Эволюция и изобретатель

Часть 6. Сравнение с ТРИЗ и биоэволюцией

Введение

Для того чтобы сравнить разные подходы к описанию одного и того же явления, например, эволюции, надо сравнивать не правила работы и рабочие инструменты и, тем более, не результаты, а понятийный аппарат, на основе которого построены эти подходы. Другими словами, сравнивать надо парадигмы.

Сравнение предполагает, что тот, кто сравнивает разные точки зрения находится где-то вне их, как судья по отношению к точкам зрения обвинителя и защитника. Или другой более нейтральный пример. Ученый сравнивает пруды, озера и моря. В этом случае он не должен ограничиваться сопоставлением характеристик, например, их глубина, объем, происхождение или концентрация бактерий в единице объема воды. Он должен ответить на вопрос, зачем он сравнивает? Другими словами, ну и что?

В этом случае, смысл сравнения не в характеристиках, а в каком-то постороннем вопросе, для ответа на который и понадобилось такое сравнение.

В соответствии с такой логикой, я в главе 15 не сравниваю, но сопоставляю краткие описания трех парадигм. В главе 16 сделана попытка прямого сравнения двух парадигм ТРИЗ и ТРТО. И наконец, в главе 17 высказаны дискуссионные соображения о том, каким могло бы быть и может быть будет дальнейшее развитие ТРИЗ. Глава 18 это, своего рода, дань пониманию того, что сложные и противоречивые процессы и явления, могут быть восприняты не только через прямые логические рассуждения, но и образно. Замечательный пример этого - карикатуры, шаржи и намеки. В них сразу можно угадать, о ком и о чем идет речь, хотя прямое сопоставление частей объекта с тем, как они представлены в шарже, однозначно показывает, что описание каждой части искажено. В то же время, суть явления мгновенно угадывается.

Еще одно замечание. Я не сомневаюсь, что предмет обсуждения, который я предлагаю в этой части, а также способ, точность и конретность этого обсуждения вызовут не только интерес, вопросы и отзывы, но и множественную неспецифическую реакцию отторжения и воспаления, как это бывает при попытках пересадить в уже живущий организм чужеродную ткань или орган.

В этой части нет окончательных ответов, есть только поводы для обсуждений.

Глава 15. Сопоставление трех парадигм эволюции

Введение

Понятие парадигмы включает не только концепцию, но и носителей или потенциальных носителей этой концепции, которые в силу владения определенным понятийным аппаратом, усвоенным ранее, способны эту концепцию понять. В приложении 1 об этом написано подробнее.

Какие парадигмы эволюции мы должны рассмотреть и сопоставить?

Названия парадигм с неизбежностью являются условными и неполными. Возникают и существуют эти названия по договоренности между носителями парадигмы. Когда это название говорит один, то второй понимает его так же, как третий и как все остальные. Аналогия: психбольные договорились присвоить каждому анекдоту номер, и вместо того чтобы рассказывать его, говорили: "номер 4", и все смеялись или возмущались его неприличностью.

Итак, первая парадигма, которую мы будем рассматривать, по исторически сложившейся договоренности между ее носителями называется ТРИЗ (теория решения изобретательских задач).

Других носителей второй парадигмы, кроме меня самого, пока нет, поэтому я с трудом, но договорился сам с собой, что в этой книге буду называть ее ТРТО (теория размножения технических организмов).

Третья парадигма - это концепция эволюции жизни или живых систем. Гигантская по сложности и разнообразию совокупность наук, в которой есть разные и даже взаимоисключающие друг друга представления. Но в то же время, в ней есть базовые понятия, которые принимаются подавляющим большинством ученых биологов. Поэтому эту парадигму я буду назвать упрощенно и псевдонаучно -"био-эволюция"

Попробуем поэтапно сопоставить три следующие парадигмы - ТРИЗ, ТРТО, био-эволюция. Какими бы они ни были, в их рамках должны быть даны ответы, как минимум на следующие вопросы:

1. Роль человека в эволюции

2. Роль эволюции

3. Объект (единица) эволюции

4. Результат эволюции

5. Движущие силы эволюции

6. Направление эволюции

Итак, краткие ответы на эти вопросы в конспективной форме.

Роль человека в эволюции

ТРИЗ.

Эволюционная роль человека в том, что он обеспечивает свое собственное существование, а ТС обслуживают человека. Такой подход называется антропоцентризм. Функциональные роли, которые человек выполняет по отношению к ТС, в число базовых понятий ТРИЗ не входят

ТРТО

Эволюционная роль человека в том, что он обеспечивает размножение ТС. Другими словами, человек обеспечивает появление (изобретение) новых ПТИ-ПТС и размножение их и других существующих ПТИ-ПТС в составе продуктов, построенных на основе этих ПТИ-ПТС. Понятие "просто человек" в ТРТО никаким образом не используется. Существуют только функциональные роли, которые человек исполняет по отношению к ТС, а именно, изобретатель, инвестор, производитель, продавец (и дистрибьютор), потребитель

Био-эволюция

Человек такой же продукт эволюции жизни как и другие живые организмы

Роль эволюции

ТРИЗ

Эволюция ТС первична, существуют законы развития технических систем (ЗРТС) или, в другом представлении, "линии эволюции" ТС. Законы эволюции ТС объективны и от воли человека не зависят. Их можно использовать не только для предсказания, но и для направленного изобретения следующего поколения данной ТС.

ТРТО

Эволюция ТС вторична. Первичным является размножение ПТИ-ПТС в составе продуктов, построенных на основе ПТИ-ПТС. До тех пор, пока есть возможность, новые копии продукта появляются безо всяких целенаправленных изменений.

Био-эволюция

Первично размножение или самокопирование. В результате ошибок и неточностей в процессах регуляции и осуществления молекулярных синтезов в клетке, копия живого организма с неизбежностью отличается от оригинала.

Другими словами, существует изменчивость, пределы которой могут варьировать. Возможны популяции, в которых представители одного вида могут отличаться очень сильно. Всем известный пример это собаки различных пород, от карликовых шпицев, до гигантских сенбернаров. С другой стороны, возможны популяции, внутри которых различия минимальны, например, одна порода собаки. Как известно, это достигается искусственным отбором. Все отклонения выбраковываются человеком из дальнейшего размножения. Разнобразие в результате копирования в силу законов природы все равно возникает, но его минимизируют искусственным отбором.

В природе существует естественный отбор, который выполняет другую роль. Он превращает один вариант разнообразия в другой. Классический пример, нелетающие жуки на маленьких островах в океане. Все варианты, которые летали, в конце концов сдуло ветром в океан, где они утонули. Только "уроды" с маленькими крыльями выжили и размножились, но отличия между ними по всем остальным параметрам, кроме крыльев, никуда не делись.

Объект (единица) эволюции

ТРИЗ

Объект эволюции - ТС в единственном экземпляре и в таком виде, какой она должна быть согласно чертежам. Предполагается, что все копии данной ТС одинаковы, поэтому можно работать с одной (любой) из них. Всякая "неодинаковость" копий ТС рассматривается как устраняемая ошибка. "Неодинаковость копий" не рассматривается как эволюционное явление, или другими словами, как фактор эволюции. Другие ТС в любой степени похожие или непохожие на данную систему рассматриваются как ресурсы для эволюционного развития данной системы.

ТРТО

Объект микроэволюции - популяция продуктов на основе ПТИ-ПТС. Каждый продукт представлен в виде некоторого количества "неодинаковых копий". "Неодинаковость копий" не рассматривается как фактор эволюции. Популяцию составляют не копии одного продукта, а разные продукты, построенные на основе одной и той же ПТИ-ПТС. Внутренняя структура популяции может быть описана как "радиально - квантовая". "Радиальная", потому что все продукты происходят из одной ПТИ-ПТС, которую на схеме строения популяции можно поместить в центре таким образом, что каждый продукт расположен на конце стрелки, проведенной из этого центра. В этом смысле структура популяции схематически похожа на ежика с точечным телом (ПТИ-ПТС) и иголками разной длины. На конце каждой иглы находится другое точечное тело (продукт на основе ПТИ-ПТС). Длина иголки может соответствовать промежутку времени между появлением ПТИ-ПТС и данного продукта. Структуру популяции можно называть "квантовой", потому что каждый

продукт возникает в результате одношагового перемещения вдоль "линий увеличения сложности ПТИ-ПТС", до такого "разрешенного" состояния, которое образует продукт устойчиво способный к размножению.

Объект макроэволюции - это ПТИ-ПТС. Изобретение новой ПТИ-ПТС эквивалентно научному открытию.

Био-эволюция

Согласно синтетической теории эволюции объектом и единицей эволюции является популяция организмов способных скрещиваться и давать плодовитое потомство. Теоретически все особи входящие в данную популяцию двуполых организмов могут быть потомками одной пары родителей. "Неодинаковость копий" является одним из двух основных факторов эволюции обеспечивая изменчивость. Другим фактором является отбор на способность размножаться в данных конкретных условиях, которые могут меняться с различной скоростью и в различных направлениях, например, похолодание, засуха и тому подобное.

Результат эволюции

ТРИЗ

В результате эволюции появляется следующее поколение данной ТС. Каждая ТС возникает как результат эволюции "прототипа" этой ТС, поэтому можно построить некую непрерывную родословную линию поколений одной и той же ТС. В этой родословной рассматриваемая ТС в начале эволюции может драматически отличаться от того, во что она превратилась в результате этой эволюции. Например, самолет братьев Райт превратился в Боинг 777. Другими словами, можно говорить, что современный реактивный самолет это результат эволюционного развития первого поколения самолетов.

ТРТО

В результате микроэволюции увеличивается количество разных вариантов продуктов построенных на основе одной ПТИ-ПТС или одной комбинации ПТИ-ПТС. Один продукт не рассматривается как следующее поколение другого продукта. Другими словами, единственным "прототипом-зародышем" для всех продуктов образующих одну популяцию, является исходная ПТИ-ПТС или комбинация нескольких ПТИ-ПТС. Разные продукты возникают в результате движения вдоль разных "линий усложнения" исходной ПТИ-ПТС. Количество копий нового варианта продукта определяется его способностью вытеснять другие продукты из существующих ниш и способностью проникать в новые ниши, в которых пока нет продуктов построенных на основе данной ПТИ-ПТС.

В результате макроэволюции появляются новые ПТИ-ПТС, которые далее участвуют в микроэволюции в составе тех продуктов, которые возникают на основе этих новых ПТИ-ПТС.

Био-эволюция

Микроэволюция или, другими словами, адаптационная эволюция позволяет популяции особей, как минимум, не исчезнуть при неблагоприятных изменениях среды, в которой эта популяция существует. Изменчивость и отбор в процессе проникновения этих особей в новую нишу могут изменить их до неузнаваемости. Например, дельфины (млекопитающие) больше похожи на рыб, чем на своих сухопутных предков.

Движущие силы эволюции

ТРИЗ

Возникновение новых потребностей Человека, которые могут быть удовлетворены с помощью какой-либо ТС, ведет к тому, что такую систему кто-нибудь, в конце концов, изобретает.

Стремление к идеальности. Любое такое улучшение любой ТС, которое увеличивает пользу от нее людям и уменьшает наносимый вред - выгодно, и

потому высока вероятность того, что найдутся изобретатели, которые такое изменение придумают и внедрят.

ТРТО

Познавательная активность членов "команды размножения ПТИ-ПТС" (люди играют в этой команде следующие роли: инвестор, изобретатель, производитель, дистрибьютор, продавец, потребитель) приводит к открытию новых ПТИ-ПТС, которые позволяют создавать и размножать на их основе новые продукты. (Например, Леонардо Давинчи 500 лет назад в процессе своих научных занятий изобрел ПТИ-ПТС парашют.)

Система патентной защиты - одна из движущих сил эволюции ТС. Она вынуждает изобретателей создавать новые варианты ТС в условиях, когда существующие варианты вполне достаточны. Но деньги от продажи этих существующих вариантов ТС идут только "в один карман", рядом с которым неизбежно возникают конкуренты. Создание нового варианта ТС это надежный способ отхватить часть тех денег, которые уже текут от потребителя ТС к владельцу патента и, следовательно, ничуть не хуже потекут к конкуренту, если его вариант ТС будет лучше. Удовлетворение потребностей потребителя для таких конкурентов не цель, но средство сделать себе деньги.

Био-эволюция

Движущие силы эволюции - наследственность, изменчивость, естественный отбор.

Направление эволюции

ТРИЗ

Эволюция ТС идет в направлении повышения идеальности.

ТРТО

Единообразно-формулируемого направления у микро-эволюции ТС (продуктов на основе ПТИ-ПТС) нет. В каждый данный момент в "ближайшей временной окрестности" можно найти такие варианты изменения рассматриваемой ТС, которые будут наиболее выгодны потенциальной "команде размножения этой ТС". Эти варианты будут иметь максимальную вероятность успешной реализации. Направление макро-эволюции ТС (возникновение новых ПТИ-ПТС) - это открытый вопрос.

Био-эволюция

Согласно теории "прогрессивной эволюции" живые организмы эволюционируют в направлении повышения сложности

Две популярные цитаты, которые можно, например, найти на сети по адресу (http://portal.grsu.by/portal/FACULT/BIOL/LITRA/BOOK/Ea2.htm )

" Биологические системы развиваются в направлении усложнения и дифференцировки структуры и функций подсистем, повышения независимости от условий среды. Это положение касается общей тенденции эволюции, а не ее конкретных проявлений. В моей теории нет абсолютной тенденции к прогрессу, кроме случаев, обусловленных обстоятельствами. Чарльз Дарвин

" Биологи до сих пор не удосужились сформулировать, что же такое прогрессивная эволюция… никто не может всерьез сегодня ответить на вопрос ведет ли отбор автоматически к прогрессивной эволюции. На вопрос - кто прогрессивнее: чумная бацилла или человек - до сих пор нет убедительного ответа. Н.В.Тимофеев-Ресовский

Еще одна цитата (http://www-sbras.nsc.ru/HBC/2003/n47-48/f08.html)

" Прогрессивная эволюция - это эволюция регуляторных генетических систем организмов. В основе кодирования генетической сложности лежит комбинаторный принцип, позволяющий очень экономно записывать в геномах огромное количество информации о генетических программах, выполняемых генными сетями. Комбинаторный принцип, буквально пронизывающий кодирование генетических программ функционирования высших эукариот, способен обеспечивать в ходе эволюции быстрое, скачкообразное появление новых морфотипов за счет переключения уже существующих программ онтогенеза.

Наконец, еще один принципальный результат. Прогрессивная эволюция, сопровождающаяся усложнением, не имеет адаптивного (по отношению к окружающей среде) характера. Это весьма неожиданное и принципиальное положение было сформулировано совсем недавно (Science, 2003, 302, 1401-1404).

Краткое сравнительное описание трех парадигм эволюции.

Краткая характеристика ТРИЗ парадигмы

В современном ТРИЗ явно видны несколько автономно развивающихся областей, которые не полностью перекрываются и имеют разные стимулы развития:

" Первая область - это изобретение таких систем или процессов, которые имеют прототип. Такое изобретение может иметь разную степень новизны от маленькой до очень большой.

" Вторая область - это эволюция ТС. Описание и объяснение эволюции ТС осуществляется с позиций антропоцентризма. Другими словами, идея эволюции техники родилась и применяется прежде всего для повышения эффективности решения изобретательских задач. Образно говоря, в ТРИЗ "эволюция, по своему происхождению и воспитанию - это служанка изобретения, которая настойчиво работает над собой, чтобы выбиться в люди".

" Третья область, в детали строения которой, я не буду углубляться - это то, что практикующие тризовцы называют "нетехнические приложения ТРИЗ" (педагогика, социальные отношения, бизнес, искусство и тому подобное)

ТРИЗ это антропоцентрическая теория, согласно которой существует Человек, который создает и использует ТС для того, чтобы они обслуживали Человека. Функциональные роли, которые человек выполняет по отношению к ТС, в число базовых понятий ТРИЗ не входят. Законы эволюции ТС объективны и от воли Человека не зависят. Их можно использовать не только для предсказания, но и для направленного изобретения следующего поколения данной ТС.

ТРИЗ предполагает, что все копии данной ТС одинаковы, поэтому можно работать с одной (любой) из них. Всякая "неодинаковость" копий ТС рассматривается как устраняемая ошибка. "Неодинаковость копий" не рассматривается как фактор эволюции. Другие ТС в любой степени похожие или непохожие на данную систему рассматриваются как ресурсы для эволюционного развития данной системы.

В ТРИЗ парадигме единицей эволюции считается ТС, которая эволюционирует от прототипа к изобретению, которое называют "следующее поколение этой ТС". На следующем шаге эволюции это изобретение становится прототипом для следующего изобретения. Другими словами, предполагается, что каждая новая ТС это результат внесения изменений в уже существующую ТС, которая таким образом оказывается прототипом новой ТС. Такая преемственность позволяет вводить и использовать такие инструменты как "законы развития технических систем" (ЗРТС) и "линии эволюции" ТС.

Как известно, патентное описание требует указывать те ТС, которые можно рассматривать как прототипы данного изобретения. Это значит, что оно тоже оперирует в рамках парадигмы, согласно которой единицей эволюции техники является одна ТС.

В ТРИЗ парадигме движущей силой эволюции является возникновение новых потребностей Человека, для удовлетворения которых изобретатели изобретают новые ТС.

Эволюция идет в направлении повышения идеальности ТС. Любое улучшение любой ТС, которое увеличивает пользу и уменьшает наносимый вред - выгодно, и потому высока вероятность того, что найдутся изобретатели, которые такое улучшение придумают и "внедрят".

Составной частью парадигмы наряду с идеями являются носители этих идей. Для сравнения, разных подходов к пониманию и описанию эволюции, которое я пытаюсь осуществить в этом разделе, важно следующее.

