Комбинаторика за ручку с эволюцией

[zst]

Статья, посвященная спору эволюционистов и креационистов о вероятности спонтанного возникновения прародителей живого на Земле.


Жизнь в обязательном порядке состоит из белков и нуклеиновых кислот (пока будем говорить только о белковой жизни). Причем и те и другие имеют такое строение, которое необходимо для выполнения необходимых данному организму функций. Белков этих и НК в организмах нашей биосферы миллиарды и миллиарды – самых сложных, самых диковинных, самых тонко организованных структур, из которых биосфера состоит, и которые обеспечивают существование всего того сущего, что мы видим вокруг.

Возникли эти структуры путем естественного отбора, и тут вроде бы все понятно. Естественный отбор четко ведет от примитивного к эффективному, естественный отбор отрезает все тупиковые коридоры этого пути, а потому само потрясающее разнообразие не парадоксально. Но естественный отбор мог действовать только в условиях жизни, то есть когда жизнь уже возникла.

Оговорюсь, естественный отбор действует только после того, как уже появился механизм распространения любого удачного изменения. То есть, было, скажем, у нас примитивное существо с примитивным геном, и ген этот случайно чуточку изменился в лучшую сторону – тогда при его размножении новый вариант вытеснит старый, этот вариант расплодится по всему ареалу, и среди потомков опять будут мутации – мутации плохие и хорошие, плохие будут вырезаться, хорошие распространяться – вот и четкий вектор. Но повторяю, это только тогда, когда есть механизм копирования всех версий организма в ограниченной нише. Два вида живых существ, пользуясь этой нишей, полностью заполняют ее, и тогда между ними возникает конкуренция. Побеждает один. Более совершенный.

До возникновения механизмов размножения не было никакого распространения по нише, ее занимания, конкуренции и вытеснения лучшим худшего. А значит не было и естественного отбора. Это точно понятно? На всякий случай поясню. Представим себе, что в первичном бульоне случайно собралась небольшая последовательность аминокислот, которая в точности повторяет участок последовательности пробионта [пробионт – гибрид вещества и существа, простая структура, комплекс органических соединений, которая уже обладает важнейшим свойством живого организма – способностью к самокопированию], с которого началась эпоха жизни. Что это нам дает? С ходу хочется сказать – ну вот этот кусочек будет эволюционировать, эволюционировать, и получится пробионт.

Но с какой стати она будет эволюционировать? Ведь сама она еще не имеет функции самокопирования, то есть не будет производить потомков, среди которых будут отбираться ближайшие к пробионту. Так что же она будет делать? Она будет просто плавать в бульоне, будет сталкиваться с другими радикалами. Возможно, будет сталкиваться с нужными аминокислотами в совершенно случайном порядке, и только в том случае, если она совершенно случайно будет присоединять себе именно нужные аминокислоты, и в итоге как раз станет данным пробионтом – только после этого она уже закономерно даст начало жизни на Земле.

То есть первая самокопирующаяся структура должна была возникнуть самостоятельно и совершенно спонтанно. Это так называемая неупрощаемая сложность, назовем ее критически простой структурой. Всякая случайно сформировавшаяся структура, которая проще критически простой структуры, как бы она ни была близка к ней – сама по себе не нужна, не имеет никакого значения в деле образования жизни, и для какого-то эффекта должна все также случайно измениться до критической сложности.

Итак, запомнили. Первый пробионт, критически простая структура, может получиться только случайным перебором различных вариантов.

Так какова вероятность того, что случайно образуется вот эта неупрощаемая сложность?

Самое потрясающее на моей памяти заявление по этому поводу, которое делали креационисты – это то, что должна возникнуть уже живая клетка со всеми своими белками и генетическим аппаратом. Вероятность же этого сам автор оценил в 10 ^ -40 000. Это заявление я, с вашего позволения, комментировать не буду вообще.

Другим излюбленным полигоном для размышлений является цитохром С. Это фермент окислительно-восстановительных реакций организма, впрочем, функции его нам не важны, нам важнее то, что он из себя представляет – это цепочка из ста аминокислот, в которой разные аминокислоты расположены в на первый взгляд беспорядочно, но эта их последовательность строго определенная.

Креационисты спрашивают, какова вероятность спонтанного возникновения данного белка из набора одиночных аминокислот?

Посчитать это при определенных допущениях очень просто даже не разбираясь в высшей математике. Попробуем это сделать

Итак, все белки состоят из ограниченного набора аминокислот, как бусы из камешков. Всего аминокислот, которые входят в состав белков двадцать видов. Представим себе цепочку из одного единственного звена. Если видов звеньев двадцать, то сколько разных цепочек можно собрать? Очевидно, двадцать. А сколько можно придумать видов двузвеньевых цепочек? Итак первое звено (отмечу, что в белках в отличие от бус первое и последнее звено неравнозначны. У белков есть так называемые С концы, или гидроксильные, и N концы, аминные) может быть двадцати разных видов. А каждый из этих двадцати видов может продолжаться двадцатью разными видами во втором звене. Сколько всего получается? 20*20=20². Всего существует только четыреста вариантов дипептидов [если вы не биохимик, то расценивайте слово «пептид» как синоним «белка»] из канонических аминокислот. А сколько можно придумать вариантов трипептидов? Тоже очень просто, трипептид можно получить, прибавив к дипептиду кислоту. К каждому дипептиду можно прибавить двадцать разных аминокислот, а всего дипептидов, как только что получили, 20². Таким образом трипептидов – 20³. Не трудно видеть, что всевозможных тетрапептидов существует 20⁴ вариантов, и так далее. В общем случае получается формула m^n, где m - число вариантов звена, в нашем случае это двадцать разных аминокислот, а n – число звеньев в цепи. Но вернемся к цитохрому С. Он у нас состоит из ста аминокислот. Вот это уже целые бусы. По только что выведенной формуле получаем, что всего вариантов стоаминокислотных полипептидов существует ровно 20¹⁰⁰.

Теперь возьмем пробирку с водным раствором всех двадцати аминокислот в равном молярном соотношении. Нагреем нашу пробирку, облучим ультрафиолетом, побьем электроразрядами. Свободные аминокислоты будут собираться в ди- три- тетра- пента- и другие олиго- и даже полипептиды. Так как видов дипептидов по нашим расчетам всего четыреста, а в пробирке триллионы дипептидов, можно смело утверждать, что тут плавают все возможные дипептиды. Насчет трипептидов тоже можно быть почти уверенными, а вот за тетрапептиды уже не поручишься. Но выловим из нашей пробирки какой-нибудь полипептид, состоящий из ста аминокислот. Какова вероятность, что перед нами цитохром С? Мы помним, что всего вариантов стоаминокислотных последовательностей 20¹⁰⁰, из них только один вариант удовлетворяет условию. А так как вероятность, это отношение числа удовлетворяющих условию вариантов к общему числу вариантов, то вероятность нашего предположения 20^-100. Переводя в десятичную систему счисления без калькулятора: 20^-100 = 1/((2¹⁰)¹⁰ * 10¹⁰⁰) 1/((10³)¹⁰ * 10¹⁰⁰) = 10^-130. Это нониллион гуглов в знаменателе, а ведь во Вселенной не наберется и одного гугла электронов!

Однако вероятность отыскания цитохрома с в лабораторной пробирке нам не особенно-то нужна. Мы просто учтем, что вообще любой полипептид из ста аминокислот является цитохромом С с вероятностью 10^-130. Но если у нас не один полипептид а, скажем, десять полипептидов, то вероятность, что хотя бы один из них окажется цитохромом С в десять раз больше: 10^-129. А если в пробирке миллион полипептидов, тогда вероятность в миллион раз больше 10^-124.
Теперь посмотрим, что это нам дает. Ну, например, считается, Вселенная существует около пятнадцати миллиардов лет, из них пусть уже десять миллиардов лет существуют все физические условия для возникновения сложных полипептидов. То есть примем, что уже 10¹⁰ лет наша Вселенная пытается создать цитохром С, пусть в каждую секунду в каждом миллилитре первичного бульона постоянно собирается по тысяче стоаминокислотных полипептидов. Эта цифра достаточно большая, ведь концентрация самых редких аминокислот не может быть очень серьезной, а самосборка очень длинной молекулы – дело очень редкое в любых, даже в самых замечательных условиях. Это 10⁷*10³ попыток на миллилитр в год. Пусть также вся Земля была усеяна лужицами с первичным бульоном, пусть у нас хоть миллиард тонн отборного бульона, в который постоянно бьют молнии, который постоянно облучается мягким ультрафиолетом и т п. Это 10¹⁵ миллилитров. Пусть также Земля – не единственный участник гонки за жизнь, а в нашей галактике есть еще миллиард старых планет с такими же идеальнейшими условиями, и пусть так в каждой старой галактике, коих во Вселенной тоже миллиард. Итак, еще множитель – 10¹⁸. И что же имеем? 10^(10+7+3+15+18) = 10⁵³.

