Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

В-лимфоциты создают особые антитела для каждого из миллиардов возможных антигенов. В качестве антигена может выступать что угодно, продукт жизнедеятельности любого паразита — от вирусов и одноклеточных грибков до червей-анкилостом. Точность соответствия антител антигену гарантирует, что иммунная система будет правильно распознавать и уничтожать пришельцев, не трогая при этом клеток собственного тела. Но в нашей ДНК нет инструкции по структуре антител для каждого антигена, с которым могут столкнуться наши В-лимфоциты. Антигенов миллиарды, а в человеческом геноме всего лишь около 25 000 генов. Наша иммунная система использует другой, гораздо более эффективный способ создавать антитела: В-лейкоциты эволюционируют.

Эволюция начинается в тот самый момент, когда В-лимфоциты формируются в глубине нашего костного мозга. В процессе деления клеток гены, отвечающие за структуру рецепторов, стремительно мутируют, создавая миллиарды рецепторов всевозможных случайных форм. Это первый шаг эволюционного процесса: создание вариантов.

Молодые В-лимфоциты выбираются из костного мозга в лимфатические узлы, где скапливаются антигены. Большинство В-лимфоцитов не могут сцепиться с антигеном, но иногда встречаются исключения: среди миллиардов версий может случайно оказаться рецептор, способный уловить именно этот антиген. Совпадение не обязательно должно быть точным; В-лимфоцит, сумевший захватить хоть что-то, получает стимул бешено делиться. Этот момент нетрудно заметить: когда удачливый В-лимфоцит начинает размножаться, лимфатический узел распухает.

Некоторые из потомков удачливого лимфоцита сразу же приступают к выработке антител той же структуры, что рецептор, захвативший антиген. Но остальные продолжают делиться, не производя антител. При делении эти В-лимфоциты мутируют в миллион с лишним раз быстрее, чем обычные клетки человеческого тела. При этом мутациям подвержены только гены, отвечающие за строение рецепторов антигенов — и, соответственно, антител. Чтобы выжить, В-лимфоцит должен сцепиться с антигеном. Если ему это не удается, он погибает. Если удастся, снова делится и мутирует. Мутации идут цикл за циклом, В-лимфоциты конкурируют между собой и постепенно получают рецепторы, все более точно соответствующие структуре антигена. Менее адаптированные клетки не могут зацепить антиген и погибают. Всего за несколько дней такой эволюционный процесс может поднять способность В-лимфоцитов захватывать определенный антиген в 10–50 раз.

Представьте, что было бы, если бы Пейли знал об антителах, настолько хорошо приспособленных к борьбе с определенными болезнями. Он наверняка сказал бы, что антитела — дело рук творца, что клетка, так здорово придуманная и идеально подогнанная к своему антигену, не могла возникнуть сама по себе. Тем не менее каждый раз, когда мы болеем, наш организм доказывает обратное.

Эволюция в компьютерной модели

Действие естественного отбора можно увидеть не только в нашем собственном теле, но и в компьютере. Программа жизни, какой мы ее знаем, записана на единственном языке — языке ДНК и РНК. Но некоторые ученые создают в компьютерах — без всякого участия биохимии — то, что сами они называют жизненными или биологическими формами. Подобно настоящей, основанной на ДНК жизни они способны самостоятельно развиваться. Пока критики задаются вопросом о том, насколько живыми можно считать эти странные создания, они, несмотря ни на что, демонстрируют всем желающим, как мутации и естественный отбор превращают случайность в упорядоченную сложность. Мало того, они показывают, что естественный отбор может создавать новые виды технологии.

Одна из самых сложных форм искусственной жизни «обитает» в компьютерах Калифорнийского технологического института. Кристоф Адами, Чарльз Офрия и другие ученые создали там «заповедник» под названием Avida (А от слова artificial — искусственный, и vida — «жизнь» по-испански). Организмы, живущие в заповеднике, представляют собой компьютерные программы, т. е. наборы команд. На протяжении всей жизни организма эти команды выполняются одна за другой, а по достижении конца указатель команд автоматически возвращается к началу программы, и все повторяется.

Программа цифрового организма может создавать собственные копии, которые становятся самодостаточными организмами. Каждый организм размножается до тех пор, пока в заповеднике есть свободное место. Позволяя цифровым организмам мутировать при размножении, Адами может заставить их эволюционировать. Мутации представляют собой случайные изменения в программе. Иногда одна команда спонтанно заменяется другой; иногда при попытке самокопирования происходит ошибка и вместо одной строки в дочерней программе появляется другая; иногда в программу случайно добавляется лишняя команда или, наоборот, одна из команд пропадает. Мы помним, что настоящие мутации обычно вредны для биологических организмов; точно так же случайные программные изменения в цифровых организмах Avida чаще всего порождают ошибку, замедляют работу программы или просто убивают ее. Но иногда в результате мутации цифровой организм начинает размножаться быстрее.

Адами ставит в своем заповеднике эксперименты, имитирующие эволюцию биологических организмов. В одном из первых экспериментов он создал цифровой организм, способный к размножению, но несущий в себе несколько бесполезных (и безвредных) команд. Эта программа стала родоначальником миллионов версий, которые в результате мутаций постепенно разделились на несколько «штаммов». Через несколько тысяч поколений некоторые штаммы стали более успешными, чем другие, и получили гораздо большее распространение. В основе всех успешных цифровых организмов лежала короткая программа. Во всех случаях мутации постепенно убрали из текста программы все лишнее и сократили до простейшего варианта, способного к размножению, — примерно до одиннадцати строк.

В данном эксперименте эволюция ведет цифровые организмы к максимальной простоте, потому что они живут в простой среде. В дальнейших экспериментах Адами попытался сделать мир Avida более похожим на реальный мир; теперь его цифровые организмы должны питаться. Пищей в компьютерном мире служат цифры — цифровые организмы поглощают бесконечные цепочки нулей и единиц, переваривают их и превращают в новые формы. Точно так же, как бактерия поедает сахар и превращает его в необходимые для жизни белки, правильно построенный цифровой организм считывает числа, которыми снабжает его Адами, и перерабатывает их в другие формы.

В природе эволюция поддерживает организмы, способные превращать пищу в белки, при помощи которых организм может более успешно размножаться. Адами создал в Avida аналогичную систему поощрения цифровых организмов. Он составил для своих организмов список задач, которые те должны выполнить, — к примеру, считать число и преобразовать его в обратное, так что 10101 превратится в 01010. Если организм развивает у себя способность делать это, Адами поощряет его, увеличивая скорость выполнения его программы. Если программа выполняется быстрее, размножаться организм тоже может быстрее. Вознаграждение за выполнение более сложных операций, естественно, выше, чем за выполнение простых. Такая система вознаграждения радикально изменила направление эволюции в цифровом мире. Теперь здешние программы не превращаются в простейшие вирусоподобные организмы, а эволюционируют в сложные системы обработки данных.