Носителями ТРИЗ парадигмы прежде всего являются люди с образованием, которое традиционно называется техническим, и цель которого научить специалиста понимать как устроена и работает ТС, как ее поддерживать в рабочем состоянии, и как ее ремонтировать, если понадобится. Техническое образование не дает опыта теоретической и практической работы с понятиями "размножение, популяция, изменчивость и отбор".

Краткая характеристика ТРТО парадигмы

ТРТО постулирует, что эволюционная роль человека заключается в том, что он обеспечивает размножение ТС. Другими словами, человек обеспечивает появление (изобретение) новых ПТИ-ПТС и размножение их и других существующих ПТИ-ПТС в составе продуктов, построенных на основе этих ПТИ-ПТС.

Понятие "просто человек" в ТРТО никаким образом не используется. Существуют только функциональные роли, которые человек исполняет по отношению к ТС в составе "команды размножения ПТИ-ПТС", а именно, изобретатель, инвестор, производитель, дистрибьютор, продавец, потребитель.

В рамках ТРТО эволюция ТС вторична. Первичным является размножение ПТИ-ПТС в составе продуктов, построенных на основе ПТИ-ПТС. До тех пор, пока есть возможность, новые копии продукта появляются без всяких целенаправленных изменений.

Согласно ТРТО объектом микроэволюции ТС является популяция продуктов, построеных на основе ПТИ-ПТС. Каждый такой продукт представлен в виде некоторого количества "неодинаковых копий". "Неодинаковость копий" не рассматривается как фактор эволюции. Популяцию составляют не копии одного продукта, а разные продукты, построенные на основе одной и той же ПТИ-ПТС.

Внутренняя структура популяции может быть описана как "радиально - квантовая". "Радиальная", потому что все продукты происходят из одной ПТИ-ПТС, которую на схеме строения популяции можно поместить в центре таким образом, что каждый продукт расположен на конце стрелки, проведенной из этого центра. В этом смысле структура популяции схематически похожа на ежика с точечным телом (ПТИ-ПТС) и иголками разной длины. На конце каждой иглы находится другое точечное тело (продукт на основе ПТИ-ПТС). Длина иголки может соответствовать промежутку времени между появлением ПТИ-ПТС и данного продукта. Структуру популяции можно называть "квантовой", потому что каждый продукт возникает в результате одношагового перемещения вдоль "линий

увеличения сложности ПТИ-ПТС", до такого "разрешенного" состояния, которое образует продукт способный к устойчивому размножению.

В результате микроэволюции увеличивается количество разных вариантов продуктов построенных на основе одной ПТИ-ПТС или одной комбинации ПТИ-ПТС. Один продукт не рассматривается как следующее поколение другого продукта. Другими словами, единственным "прототипом-зародышем" для всех продуктов образующих одну популяцию, является исходная ПТИ-ПТС или комбинация нескольких ПТИ-ПТС. Разные продукты возникают в результате движения вдоль разных "линий усложнения" исходной ПТИ-ПТС. Количество копий нового варианта продукта определяется его способностью вытеснять другие продукты из существующих ниш и способностью проникать в новые ниши, в которых пока нет продуктов построенных на основе данной ПТИ-ПТС.

Объект макроэволюции - это ПТИ-ПТС. Изобретение новой ПТИ-ПТС эквивалентно научному открытию. В результате макроэволюции появляются новые ПТИ-ПТС, которые далее участвуют в микроэволюции в составе тех продуктов, которые возникают на основе этих новых ПТИ-ПТС.

Удивительным образом получается, что движущими силами эволюции технических систем в ТРТО оказываются две крайности: возвышенные человеческие качества (тяга к знаниям, любознательность, творческие способности) и низменная жажда наживы. Другими словами, человек полностью вовлечен в процесс эволюции ТС.

Познавательная активность членов "команды размножения ПТИ-ПТС" (напомню, люди играют в этой команде следующие роли: инвестор, изобретатель, производитель, дистрибьютор, продавец, потребитель) приводит к открытию новых ПТИ-ПТС, которые позволяют создавать и размножать на их основе новые продукты. Например, Леонардо да Винчи ни с того ни с сего, неизвестно зачем и почему, безо всякой практической пользы 500 лет назад изобрел ПТИ-ПТС парашют. Нет другого объяснения его поступку, кроме как считать открытие ПТИ-ПТС таким же творчеством как наука, поэзия и живопись, которыми он занимался.

Система патентной защиты - вторая движущая сила эволюции ТС. Она вынуждает изобретателей создавать новые варианты ТС в условиях, когда существующие варианты вполне достаточны. Но деньги от продажи этих существующих вариантов ТС идут только "в один карман", рядом с которым неизбежно возникают конкуренты. Создание нового варианта ТС это надежный способ отхватить часть тех денег, которые уже текут от потребителя ТС к владельцу патента и, следовательно, ничуть не хуже потекут к конкуренту, если его вариант ТС будет лучше. Удовлетворение потребностей потребителя для таких конкурентов не цель, но средство сделать себе деньги.

Единообразно-формулируемого направления у микро-эволюции ТС (продуктов на основе ПТИ-ПТС) нет. В каждый данный момент в "ближайшей временной окрестности" можно найти такие варианты изменения рассматриваемой ТС, которые будут наиболее выгодны потенциальной "команде размножения этой ТС". Эти варианты будут иметь максимальную вероятность успешной реализации. Направление макро-эволюции ТС (возникновение новых ПТИ-ПТС) - открытый вопрос, на который у меня пока нет ответа.

Составной частью парадигмы наряду с идеями являются носители этих идей. Для сравнения, разных подходов к пониманию и описанию эволюции,важно, что практикующими носителями парадигмы ТРТО могут быть только люди с элементами такого образования, в котором рассматриваются понятия "размножение объектов, популяция объектов, изменчивость и отбор". Традиционно сложилось, что эти представления наиболее глубоко разработаны в науках изучающих биологические объекты, поэтому знание и понимание биологических теорий эволюции превращается в обязательное условие понимания эволюции технических систем. Такое требование до сих пор не возникало ни в историческом описании техники ни в ТРИЗ

Краткая характеристика "био-эволюции"

Я не буду описывать то, что должно быть известно всем, кто проходил биологию в средней школе или даже несколько лет тому назад в институте. Я представлю здесь фрагменты из двух публикаций, в которых расматривают самые последние результаты молекулярных исследований, проливающих новый свет на проблемы эволюции живых организмов.

Фрагменты из публикации Н.Колчанов. Моделирование биологической эволюции (http://www-sbras.nsc.ru/HBC/2003/n47-48/f08.html).

Согласно современным представлениям, жизнь на Земле возникла примерно 3,5 млрд. лет назад после предбиологической эволюции в форме прогенот, простейших одноклеточных бактериоподобных структур. Около 2 млрд. лет назад на эволюционном древе появились три ветви: безъядерных эубактерий и архибактерий, и эукариот, клетки которых имеют ядро. Эубактерии и архибактерии в дальнейшем совершенствовались только на метаболическом уровне, в то время как эукариоты развивались на уровне морфологическом и физиологическом. В дальнейшем мы можем отметить еще несколько критических этапов в эволюции, в частности, возникновение растительных царств, животных и, как венец эволюции, появление человека со сложной физиологией и интеллектом. Проблема состоит в том, чтобы понять, каким образом в линии эукариот нарастала сложность, как и где эта сложность кодировалась, каковы механизмы, приведшие от простейших систем к очень сложным организмам.

Многие надеялись, что на этот вопрос позволит ответить массовое секвенирование геномов, поскольку именно в геномах зафиксированы фенотипические характеристики организмов. Однако, результаты были не просто обескураживающими, но шокирующими. Оказалось, что сложно организованный организм - плодовая мушка дрозофила - обладает набором примерно из 13 тысяч генов, а несравненно более простой червь Celagans имеет 19 тыс., человек - около 35 тыс. генов, а примитивная рыба фугу - от 30 до 40 тысяч. Выясняется, что морфологическая и физиологическая сложность организмов никоим образом не зависит от количества генов.

Вопрос еще более обостряется при сравнении организмов, эволюционное родство которых надежно реконструировано с помощью методов молекулярной филогении. Различия в морфологии и среде обитания этих существ могут быть колоссальными. Типичный пример - афротерии, т.е. животные, чья эволюция происходила преимущественно в Африке. Прыгунчик имеет вес всего в несколько граммов, а его близкий в эволюционных масштабах родственник слон - около двух тонн. Ламантин живет в воде, а его родич - трубкозуб с огромной скоростью роет норы под землей. Общих эволюционных предков имеют такие разные, казалось бы, отряды млекопитающих, как парнокопытные и китообразные. (Интересно, что эти данные первоначально были получены молекулярными методами, а потом подтверждены палеонтологически). Каким образом биологической организации удается накопить столь внушительные различия за короткие по эволюционной мерке промежутки времени?

По-видимому, дело заключается в эволюции регуляторных генетических систем.

Прогрессивную эволюцию можно определить как эволюцию регуляторных механизмов, способов записи и кодирования генетической информации.