Что такое 10⁵³? Это число вариантов последовательностей из 100 аминокислот, которые в самом благоприятном случае Вселенная способна была перебрать. Иными словами за все время существования Вселенной, в ее пределах спонтанно образовалось НЕ БОЛЕЕ 10⁵³ белковых последовательностей из ста аминокислот. А всего разных последовательностей из ста аминокисот, как мы помним, 10¹³⁰. Так какую часть от общего массива вариантов могла перебрать Вселенная? Если у нас есть сто книг, одна из которых: «Происхождение видов», а Маша взяла пять книг. Какую часть от имеющихся книг взяла Маша? Правильно, 5/100. Также и тут, Вселенная получила 10^(53-130) = 10^-77-ю часть от всего массива последовательностей. А какова вероятность, что среди пяти книг, взятых Машей, оказалось именно «Происхождение видов»? Правильно, 5/100. Так же и у нас: 10^-77- это вероятность того, что среди всех 10⁵³ молекул полученных Вселенной за время ее существования, есть хотя бы один цитохром С. Такая вероятность - абсолютный физический ноль.

Но мало того. Данный расчет неимоверно груб. Ведь в этом расчете принимается, что весь бульон состоит из всех нужных аминокислот, зато ненужных аминокислот, и не только аминокислот – нет вообще, или их содержание несущественно!!! А ведь земные воды в докембрии – это вам не пробирка с аминокислотами над горелкой, под УФ-лампой и между электродами. При этом условия таковы, что неограниченно аминокислоты соединяются друг с другом. А это надо все десять миллиардов лет постоянно бить по планете молниями во все лужи!!! Наконец, в бульоне начисто должны отсутствовать всякие терминаторы цепи, а это тоже нереально. Вот строится у вас длинный пептид, уже набралось штук пять аминокислот – у него есть два конца, ацетильный и аминный – неужели с этими концами могут реагировать только аминокислоты? Да самые разные радикалы (включая и неканонические аминокислоты) могут сюда подстроиться, причем и радикалы, образующие гораздо более прочную связь – и все, если такую цепочку и можно разрезать, то только по связям между двумя аминокислотами, но не по связи белковой части с небелковым радикалом. Наконец, все еще стоит большая проблема с L и D оптическими изомерами одних и тех же аминокислот. Всего этого комбинаторные расчеты не учитывают совершенно, а если учитывать, вероятность сокращается еще на много и много нулей!

Да, действительно, спонтанное возникновение цитохрома С невозможно никак, никогда, ни при каких обстоятельствах, и это не подлежит обсуждению. Точка. Так что же получается, что креационисты правы, когда на основании этих расчетов с цитохромом С отвергают всякую возможность абиогенеза?

Креационисты сами-то прекрасно понимают, не дураки, вот только часто забывают указать, что и не надо спонтанно получать конкретную молекулу, а достаточно получить вообще любую молекулу, которая может выполнять необходимые функции!
Если говорить о цитохроме С. Вы заметили, что все креационисты, которые берут этот пример, сознательно допускают в названии неточность?

Не существует просто вещества цитохром С. Зато есть цитохром С человека, есть цитохром С собаки, цитохром С свиньи и проч. То есть, даже у самой природы есть разные цитохромы С. У свиньи нет цитохрома С человека, но она замечательно обходится и без него, а до появления в мире человека цитохрома С человека не существовало и вовсе во Вселенной, ну и что, это как-то мешало наличию во Вселенной жизни? Да, надо признать, что все цитохромы С достаточно похожи. От того ли это, что только узкий спектр последовательностей пригоден для выполнения указанной функции? Конечно нет, просто все эти цитохромы С родственны!

