Мелким направленным ДНК-квантом по естественному отбору! / Эволюция дарвинизма
Ещё природа и наука здесь, здесь и здесь, в т.ч. человек здесь, здесь и здесь, в т.ч. генетика и физика
Учёный УрФУ предложил альтернативу теории Дарвина
Он разрабатывает собственную теорию направленной эволюции / Теория направленной эволюции Алексея Мелких отвечает на многие вопросы, связанные с развитием человечества / апрель, 2019
Эволюция жизни определяется не спонтанным естественным отбором, а процессами квантовой механики в клеточном ядре - именно по такому принципу и происходит взаимодействие «кирпичиков» белков и ДНК. ©Ещё Дарвин и эволюция
___Профессор Уральского университета, доктор физико-математических наук Алексей Мелких уверен, что существование полов можно обосновать только в рамках направленной эволюции
Данную теорию направленной эволюции выдвинул доктор физико-математических наук, преподаватель Уральского федерального университета Алексей Мелких.
Ученый занимается разработкой теоретических и физико-математических моделей эволюционных изменений, которые являются альтернативой известной теории Дарвина. О своих исследования ученый рассказал на конференции «Развитие жизни: вопросы эволюции и развитие организмов», прошедшей в Ереване.
«Около 20 лет я занимаюсь построением теории направленной эволюции, которая, как я убежден, придет на смену дарвинизму, - говорит Алексей Мелких. - Основной вопрос, который не может решить дарвиновская теория, в том числе такие ее современные варианты, как расширенный синтез, это вопрос о возникновении сложных живых систем в процессе эволюции. Каким образом возникли столь сложные организмы, число состояний генома которых невозможно перебрать за время жизни Вселенной?»
Теория направленной эволюции базируется на трех ключевых принципах. Первый заключается в том, что эволюция априорно направлена, то есть существует априорная информация, в соответствии с которой происходят направленные изменения генов. В процессе направленной эволюции отбор и случайные мутации играют вторичную роль.
«Только существование априорной направленности позволяет объяснить характерные времена эволюции, - говорит Алексей Мелких. - Поскольку число вариантов информационных молекул (ДНК) растет экспоненциально с ростом длины такой молекулы, то, когда число нуклеотидов становится больше, чем 102-103, простой перебор вариантов последовательности становится невозможным за время жизни Вселенной».
В то же время, любые способы ускорения эволюции по сравнению с полным перебором вариантов - блочное кодирование, молекулярная экзаптация (использование тех же генов для новых целей), кумулятивный отбор и другие - неявно предполагают наличие априорной информации о будущих состояниях информационной последовательности. При отсутствии априорной информации характерное время образования видов будет экспоненциально велико.
Второй принцип теории - случайность в эволюции является следствием неопределенности в окружающей среде. Наличие случайности в генетических процессах часто рассматривается в качестве доказательства дарвиновского (ненаправленного) характера эволюции. Однако случайность может быть просто следствием неопределенности в окружающей среде и самом организме. При этом эволюция остается одновременно направленной.
Третий принцип - квантовая механика играет важную роль во всех генетических процессах, делая эти процессы в высокой степени управляемыми. Мотивация использования квантовой механики для моделирования эволюции основана на том, что все операции с генетическим материалом (ДНК, РНК, белки) не могут быть объяснены на основе классической механики. Одна из основных проблем молекулярной биологии - парадокс Левинталя - состоит в том, что белок, который первоначально возникает в виде линейной молекулы, должен каким-то образом найти свою естественную (нативную) конформацию (пространственную конфигурацию). Только в этой конформации он способен выполнять свои функции. Однако для достаточно длинных белков число возможных конформаций экспоненциально велико и не может быть перебрано за время жизни Вселенной.
«На этом уровне квантовая механика работает нетривиальным образом, и именно в ней запрограммирована эволюция, - считает Алексей Мелких. - Предложенные ранее способы решения парадокса на основе классической механики не могут быть признаны адекватными. Эта же проблема возникает и при упаковке более длинных молекул (ДНК), а также при взаимодействии между ДНК и белками. Для решения этих проблем использование квантовой механики оказывается необходимым».