Основные факторы и механизмы эволюции - это наследственность (в настоящее время преимущественно в форме ДНК), изменчивость (одиночные и множественные нуклеотидные замены, рекомбинации, геномные мутации, транспозиции мобильных

элементов, горизонтальный перенос генетической информации из генома в геном) и отбор. Последний, в свою очередь, бывает трех видов: движущим, стабилизирующим

и дестабилизирующим. Отбор обеспечивает дифференциацию организмов по их выживаемости и количеству потомков, которых они оставляют.

Существуют два типа регуляторных мутаций. Мутации первого типа затрагивают регуляторные районы генов, меняя структуру ДНК. Мутации второго типа касаются структуры регуляторных белков, воздействуют на тонкие химические соответствия между регуляторным белком и молекулой ДНК.

В настоящее время можно утверждать, что кодирование генетической информации носит блочный характер. Регуляторный район гена имеет сайты связывания соответствующих белков. В результате взаимодействия сайтов с белками формируется сложный транскрипционный комплекс, от которого зависит, каким способом, в какой ткани, в ответ на какой вызов будет работать ген. Емкость такого способа кодирования генетической информации исчисляется как 2 в n-ной степени, где n - количество сайтов. В качестве реального примера можно взять один из генов крысы, регуляторный район которого имеет 40 сайтов. Это значит, что емкость этого района составляет примерно 10 в 12 степени, т.е. немногим меньше, чем количество клеток в организме. Таким образом, комбинаторное кодирование регуляторных районов является эволюционным приобретением широкого профиля с колоссальной информационной мощностью.

Известно, что регуляторные белки, контролирующие транскрипцию, эволюционируют с огромной скоростью, гораздо быстрее, чем все прочие. Сходство между этими белками в разных организмах минимально. Это позволяет получать очень сильно отличающиеся фенотипические варианты за короткие промежутки времени.

Наглядный пример - история происхождения "царицы полей" - кукурузы. Установлено, что маис был выведен из предковой формы теосинта в результате интенсивной селекции около 7 тыс. лет назад. Некоторые факты наводят на мысль, что безымянных селекционеров эпохи неолита можно даже именовать генетиками. Результатом упорного труда, занявшего, по-видимому, несколько сотен лет, явился початок, который по праву считается главным достоянием этого растения. Произошедшая метаморфоза стала возможной за счет того, что в регуляторном районе гена были накоплены уникальные мутации, которые, объединившись, позволили гену tb1 (teosinte-branched-1) контролировать рост кукурузы. Имевшееся генетическое разнообразие было сконцентрировано в одном промоторе за весьма короткий промежуток времени.

Любой фенотипический признак - результат работы определенной генной сети, т.е. группы координированно функционирующих генов. Генные сети подразделяются на четыре класса: гомеостаза, циклических процессов, стрессового ответа и морфогенеза. Можно сказать, что генные сети являются молекулярными генетическими автоматами, (хороший кандидат на роль "простой генетической системы" ? Г. Зайниев )формирующими фенотипические признаки организма. Результат определяется характером преобладающих в каждом конкретном случае обратных связей. Например, в генной сети гомеостаза работают преимущественно отрицательные обратные связи. Циклические процессы отличаются балансом положительных и отрицательных, а вот стрессовый ответ и дифференцировка клеток организма в очень сильной степени контролируется положительными обратными связями. Существенно, что в каждой из этих генных сетей имеется центральный регулятор, который активирует и контролирует одновременно транскрипцию нескольких десятков генов, собранных в своеобразные кассеты - классический блочно-модульный принцип организации. Понятно, что мутации, организованные таким центральным регулятором, носят системный характер, поскольку они нарушают или изменяют, улучшают или ухудшают работу огромных групп генов

Яркий пример подобного рода системной мутации на генной сети - судьба цветка Arabidopsis thaliana. Развитие каждого из органов цветка (пестика, тычинок, лепестков, чашелистика) контролирует определенный фрагмент молекулярного генетического автомата - генной сети. Этот автомат можно перепрограммировать искусственно, с помощью трансгенеза - перенести в него ген, кодирующий нужный нам признак. В результате получаются растения, отличающиеся друг от друга настолько, насколько могут отличаться разные виды. Таким образом, перепрограммирование клеточного автомата на высоком иерархическом уровне может приводить к принципиальным изменениям фенотипа. Этим сейчас пользуются генетики для создания трансгенных растений. Все регуляторные белки, управляющие молекулярным генным автоматом, возникли из некой предковой формы около 500 млн. лет назад, и перепрограммирование этого автомата осуществлялось в природе в ходе эволюции путем возникновения все новых и новых форм названных белков.

Пример макросистемных мутаций, работающих по принципу положительной обратной связи - генная сеть апоптоза, которая запускает самоубийство клетки за счет взаимодействия Fas-лиганда с рецептором. Масса погибшей клетки на 10 порядков превышает массу лиганда! Это классический пример усиления сигнала в системе с положительной обратной связью. Он дает системе огромную эффективность. Не надо громоздить гигантский аппарат, который должен обеспечить высокую концентрацию белков, разрушаюших клетку - достаточно создать в ходе эволюции тонкую изящную конструкцию, включающуюся время от времени, когда требуется избавиться от ненужных клеток. Мутации в генных сетях с положительной обратной связью, с одной стороны, особенно опасны для нормы, поскольку могут исказить функционирование сети и привести к качественному изменению признака. С другой стороны, они могут быть полезны в ходе эволюции, особенно если эти генные сети вовлечены в процесс онтогенеза.

Именно регуляторные контуры с каскадом положительных обратных связей могут считаться наиболее вероятным двигателем процессов видообразования.

Еще один тип макросистемных мутаций связан с существованием так называемых генных сетей-интеграторов, координирующих целые ансамбли подчиненных им сетей. В качестве примера можно привести сеть, контролирующую уровень свободных радикалов в противовоспалительном ответе. Она запускается определенными факторами и одновременно активирует кассету из шести других генных сетей, куда входят антиоксидантный ответ, остановка клеточного цикла, апоптоз, антивоспалительная сеть, метаболизм железа и ответ теплового шока. Ясно, что мутация в сети-интеграторе тоже может приводить к макросистемным изменениям.

В каждой генной сети имеются исполнительная и регуляторная компонента. Глубокие размышления вызывает информация о соотношении метаболических и регуляторных компонент цикла трикарбоновых кислот кишечной палочки. В данном случае исполнительная компонента, которая обеспечивает весь метаболизм в этом цикле, включает 139 процессов, а регуляторная - 1882 процесса. На одну метаболическую компоненту приходится более десятка регуляторных! Это наглядная иллюстрация того, что происходит в ходе длительной эволюции. Бактерии совершенствовались в течение 3 млрд. лет. Исполнительная компонента консервативна у всех бактерий. Она консервативна даже у высших организмов. Вся специфика, все эволюционные инновации сосредоточены именно в регуляторной компоненте, которая "навешивается" на очень консервативный и стандартный метаболический блок.

Как же возникают и усложняются регуляторные контуры в ходе эволюции? Кратко этот механизм можно описать следующим образом. Рассмотрим систему с отрицательной обратной связью, контролирующую величину определенного параметра Х (допустим, концентрацию белка). В данном случае регулирующим воздействием является скорость биосинтеза - если в результате какого-либо внешнего воздействия или мутации

концентрация белка отклоняется от нормы, status quo будет восстанавливаться за счет изменения скорости его наработки. Если отрицательная обратная связь отсутствует, все мутации, возникающие в генотипе, проявляются на уровне фенотипа. Но чем отрицательная обратная связь сильнее, тем крепче "зажата" популяционная изменчивость. Этот процесс называется нейтрализацией мутационной изменчивости под действием отрицательной обратной связи.

В режиме стабилизирующего отбора, преобладающего при сохранении постоянной среды, абсолютное преимущество имеют особи с отрицательной обратной связью, поскольку у них минимизируется проявление любых мутаций, а приспособленность к существующей среде выше, чем у организмов с ослабленной или отсутствующей отрицательной обратной связью.

Если же мы рассмотрим движущий отбор, который работает в условиях выраженного однонаправленного изменения среды, то здесь преимущество будут иметь особи без отрицательной обратной связи - у них сильнее всего вскрывается генетическая изменчивость, поэтому именно они имеют шанс выжить "в эпоху перемен".

Таким образом, имеет место чередование стабилизирующего и дестабилизирующего отборов. В первом случае происходит формирование регуляторных контуров, во втором - их разрушение и вскрытие изменчивости, накопленной в условиях спокойной эволюции.

Суммируем некоторые выводы. Прогрессивная эволюция - это эволюция регуляторных генетических систем организмов. В основе кодирования генетической сложности лежит комбинаторный принцип, позволяющий очень экономно записывать в геномах огромное количество информации о генетических программах, выполняемых генными сетями.