Не все креационисты опускают этот фактор из своих рассуждений. Дуэйн Гиш, например, признает это, но приводит данные некоего «некреациониста» Йоки, который умудрился подсчитать все варианты полипептидов, которые могут выполнять функции цитохрома С. У него получилось 10⁶⁰. В этом случае вероятность возникновения полипептида, который может выполнять функции цитохрома С равна 10^-130*10⁵³*10⁶⁰=10^-17. А это тоже физический ноль. Вы будете надеяться на выигрыш в лотерее, в которой участвует 20 миллионов населений Земли? И это еще без учета всех тех дополнительных нулей, о которых я говорила выше. Так что приводя цифры Йоки, Гиш не особенно рисковал. Но вот только откуда брались эти цифры Гиш не объяснил.

Нет, а правда, откуда Йоки взял свои 10⁶⁰? Что вообще значит эта цифра? Если всего последовательностей 10¹³⁰, а последовательностей, которые отвечают функциям цитохрома С – 10⁶⁰, то получается, что только каждая 10⁷⁰-я последовательность из случайно выбранных будет выполнять функции цитохрома С.
Что это значит? Любая белковая молекула выполняет определенные функции. Причем для этих функций имеет значение только часть структуры белковой молекулы. Эта часть должна быть строго детерминирована – иметь определенную последовательность. Это так называемый активный центр (или совокупность активных центров). Остальная часть молекулы может быть какой угодно последовательностью, нам она не важна. (Это я очень сильно упрощаю за такие рассуждения на кафедре биохимии я бы вылетела со своего факультета еще до экзаменов, но далее разберем немного детальнее) Что же получилось у Йоки? Упрощая, эти 10⁶⁰ – как раз и составляют неважную часть последовательности. А 10⁷⁰ – это число вариантов в строго детерминированном для функции цитохрома С участке.

Число 10⁷⁰ » 20⁵⁴. Физический смысл этого числа: если предположить, что для выполнения функции цитохрома имеет значение только часть аминокислот, причем аминокислоты в этой части строго детерминированы. То часть эта составляет 54 аминокислоты из ста! То есть если приближенно смотреть на расчеты Йоки, по его мнению активный центр цитохрома – это более половины всей последовательности!!!

Но не будем спешить с выводами. Следует понимать, что и балластная последовательность белка не должна быть совсем уж любой. Она не только не должна мешать работе активного центра, и она не только должна обладать определенными размерами в целом (эти два условия совершенно незначительны, отбирают у нас всего один порядок, ну в самом тонком случае два порядка). Она должна правильно обеспечивать работу активного центра. Например правильно пространственно располагать составные части его. Но вариантов пространственных конфигураций тут не так уж много! Речь ведь идет не об автоматической самосборке микрокалькулятора, надо то – захватить электрончик, и отдать его, где нужно. Работенка-то достаточно грубая! Ну, допустим, нам более или менее удовлетворительна каждая миллионная конфигурация из возможных конфигураций нашего многоаминокислотного полипептида. Это всего лишь шесть порядков против нас! А теперь залезем внутрь активного центра.

Во-первых как правило в активном центре участвует всего несколько аминокислот. А не большая половина из стозвеньевой цепи, а во вторых аминокислоты-то взаимозаменяемые во многом! Если нужна -ОН группа – пожалте вам серин или треонин. Если нужно ароматическое кольцо – на выбор фенилаланин или триптофан. Сопряженные связи нужны – тут подойдет сразу три аминокислоты. Нужна электроположительность – либо лизин, либо гистидин. Нужна кислотная группировка – аспартат или глутамат. В общем, в подавляющем большинстве запросов перед вами встает выбор двух аминокислот. А это значит не 1/20-я, а 1/0я! А значит не 20⁵⁴, а 10⁵⁴, то есть на 16 порядков меньше, чем у Йоки даже при признании величины его активного центра!!! Оговорюсь. Эти взаимозаменяемые аминокислоты, имея одинаковую функциональную группу имеют разное пространственное строение. А значит то строение неактивных участков, которое удовлетворяло при серине, для треонина не подойдет. Ага, но зато подойдет такое, которое не подходило при серине! Так что повышение числа удовлетворительных вариантов внутри активного центра не понижает это число вне его!

