ЮБИЛЕЙ ЛАМАРКА — ДАРВИНА И РЕВОЛЮЦИЯ В ИММУНОЛОГИИ
Юрий ЧАЙКОВСКИЙ, ведущий научный сотрудник Института истории естествознания и техники.
ЧАСТЬ 3. ИММУНИТЕТ КАК УПОРЯДОЧЕННОСТЬ
Эволюция, дарвинизм, происхождение видов — слова, знакомые со школьной скамьи. Кажется, что всё устоялось, естественный отбор действует, факторы эволюции — налицо, соперники Дарвина повержены и всё в порядке в доме общей биологии. Но, слава богу, наука не может стоять на месте. Иногда надёжно побеждённые идеи вдруг дают свежие ростки, а в суждениях признанных авторитетов неожиданно находятся слабые места и откровенные прорехи. Книга Чарльза Дарвина о происхождении видов заставила биологов по-новому взглянуть на процессы развития жизни, дала новую пищу для размышлений философам и физикам, химикам и экономистам. Но напомним, понятие эволюции введено было задолго до Дарвина и Ламарка. Их идеи, борясь и дополняя друг друга, до нынешнего времени не потеряли свежести и остроты. Как, впрочем, и любые гениальные идеи в науке.
Итак, в предыдущих главах (см. «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2009 г.) мы рассмотрели поразительное свойство живого организма — иммунитет — как фактор борьбы за существование и как активность организма. Ну что же, продолжим…
17. Вездесущий иммунитет и несовместимость тканей
Иммунитет в какой-то форме есть у всех организмов, даже у бактерий. Например, приспособление бактерий к антибиотикам тоже ведь иммунный акт. Это значит, что друг с другом борются различные иммунитеты и нужно говорить об иммуноэкологии. Во многих отраслях биологии и медицины иммунная сторона дела стала видна отнюдь не сразу. Так получилось, в частности, при объяснении неудачных попыток пересадки тканей и органов от одного организма к другому. Ещё лет 60 назад все полагали, что эти неудачи (отторжение чужих тканей и органов) носят чисто хирургический характер — мол, надо аккуратнее оперировать, и всё получится.
Английский иммунолог Питер Медавар, о котором мы уже много говорили, вошёл в историю науки не столько своим частным успехом, быстро давшим ему Нобелевскую премию (в 1960 году, совместно с Бернетом), сколько своим более давним достижением. А именно, ставя опыты по пересадке органов животным, а также исследуя приживление тканей, пересаженных обожжённым военным лётчикам, он в 1944 году доказал фундаментальный факт — отторжение организмом чужой ткани является следствием работы иммунной системы, и к пересадке пригодны только ткани собственного организма или близкородственного. Лет через 10 американский иммуногенетик Джордж Снелл, исследуя генетику отторжения, ввёл понятие комплекса тканевой совместимости (КТС), или, по-английски, Major Histocompatibility Complex (МНС). Данный комплекс как раз и делает, на мой взгляд, иммунологию такой же основой биологии, как, например, генетика или экология.
КТС – это комплекс белков, кодируемых группой генов, совместно расположенных на одной хромосоме. У человека ныне в данной группе известно 224 гена. Причём гены эти удивительно разнообразны: некоторые имеют по 200 аллелей – ничего подобного у других генов нет [1, с. 69]. Известно, что данные белки ответственны не только за иммунное распознавание, но и за разнообразие рисунков клеточных поверхностей (рис. 1). Последнее необходимо для соединения клеток в ткань при онтогенезе.
Однако связь этих механизмов приносит нам много вреда. Ну, к примеру: чем полезен тот факт, что обладатели разных аллелей КТС по-разному восприимчивы к болезням – причём не только к заразным, но и к раку, аллергии, эпилепсии, диабету? Если дарвинист скажет, что мы наблюдаем здесь незавершённый процесс эволюции (то есть что невыгодные аллели обречены на исчезновение), то будет неправ: наоборот, аллельность генов КТС расширяется — 150 лет назад рак («болезнь трубочистов») и аллергия («сенная лихорадка») были весьма редки и однообразны, а теперь они — бич здравоохранения и проявляются во всё новых и новых формах. Увы, это тоже эволюция, и её надо поскорее понять, а не ссылаться на неисповедимость путей отбора.