Комбинаторный принцип, буквально пронизывающий кодирование генетических программ функционирования высших эукариот, способен обеспечивать в ходе эволюции быстрое, скачкообразное появление новых морфотипов за счет переключения уже существующих программ онтогенеза. (комбинаторика простых генетических систем (ПТИ-ПГС), которую интересно будет сопоставить с комбинаторикой ПТИ-ПТС. Г.Зайниев)

Фрагменты из публикации . В. Вельков. Имеет ли смысл прогрессивная эволюция? (http://www.cbio.ru/v5/modules/news/article.php?storyid=110)

Если не понятно, что такое прогрессивная эволюция - какой смысл говорить о ее смысле? Тем не менее... Наш выдающийся эволюционист А.Н.Северцов разработал понятие о биологическом прогрессе. И, наверное, та эволюция, которая к этому прогрессу приводит, и будет прогрессивной. А биологический прогресс - это (по Северцову) победа вида в борьбе за существование, достигнутая любой ценой.

Критерии биологического прогресса - рост численности, расширение ареала, распадение на подчиненные таксоны. Если так - то самой прогрессивными будут одноклеточные безъядерные микроорганизмы (прокариоты). Ибо количество микробов в биосфере составляет астрономическую величину - 4-6х10 клеток, скорость продукции всех микроорганизмов планеты - 1,7х10 клеток в год. А ареал их распространения: температура - от -10 С (психрофилы) до +105 С (термофилы), рН - от 1,0 (ацидофилы) до 11,0 (алкалофилы), некоторые могут расти в присутствии высоких концентраций тяжелых металлов, в насыщенных растворах солей (галофилы), могут потреблять и свет и различные ксенобиотики, например, полиароматические углеводороды.

Так что венец эволюции - Homo sapienes, с его численностью всего в 6х10 особей, "отдыхает". Но, с другой стороны, что же привело этот вид к высоким показателям IQ, к способности ходить по Луне, бродить по Интернету и спускаться в Марианскую впадину? И, тем самым, распространяться "вперед во все стороны"? А то ли еще будет?

Для пользы дела договоримся полагать прогрессивной такую эволюцию, которая ведет к усложнению, т.е., к появлению новых элементов (новых генов, новых типов клеток, новых органов и т.д.) и к увеличению количества связей между ними. Будем понимать сложность, как комплексность. Хотя, разумеется, более сложный отнюдь не значит более эффективный и тем более, более оптимальный, а, как с изумлением увидим позже - с точностью до наоборот.

Теперь переформулируем вопрос: каковы эволюционные механизмы, приводящие организмы к усложнениям, и в чем смысл этих усложнений? Для чего живые организмы усложняются и совершенствуются? Ради какой цели?

Эволюция движется естественным отбором. Точнее, как принято считать, двумя его типами. Направляющим и дизруптивным. Третья форма отбора - стабилизирующий. Когда условия среды долго не изменяются, он, как полагалось, "никуда не движет", но благоприятствует - сохраняет особей, количественные признаки которых близки к средним значениям или равны ему. Стабилизирующий отбор действует постоянно, ибо слабо приспособленные формы постоянно возникают из-за постоянно идущей генетической изменчивости. Другой название стабилизирующего отбора - очищающий, он очищает популяцию от менее жизнеспособных особей.

Направляющий - это отбор, возникающий при изменении условий среды и благоприятствуют тем особям, у которых количественные значения характеристик отклоняются от их средних значений На такой отбор популяция отвечает сдвигом среднего значения признака (фенотипического оптимума), существенного для повышения жизнеспособности в изменившихся условиях среды.

Дизруптивный (или разрывающий) - отбор, благоприятствующий более, чем одному фенотипическому оптимуму, т.е. совершенно различным генотипам и действующий против промежуточных форм. Дизруптивный отбор может привести к дивергенции и изоляции - состояниям, при которых оптимумы, представлены особями, образующими локально адаптированные "субпопуляции". При длительном дизруптивном отборе популяция расщепляется на две или более субпопуляций, что может приводить к репродуктивной изоляции (субпопуляции перестают скрещиваться между собой) и затем к - дивергентному видообразованию.

И теперь вспомним последний вопрос Н В Тимофеева-Ресовского, который он сформулировал в своей последней публикации: "Обязательно ли длительное действие естественного отбора приводит к прогрессивной эволюции?". На первый взгляд вопрос кажется очень простым. Если генетическая изменчивость идет постоянно и если условия среды постоянно меняются, разумеется - да. Но разве естественный отбор не действовал и не действует на микробов? Или ДНК у них "железная", не мутирует? Что же у них не сложилось с увеличением сложности? Начнем, однако, с самого начала.

Жизнь - это самовоспроизведение системы из элементов среды, которая ее окружает. Если молекула способна к самовоспроизведению, если она сама строит себя из того, что вокруг нее - это жизнь. Совершено неожиданно при исследовании генов эукариот были обнаружены "молекулярные ископаемые" - остатки древнейших живых молекул - рибозимов, до сих пор сохранивших некоторые из своих удивительных свойств. Рибозим - это фермент (энзим), представляющий собой линейную молекулу РНК, трехмерная структура которой определяется последовательностью нуклеотидов. Рибозимы способны осуществлять ферментативную, или, иначе говоря, энзиматическую функцию. Названы они были от англ. ribonycleic acid enzyme. До их открытия считалось, что ферментами могут быть только молекулы белков. Но оказалось, что рибозимы, так же как и ферменты белковой природы, способны осуществлять практически весь спектр ферментативных реакций. Более того, одна из самых основных молекулярных строительных машин клетки -

рибосома, осуществляющая трансляцию (декодирование) генетической информации при биосинтезе белков, также имеет рибозимную активность. Но самое волнующее свойство некоторых рибозимов - их способность к размножению: они могут самовоспроизводиться

Некоторые рибозимы могут быть одновременно и своим собственным геном (матрицей для синтеза собственных копий), и энзимом, который такой синтез (репликацию) осуществляет. И создает, тем самым, свою копию из четырех нуклеотидов (находящихся в растворе), полимеризуя их в той же последовательности, в какой они расположены в его гене. Получившиеся две молекулы могут затем размножиться до четырех. Затем до восьми и ...лишь бы хватило нуклеотидов. Полагается, что жизнь зародилась в виде автореплицирующихся рибозимов, создавших Мир РНК. Из Мира РНК, населенного рибоорганизмами, (следов которых пока не найдено) образовался Мир ДНК, в котором генетическую информацию несет ДНК.

Но где же эволюция? Ведь возрастает только количество (молекул), но их качество, вроде бы, не изменяется? Источник эволюции - случайные ошибки, возникающие при репликации. Копирование никогда не происходит с абсолютной точностью. Первый тип ошибок, которыми движется эволюция - так называемые точечные мутации, изменяющие правильный нуклеотид на неправильный (не комплиментарный). Или приводящие к вставке лишнего нуклеотида, или к выпадению нужного. Не абсолютно точное копирование РНК приводит к тому, что изменившаяся последовательность нуклеотидов изменяет и функции рибозима, например, увеличивает скорость его авторепликации. И тогда потомки такого "счастливого" мутанта получат преимущество и заполнят собою "сушу и воды". Однако вредные мутации возникают гораздо чаще, чем полезные. А вредная мутация замедлит самовоспроизведение, и такие мутантные молекулы "вымирают". Это уже дарвиновская эволюция молекул. Естественный отбор в которой направлен на увеличение скорости их размножения. И который должен привести к тому, что планетарный океан будет заполнен наиболее быстро автореплицирующимися "живыми" молекулами.

Но где же усложнение и совершенствование? В данном контексте самый совершенный - наиболее быстро реплицирующийся. На этом эволюция должна была бы и остановиться, если бы не...

Если бы не удвоение генов. Этот тип мутаций, возникающих при репликации, называют дупликациями. Новосинтезированная линейная молекула не отделяется от исходной матрицы, чтобы затем существовать независимо, а из-за ошибки репликации присоединяется к концу матрицы, с образованием дупликации исходного гена. Из гена АБВГД образуется [АБВГДабвгд], а не [АБВГД] + [абвгд]. Такой новый рибозим, состоящий уже из двух идентичных генов, кодирующих одну и ту же функцию (имеющих один и тот же смысл), также может реплицироваться. И при этом, разумеется, все по той же причине ("no one is perfect"), при его репликации так же происходят точечные мутации, ухудшающие или улучшающие его самовоспроизведение. Чаще всего, разумеется, ухудшающие. Предположим, что такая мутация (обозначим ее звездочкой - *) произошла в первом гене АБВ*ГДВабвгд. В таком, слегка "ослабенном", но все еще реплицирующемся тандемном рибозиме, дальнейший мутационный процесс может привести к случайному возникновению мутации, восстанавливающей эффективность репликации. Это отнюдь не означает, что в результате такой мутации в точности восстановится исходная последовательность АБВГДабвгд. Такая восстанавливающая (супрессорная) мутация может произойти и во втором гене и привести к образованию структуры типа АБВ*ГДабвг*д. Функция (смысл) такой структуры стала такой же, как и у исходной дупликации АБВГДабвгд, но теперь эта функция определяется двумя, похожими, но уже разными генами ("синонимами") АБВ*ГД и абвг*д. Этот процесс в молекулярной генетике назван субфункционализацией. В ее результате и происходит дифференциация функций дуплицированных генов, увеличение их специализации.