По словам ученого, в рамках теории направленной эволюции удается с единых позиций объяснить не только возникновение сложности, но также и такие эволюционные феномены, как существование полов, старение и смерть и другие. Эксперименты по проверке теории должны включать наблюдение за эволюцией онлайн на малых масштабах (порядка атомов) и за малые времена (порядка нано и пикосекунд). Это трудно, но выполнимо.
«В настоящее время эксперименты (хотя и с недостаточной точностью) проводятся с быстро эволюционирующими организмами, такими как бактерии. Здесь мы можем увидеть, как конкретно меняется геном. И мы видим, что он меняется направленно, а вовсе не случайно. Так можно объяснить сложность и разнообразие видов в нашей природе. Если природа просто перебирает возможные варианты мутаций, как у Дарвина, то такого разнообразия не получить», - заявил Алексей Мелких.
Алексей Мелких уверен, что теория направленной эволюции приводит к необходимости новой парадигмы биологических наук и нового понимания жизни. Подобная смена парадигм уже имела место в истории, например, при возникновении квантовой механики.
Основные положения теории направленной эволюции опубликованы в таких журналах, как Origin of Life and Evolution of Biospheres, Biosystems, Progress in Biophysics and Molecular Biology.
_______
УрФУ - один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге - столице Всемирных студенческих игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
Оказывается, учение Дарвина не всесильно. И верно только отчасти
«Эволюция должна иметь направленность»
Физик Алексей Мелких бросает вызов Чарлзу Дарвину / май, 2019
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.
- 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.
- 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?
- 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.
_______
Жизнь отовсюду
Хроника / май, 2019
Представление об эволюции со временем тоже эволюционировало. Вот как представляли себе развитие живого ученые мужи от древних греков до Чарльза Дарвина ©
___Анаксимандр Милетский (около 610-547 до н. э.). Высказал идею происхождения животных из морского ила. Человек, по его мнению, произошел от рыбоподобных животных. Первоначалом всех вещей считал особую первоматерию - Апейрон - невидимый, бесконечный, безграничный и вечный, из которого возник весь материальный мир.
___Эмпедокл (около 490-430 до н. э.). Нарисовал первую эволюционную картину. По его мысли в мире действуют две силы: Любовь и Ненависть. Под воздействием огня из остальных стихий образуются части живых организмов: лапы, головы, хвосты, уши, различные внутренние органы. Эти части соединяются под действием Любви случайным образом, порождая странные существа. Самые удачные соединения закрепляются, их не может разрушить Ненависть.
___Аристотель (384-322 гг. до н. э.). Впервые предложил схему упорядоченности живых организмов и ввел в естествознание идею телеологии (от греч. telos - конец, цель) как методологический принцип. Считал, что историческое развитие идет не случайным образом, а целенаправленно. Постепенное усложнение всех форм природы и общей направленности развития должно привести природу к Богу - самой совершенной Сущности.
___Мэтью Хейл (1609-1676) - первый эволюционист и родоначальник «естественного богословия». Впервые употребил термин «эволюция». Писал, что не нужно воображать, будто все виды появились в той форме, в какой мы видим их сегодня. Были сотворены только те, кого мы зовем архетипами, а остальные эволюционировали из них под влиянием множества обстоятельств.
___Карл Линней (1707-1778) - «принц ботаники» и великий креационист. Считал, что видов в природе столько, сколько форм вначале создал Бесконечно Сущий. Природа эти родовые растения перемешала между собой и умножила существующие виды.
___Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон (1707-1788). В работе «История Земли» (36 томов) разделил историю планеты на семь длительных периодов, утверждал, что возраст Земли 75 тысяч лет, что виды изменяются во времени, а человек - потомок шимпанзе.
___Эразм Дарвин (1731-1802) - врач, поэт, натурфилософ. Считал, что вся природа пребывает в состоянии постепенного совершенствования, согласно законам, предназначенным для атомов материи Великой Причиной Причин. В его работе встречаются понятия «борьба за существование» и «половой отбор», которые потом будет использовать его внук, Чарльз Дарвин.
