Пара тупых ответов про эволюцию

В школе я очень любил биологию, но у неё была очевидная проблема. Эволюция — суть жадный алгоритм, который мгновенно вознаграждает за небольшие улучшения. Тысячи лет постепенных улучшений, и вот перед вами утконос.

Проблема в том, что у него есть глаз. И другие сложные органы. А у тех же птиц есть крылья. И никакой жадный алгоритм не даёт понять, как можно тысячелетиями отращивать половинку крыла. Эта штука не просто не помогает, а откровенно мешает.

Крыло работает только тогда, когда целое. Половина крыла не даёт оторваться от земли.

Примерно такой же вопрос к сложным мутациям. Как так можно поменять пару букв в коде, чтобы он вдруг стал отлаженной библиотекой с чем-то полезным?

Ну или вот хвост павлина. Как можно развить такую длинную бесполезную штуку, которая люто нравится хищникам? Разве не должны были выжившие павлины стать ловкими и короткохвостыми?

Свои ответы я получил уже довольно поздно, но помню, как был рад их услышать. И наблюдая за идущим сейчас холиваром про теорию Дарвина, вижу много людей, которые задают те же самые вопросы.

Что сделал Дарвин

В детстве избил щенка. Потом мучался виной и любил животных. Каждый день.

Простите

Потом заплыл на Галапагосские острова и поубивал некоторое количество птиц. Внимательно изучая их клювы, серьёзно задумался о том, как происходят виды. Вот тут я писал про эти острова и встретил этих самых вьюрков.

Сегодня это звучит достаточно просто, но тогда нельзя было просто взять пару чучел, прийти на заседание Королевского Научного сообщества и сказать:
— Видите, клювы разные? Ага, значит, бога нет!

Пропуская пару шагов — написал серьёзную работу «О происхождении видов», чем заложил теорию эволюции, подал идею происхождения человека и устроил лютейший холивар среди приматов.

На мысли его навели как раз островные изоляты: на островах он и другие исследователи встречали только то, что есть в ближайших источниках, но не полное разнообразие. Очень много данных собрал для него не менее эпический персонаж того же исторического периода — слепой путешественник. Если что, он на аналог пенсии по инвалидности, будучи слепым, сумел объехать чуть ли не весь известный мир.

Сама теория давно и несколько раз устарела, потому что у Дарвина жёстко не хватало данных про наследственность, эпигенетику, комплексные системы и так далее. Но сама идея в своей сути гениальна, и, главное, отлично фальсифицируется. То есть можно придумать эксперименты, которые подтверждают или опровергают теорию.

Дарвин невероятно крут.

Некоторые идеи Дарвина были опровергнуты, но основные подтвердились. Сам Дарвин писал, что если бы нашёлся целый орган, который появился не в результате постепенных изменений, это означало бы, что теорию надо пересмотреть.

«Если бы возможно было показать, что существует сложный орган, который не мог образоваться путем многочисленных, последовательных, незначительных изменений, моя теория потерпела бы полное крушение. Но я не могу найти такого случая. Без сомнения, существуют многочисленные органы, для которых мы не знаем переходных ступеней, в особенности, если мы остановим внимание на крайне изолированных видах, вокруг которых, согласно моей теории, происходило значительное вымирание. Или опять-таки, если мы возьмем орган, общий для всех представителей класса; так как в этом случае орган должен был первоначально образоваться в отдаленный период, лишь после которого развились все многочисленные представители этого класса, то, чтобы найти ранние переходные ступени, через которые проходил орган, надо обратиться к крайне древним прародительским формам, уже давно вымершим»

Но ведь глаз!

Итак, базовая логика простая: если вы что-то качаете, то оно или даёт мгновенный выигрыш, или же отфильтровывается естественным отбором. Крыло на первый взгляд предполагает разумность плана — берём ёжика, где-то 3 тысячи лет инвестируем в бесполезный орган, делаем его всё длиннее от поколения к поколению, и вот, наконец, разбегаемся и взлетаем! Ура, ёжики, вы теперь птицы!

Короче, оказалось, что всё немного не так, и крыло, плащ бэтмена у белки и другие приспособления всё же можно получить последовательными изменениями. Например, если полкрыла или четверть крыла будут давать возможность спрыгнуть с дерева чуть повыше от земли или пролететь на сантиметр больше. Кто-то тормозил об воздух пушистыми лапами, кто-то панелями термосброса, кто-то жабрами (привет, членистоногие) — и вот образовались условия, когда стало можно развивать крыло из относительно небольшого и неаэродинамического выроста на теле, который использовался для чего-то другого.

