Теория эволюции и ее компьютерное моделирование

Теория эволюции, как уже говорилось,— не экспериментальная наука. Мы можем, конечно, моделировать в эксперименте процесс образования новых видов на объектах с коротким жизненным циклом (фаги, бактерии, дрозофила). Но уже дрозофила, пожалуй, последний объект, на котором можно поставить опыт, не доверяя обработки его результатов отдаленным потомкам. Ученые, изучающие эволюцию звезд, находятся в лучшем положении. Поденка-однодневка, будь она способной к мышлению, легко могла бы представить развитие дуба, сопоставив разные особи его — от прорастающего желудя до столетнего великана. Так делают и астрономы — в их распоряжении много звезд. Биологам хуже: в их распоряжении лишь одна Земля, единственный пример эволюции.

Казалось бы, изучение ископаемых остатков могло бы дать исчерпывающие ответы на все вопросы. Увы, это не так. Палеонтологический материал может быть истолкован по-разному, в зависимости от мировоззрения толкующего.

А нельзя ли превратить теорию эволюции в экспериментальную науку, воспроизводить в опыте, скажем, возникновение ракообразных из кольчатых червей или земноводных — из рыб? Оказывается, можно. Только эксперимент должен быть машинным. Это не такая уж новинка, уже давно, например, установлено, что в ряде случаев выгоднее и быстрее не испытывать модель самолета в аэродинамической трубе, а рассчитать ее на компьютере.

Так и здесь. В программу вводится модельная популяция, чья математическая характеристика возможно более полно соответствует какой-либо из реально существовавших групп. Меняя условия «эволюции» — прежде всего среду и исходную ситуацию в широких пределах,— мы можем реализовать практически любой эволюционный момент.

Правда, в природе члены популяции и все популяции подвергаются воздействию внешней среды одновременно. В машине приходится перебирать эволюционные варианты индивидуальных биографий последовательно, один за другим. А потом складывать в единую картину. Выручает быстродействие: в последних моделях срок эволюции, эквивалентный миллиарду лет, имитировался за полтора часа. Это ли не преимущество цифровых моделей!

Как то автору этих строк понадобилось решить одну проблему, связанную с эволюцией нуклеотидного состава ДНК, я обратился за помощью к специалисту по машинному моделированию биологических процессов доктору биологических наук Владимиру Васильевичу Меншуткину. Работа пошла, хотя и не без затруднений. Проблема была решена, и я занялся другим делом, не подозревая, что Владимир Васильевич «отравлен эволюцией».

Не прошло и полугода, как он показал мне любопытную модель, в которой была имитирована эволюция популяции веслоногих рачков типа калянусов, или циклопов. Каждая особь характеризовалась десятью признаками, у нее имелся и фенотип, и генотип. Были учтены все виды генетических изменений, особи нового поколения оценивались отбором (по эффективности питания и способности противостоять хищникам). Пожалуй, впервые в машинном эксперименте учитывалась и генетика, и экология.

И модель заработала. Через 200—700 поколений стали «рождаться» особи, приспособленные к иным условиям, чем исходная популяция, не скрещивающиеся с ней — и отличающиеся по многим признакам. Словом, удалось имитировать процесс видообразования. Эффектный результат опыта заставил меня призадуматься. Нельзя ли переделать эту программу для моделирования макроэволюции — например, имитировать эволюцию членистоногих, начиная от примитивнейших их предков, похожих на ныне существующих кольчатых червей?

Меншуткин с одобрением отнесся к этому, как он выразился, акту «интеллектуального хулиганства», смоделировав на компьютере популяцию червеобразных существ, из которых, по данным сравнительной анатомии и эмбриологии, могли возникнуть членистоногие. Это были десятичлениковые черви, плававшие в толще воды. У них не было конечностей и осязательных усиков — антенн, панциря и концентрированной нервной системы. Они и начали эволюцию на планете Кибернетика.

Программа получила кодовое название «Из червя — в краба». Три основных принципа были положены в основу «нашей» эволюции:

• первый — «прогрессивные и регрессивные изменения видов равновероятны», иными словами, в программу не было вложено, как говорил Дарвин, «глупое ламарковское стремление к прогрессу»;
• второй — «Natura non facit saltum» — «природа не делает скачков», вернее, больших скачков; так, например, сложная членистая конечность, приспособленная для какой-нибудь определенной функции, не могла возникнуть за один временной шаг (каждый наш шаг по степени эволюционных преобразований соответствовал примерно реальному миллиону лет);
• третий — его пришлось ввести и из-за того, что конечны ресурсы биосферы, и по более утилитарной причине, из-за того, что конечна машинная память: «наша» машинная биосфера могла прокормить только около сотни видов, поэтому на каждом временном шаге оценивалась приспособленность возникающих видов и получившим самый низкий балл приписывалась наибольшая вероятность вымирания. «Вымирание» сводилось к тому, что вид-неудачник стирался из памяти, а освободившуюся ячейку занимал вид, наиболее приспособленный для данной экологической ниши.