А если учесть, что в большинстве случаев не очень важна именно последовательность конкретных аминокислот, а важно лишь их присутствие? То есть вот нужен нам аспартат, но совершенно не обязательно, чтобы он находился именно вот в этом участке цепи. Что он может выполнять свое дело и здесь, и там, и сям. Или, например, да, нужно строгое соседство вот тех двух аминокислот, а для всего остального есть некая свобода, и важно опять же только пространственное расположение, которое можно достичь триллионами способов? Сколько там еще порядков насчитаем-с?

Вот, и это еще многое не учитывается!

Да, конечно разбираясь конкретно в последовательности и функционировании цитохрома С человека, можно было бы более тонко и точно судить о числе удовлетворительных вариантов. Но вы видите, что даже и без этого тонкого анализа фантастичность цифры Йоки очевидна!

В общем более или менее конкретных цифр сама я назвать, конечно, не могу, и вряд ли это вообще возможно, но я нисколько не удивлюсь, если каждая, скажем, триллионная последовательность полинуклеотида обладает функцией цитохрома С человека. А это значит, что аналог цитохрома с плавал в каждый момент времени чуть ли не в каждой лужице первичного бульона Земли!!! (Ср . «Парадокс миллиона обезьян», хе-хе, ну да, все же мы единомышленники)

И все же нам нужен не цитохром С, и даже не его функциональный аналог. Нам нужен первый пробионт, нам нужна первая самокопирующаяся структура, а мы все о каких-то цитохромах. Не нужны для этого цитохромы. И вообще не нужны никакие стозвеньевые цепочки, куда такая сложность, сто звеньев! Это, наверное, коварные крео сбивают нас с толку, забивают нам мозги, а мы идем у них на поводу.

Это не так. Пример креационистов с цитохромом С уместен и имеет значение. Дело в том, что какой он – самокопирующийся комплекс – не знает никто, а потому никто не знает и того, из чего он состоит, и, соответственно, какова вероятность его спонтанного возникновения. Но справедливо полагают, что он не может быть проще цитохрома С. То есть сам комплекс вместе не может быть проще. Тогда если бы нельзя было получить что-то, функционирующее как цитохром С, то нельзя получить и нужный нам комплекс.

Если указанная лужица не в состоянии создать нужную последовательность из ста аминокислот, то та же самая лужица не осилит и комплекс из пяти одновременно построенных и встретивших друг друга последовательностей по двадцать аминокислот. Верно?

Ну а тут мы пока в состоянии только спекулировать. Для того, чтобы узнать сложность самого простейшего самокопирующегося комплекса, нужно знать, как этот простейший комплекс выглядит, а это мы себе и во сне представить не можем. Нам не дано знать ни сложность составных частей нашего простейшего из возможных комплекса, ни числа этих частей, ни вообще сколько приходится на белки, сколько на нуклеиновые кислоты, а сколько на другие реагенты, например на молекулы, выполняющие только структурную функцию => последовательность которых значения практически не имеет, структура которых скорее всего регулярна => вероятность образования которых содержит в знаменателе всего несколько порядков.

В общем, ничего мы тут не знаем, и просчитать не можем. Не можем даже приблизительно судить о порядке вероятности спонтанного образования пробионта. Нет четких оснований против гипотезы, что даже самый простой пробионт необычайно сложен, на сотни порядков сложнее цитохрома С. И тогда современная теория абиогенеза ложна. Но с тем же успехом можно допустить и гораздо меньшую его сложность, сложность такую, что за пол миллиарда существования Земли пробионт просто обязан был появиться.

С этим все еще предстоит разбираться, предстоит понять, каким же может быть простой пробионт, предстоит разбираться с проблемами хиральной чистоты жизни, предстоит еще не одна тысяча симуляций первичного бульона в колбе. И предстоит настоящий ответ на вопрос, возможно ли такое без участия высшей силы. Но одно сейчас ясно точно – что если креационист называет цифру, которая по его мнению является вероятностью возникновения жизни, или вероятностью, которая точно больше вероятности возникновения жизни (как с цитохромом С), можете смело посылать этого креациониста… в нобелевский комитет.

Оригинал топика тут http://www.diary.ru/~Abrik/?comments&postid=32512022