В целом, причина образования новых генов, это два случайных процесса: ошибки копирования при репликации и образование дупликаций. И затем, под действием отбора,

сохраняющего общий "смысл" (жизнеспособность), происходит сужение "смысла" каждого из удвоенных генов, что может приводить к расширению исходного общего смысла всей дуплицированной области. Из-за случайной дупликации и случайных точковых мутаций то,

что раньше "делал" один ген. теперь делают два, которые друг без друга существовать уже не могут. Вот и усложнение, первопричина которого - случайные удвоения генов.

Но эволюция изобрела и другой механизм создания новых генов. Представления о нем возникли после открытия ошеломляющего строения генов эукариот.

Оказалось, что внутри генов эукариот всегда есть участки, которые информационного смысла не имеют и не кодируют ни полипептидов, ни стабильных РНК. Эти участки назвали интронами. Термин интрон образован из английских слов - intervening zone - зона, "перемежающая, смысловую последовательность гена. А те участки, которые смысл имеют, т.е. кодируют, были названы экзонами. Экзон - от expressing zone - экспрессируемая зона гена. Экзоны, как оказалось, кодируют так называемые модули (или домены) - части белковых молекул, играющие важную роль в функционировании белков. (аналогов ПТИ-ПТС? Г.З.). Белковые молекулы состоят из нескольких модулей. Как правило, экзон кодирует участок полипептидной цепи длиной 30-40 аминокислот. А большинство интронов имеет длину от 40 до 125 нуклеотидных пар. Но как работает такой ген? Состоящий из мозаики экзонов и интронов?

А вот как:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю!

Бессмысленное слово, не так ли? Но если из него удалить все интроны? Тогда получиться сплайсинг. Именно этот процесс и необходим для реализации функции эукариотного гена - все не смысловые (не кодирующие) участки должны быть удалены. Но не из гена, а из комплиментарной ему РНК, которая должна быть синтезирована РНК-полимеразой. Термин "сплайсинг" в буквальном переводе означает "соединение". После вырезания интронов экзоны должны быть соединены.

Итак, чтобы эукариотный ген заработал, необходимо создать (путем транскрипции) комплиментарную РНК - копию мозаичного гена, состоящую из экзонов и интронов, из РНК интроны удалить, а экзоны объединить. Полученный окончательный транскрипт (теперь приобретший смысл) уже может быть использован для реализации его функции, для трансляции, например. Что важно, интроны из первичного транскрипта удаляются по очереди, а не все сразу. Вот так:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр Сплайсиитбцнгорлю+ еолдр + ситьц Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю

Таким образом, если в гене есть N интронов, то для сплайсинга необходимо N стадий вырезания интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдет ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид из экзона - это приведет к тому, что ген свою функцию не выполнит, и "наказанием" за такую неточность будет или смерть, или тяжелое нарушение жизнеспособности, что в ряду поколений кончится тем же летальным исходом.

Для чего же нужна такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность? А для Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс

В этом "гене" 12 экзонов и 12 интронов. Если в 12 стадий удалить поочередно все интроны, то получится название особого типа сплайсинга: альтернативный.

И вот в чем смысл альтернативного сплайсинга: некоторые четко определенные экзоны вырезаются вместе с интронами. И тогда из "аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс" получится:

альтернативный + ища+цуюофе+ол+жиукеую+бюу+ха+про+бюу+ьцф+ооопс альт + ища+цуюофе+ол+жиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс нативный + аищалцуюофеьолтжиуекерую+бюу+ха+про+бюу+ьцф+ооопс наивный + аищалцуюофеьолтжиуекерую+бюутха+про+бюу+ьцф+ооопс левый + аища+цуюофеьолтжиу+керуюнабюутхаипро+бюуньцф+ооопс лев+аища+цуюофеьолтжиу+керуюнабюутхаипро+бюуньцфыйооопс

В итоге из одного, казалось бы, бессмысленного слова, получено шесть вполне осмысленных. А если это слово - ген?

Действительно, путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально разных белков. На данный момент максимальное известное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40000! (Сумма прописью - сорок тысяч). Например, ген дрозофилы, который кодирует один из белков рецептора аксона, за счет альтернативного сплайсинга может приводить к образованию 38 016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов. Но все ли гены экспрессируются за счет альтернативного сплайсинга? Согласно текущим знаниям, по крайней мере 74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга!

Теперь самое время задаться вопросом: что такое ген?

Ген (эукариотный) - это длинная и преимущественно случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и объединения в строго определенной очередности кодировать определенную функцию.

Особо отметим, что при альтернативном сплайсинге порядок расположения экзонов не нарушается. В окончательном варианте сплайсированной РНК некоторые экзоны могут присутствовать или отсутствовать, но местами они не меняются. Например, в окончательно сплайсированной РНК экзоны 1-2-3-4-5-6 могут быть, например, в последовательности 2-4-6, но не в последовательностях 4-2-6 или 6-4-2. Таким образом, из одного и того же трансрипта гена, используя разные варианты распознавания, вырезания и соединения разных экзонов, можно получить множество разных изоформ белков, у которых будут общими некоторые аминокислотные последовательности, но которые будут отличаться по своим функциональным свойствам. И то, что сначала наивно полагали бессмысленным - мозаичная структура генов - на деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счет ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этих смыслов. Путь альтернативного сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими ее состояние. В ответ на изменение физиологической ситуации из одного и того же гена реализуются разные функции.

Весьма принципиально, что при эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает. По мере эволюционного усложнения организмов увеличивается не только количество интронов, но и их длина. И размер генома коррелирует с общей длиной интронов, содержащихся в генах данного вида; интроны беспозвоночных короче, чем интроны генов человека, а интроны дрожжей короче, чем интроны беспозвоночных. В общем, в гене суммарная длина интронов может превосходить суммарную длину экзонов в десятки и сотни раз.

Если секвенирование (определение нуклетотидной последовательности, sequence - последовательность) эукариотных генов привело к ошеломляющему открытию их мозаичной структуры, то массовое секвенирование целых геномов разных организмов

привело к результатам просто изумляющим. У мыши, человека, у рыбы фугу (рыба-шар) количество генов практически одинаково - 30000-40000. Что же тогда определяет эволюционную сложность?

Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99%! Почему же мы так не похожи на мышей? А?

Может быть, и потому, что, несмотря на то, что наши гены похожи на мышиные, у нас альтернативный сплайсинг идет или по другим путям, или более множественный. Или и то и другое одновременно. Ведь не зря же по мере прогрессивной эволюции среднее количество интронов (а значит, и экзонов), приходящихся на один ген, возрастает? Ведь это расширяет спектр белков, потенциально кодируемых одним геном. И в результате из-за разного альтернативного сплайсинга из почти одних тех же генов получается или мышь, или павиан, или тот (или та), кто в данный момент читает эти строки.

Альтернативный сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Материал эволюции - генетическое разнообразие, а двигатель - естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг приводит к такому разнообразию белков, что... Посудите сами. Комбинация только из трех генов, каждый из которых может кодировать только 1000 вариантов белков, дает 1000000000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трех белков). А если таких генов 1000? А если 10000?

Каков был механизм возникновения мозаичных генов и путей альтернативного сплайсинга? Похоже, в составе древних самовоспроизводящихся молекул (или их агрегатов, или древнейших клеток) присутствовали: во-первых, "генератор случайных чисел", механизм, который синтезировал протяженные случайные последовательности нуклеотидов, и, во-вторых, механизм, разрезавший эти последовательности на случайные фрагменты и, в разных комбинациях, эти фрагменты соединявший. А затем естественный отбор оценивал результат. Если результат соединения фрагментов улучшал самовоспроизведение, такой мозаичный ген и пути его альтернативного сплайсинга сохранялись, если нет - нет.

И самое поразительное: точечные мутации в экзоне могут приводить к изменению пути сплайсинга, иначе говоря, изменение буквы в слоге может вести к изменению путей его соединения с другими слогами. Случайная точечная мутационная изменчивость приводит к изменчивости более высокого уровня - к изменчивости пути комбинирования субсмысловых блоков (аналогов ПТИ-ПТС? Г.З.). Разумеется, это сильно ускоряет эволюцию. Но разоряет геномные фирмы. Проект "Геном человека" - секвенирование генома Homo sapiens - по свой научной значимости и амбициозности сравнивают с программой пилотируемых полетов на Луну. Стоимость этих программ сопоставима. Миллиарды долларов. Но инициаторы проекта "Геном человека", кроме научных целей, имели еще и грандиозные планы практического использования генетической информации, которая должна быть получена в результате его выполнения. А где практическое использование - там и коммерческий интерес. Предполагалось, что информация о геноме человека будет полезна для ранней молекулярной диагностики наследственных заболеваний и для их лечения путем заместительной генетической терапии (дефектный ген замещается на нормальный).