___Жан-Батист Пьер Антуан де Моне, шевалье де Ламарк (1744-1829) - создатель первой целостной теории эволюции живой природы. Считал, что прогресс, то есть развитие организмов от низшего к высшему, не зависит от условий среды, поскольку всему живому изначально присуще стремление к совершенству, повышению уровня организации. Это неотъемлемое свойство всего живого - особый дар Творца, то есть эволюционное, прогрессивное развитие природы - процесс Богоданный.
___Чарльз Дарвин (1809-1882) - натуралист, пионер теории о происхождении живого на Земле. Книга «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» вызвала дискуссию, которая не прекращается 150 лет. Считал, что движущей силой эволюции является борьба за существование, приводящая к естественному отбору, в результате которого должны сохраняться благоприятные признаки. Вот как выглядят заключительные строки «Происхождения видов»: «Есть величие в этом воззрении на жизнь с ее различными силами, изначально вложенными Творцом в одну или незначительное число форм…; из такого простого начала возникали и продолжают возникать несметные формы, изумительно совершенные и прекрасные».
По материалам курса биолога Г. Муравник «Концепции происхождения жизни и человека».
_______
Разгадать жизнь
Детали / май, 2019
Происхождение самой жизни и эволюция живого - самые популярные и одновременно самые спорные направления науки. «Огонек» собрал парадоксы, которые пока не могут разрешить ученые. ©
Живое из неживого
Жизнь на Земле возникла около 4 млрд лет назад. А вот как это случилось, до сих пор точно неизвестно. В ХХ веке академик Опарин сформулировал теорию «первичного бульона», предположив, что в растворах высокомолекулярных соединений образовались сгустки, содержащие протоклетки - примитивные организмы, предшественники прокариот (безъядерных живых одноклеточных).
В 1952 году Стэнли Миллер решил проверить эту идею. По системе из стеклянных труб он пустил четыре вещества, которые, вероятно, присутствовали на юной Земле: кипящую воду, газообразный водород, аммиак и метан. На газы многократно воздействовали электрическим током, имитирующим молнии. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящих в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика - вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный (от неживого к живому) синтез аминокислот был бы возможен только в том случае, если бы на Земле в тот момент была метаново-аммиачная атмосфера. Но метану и аммиаку неоткуда было взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света.
Неуловимая мелочь
Почти столетие продолжаются поиски древней молекулы, с которой, собственно, и началась жизнь. По одной из ведущих теорий, жизнь началась со спонтанно зародившегося гена, который стал прародителем жизни. Естественно думать, что таким первогеном могла быть молекула ДНК, но оказалось, что ДНК не может сама передать информацию другим поколениям, для этого ей нужны помощники - РНК и белки. Когда во второй половине XX века открыли новые свойства молекулы РНК, то оказалось, что эта молекула больше подходит на главную роль в происхождении жизни. В последнее десятилетие множество ученых пытаются получить молекулу РНК, которая могла бы копировать сама, но никаких результатов пока не достигнуто. До сих пор никто так и не смог - даже приблизительно - смоделировать, как случайная самокопирующаяся система из нуклеиновых кислот могла стать в высшей степени неслучайной и как в ней могли появиться те свойства, которые есть у системы из нуклеиновых кислот и белков.
Кембрийский взрыв
В раннем Кембрии, который начался около 541 млн лет назад, за очень короткий промежуток времени произошло удивительное событие, названное «кембрийским взрывом». За каких-нибудь 10 млн лет на Земле появились все известные современные типы животных. Согласно теории эволюции, общий предок современных животных вышел из древнего мира докембрийских чудищ - тех, кто пережил глобальную катастрофу. Исследования подтверждают, что родословная современных типов, включающих губки, погонофоры, хордовые и других, представляет собой куст, растущий из единого корня. Правда, найти окаменелые остатки этого «корня» палеонтологам до сих пор не удалось.