Или: чем и кому выгодно, чтобы наши индивидуальные предпочтения (в том числе в половой любви) зависели от аллельного состава генов КТС?
А зачем вообще нужно отторжение? Ведь в природе никаких пересадок тканей не бывает. Очевидно, что отторжение – побочное действие какого-то механизма, зачем-то организму нужного. Его и надо искать.
Медавар и Снелл работали с теплокровными, поэтому установилась традиция видеть в КТС эволюционное достижение высших животных. Однако отторжение чужой ткани имеет место у всех организмов, обладающих тканями, хотя и в разных формах, и в разной степени. Даже губки, самые простые организмы, у которых можно видеть некое подобие тканей, умеют отличать свою «ткань» от чужой: если измельчить несколько губок одного вида и перемешать фрагменты, то они вновь соберутся в полноценных губок, тогда как смесь фрагментов губок различных видов к этому неспособна. У более сложных животных (например, медуз) оказываются несовместимыми уже ткани разных рас одного вида, а у высших организмов, имеющих развитой адаптивный иммунитет, полностью совместимы только ткани однояйцовых близнецов и особей лабораторных животных чистых генетических линий.
У растений вроде бы с совместимостью всё наоборот: ткани близких видов вполне совместимы даже у самых высших форм (у цветковых) — на этом построена прививка, основа плодового садоводства. Однако всё не так просто — растения тоже кое-что распознают: яблоню и грушу можно привить друг к другу или к рябине (одно семейство), но не к липе. А главное, растения тоже способны к индивидуальному распознаванию — все те виды цветковых, которые обладают обязательным перекрёстным опылением, обладают и самонесовместимостью — пыльца данной особи не прорастает на рыльцах той же особи. То есть распознавание «свой — чужой» идёт у них столь же неукоснительно, как и у нас с вами, только с противоположной целью. Самонесовместимость — это как бы толерантность навыворот. Словом, явление несовместимости оказалось одним из самых общих свойств жизни.
18. Самонесовместимость чуть подробнее
Дело, стало быть, не в том, что иммунитет растений слишком прост и чего-то не может, а в том, что растению нет нужды в аппарате отторжения чужой ткани. В самом деле, отторжение мы наблюдаем лишь в лаборатории, в опыте, тогда как в природе чуждые ткани встречаются друг с другом разве лишь в процессе пищеварения, а его у подавляющего большинства растений нет. (Оно есть у хищных растений, и следует предположить, что их иммунитет качественно сложнее, чем у других растений.) В ходе пищеварения чужие вещества разлагаются на весьма мелкие части, теряя свою видоспецифичность, однако этот процесс даёт сбои, так что отдельные не очень мелкие фрагменты — порядка десяти блоков (это или аминокислотные остатки, или нуклеотиды, или углеводы, или жирные кислоты) — могут попадать из зоны пищеварения в иные полости тела. Попадают туда также и целые микробы, и вирусы, а это ведь тоже антигены. Может быть, КТС нужен против них?
Нет, против чужих антигенов успешно борется тот механизм врождённого иммунитета, основанный на образрас- познающих рецепторах (PRR— pattern recognition receptors), который умеет действовать вне системы тканевой совместимости. Зато 224 гена да ещё по 200 аллелей у многих из них наводят на иные мысли. Тут можно ожидать (с учётом гетерозиготности) около 2 млрд комбинаций, а это значит, что рисунки поверхностей клеток могут быть практически неповторимы от человека к человеку. Хотя у каждого человека этот рисунок довольно прост (задаётся не более чем 12 вариантами молекул КТС [2, с. 38]), однако различие поверхностей клеток между разными особями, создаваемое наличием КТС, огромно и сильно затрудняет атаку организма микробами — к каждой особи микробу нужен свой особый подход. Если бы поверхности клеток у всех особей многоклеточных были одинаковы, атаковать их микробам было бы намного легче. То есть КТС действует как защита, как панцирь, как колючки или ядовитость.