Планировалась, что информация о генах человека приведет к разработке нового поколения лекарств, создаваемых на основе знаний о нарушениях функционирования определенных белков. Если знать, как кодируется и экспрессируется дефектный белок, приводящий к заболеванию, то станет возможным создать такие молекулы, которые будут

направленно исправлять патологические процессы уже на молекулярном уровне. А это, как прогнозировалось, может принести миллиардные прибыли. Но сначала были необходимы многомиллионные инвестиции. И они были сделаны. Были созданы фирмы, которые

проводили секвенирование генома человека. Информация о нуклеотидных последовательностях, которая, как полагалась, приведет к разработке новых методов диагностики и терапии, патентовалась.

Но разве нуклеотидная последовательность эукариотного гена дает однозначную информацию о том, какой именно белок он кодирует? Нет. Детерминизм здесь невозможен! Все зависит от пути альтернативного сплайсинга. А этих путей для одного гена может быть десятки тысяч. Выделить и охарактеризовать десятки тысяч белков и установить, из-за какой именно изоформы происходит патология - задача практически нерешаемая. По крайней мере, пока. И знаменитый дешифровальщик генома человека Крейг Вентер покидает пост директора геномной фирмы Celera Genomics и меняет направление своего бизнеса. Теперь он занимается дешифровкой геномов бактерий. Его научный корабль бороздит волны Саргассова моря (в районе Бермудского треугольника), экипаж отлавливает морских микробов и секвенирует их геномы прямо на корабле. Суммарная длина всех уже просеквенированных нуклеотидных последовательностей - более 1 млрд нуклеотидов, она относится к 1800 видам бактерий, из которых 148 видов ранее известными не были. Цель проекта - поиск новых генов, имеющих прикладное значение. Разумеется, работать с прокариотными генами несоизмеримо проще: один ген - один белок. (Микробы "пошли другим путем"). Если Крэйг Вентер уже подал в отставку, то директор геномной фирмы Human Genome Science Уильям Хэзелтайн пока только объявил, что собирается "перейти на другую работу".

Итак, путь прогрессивной эволюции направлен

" от простого воспроизведения рибозимов, увеличивающих их количество, к увеличению их длины за счет дупликаций и дивергенции дуплицированных генов за счет субфункционализации.

" от случайного перебора нуклеотидов, к случайному перебору экзонов, кодирующих субсмысловые модули (аналоги ПТИ-ПТС? Г.З). и к перебору путей их альтернативного сплайсинга.

Принципиально, что случайно образовавшиеся дупликации подвергаются случайному мутационному процессу, влияющему на исходно одинаковые функции обоих генов. А действие отбора, направленного на поддержание исходной общей функции, приводит к дивергенции функций дуплицированных генов. Это ведет к тому, что если до дупликации определенную функцию выполнял один ген, то после дупликации и мутационного процесса эту функцию могут выполнять уже два гена и только совместно, но не порознь.

И все это приводит к весьма важному и новому для теории эволюции выводу: прогрессивная дивергентная эволюция происходит без изменения условий среды в результате постоянно идущих случайных мутационных процессов, главную роль в которых играют спонтанные дупликации генов (и геномов). Отбор, который при этом действует, является ни направляющим, ни дизруптивным, но стабилизирующим (очищающим от вредных мутаций). (Это "со страшной силой" похоже на то, что новые ПТИ-ПТС появляются (их изобретают) сами по себе безо всякой практической необходимости и ждут своего часа, "болтаясь в головах образованных людей", которые знают и помнят эти ПТИ-ПТС, просто потому что получают от этого интеллектуальное удовольствие. Г.З.)

Прогрессивная эволюция, сопровождающаяся усложнением, не имеет адаптивного (по отношению к окружающей среде) характера. Это весьма неожиданное и принципиальное положение было сформулировано совсем недавно.

Разумеется, такое "прогрессивное" усложнение должны быть "совместимым с жизнью", о тех случаях, когда оно было летальным, мы не узнаем никогда. И, разумеется, после такого "усложнения" направляющий или дизруптивный отбор подгоняет (адаптирует)

организмы к конкретным условиям окружающей среды.

Когда мы обсуждали строение эукариотного гена, речь шла о "бессмысленных интронах". Зададимся, однако, более общим вопросом: в чем эволюционный смысл бессмысленной ДНК?

Самая обескураживающая шутка, которую эволюция сыграла над человеком - это количество генетической информации, которое имеет амеба. Ибо одноклеточная амеба имеет ДНК в 200 раз больше, чем "венец" эволюции. У амебы в ДНК около 600 млрд нуклеотидов, у нас - 3 млрд. Ну зачем ей столько? И что там написано? А написаны там (миллионы раз!) несколько "бессмысленных слов". И с современной точки зрения они ничего не значат. Действительно, 99% генома человека не кодирует белков, эти не кодирующие последовательности представлены не только интронами и межгенными областями, но, преимущественно, разными типами многократно повторяющихся последовательностей длиной примерно в 10, 100, 1000 и более нуклеотидов. Эти повторы (имеющиеся у всех эукариот) могут быть расположены непрерывно друг за другом (тандемные, локализованные), или быть рассеянными по геному по одиночке (диспергированные). Согласно механизмам происхождения эти повторы разделяют на т.н. сателлитную ДНК (которая может образовываться при определенных ошибках репликации) и т.н. ретропозоны, которые образуются из-за ошибок обратной транскрипции, когда случайно происходит синтез ДНК на матрице РНК. Вот как бывает.

Обратная транскрипция - синтез ДНК на матрице РНК - обычно происходит при размножении ретровирусов, геном которых состоит из РНК. Для полноценного жизненного цикла ретровируса на матрице его РНК должна синетезироваться ДНК, которая затем встраивается в геном клетки. Синтез ДНК на матрице РНК проводит фермент - обратная транскриптаза. Но, как известно, no one is perfect (что в переводе на русский означает: "и на старушку бывает прорушка" :). Вот именно эта прорушка и играет важнейшую роль в прогрессивной эволюции. Ретровирусная обратная транскриптаза по ошибке начинает синтезировать ДНК не на вирусной РНК, а на клеточной мРНК. На той, какая "под руку подвернется". И после массового увеличения количества копий этого случайно образовавшегося "бессмысленного гена" происходит их случайное встраивание в случайные участки генома.

Если при массовом образовании сателлитной ДНК и массовой интеграции в геном ретропозонов нарушаются жизненно важные функции, организм погибает, если нет - выживает с грузом "бессмысленной или мусорной ДНК". Именно так ее и называют - junk DNA, другое ее название имеет оттенок "нравственной" оценки - "эгоистическая" (selfish) DNA. Она существует (размножается вместе с функциональными генами) только для себя и организму ничего полезного не дает. Еще одно ее название, parasitic DNA, говорит само за себя. Действительно, клеткам приходится тратить значительные ресурсы для воспроизведения бессмысленной ДНК, доля которой может достигать более чем 90%. Для того, чтобы, по крайней мере, минимизировать возможное вредное влияние паразитической ДНК (уж если избавиться от нее невозможно), она плотно запрятана (сконденсирована) в неактивных зонах хромосом (в гетерохроматине). Похоже, гетерохроматин в основном и нужен для предотвращения вредного влияния паразитической ДНК.

Из этого следует, что принцип "максимум эффективности (жизнеспособности) при минимуме затрат" для эукариотных организмов не справедлив. Они, согласно текущим представлениям, без видимых для себя вредных последствий выдерживают огромный груз "бессмысленной" ДНК. Но так ли она бессмысленна?

Может, мы чего-то просто не хотим видеть? Например, что неспособность организмов избавиться от паразитической ДНК и стать максимально эффективными является еще одной (наряду с образованием дупликаций) причиной того, что мы называем

прогрессивной эволюцией? Которая идет от случайного накопления бессмысленных усложнений к естественному отбору случайных осмысленных изменений, направленных на то, что бы скомпенсировать вредное действие бессмысленной ДНК.

Не похоже ли на то, что мутационный процесс и отбор "адаптировали" организм не столько к изменяющимся условиям окружающей среды, сколько к резким мутационным изменениям его внутренней "хромосомной" среды? (выделено мной Г.З.)

Обескураживающий факт отсутствия взаимосвязи между количеством ДНК, содержащемся в геноме организма, и его эволюционной сложностью, назван "парадоксом содержания ДНК" - "C-value paradox", от С - Content. Попытки его объяснить заставляют либо отказываться от интуитивного представления о "разумности строения живого", либо предполагать, что в генетических механизмах существует неизвестное нам измерение. Что на самом деле мы видим только внешние и доступные нашему примитивному разуму механизмы жизни. Но успехи генной инженерии по созданию вполне жизнеспособных трансгенных организмов вроде бы подтверждают, что мы более-менее правильно представляем себе, как устроены и как работают гены и геномы.

Хотя, справедливости ради, отметим, что в последнее время появляются данные о том, что и бессмысленная ДНК может иногда иметь какой-то смысл. Например, известны случаи, когда в повторяющемся элементе, находящемся внутри интрона, присутствуют нуклеотидные последовательности, которые изменяют путь стыковки экзонов и, тем самым, создают новый белок, т.е. новую функцию.