Беседовала Елена Кудрявцева / Ольга Волкова
«УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» / «Коммерсантъ Огонёк», №18, стр. 8, 15 апреля - 18 мая 2019
Учёный УрФУ предложил альтернативу теории Дарвина
Он разрабатывает собственную теорию направленной эволюции / Теория направленной эволюции Алексея Мелких отвечает на многие вопросы, связанные с развитием человечества / апрель, 2019
Эволюция жизни определяется не спонтанным естественным отбором, а процессами квантовой механики в клеточном ядре - именно по такому принципу и происходит взаимодействие «кирпичиков» белков и ДНК. ©Ещё Дарвин и эволюция
___Профессор Уральского университета, доктор физико-математических наук Алексей Мелких уверен, что существование полов можно обосновать только в рамках направленной эволюции
Данную теорию направленной эволюции выдвинул доктор физико-математических наук, преподаватель Уральского федерального университета Алексей Мелких.
Ученый занимается разработкой теоретических и физико-математических моделей эволюционных изменений, которые являются альтернативой известной теории Дарвина. О своих исследования ученый рассказал на конференции «Развитие жизни: вопросы эволюции и развитие организмов», прошедшей в Ереване.
«Около 20 лет я занимаюсь построением теории направленной эволюции, которая, как я убежден, придет на смену дарвинизму, - говорит Алексей Мелких. - Основной вопрос, который не может решить дарвиновская теория, в том числе такие ее современные варианты, как расширенный синтез, это вопрос о возникновении сложных живых систем в процессе эволюции. Каким образом возникли столь сложные организмы, число состояний генома которых невозможно перебрать за время жизни Вселенной?»
Теория направленной эволюции базируется на трех ключевых принципах. Первый заключается в том, что эволюция априорно направлена, то есть существует априорная информация, в соответствии с которой происходят направленные изменения генов. В процессе направленной эволюции отбор и случайные мутации играют вторичную роль.
«Только существование априорной направленности позволяет объяснить характерные времена эволюции, - говорит Алексей Мелких. - Поскольку число вариантов информационных молекул (ДНК) растет экспоненциально с ростом длины такой молекулы, то, когда число нуклеотидов становится больше, чем 102-103, простой перебор вариантов последовательности становится невозможным за время жизни Вселенной».
В то же время, любые способы ускорения эволюции по сравнению с полным перебором вариантов - блочное кодирование, молекулярная экзаптация (использование тех же генов для новых целей), кумулятивный отбор и другие - неявно предполагают наличие априорной информации о будущих состояниях информационной последовательности. При отсутствии априорной информации характерное время образования видов будет экспоненциально велико.
Второй принцип теории - случайность в эволюции является следствием неопределенности в окружающей среде. Наличие случайности в генетических процессах часто рассматривается в качестве доказательства дарвиновского (ненаправленного) характера эволюции. Однако случайность может быть просто следствием неопределенности в окружающей среде и самом организме. При этом эволюция остается одновременно направленной.
Третий принцип - квантовая механика играет важную роль во всех генетических процессах, делая эти процессы в высокой степени управляемыми. Мотивация использования квантовой механики для моделирования эволюции основана на том, что все операции с генетическим материалом (ДНК, РНК, белки) не могут быть объяснены на основе классической механики. Одна из основных проблем молекулярной биологии - парадокс Левинталя - состоит в том, что белок, который первоначально возникает в виде линейной молекулы, должен каким-то образом найти свою естественную (нативную) конформацию (пространственную конфигурацию). Только в этой конформации он способен выполнять свои функции. Однако для достаточно длинных белков число возможных конформаций экспоненциально велико и не может быть перебрано за время жизни Вселенной.
«На этом уровне квантовая механика работает нетривиальным образом, и именно в ней запрограммирована эволюция, - считает Алексей Мелких. - Предложенные ранее способы решения парадокса на основе классической механики не могут быть признаны адекватными. Эта же проблема возникает и при упаковке более длинных молекул (ДНК), а также при взаимодействии между ДНК и белками. Для решения этих проблем использование квантовой механики оказывается необходимым».
