Для эволюции достаточно всего лишь следующих предпосылок:
существуют единицы (репликаторы), способные к воспроизводству (созданию своих копий);
репликаторы могут приобретать новые признаки (например, при помехах в ходе воспроизводства);
при воспроизводстве особенности репликаторов (по крайней мере, некоторые) передаются их копиям;
эти особенности влияют на вероятность воспроизводства репликаторов.
Иначе элементы этой тетрады можно назвать размножением, изменчивостью, наследственностью и отбором.
Тут есть терминологическая тонкость. Иногда отбором (а также селекцией) называют результат действия описанной тетрады – изменение состава репликаторов, соответствующее среде, в которой они находятся. Здесь мы будем называть это изменение эволюцией (дарвиновской эволюцией). Описанный механизм обеспечивает эволюцию (изменение) репликаторов, обеспечивая их соответствие актуальным условиям среды.
Несколько дополнительных замечаний. Некоторые из особенностей репликаторов могут влиять на их воспроизводство, но не передаваться их копиям. На этом уровне анализа их можно рассматривать как шум.
Насколько далеко может зайти эволюция, зависит от изменчивости репликаторов. Если бы она была ограничена начальным разнообразием, процесс остановился бы, когда остались бы самые адаптивные из исходных форм. Зато если изменения могут возникать в ходе воспроизводства, перед эволюцией репликаторов открываются замечательные перспективы. Помните, что я писал о многократном отборе с накоплением полученного в его результате опыта?
Конечно, перспективы эволюции могут быть ограничены различными препятствиями к размножению репликаторов. Воспроизводство требует ресурсов; ресурсы не могут быть бесконечными. Наилучшие перспективы эволюция репликаторов имеет в том случае, если некоторые из них разрушаются, а использованные на их построение ресурсы становятся доступными для других репликаторов. Раз так, то успех воспроизводства репликаторов должен складываться из двух слагаемых: их сохранения и их репликации. Отбор можно рассматривать как дифференциальное выживание и дифференциальное размножение. Впрочем, можно учитывать только размножение, исходя из того, что тот, кто не выжил, тот и не размножился.
Хватит теории. Посмотрим, как это работает. Вначале обсудим искусственную молекулярную селекцию.
В 1981 году Томас Чек (Thomas Cech) при исследованиях инфузории тетрагимены открыл рибозимы – молекулы РНК с каталитической активностью. Раньше считали, что биологическими катализаторами являются только ферменты (энзимы) – белки.
Рибозимы можно использовать в различных технологических целях. Зная последовательность необходимого нам рибозима, его можно синтезировать нуклеотид за нуклеотидом (вы ведь помните, что нуклеиновые кислоты, в том числе РНК, – это полимеры нуклеотидов?). Затем эту последовательность можно размножить с помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции). Нужный рибозим помещают в ПЦР-амплификатор (умножитель): реактор, содержащий нуклеотиды и ферменты, которые синтезируют по цепочке РНК соответствующую ей вторую цепочку. В ПЦР-амплификаторе повышают температуру, и цепочки отделяются друг от друга. Снижают температуру, выжидают. На обеих цепочках строится ещё две. Повышают. В реакторе уже четыре цепочки. Снижают, выжидают, повышают: восемь. Снижают, выжидают, повышают: шестнадцать...
Но как найти последовательность рибозима, который нужен для какой-то технологической цели? В живой природе его, скорее всего, нет. Рассчитать, каким должен быть этот полимер, чтобы после сворачивания он образовал пространственную структуру из атомов и зарядов, которая будет взаимодействовать с нужным веществом, — сложнейшая задача. Проще поручить её выполнение отбору.
Закрепляем на поверхности молекулы-мишени. Пропускаем мимо них случайную смесь олигонуклеотидов (недлинных фрагментов) РНК. Те молекулы РНК, которые способны связываться с мишенями, задержатся на них, а прочие – будут унесены. Изменим условия, чтобы смыть связавшиеся молекулы. Синтезируем в ПЦР-амплификаторе их копии (с определённой долей ошибок). Опять прогоним получившуюся смесь мимо мишеней. В конце концов можно прочесть последовательности, которые получились, и работать уже с ними.