При этом наибольшая приспособленность, естественно, оценивалась по разным условиям в разных экологических нишах — у свободноплавающих ценилась удлиненность, обтекаемость, у ползающих по грунту — крепость «ног». Были предусмотрены нами и такие вещи, как способность выходить на сушу, согласованность движений конечностей, результативность поиска пищи, пассивная (панцирь, наружный скелет) и активная (высокая подвижность, высокое развитие нервной системы) защита от хищников.

Новшеством по сравнению с предыдущими моделями было то, что отбор велся не по отдельным признакам, а по общей приспособленности их комплексов. Оценивалась она в условных единицах — баллах, примерно так, как на соревнованиях по фигурному катанию, но с одним важным отличием. Адаптивная цена признака зависела от других, менялась от генетического окружения. Для фигуриста блестяще выполненная поддержка или подкрутка повышает общий балл одинаково, как бы он ни выполнил другие элементы. В природе и в нашей программе дело обстоит иначе. Если у бескрылой птицы киви вырастут соколиные крылья, летать она все равно не будет. У нее нет киля, мощных грудных мышц и многого другого, необходимого для полета. Это соображение, кстати, смертельно для всех гипотез, приписывающих вирусной трансдукции заметную роль в эволюции высших организмов. Один в поле не воин, новый признак в чужом окружении бесполезен.

Программа оценивала приспособленность так: возникли ходильные конечности, но чрезмерно утяжеленный панцирь не позволяет ими пользоваться. Цена признака — ноль. Словом, программа вела себя, как гоголевская Агафья Тихоновна, перебиравшая фенетические признаки женихов. Однако героиня «Женитьбы», несомненно, запуталась бы, сравнивая сотню женихов, каждый из которых оценивался бы по 24 признакам, да чтобы цена каждого признака зависела от наличия других.

После того как виды были расположены по баллам, программа стирала из ячеек памяти аутсайдеров. В новом поколении они не участвовали. Ведь отбор совсем не простое уничтожение, как это порой наивно представляют. Это дифференциальное размножение, большая или меньшая вероятность оставить потомство. «Золотые призеры» по каждой экологической нише занимали освободившиеся ячейки — имитировалось усиленное размножение более приспособленных.

Результаты сначала огорчили нас: прогресс шел чрезвычайно медленно. Животные быстро перешли к обитанию на грунте, у них возникли на первом членике осязательные усики-антенны, на втором — жвалы. Неоднократно возникали и исчезали примитивные ноги, лишь через пятьсот временных шагов они образовались устойчиво — целых три пары, из коих передние даже имели клешни. Через тысячу шагов звери оставались достаточно примитивными и ни у кого не закрепился наружный скелет, тот хитиновый, пропитанный иногда известью панцирь, который так характерен для членистоногих.

Поразмыслив, мы решили, что в медленных темпах эволюции повинны мы сами. Слишком уж райская жизнь была придумана нами. Для простоты в первых опытах условия среды мы приняли постоянными, исключили хищников и запрограммировали изобилие пищи. Правда, в реальной палеонтологической истории нашей планеты такой период был — эдиакарий, или, как его называют в нашей литературе, венд.

Включение в модель хищников сразу подняло цену на твердый скелет. В четырех параллелях подряд уже через сто шагов возникал жесткий головогрудной панцирь, защищавший от нападения сверху. Некоторые виды обрели двустворчатые раковины, совсем как реальные ракушковые рачки — остракоды; один даже перешел на сидячий образ жизни в твердом домике, как морские желуди — балянусы. Да и темп эволюции ускорился. Дважды наши подопечные вышли на сушу, и каждый раз по-разному: первый раз — на трех парах ног, как насекомые, второй раз — на четырех, как паукообразные.

Здесь замечательно быстрое и одновременное в четырех независимых линиях эволюции возникновение жесткого скелета. Напомню, что одна из загадок палеонтологии, независимое возникновение скелета у многих организмов — простейших, кораллов, археоциат, губок, членистоногих и так далее — с началом кембрия. Объяснения выдвигались разные — от изменения состава атмосферы до вирусной трансдукции.

Однако скелет возникал каждый раз по-разному — внутренний и наружный, из кальцита, кремнезема, спонгина, хитина, фосфата кальция и даже сернокислого стронция, как у некоторых радиолярий. Так что теперь, в рамках эксперимента, объяснение может напрашиваться только одно — в конце венда, около 600 миллионов лет назад было открыто хищное питание. До того на Земле обитали только илоеды и фильтраторы. Вероятно, правы те исследователи, которые объясняют повальное стремление обзавестись скелетом в начале кембрия новыми условиями сосуществования живых существ.