По словам ученого, в рамках теории направленной эволюции удается с единых позиций объяснить не только возникновение сложности, но также и такие эволюционные феномены, как существование полов, старение и смерть и другие. Эксперименты по проверке теории должны включать наблюдение за эволюцией онлайн на малых масштабах (порядка атомов) и за малые времена (порядка нано и пикосекунд). Это трудно, но выполнимо.
«В настоящее время эксперименты (хотя и с недостаточной точностью) проводятся с быстро эволюционирующими организмами, такими как бактерии. Здесь мы можем увидеть, как конкретно меняется геном. И мы видим, что он меняется направленно, а вовсе не случайно. Так можно объяснить сложность и разнообразие видов в нашей природе. Если природа просто перебирает возможные варианты мутаций, как у Дарвина, то такого разнообразия не получить», - заявил Алексей Мелких.
Алексей Мелких уверен, что теория направленной эволюции приводит к необходимости новой парадигмы биологических наук и нового понимания жизни. Подобная смена парадигм уже имела место в истории, например, при возникновении квантовой механики.
Основные положения теории направленной эволюции опубликованы в таких журналах, как Origin of Life and Evolution of Biospheres, Biosystems, Progress in Biophysics and Molecular Biology.
_______
УрФУ - один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге - столице Всемирных студенческих игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
Оказывается, учение Дарвина не всесильно. И верно только отчасти
«Эволюция должна иметь направленность»
Физик Алексей Мелких бросает вызов Чарлзу Дарвину / май, 2019
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.
- 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.
- 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?
- 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.
_______
Жизнь отовсюду
Хроника / май, 2019
Представление об эволюции со временем тоже эволюционировало. Вот как представляли себе развитие живого ученые мужи от древних греков до Чарльза Дарвина ©
___Анаксимандр Милетский (около 610-547 до н. э.). Высказал идею происхождения животных из морского ила. Человек, по его мнению, произошел от рыбоподобных животных. Первоначалом всех вещей считал особую первоматерию - Апейрон - невидимый, бесконечный, безграничный и вечный, из которого возник весь материальный мир.
___Эмпедокл (около 490-430 до н. э.). Нарисовал первую эволюционную картину. По его мысли в мире действуют две силы: Любовь и Ненависть. Под воздействием огня из остальных стихий образуются части живых организмов: лапы, головы, хвосты, уши, различные внутренние органы. Эти части соединяются под действием Любви случайным образом, порождая странные существа. Самые удачные соединения закрепляются, их не может разрушить Ненависть.
___Аристотель (384-322 гг. до н. э.). Впервые предложил схему упорядоченности живых организмов и ввел в естествознание идею телеологии (от греч. telos - конец, цель) как методологический принцип. Считал, что историческое развитие идет не случайным образом, а целенаправленно. Постепенное усложнение всех форм природы и общей направленности развития должно привести природу к Богу - самой совершенной Сущности.
___Мэтью Хейл (1609-1676) - первый эволюционист и родоначальник «естественного богословия». Впервые употребил термин «эволюция». Писал, что не нужно воображать, будто все виды появились в той форме, в какой мы видим их сегодня. Были сотворены только те, кого мы зовем архетипами, а остальные эволюционировали из них под влиянием множества обстоятельств.
___Карл Линней (1707-1778) - «принц ботаники» и великий креационист. Считал, что видов в природе столько, сколько форм вначале создал Бесконечно Сущий. Природа эти родовые растения перемешала между собой и умножила существующие виды.
___Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон (1707-1788). В работе «История Земли» (36 томов) разделил историю планеты на семь длительных периодов, утверждал, что возраст Земли 75 тысяч лет, что виды изменяются во времени, а человек - потомок шимпанзе.
___Эразм Дарвин (1731-1802) - врач, поэт, натурфилософ. Считал, что вся природа пребывает в состоянии постепенного совершенствования, согласно законам, предназначенным для атомов материи Великой Причиной Причин. В его работе встречаются понятия «борьба за существование» и «половой отбор», которые потом будет использовать его внук, Чарльз Дарвин.