^{Термопанель}

Упрощая, это работало в одной из веток так: сначала развивались панели термосброса, которые должны быть достаточно большими. Потом те представители вида, которые имели панели побольше и расположенные поудобнее, выживали лучше, потому что дальше планировали или мягче падали. Потом в результате мутаций панели стали немного меняться в разные стороны, и те, которые получались больше, параллельнее, подвижнее и вообще хоть немного удобнее для планирования, давали премию отбора. И вот уже дальше мы получаем крылья.

Когда мы взялись за генетику всерьёз, это всё стало смотреться намного логичнее, потому что нашлись гены, которые управляют развитием крыльев, в бескрылых тварях. Там они отвечали за разное другое.

Глаз же эволюционировал от светочувствительного пикселя до современной системы примерно похожим образом. Мой любимый пример — распределённый глаз гребешка, пиксели по краям раковины. Когда сверху что-то проплывает, тень закрывает их по очереди, и гребешок по этой последовательности, как старый турникет в метро, понимает, что надо закрываться.

Про глаз есть целая книга у Докинза — «Слепой часовщик: почему свидетельства эволюции раскрывают вселенную без замысла». Коротко — от отдельных фотодиодов прошли к углублениям для определения направления, там — к простейшим матрицам, дальше появилась линза, контроль линзы, дифференциация по длине волны и так далее.

Очень интересны примеры преадаптаций генов. На молекулярном уровне, упрощая, работает так: у вас есть кусок кода. Если он в ДНК один, то не трогайте, а то всё сломаете. Если же вдруг при сборке он случайно задублируется, то второй уже не так важен, без него организм выживет. Считайте это тестовой средой и начинайте рекомбинировать. Например, из старого дефолтного опсина можно сделать разные опсины для разных длин волн и получить цветное зрение. Из миоглобина, который прицеплял кислород к железу для хранения на складе в мышцах, можно сделать гемоглобиновый грузовик для транспорта через кровь. У рыб вообще из белка, кодирующего сборку фермента трипсиногена для пищеварения, получился лютый ад: он много раз скопировался в коде, потом копии поплыли в изменениях, а потом внезапно этот код стал делать белок, который прилипает к кристаллам льда вместо еды. И знаете, что? Антифризный белок позволил жидкостям замерзать в рыбе при более низких температурах, поэтому она теперь живёт на Камчатке и в других регионах, где вообще-то довольно холодно.

Наномашины

Когда проблемы с крылом, глазом и свёртываемостью крови решились генетикой, внезапно встал вопрос со жгутиком бактерий. Эта штука казалась противоестественной, потому что там вращающийся привод.

А земная биология не так, чтобы очень богата на колёса и другие свободно вращающиеся штуки.

Чтобы вы понимали странность этой фигни, просто обозначу некоторые вещи:

• Состоит из классического статора и ротора, система имеет диаметр около 50 нанометров
• Работает ровно как должен работать наноэлектромотор на скоростях до 60 тысяч оборотов в минуту. КПД до 65%.
• Питается от протонного градиента или градиента ионов натрия (химическое электричество).
• Саморемонт (биосистема, фигли)

Если что, наномашин мы знаем много. Меня вот дичайшее впечатлила АТФ-синтаза, которая есть в ваших клетках:

^{Цитата из книги «От атомов к древу» Сергея Ястребова. Очень рекомендую.}

Знаете, что это напоминает?

Но если в случае с АТФ-синтазой есть более простые машины, которые можно пересобрать вот в это с помощью коэволюции, слияния или прямых инъекций чужого кода (горизонтального переноса), то в случае со жгутиком более простых форм не нашлось. Точнее, нашлась система секреции III типа, которая механически похожа, но сейчас как раз идут споры, появилась она после жгутика или послужила для него запчастями. В общем, именно за жгутик сейчас всеми силами держатся креационалисты.

Крыло аргуса

Значит, есть вот такая скотина:

^{Самец аргуса с длинным крылом, фотография Франческо Веронези с Викисклада}

Эта птица прёт против естественного отбора, потому что отрастила себе крылья (на фото они кажутся хвостом), бесполезные для индивидуального выживания.

Принцип такой:

1. Чем больше это крыло, тем заметнее фазан
2. Чем больше крыло, тем медленнее он взлетает
3. То есть чем больше крыло, тем чаще его жрут.
4. А чем чаще его жрут, тем меньше у него должно быть крыло.
5. Если он ещё жив, по классическому естественному отбору мы должны видеть оптимальные аэродинамические крылья.