«Успех нас первый окрылил», и мы с Владимиром Васильевичем решили имитировать эволюцию хордовых животных. Отчасти это было легче: хордовые не столь разнообразны, как членистоногие, и их предковая форма достаточно хорошо реконструирована: это небольшой (порядка нескольких сантиметров) червеобразный организм с мускулатурой, хордой и спинным мозгом (но без головного мозга и черепа), с глоткой, куда открывались жаберные щели. Кожные покровы его состояли из однослойного эпителия, жил он в море, находился в равновесии с внешней средой, наверняка откладывал много мелких яиц, не проявляя заботы о потомстве. В общем, он походил на современного ланцетника — только был еще примитивнее.

Эволюционировать исходная форма могла разными путями; тут мы не поскупились. Меншуткин, например, мечтал о шарообразном существе, которое перекатывалось бы по поверхности Земли. Я хотел получить наземных позвоночных на трех парах конечностей — из них могли бы выйти мифические кентавры. Учитывали не только внешние признаки, но и особенности пищеварения, развитие выделительной, нервной и эндокринной систем и органов чувств, способность к терморегуляции, активному поиску самки и заботе о потомстве и многое другое.

Вот как пошла эволюция хордовых на планете Кибернетика. Интересно сопоставить темпы машинной эволюции с реальной, земной. За вычетом 400 шагов задержки из-за эволюционного «просчета» запоздалого появления задних конечностей, путь от ланцетника до австралопитека занял 600 шагов. Самые древние рыбы, недавно открытые в отложениях раннего ордовика на Шпицбергене, имеют возраст в 500 миллионов лет. Но похожие на ланцетников исходные формы, несомненно, существовали раньше, в кембрии (500— 600 миллионов лет назад). Значит, один временной шаг в программе мы приравняли к миллиону лет правильно.

Вторая попытка моделировать эволюцию хордовых не была доведена до конца по техническим причинам. Однако на сей раз эволюция пошла гладко: в пресные воды проникли рыбы с двумя парами плавников, и выход на сушу произошел без досадной задержки. Любопытно, что при абсолютно одинаковых исходных данных эволюция порождает каждый раз формы похожие, но не идентичные, и родословное древо оказывается иным. По-видимому, и в реальной природе так — мы не обнаружим в Галактике планет с абсолютно идентичной биосферой.

О результатах этих опытов я как-то рассказывал молодым биологам, и один из вопросов поставил меня в тупик: «Скажите, пожалуйста, а зачем вы все это делали?» Сначала я хотел было отшутиться, напомнив известное изречение о том, что наука есть удовлетворение личного любопытства за казенный счет. Но тут требовался более серьезный ответ.

Конечно, трудно описать впечатления, когда смотришь на естественную историю, текущую по заданным тобой параметрам, чувствуя себя не то Господом Богом, не то путешественником по времени. Разумеется, первые наши эксперименты — только начало. И тот материал, который уже выдала программа — сотни тысяч удивительных и неожиданных форм, наряду с тысячами форм, столь знакомых нам по палеонтологическим изысканиям, различных по своим судьбам,— еще требует изучения. И все-таки три важных вывода уже можно сделать.

Первый из них касается так называемой направленной эволюции. Дарвинизм не перестают упрекать в том, что с его помощью можно все объяснить, но ничего нельзя предсказать.

Хочу обратить особое внимание на одно обстоятельство. В разных машинных опытах из одинакового исходного материала, эволюционирующего по одинаковым законам, получались разные, каждый раз непредсказуемые результаты. Почему в одном случае модельные членистоногие вышли на сушу на трех парах ног (как насекомые), а в другом — на четырех (как паукообразные)? Почему рыбы сначала вышли на сушу на двух конечностях, а в другом варианте — сразу на четырех? Почему мы получали формы очень похожие, близкие, но никогда — идентичные?

Да потому, что эволюция у нас шла по Дарвину — путем отбора случайных изменений. Она принципиально непредсказуема в деталях — можно, конечно, предсказать, что когда-то какие-то формы выйдут на сушу, обретут теплокровность, живорождение и т. д., но угадать их строение в деталях невозможно. Прогнозы будут настолько общими, что их не стоит и делать. Нельзя строить гипотезы, которые невозможно проверить.

И реальная эволюция на планете Земля шла, скорее всего, так же. Мутации непредсказуемы. Прогнозировать их запрещает принцип неопределенности Гейзенберга. Различия между планетой Земля и выдуманной планетой Кибернетика лишь в том, что оперативная память биосферы на много порядков больше машинной и позволяет реализовать все параллели разом. На Земле насекомые и паукообразные эволюционировали вместе.