Много фактов говорят о том, что множество молекул РНК, являющихся копиями "бессмысленной ДНК", имеют регулирующие роль - они управляют работой генов, в частности, при развитии организмов (при дифференцировке клеток). Недавно появились данные, что некоторые изменения в "бессмысленной ДНК" приводят к т.н. эпигенетическим эффектам, т.е. к модификации функции генов, не сопровождающейся изменением их нуклеотидной последовательности.

Но в данный момент с уверенностью можно сказать, что только от 1 до 10% ДНК эукариот имеют понятный нам смысл. Остальная ДНК, видимо, во-первых, не несет существенных функций и, во-вторых, не нарушает (по крайней мере, существенно), жизнеспособности организма. Она "бессмысленна", но не смертельно. И, в третьих, как это ни парадоксально, именно "эгоистическая и бессмысленная" ДНК существенно предопределяют пути "прогрессивных" эволюционных изменений.

Да может ли это быть, чтобы изменения "бессмысленной ДНК" направляли эволюцию жизни? В чем же тогда ее, Жизни, смысл?

При случайной вспышке массового образования "бессмысленной ДНК" (сателлитной ДНК и/или ретропозонов) происходит столь коренное изменение генома, что оно приводит если не к летальному исходу, то к образованию нового биологического вида. Основная характеристика биологического вида - репродуктивная изоляция, способность продуктивно скрещиваться только с особями своего вида и неспособность давать плодовитое потомство при скрещивании (если оно все же происходит) с представителями других видов. Один из механизмов репродуктивной изоляции основан на отсутствии высокого уровня сходства (гомологии) между геномами (хромосомами) скрещивающихся особей. При образовании оплодотворенной зиготы пары хромосом, каждая из которых исходно принадлежала одному из родителей, должны быть гомологичными и способными к рекомбинации (обмену участками ДНК между собой). Если этого нет, например, из-за того, что в хромосоме (или хромосомах) половых клеток одного из родителей произошли

крупные блочные перестройки - нормального развития зиготы чаще всего не происходит. Но в весьма редких случаях, в результате произошедших в зиготе геномных перестроек, вызванных несходством родительских хромосом, все же могут образовываться

жизнеспособные потомки, которые наиболее эффективно скрещиваться смогут только со своими братьями и сестрами, имеющими сходно перестроенные хромосомы. Похоже, что именно так довольно часто и происходит видообразование.

Формирование крупных блочных перестроек генома, вызванное массовым образованием повторяющихся последовательностей ДНК, иногда называют форматированием генома. Близкородственные виды почти не отличаются между собой по "смысловым", кодирующим участкам ДНК, но весьма различаются именно по "не смысловым", по повторам. (выделено мной Г.З.)

Скрещиваться могут только организмы с геномами одного и того же формата. Формата, при котором одинаковые повторяющиеся участки эгоистической ДНК расположены в одинаковых местах родительских хромосом. И эволюция, образно говоря, это совместимое с жизнью переформатирование геномов за счет случайного изменения качества, количества и расположения участков бессмысленной ДНК. Естественный отбор после этого сначала удаляет нежизнеспособные варианты, а выжившие переформатированные подгоняет к более эффективному существованию в конкретных условиях окружающей среды.

А в целом похоже, что эволюция - это процесс:

" случайных дупликаций генов, приводящий из-за возникновения мутаций к их субфункционализации, т.е. к дифференциации их функций и, в итоге, к усложнению,

" случайного массового образования не кодирующей ("бессмысленной) ДНК, приводящий к видообразованию, и

" естественный отбор, нежизнеспособные формы удаляющий, а жизнеспособным благоприятствующий.

Но почему естественный отбор не удаляет те варианты, у которых много паразитической ДНК? Ведь без нее у клеток (организмов) были бы куда меньшие затраты на поддержание "бессмысленной ДНК" и куда большие шансы на эффективное размножение?

Ответ совершенно неожиданный. Естественному отбору для удаления бессмысленной ДНК просто не хватает времени, а популяции, ее несущей - астрономической численности (выделено мной Г.З.). Случайное образование множественных копий "бессмысленной ДНК" -событие хотя и крайне редкое, но "одномоментное". В результате единичного события в геноме могут возникнуть десятки тысяч мутаций (новых копий паразитической ДНК), а их удаление (путем делеций) может происходить только постепенно, каждая копия может удаляться индивидуально и независимо от других. Если предположить, что вероятность утрат каждой из, например, 1000 копий "бессмысленной" ДНК - 1х10 , то вероятность утраты всех копий сразу - 1х10 . Иначе говоря, чтобы в такой популяции случайно возник вариант, сразу утративший всю "бессмысленную ДНК", ее численность должна составлять 10 особей. Число атомов во Вселенной - примерно 10 .

В общем, эукариоты обречены на прогрессивную эволюцию из-за того, что вероятность одномоментного образования множественной "бессмысленной" ДНК несоизмеримо выше, чем вероятность ее утраты. А "осмысленной" ДНК приходится изменяться, чтобы сосуществовать вместе с бессмысленной, а не погибнуть вместе.

И смысл эволюции в том, что она происходит за счет случайных малых изменений смысловой информации, направленных на поддержание ее сосуществования с возрастающим количеством "информации" бессмысленной (выделено мной Г.З.).

А теперь подведем итог. Жизнь - это информация, смысл которой - за счет поглощения вещества и энергии обеспечивать самовоспроизведение ее носителя и, тем самым, распространение. Она возникла (или возродилась) из остывшего пепла Большого Взрыва, создавшего Космос. И под разрушающим действием Хаоса случайных процессов жизнь

стала эволюционировать, чтобы сохранить свой смысл. Первое "слово" (первая живая информационная молекула) стало превращаться в текст из синонимов, значение которых дифференцировалось и становилось все более конкретным, но все вместе они передают из поколения в поколения все тот же смысл.

Заключение

Что общего у круга и треугольника? Ничего! Кроме того, что это две плоские проекции трехмерного конуса.Причем тут это? А при том, что описания эволюции технических и живых систем вообще не пересекаются. Обе теории (ТРИЗ и "биоэволюция") самодостаточны. Для биологии не существует технических систем, а для ТРИЗ - живых. И ничего, обе теории работают в своих областях и друг в друге не нуждаются. Также как круг и треугольник это равноправные и независимые фигуры геометрии на плоскости. А в техмерной геометрии они всего лишь частные проекции одной полноценной фигуры - конуса.

Если высказать гипотезу возможности существования такой "трехмерной конической теории эволюции технических и живых систем", относительно которой "ТРИЗ описание эволюции ТС" и "биоэволюция" подобны двумерным кругу и треугольнику, то сразу возникнет вопрос об аналоге третьего измерения. В самом деле, что надо добавить в оба описания такого принципиально нового, чего в них нет?

Как всегда, ответ дает метафора в виде известного анекдота. Летают ли крокодилы? Да! Но низенько. Ничего не надо добавлять ни туда, ни сюда. Надо хорошенько присмотреться к обоим теориям и станет заметно, что это не треугольник, а сильно сплющенный конус и не круг, а крепко пришлепнутый конус.

Именно расширение термина техническая система показывает это. Что такое хорошо известная биологическая теория молекулярной эволюции? А предбиологическая эволюция, которая давно уже является законной частью теории эволюции жизни? В наших новых терминах это эволюция технических систем, которые называются макромолекулы, макромолекулярные комплексы и вирусы. Еще раз с удвольствием повторю - это эволюция технических систем, которая является неотъемлимой частью эволюции живых систем, которые построены из этих технических систем.

То же самое расширение термина "техническая система", делает живого человека не просто неотъемлимой, но равноправной частью процесса эволюции технических систем, потому что в описании этой эволюции от человека остаются только его роли. Те самые роли, которые он должен играть, для того чтобы ТС появилась на свет и размножилась. Напомню, ролевая команда размножения ТС это следующие роли: изобретатель, инвестор, производитель, дистрибьютор, продавец и потребитель.

Пример для тризовцев. "Идеальная система - это такая система, которой нет, но функция которой выполняется". Из всей команды размножения ТС такая система идеальна только для потребителя! Советская экономика пришлепнула команду размножения ТС до такого состояния, когда все роли, кроме потребителя, выполняло государство. Никакой инициативы - только план. Помните в конце части 1 я приводил наказ начальника Страны Советов товарища Калинина изобретателям? Что уж тут говорить про остальные роли, если самой, казалось бы, творчески свободной части этой команды было велено изобретать не то, что хочется, а то, что требует производство, которое, добавлю я, делает то, что ему велит государственный план.

Я не буду здесь уходить в детали, хотя это и очень интересно. Напомню только, что понятие ПТИ-ПТС уже позволило формально одинаково представить процессы копирования-размножения и микроэволюции технических и живых систем выявив в этих процессах такую стадию как упрощение сложной системы до состояния простой, которая затем усложняется до сложной.

Продолжение следует