Но тут важен половой отбор. Аргус этим украшением конкурирует за самку. Чем больше понтов он кинет, какое у него огромное крыло и как он с ним круто выживает, тем больше шансов, что он реально сильный и здоровый. Самки выбирают самого перспективного (то есть сильного и здорового, потому что банковских счетов у фазанов нет) и этим закрепляют гены огромного крыла. Размер имеет значение.

В общем, мы сейчас видим некий оптимум — границу между брутальными фазанами, которые изо всех сил могут превозмогать и выживать, но если ещё пара сантиметров — то их уже статистически жрут раньше размножения.

Не стоит недооценивать половой отбор. Равно как и другие факторы вроде генетического дрейфа, бутылочных горлышек эволюции (когда остаются сотни представителей вида типа воронежских бобров, прародителей всех бобров Европы) и так далее.

Где промежуточные формы?

Опять же, частый вопрос к классической эволюции — где всё множество плавно переходящих друг в друга животных в палеонтологической летописи? Почему у нас дискретные шаги, а не плавные переходы?

Тут всё тоже довольно объяснимо:

• Во-первых, не так, чтобы у нас было бесконечное квантование по находкам. Часто мы находим буквально единицы чего-то, с чем можно играть, как с конструктором.
• Во-вторых, есть концепция быстрых изменений, когда большую часть времени виды находятся в равновесии, то есть меняются незначительно. Но при изменении условий (например, изменении среды) происходят довольно быстрые по палеонтологическим меркам сдвиги. Поскольку лог сохраняется с малой частотой дискретизации, мы это видим как скачковый переход.

Классический пример быстрой эволюции — адаптация бактерий к антибиотикам. Правда, тут это мы на них давим, но вот я как раз недавно про это писал. Там же, кстати, обратите внимание на горизонтальный перенос генов, это снимет ещё часть вопросов к молекулярной части эволюционных процессов.

Выживает приспособленный

Ещё одна штука, которую иногда забывают. «Выживает сильнейший» — это неправильный перевод. Там fittest, то есть наиболее приспособленный.

Это значит, что скотинка может усложняться, улучшаться и вообще становиться интереснее с инженерной точки зрения, а потом оптимизироваться до чего-то более простого. Современный крокодил, например, это упрощение от более сложного предкового организма, имевшего теплую кровь (разделение венозного и артериального кровотока) и другие фичи. Потому что именно CRmini с долгим сроком работы батареи оказался лучше, чем CRpro с кучей фич, но очень энергоёмкими мышцами. Вот тут я примерно прикинул, современный крокодил потребляет в день 0,5 Квт*ч. А тот большой, вероятно, потреблял под 4-6 киловатт*часов, поэтому почтим его память.

Выживает и остаётся тот, кто лучше вписывается в среду во всей совокупности факторов. У эволюции нет смысла, есть реакция на изменение внешних обстоятельств, накопление мелких изменений, случайности от мутаций — но при этом всём несколько механизмов фильтрации, обеспечивающих отбор наиболее приспособленных к текущим обстоятельствам. Соответственно, дальше обстоятельства меняются в том числе под действием тех, кто к ним приспособился.

Дальше

Есть ещё куча всего, что мы узнали со времён Дарвина — например, про эпигенетику, предположили многоуровневый отбор (где РНК вместо рептилоидов), тот самый горизонтальный перенос, то самое прерывистое развитие и так далее.

Тут можно сравнить с тем, как преподают физику в школе и дальше:

• Сохранение удачного признака — это как аристотелева физика, когда тела движутся только под действием силы, а эксперименты отложим. Не преподаётся.
• Теория Дарвина — как ньютоновская физика, удобная для объяснения школьнику, в целом применимая, но не очень точная по современным представлениям.
• А вот этот весь фарш с синтетической теорией эволюции и дальше — аналоги общей теории относительности и того, что было после. Наслаждайтесь.

Сейчас я чувствую себя немного обязанным обозначить эти вещи, потому что мой текст про «Вы неправильно пишете животных» внезапно начал опять расходиться по Рунету. На этот раз — как довод против разумного замысла эволюции в свете недавнего холивара.

Книги

Очень советую почитать уже упомянутую «От атомов к древу» Сергея Ястребова, «Сумму биотехнологии» Панчина, Докинза как минимум «Эгоистичный ген» и всё, до чего дотянетесь у Сапольски. Ну и если вы что посоветуете в комментариях — будет очень круто. Заранее спасибо!