Есть и ещё одно (а возможно, и не одно) следствие многоаллельности КТС у людей: идентичными рисунками поверхностей клеток практически обладают только сибсы (родные братья и сёстры). Не этим ли объясняются данные (к сожалению, пока разрозненные) о пониженном половом влечении между братьями и сёстрами? Тоже своего рода самонесовместимость. Попробуем понять общие причины усложнения иммунитета с ростом сложности организмов.
19. Иммунный механизм онтогенеза
В конце части 2 уже была высказана мысль, что у организма есть тот тип иммунитета, который нужен для его онтогенеза. В обоснование было приведено (как мною, так и другими) несколько ярких, но всё же косвенных свидетельств. Прежде всего, это данные о сходстве обоих механизмов: разнообразие молекул клеточной адгезии (МКА), обеспечивающее соединение нужных клеток друг с другом в единую ткань, устроено так же, как разнообразие иммуноглобулинов. Далее, давно известно, что простой иммунитет действительно способен контролировать сравнительно простую целостность. Прекрасный пример приведён ещё в книге Л. С. Берга «Номогенез» (1922): паразитирующие на растениях насекомые откладывают яйца в ткани растений, а те защищаются, окружая чужеродное тело оболочкой — галлом, причём форма галла вполне специфична для растения. На хвойном это — недоразвитая шишка (рис. 2). В такой реакции растения мы видим сразу акт и иммунной защиты, и онтогенеза. Но нужны и примеры более общего характера.
Как ни сложен узор стеклянной губки или цветка орхидеи, эта сложность не идёт ни в какое сравнение со сложностью соединений клеток в головном мозге, где каждый аксон каждого нейрона растёт туда, куда надо, чтобы мозг работал. Разнообразие связей нервных клеток требует соответственного разнообразия МКА. Ещё в 1970 году генетик Сусуму Оно обратил внимание на сходство мозга с иммунной системой: «Каков был механизм, снабдивший геном Homo системой, в которой не было непосредственной необходимости, но которая возникла как бы в предвидении будущих потребностей?.. У позвоночных известна такая система. Речь идёт об иммунной системе, дающей специфичные ответы на огромное количество антигенов, включая и искусственные, созданные в пробирке». Иммунолог Ерне (о нём мы говорили в части 1) в своей нобелевской лекции 1984 года провёл параллель дальше: для него иммунитет — аналог рассудочной деятельности. В обеих системах (мозг и иммунитет) в каждом поколении на основе небольшого числа генов разворачивается необозримое разнообразие свойств. Это значит, что гены задают некое формирующее начало, а не конкретную схему устройства.
Понемногу становится ясно, что рассмотренная выше система КТС годна для контроля почти всего онтогенеза, но как раз кроме формирования нервной системы. Молекулы КТС присутствуют на поверхности почти всех клеток организма, но это разные молекулы, и несут они разные функции. У позвоночных, начиная с костистых рыб, они бывают трёх классов. Молекулы класса I имеются на всех клетках, кроме нейронов и эритроцитов, и служат для контроля состава собственных макромолекул организма. Молекулы класса II представлены лишь на поверхностях некоторых иммунных клеток (например, В-клеток, о которых шла речь в п. 10 части 2) и служат для обнаружения чужеродных антигенов, предназначенных к уничтожению [2]. (Молекулы класса III нужны для запуска отдельных реакций иммунитета, и мы их касаться не будем.) Как видим, класс I осуществляет тот самый иммунный самоконтроль, на который указал когда-то Бернет, и этот класс почему-то не касается нервной системы. А класс II ведёт ту самую борьбу с заразой, которой ограничивалось понимание иммунитета до появления (полвека назад) идеи Бернета.
Обе части КТС заняты тем, что непрерывно прокачивают через себя фрагменты макромолекул с поверхностей клеток, но если цель работы класса II вполне понятна — борьба с заразой, то назначение класса I довольно загадочно — зачем организму ежечасно убеждаться в том, что он состоит сам из себя?
Первая мысль, какая приходит в голову, — таким путём ведётся контроль за перерождением здоровых клеток в раковые. Да, иммунный надзор эффективен против одного типа опухолей, именуемых высокоиммунными, но основная масса опухолей избегает иммунного контроля. Причин этого много, и основная — сбои в работе КТС [1, с. 256—258]. Создаётся даже впечатление, что, не будь система КТС высших организмов столь сложна, не было бы и основных типов рака. А значит, у этой системы должна быть ещё какая-то иная функция. Тут самое время вспомнить, что нас интересует онтогенез.
