Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Если живая система продолжит удваиваться таким же образом, то при потребности в пище в виде сырья и энергии она очень скоро истощит ресурсы окружающей среды. Таким образом, через относительно короткий период времени различные особи вынуждены будут бороться за пищу. При наличии лишь постоянного запаса пищи и энергии вся система не сможет продолжать расширяться бесконечно; вместо этого, она достигнет устойчивого состояния. Это означает, что на данном этапе каждый организм оставит в среднем только одного потомка в каждом поколении. Поскольку некоторые организмы оставят двоих, то другие Должны прекратить размножаться. Это может произойти случайно. Один организм может неожиданно натолкнуться на запас пищи, другой может оказаться менее удачлив и голодать. Однако если какой-то отдельный организм приобрел мутацию своих генов, то, по той или иной причине, он может бороться успешнее и оставить в среднем больше потомков, тогда его представительство в популяции увеличится, и поэтому другие менее удачливые организмы обязательно произведут на свет меньшее потомство. Если этот процесс продолжается неограниченно, то менее удачливые типы в конце концов вымрут окончательно, а тот, у которого более эффективный ген, полностью овладеет положением. Здесь важно отметить, что с помощью этого простого процесса редкое случайное событие стало распространенным.
Процесс необязательно должен произойти лишь однажды. Он может происходить раз за разом, так как случай подбрасывает новые благоприятные мутации. Более того, одно усовершенствование может накладываться на другое до тех пор (при условии, что времени достаточно), пока в процессе эволюции не разовьется новый организм, очень тонко настроенный на окружающую среду. Для того чтобы достигнуть такого совершенства исполнения, ему необходимы только мутации, возникшие случайно. По-видимому, здесь нет механизма, безусловно, нет общего механизма, который бы направлял изменение гена с тем, чтобы появлялись только благоприятные изменения Более того, можно доказать, что подобный направляемый механизм, в конце концов, оказался бы слишком косным. Когда наступают слишком трудные времена, то необходимо новшество, важные отличительные особенности которого не могут быть заранее спланированы, и здесь мы можем полагаться только на случай. Случай — единственный источник подлинного новшества.
Сила естественного отбора такова, что он может действовать на всех уровнях. В частности, он может явиться причиной совершенствования самих механизмов отбора; половое размножение оказалось хорошим тому примером. Если окружающая среда (само это понятие не легко определить точно) остается устойчивой, то естественный отбор часто стремится остаться консервативным и сохраняет группу скрещивающихся организмов в ограниченном ареале, так как, в известном смысле, совершенство уже достигнуто, и для любого дальнейшего улучшения может понадобиться крайне редкое событие, к этому времени все умеренно редкие события уже опробованы. Однако если окружающая среда изменяется или если некоторые особи по той или иной причине окажутся в фактической изоляции от остальных, тогда равновесие может быть нарушено, и в этих условиях естественный отбор может быть более созидательным. У нас нет необходимости останавливаться здесь на этих сложностях, которые имеют важнейшее значение для обстоятельной теории эволюции, особенно если нас, в основном, интересует происхождение жизни, когда имевшие место процессы, вероятно, были довольно примитивными. С этой точки зрения важно понять основные, общие особенности процесса и четко осознать, как такой простой набор предположений может привести к таким замечательным и неожиданным результатам.
Насколько нам известно, не существует другого надежного механизма, который так эффективно мог бы создать заслуживающие сравнения результаты. Одной из возможностей могло быть наследование приобретенных признаков. Приложив усилия, жираф мог бы удлинить свою шею и таким образом добывать больше пищи с самых высоких и нежных листьев на дереве. Мы можем представить себе, что это могло бы привести к появлению потомства, имеющего более длинные шеи и поэтому более приспособленного к борьбе за существование. Насколько мне известно, еще никто не привел общих теоретических аргументов, почему такой механизм должен быть менее эффективен, чем естественный отбор, хотя предполагается, что он может оказаться не таким гибким, как последний, особенно если для преодоления эволюционного кризиса требуется подлинное новшество. В любом случае потребовался бы процесс, посредством которого информация в соме (теле животного или растения) передавалась бы в зародышевый путь — яйца или сперму. Подобный механизм был недавно предложен, но доказательство в его пользу сложное и в настоящее время довольно неосновательное. Наследование приобретенных признаков, предположительно, может сыграть некоторую небольшую роль в эволюции, но маловероятно, что она окажется ведущей.
