Нашлась альтернатива дарвинизму

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. Данную теорию направленной эволюции выдвинул доктор физико-математических наук, преподаватель Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) Алексей Мелких.

Steve Ryan/ Flickr
Steve Ryan/ Flickr

Уральский 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.

paweldotio/ Unsplash
paweldotio/ Unsplash

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 журналах Origin of Life and Evolution of Biospheres, Biosystems, Progress in Biophysics and Molecular Biology.

УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.