Логика случая

Zimmer C. (2009) Origins. On the Origin of Eukaryotes. Science 325: 666–668.

Популярное обсуждение различных сценариев эукариогенеза.

Глава 8. Неадаптивная нулевая гипотеза эволюции генома и истоки биологической сложности

Эволюционная энтропия и сложность

Немногие модные слова в последние два десятилетия были настолько популярны и в то же время определялись столь разнообразно, зачастую противоречиво, а иногда и обманчиво, как сложность [68]. Несмотря на эту суету, понятие сложности, очевидно, отражает общее, фундаментально важное явление, пронизывающее всю биологию и выходящее за ее рамки. В отличие от многих научных терминов, «сложность» имеет конкретное значение в обыденном языке. Мы узнаем ее, как и порнографию[69], с первого взгляда. Все признают, что млекопитающее или птица сложнее, чем червь, а червь сложнее, чем любой одноклеточный организм. Говоря интуитивно, здесь присутствует дополнительный оттенок, устанавливающий пропорциональность сложности с «развитостью» или «приближением к совершенству».

Поднимаясь уровнем выше чистой интуиции, спросим, что означает большая сложность млекопитающего по сравнению с амебой? Этот вопрос очень важен, если мы стремимся выработать удовлетворительный ответ на известный вопрос: почему вокруг нас существуют слоны и секвойи (даже если их все меньше и меньше), а не одни лишь бактерии и археи с необходимыми и достаточными для функционирования минимальной клетки комплектами генов? Другими словами, какие факторы ведут к появлению сложности в процессе эволюции? В главе 7 мы обсуждали эволюционные сценарии, пытающиеся объяснить, как могла возникнуть поразительно сложная (по сравнению с клетками прокариот) организация эукариотической клетки. В этой главе мы столкнемся с озвученным выше вопросом «почему?» напрямую, и ответы на него будет неожиданными и, возможно, введут некоторых в замешательство.

Точное определение организационной – или, в случае биологии, организменной – сложности по самой своей природе дается трудно. Попытки в этом направлении рассматривают различное число составляющих частей в сравниваемых системах[70]. Например, у позвоночных большее количество тканей и типов клеток, чем у червей, и это, естественно, приводит к утверждению, что позвоночные обладают большей организменной сложностью (Bonner, 2004). Для нашего рассуждения, однако, более важен тот факт, что эукариотические клетки имеют гораздо больше внутриклеточных органелл, чем клетки прокариот (те, как правило, вообще не имеют настоящих органелл). Эта разница, безусловно, отражает большую сложность организации эукариотической клетки. Кроме того, можно было бы в принципе измерить число взаимодействий между компонентами или число соединений в сетях передачи сигнала и на этом основании сравнивать сложность организмов или клеток. Однако все эти определения сложности, видимо, упускают «нечто», что мы интуитивно воспринимаем как неотъемлемое свойство сложной организации. В любом случае количественное сравнение организменной сложности, по-видимому, не приносит много пользы в реальных исследованиях. Геномная сложность определяется более естественно и может быть изучена подробнее. Действительно, в конце концов, геномные последовательности представляют из себя длинные строки цифровых символов (букв), а для этого класса объектов хорошо известны формальные, операциональные определения сложности. Вероятно, наиболее известным и наиболее интуитивно осмысленным из них является колмогоровская сложность, которая связана с шенноновской информацией и классическим статистическим определением энтропии по Больцману. Колмогоровская сложность – это просто длина кратчайшей строки символов, в которых может быть закодирована данная последовательность (геном). Очевидно, что наименее сложной последовательностью будет гомополимер (например, polyA), для которого длина сообщения составляет лишь одну букву, а сложность (информационное содержание) – 2 бита (в случае четырех нуклеотидов). Наиболее же сложная последовательность – полностью случайный полимер с равными частотами для всех четырех нуклеотидов (или 20 аминокислот, если мы примем это определение для аминокислотных последовательностей) в каждой позиции. Классическая формула Шеннона для энтропии (информационного содержания) нуклеотидной последовательности длины L (см. рис. 8–1а ) может быть записана следующим образом: