhav, Yarus, 2002.). Не менее важно, что существует множество указаний на относительно долгую дарвиновскую эволюцию, предшествовавшую появлению генетического кода. Например, в структуре рибосомы такие следы четко просматриваются. Обе субъединицы рибосомы, большая и малая, устроены не так, как если бы они были спроектированы с нуля, а так, как если бы они постепенно эволюционировали из маленьких простых рибозимов (большая субъединица произошла от маленького рибозима с транспептидазной функцией, а малая, вероятно, от примитивного рибозима с РНК-полимеразной функцией) (Bokov, Steinberg, 2009; Harish, Caetano-Anollés, 2012). А если так, если механизм трансляции эволюционировал постепенно, то становится совершенно непонятно, в какой момент в этот процесс вмешался сверхразум со своим хитро спроектированным генетическим кодом.
Кроме того, указания на реалистичность химической «эволюции» преджизни получены в многочисленных экспериментах по пребиотической химии. В частности, показано, что неферментативная репликация – процесс, делающий излишней гипотезу о необходимости случайной самосборки 2000-нуклеотидного монстра для старта дарвиновской эволюции – никакое не «только предположение», а реальный химический процесс, который реально идет в пробирке при подходящих условиях (Szostak, 2012). Он идет в лаборатории пока слишком медленно и со слишком большим количеством ошибок, однако ученые шаг за шагом нащупывают «пребиотически правдоподобные» условия, подходящие для все более быстрой и точной неферментативной репликации (Prywes et al., 2016; O’Flaherty et al., 2019; Ding et al., 2023). Здесь очень важно понять, что два следующих предположения, по-видимому, различаются по уровню невероятности на много порядков:
1) Где-то во Вселенной однажды случайно самособралась единственно верная 2000-нуклеотидная последовательность, с которой началась жизнь. Это допущение высочайшей степени невероятности, требующее для своего оправдания экстраординарных средств, таких как вечность, бесконечность, сверхразум или Бог.
2) Где-то во Вселенной однажды сложились условия, в которых неферментативная репликация шла в несколько раз точнее и быстрее, чем она идет сейчас, в 2023 году, в лаборатории Джека Шостака» - это, согласитесь, звучит совсем не так невероятно.
Я думаю, что экзистенциальная проблема случайной самосборки 2000-нуклеотидного репликатора не заслуживает того внимания, которое ей уделяется.
Резюмирую сказанное:
1) Статья отличная, читать ее безумно интересно и приятно.
2) Физико-космологическая часть меня очень впечатлила, но я не специалист.
3) Генетический код не был разумно спроектирован. Главный (но не единственный) аргумент состоит в том, что мы видим в современных живых организмах, в том числе в их аппарате трансляции, явные следы эволюции, происходившей задолго до появления генетического кода.
4) Интересные паттерны и симметрии, просматривающиеся в генетическом коде, скорее всего, объясняются тем, что этот код – результат дарвиновской эволюции, которая очень хорошо умеет создавать паттерны и симметрии. Причем она делает это с характерным почерком, когда всё почти идеально, но не совсем, где-то подклеено скотчем, где-то подперто палочкой, а какие-то детали не объяснимы с функциональной точки зрения, а только с исторической.
5) И все же если теория вечной инфляции верна, и если возможен межвселенский обмен «семенами жизни» и элементами сверхразумного дизайна через какие-то кротовые норы и кольцевые сингулярности, то признаки такого обмена должны присутствовать в нашем мире. Надо только отработать методолгию их поиска.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Becker S., Feldmann J., Wiedemann S., Okamura H., Schneider C., Iwan K., Crisp A., Rossa M., Amatov T., Carell T. 2019. Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidineand purine RNA ribonucleotides // Science. V. 366, Issue 6461, pp. 76-82. DOI: 10.1126/science.aax2747
Bokov K., Steinberg S.V. 2009. A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA // Nature. 2009. V. 457. P. 977–980.
Crick F.H., 1968. The origin of the genetic code // J. Mol. Biol. 38, 367–379.
Dawkins R., 1986. The Blind Watchmaker: Why the Evidence of Evolution Reveals a Universe without Design. N.Y.: W. W. Norton & Company. 468 p.
Dennett D., 1995. Darwin's Dangerous Idea: Evolution and the Meanings of Life. N.Y.: Simon & Schuster. 586 p.
Ding D., Zhang S.J., Szostak J.W. 2023. Enhanced nonenzymatic RNA copying with in-situ activation of short oligonucleotides // Nucleic Acids Res. 51(13). P. 6528-6539. doi: 10.1093/nar/gkad439.
Harish A, Caetano-Anollés G. 2012. Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis // PLoS ONE 7(3): e32776. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032776
Jadhav V. R., Yarus M. 2002. Coenzymes as coribozymes // Biochimie. V. 84, Issue 9, P. 877-888.
Koonin E.V., 2017. Frozen Accident Pushing 50: Stereochemistry, Expansion, and Chance in the Evolution of the Genetic Code // Life 2017, 7(2), 22; https://doi.org/10.3390/life7020022
Näsvall J., Sun L., Roth J.R., Andersson D.I., 2012. Real-Time Evolution of New Genes by Innovation, Amplification, and Divergence // Science. V. 338. P. 384–387.
O’Flaherty D.K., Zhou L., Szostak J.W., 2019. Nonenzymatic Template-Directed Synthesis of Mixed-Sequence 3′-NP-DNA up to 25 Nucleotides Long Inside Model Protocells // J. Am. Chem. Soc. 2019, 10481–10488
Prywes N., Blain J. C., Frate F.D., Szostak J.W. 2016. Nonenzymatic copying of RNA templates containing all four letters is catalyzed by activated oligonucleotides //eLife 5:e17756. https://doi.org/10.7554/eLife.17756
Szostak J. W. 2012. The eightfold path to non-enzymatic RNA replication // Journal of Systems Chemistry. V. 3. P. 2.