Можно, конечно, предполагать, что механизмы направленной эволюции еще не познаны и будут когда-нибудь открыты. Но мутационный процесс — реально существующий факт, неоспоримо доказанный всей практикой генетики. И пусть он определяет ход эволюции хотя бы только на один процент, он уже внесет долю неопределенности, делающую прогноз невозможным. В связи с этим вспоминаются соображения Лапласа о некоем универсальном уме, который, знай он начальные координаты и импульсы всех атомов, мог бы судить о прошлом, настоящем и будущем Вселенной. Л. Бриллюэн показал наивность этого рассуждения. Для этого не нужно даже привлекать принцип неопределенности Гейзенберга — стоит лишь не учесть в системе параметры одного из атомов. Сталкиваясь с другими, он стремительно создает вокруг себя сферу неопределенности, где наивный детерминизм бессилен. Ту же роль, что и неучтенные атомы, в эволюции играют мутации.

Важно подчеркнуть еще одно: параллельная эволюция в наших опытах никогда не приводила к полной идентичности. Но ведь наши модельные виды — весьма простые схемы по сравнению с реальными. В реальной эволюции полное сходство, не основанное на родстве, тем более следует исключить. В качестве примера такого сходства нередко приводят австралийских сумчатых (сумчатые мыши, белки, летяги, волки и т. д.). По моему мнению, это обратный пример: ведь все эти волки, кроты и летяги так и остались сумчатыми, эволюция не посягнула даже на такой маловажный признак, как загиб угла челюсти внутрь… Сходные, но не родственные формы — это книги разного содержания в одинаковых переплетах.

Тем более это относится к признакам на молекулярном уровне. Сине-зеленые водоросли и бактерии, несомненно, имеют общий корень. Практическая одинаковость их биохимических циклов, структур генома, рибосом, последовательностей в белках и транспортных РНК не могла возникнуть иначе, как от общего предка. Да и сейчас микробиологи нередко спорят, относить ли потерявшие пигмент сине-зеленые водоросли к бактериям. Удивительно, что палеонтологи уверенно различают остатки бактерий и сине-зеленых водорослей миллиардолетней давности, чего порой нельзя сделать на живых объектах.

Второй вывод кажется не менее важным. Напомню, что в наших моделях эволюция шла в неизменяющейся среде — и все-таки шла. Примитивные формы сменялись высокоорганизованными, которые активно захватывали новые ниши. А ведь широко распространено мнение, что прогрессивная эволюция — реакция на изменение внешних условий. Дескать, движение земной коры и изменения климата способствуют появлению новых видов, новых семейств, классов и типов. Тем самым у живой материи отрицается способность к саморазвитию.

Как показывает ход эволюции на планете Кибернетика, изменчивости внешней среды для прогрессивной революции не требуется. Это, конечно, не означает, что изменения климата и рельефа не играют роли в эволюции. Однако не они определяют ее. Основная роль в прогрессе принадлежит отношениям между организмами (мы, конечно, не первые пришли к этим выводам, но наши модели блестяще подтвердили их).

И, наконец, самый важный результат, ради чего и был задуман эксперимент с имитацией эволюции. Он позволяет ответить на старый вопрос: достаточно ли факторов дарвиновской эволюции — изменчивости, наследственности и отбора — для объяснения прогресса в живой природе? Ведь до сих пор высказываются иные точки зрения. Л. С. Берг полагал, что «…во всяком случае, прогресс в организации ни в малейшей степени не зависит от борьбы за существование». Результат машинного эксперимента однозначен: для прогрессивной эволюции на планете Кибернетика дарвиновского отбора случайных наследственных изменений вполне достаточно, и нам нет нужды привлекать какой-нибудь фактор или механизм, в конечном счете восходящий к «принципу градаций» Ламарка.

У нас нет оснований полагать, что реальная эволюция на Земле происходила иначе. Мы вправе применить принцип, издавна именуемый «бритвой Оккама»: «Сущности не следует умножать без необходимости». Иначе его выразил Ньютон: «Не должно принимать в природе иных причин сверх того, которые истинны и достаточны для объяснения явлений». Физика потому и достигла таких успехов, что сбривала метафизические бороды бритвой Оккама. И мы со спокойной совестью отправляем под эту бритву «принцип градаций» и «стремление к прогрессу», номогенез и «антиэнтропийные тенденции» живой природы.

Таковы результаты первых машинных экспериментов, в которых эволюция имитировалась в биологических терминах. Эволюция на планете Кибернетика продолжается.

Автор: Б. Медников.

Источник: ktonanovenkogo.ru