___Жан-Батист Пьер Антуан де Моне, шевалье де Ламарк (1744-1829) - создатель первой целостной теории эволюции живой природы. Считал, что прогресс, то есть развитие организмов от низшего к высшему, не зависит от условий среды, поскольку всему живому изначально присуще стремление к совершенству, повышению уровня организации. Это неотъемлемое свойство всего живого - особый дар Творца, то есть эволюционное, прогрессивное развитие природы - процесс Богоданный.
___Чарльз Дарвин (1809-1882) - натуралист, пионер теории о происхождении живого на Земле. Книга «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» вызвала дискуссию, которая не прекращается 150 лет. Считал, что движущей силой эволюции является борьба за существование, приводящая к естественному отбору, в результате которого должны сохраняться благоприятные признаки. Вот как выглядят заключительные строки «Происхождения видов»: «Есть величие в этом воззрении на жизнь с ее различными силами, изначально вложенными Творцом в одну или незначительное число форм…; из такого простого начала возникали и продолжают возникать несметные формы, изумительно совершенные и прекрасные».
По материалам курса биолога Г. Муравник «Концепции происхождения жизни и человека».
_______
Разгадать жизнь
Детали / май, 2019
Происхождение самой жизни и эволюция живого - самые популярные и одновременно самые спорные направления науки. «Огонек» собрал парадоксы, которые пока не могут разрешить ученые. ©
Живое из неживого
Жизнь на Земле возникла около 4 млрд лет назад. А вот как это случилось, до сих пор точно неизвестно. В ХХ веке академик Опарин сформулировал теорию «первичного бульона», предположив, что в растворах высокомолекулярных соединений образовались сгустки, содержащие протоклетки - примитивные организмы, предшественники прокариот (безъядерных живых одноклеточных).
В 1952 году Стэнли Миллер решил проверить эту идею. По системе из стеклянных труб он пустил четыре вещества, которые, вероятно, присутствовали на юной Земле: кипящую воду, газообразный водород, аммиак и метан. На газы многократно воздействовали электрическим током, имитирующим молнии. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящих в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика - вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный (от неживого к живому) синтез аминокислот был бы возможен только в том случае, если бы на Земле в тот момент была метаново-аммиачная атмосфера. Но метану и аммиаку неоткуда было взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света.
Неуловимая мелочь
Почти столетие продолжаются поиски древней молекулы, с которой, собственно, и началась жизнь. По одной из ведущих теорий, жизнь началась со спонтанно зародившегося гена, который стал прародителем жизни. Естественно думать, что таким первогеном могла быть молекула ДНК, но оказалось, что ДНК не может сама передать информацию другим поколениям, для этого ей нужны помощники - РНК и белки. Когда во второй половине XX века открыли новые свойства молекулы РНК, то оказалось, что эта молекула больше подходит на главную роль в происхождении жизни. В последнее десятилетие множество ученых пытаются получить молекулу РНК, которая могла бы копировать сама, но никаких результатов пока не достигнуто. До сих пор никто так и не смог - даже приблизительно - смоделировать, как случайная самокопирующаяся система из нуклеиновых кислот могла стать в высшей степени неслучайной и как в ней могли появиться те свойства, которые есть у системы из нуклеиновых кислот и белков.
Кембрийский взрыв
В раннем Кембрии, который начался около 541 млн лет назад, за очень короткий промежуток времени произошло удивительное событие, названное «кембрийским взрывом». За каких-нибудь 10 млн лет на Земле появились все известные современные типы животных. Согласно теории эволюции, общий предок современных животных вышел из древнего мира докембрийских чудищ - тех, кто пережил глобальную катастрофу. Исследования подтверждают, что родословная современных типов, включающих губки, погонофоры, хордовые и других, представляет собой куст, растущий из единого корня. Правда, найти окаменелые остатки этого «корня» палеонтологам до сих пор не удалось.
Беседовала Елена Кудрявцева / Ольга Волкова
«УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» / «Коммерсантъ Огонёк», №18, стр. 8, 15 апреля - 18 мая 2019