Существуют ли еще другие самые общие требования, необходимые для живой системы? Для того чтобы любая форма жизни представляла для нас какой-то серьезный интерес, она должна быть, по крайней мере, средней сложности, и вероятно, необходимо, чтобы она действительно была очень сложной. Нам неизвестно ничего в структуре Вселенной на любом уровне, что создает такую степень сложности вследствие природы вещей. Единственный известный нам механизм, который может это делать, — это естественный отбор, требования которого мы только что в общих чертах рассмотрели.
Мы видели, что он подразумевает сохранение и репликацию большого количества информации. Единственный эффективный способ это выполнить — использовать комбинаторный принцип. А именно, мы выражаем информацию, используя только небольшое количество типов стандартных единиц, но соединяем их весьма многочисленными различными способами. (Письменность — отличный пример этого принципа.) Жизнь, как мы знаем, использует линейные нити из стандартных единиц, но можно представить схемы, в которых используются упорядоченные слои единиц или даже трехмерные структуры, хотя их было бы труднее копировать. Эти структуры должны не только содержать информацию, а именно, они не должны быть полностью регулярными, но их информационное содержание должно легко и точно копироваться, и, что еще важнее, информация должна быть устойчивой в течение более длительного периода времени, нежели необходимым для ее копирования, в противном случае ошибки будут слишком частыми и естественный отбор не сможет функционировать. Таким образом, создание на основе стандартных единиц расширенных комбинаций, которые довольно устойчивы, представляется важнейшей задачей, если должна развиться какая-то более высокая форма жизни. Если мы попытаемся избежать использования небольшого числа стандартных единиц, то механизм копирования становится все в большей и большей степени затрудненным, каким он несомненно является при письме и печати на китайском языке, содержащем тысячи различных единиц.
Другое общее требование к процессу состоит в том, что он не должен быть слишком медленным. Мы не можем, пока еще, рассчитать скорость процесса эволюции на основании первых принципов, но система, которая была, скажем, в десять или в сто раз медленнее нашей, едва ли имела достаточно времени для создания высших организмов, по сложности аналогичных нашим, даже если эта система зародилась сразу после Большого взрыва. Таким образом, любая система, в основе которой лежит твердое состояние, где химические реакции, безусловно, протекают, но протекают крайне медленно, почти неизбежно оказалась бы слишком медленной. Поэтому нам остается только рассмотреть жидкости и газы.
Одно возражение против чисто газообразного состояния заключается в том, что только мелкие молекулы могут образовывать настоящие газы, поскольку, даже если между ними нет особых сил притяжения, там всегда есть ощутимые силы межмолекулярного взаимодействия (называемые ван-дер-ваальсовыми силами). Они действуют между всеми атомами, хотя только на коротких расстояниях, и возрастают с размером молекулы. Поскольку, как мы видели, информационная молекула должна быть довольно крупной (для того чтобы содержать в себе инструкции, используя комбинаторный метод), то маловероятно, что она окажется газообразной, кроме как при высоких температурах, когда существует опасность, что тепловое движение разрушит ее на части, или же при крайне низком давлении, которое вызвало бы иные трудности. В частности, концентрации молекул, образующих газообразную фазу, были бы тогда обязательно очень низкими, и это замедлило бы скорость необходимых химических реакций. По всем этим причинам, трудно изобрести какую-либо правдоподобную систему, основанную исключительно на газообразном состоянии.