На вопрос, управляет ли иммунитетом и онтогенезом один и тот же механизм, ответа и ныне дать нельзя, гипотеза остаётся гипотезой. Но в последние годы появились примеры, показывающие, что это в самом деле так. Они, между прочим, объясняют, почему КТС избегает касаться нейронов (а с тем и построения мозга), — нейронами занимается другая белковая система узнавания.
А именно, найдено несколько белков, каждый из которых ответствен как за какой-то этап онтогенеза, так и за какую-нибудь иммунную реакцию. В качестве недавнего примера лучше всего указать на белок DSCAM, который ответствен не только за рост аксонов, но и за иммунитет, причём обнаружен и у человека, и у насекомых отряда двукрылых (дрозофила и малярийный комар). Само название белка1 указывает, что он контролирует нервную систему, а недавно выяснено к тому же, что при повреждении его гена комар теряет часть своего иммунитета — подвергается нашествию микробов, в том числе того самого плазмодия, что вызывает у людей малярию. Выяснено, что в обоих случаях эффект действия DSCAM достигается за счёт чрезвычайной изменчивости данного белка. Её порождает альтернативный сплайсинг — процесс, о котором шла речь в п. 10 части 2. У насекомых DSCAM обеспечивает ещё и некоторую адаптивность иммунитета, похожую на нашу (рис. 3).
Особенно интересна статья «Разнообразие DSCAM существенно для нервной сети и для самораспознавания» [4]. Оказывается, что мутантные мухи, у которых альтернативный сплайсинг выключен и потому синтезируется лишь одна форма DSCAM (испробовано три мутанта, то есть три формы белка), неспособны сформировать работающую нервную систему — концы аксонов крепятся как попало. Единственное, что при этом аксоны делали правильно, — они избегали отростков собственной клетки — проявляли самонесовместимость. Опять мы видим, что она нужна повсюду.
Позвольте, может возразить внимательный читатель, если иммунная система руководит онтогенезом, то почему иногда рождаются вполне сформированные дети, лишённые иммунной защиты и способные жить лишь в стерильных условиях? Ответ известен врачам-иммунологам и, увы, прост: у таких детей иммунитет сформирован почти нормально, он содержит лишь один небольшой дефект: из-за отсутствия одного фермента врождённая система не посылает адаптивной системе того сигнала, который должен запустить процедуру размножения лимфоцитов. Онтогенезом же управляют отнюдь не лимфоциты, а, по всей видимости, рецепторы МКА тканевых клеток.
20. Иммунитет — это эволюционный ограничитель
И Ламарка и Дарвина занимал вопрос: почему в ходе эволюции все низшие формы жизни не превратились в высшие? Нынешняя наука отрицает оба их объяснения — и возможность самопроизвольного зарождения жизни в наше время, и то, что «низшие» просто устроены и потому в простоте живут. Наоборот, одноклеточные имеют подчас самый сложный аппарат клеточного деления, а у низших червей бывают самые сложные ткани и жизненные циклы, какие вообще известны. То есть организмы, низшие в одном смысле, могут быть высшими в другом. Ныне принято объяснять факт наличия низших форм (как бы ни понимать этот термин) тем, что каждая форма жизни вписана в свою экосистему [3]. Так, бактерии являются основой любой экосистемы и выполняют функции, которые проще всего осуществляются именно бактериями, а не организмами с более сложной формой тела.
Стоит заметить, что вопрос Ламарка — Дарвина имеет свою иммунную сторону: если иммунитет полезен, то почему все организмы не обзавелись в ходе эволюции вполне развитым иммунитетом? Пусть рыбы возникли 500 млн лет назад, пусть они остались рыбами в силу экосистемных обстоятельств, но что помешало им за это время (гораздо большее, чем ушло на эволюцию теплокровных) создать такой же развитой иммунитет, как у птиц и зверей? Ведь обзавелись же все многоклеточные одним и тем же (тонкости опускаем) типом клеточного деления, хотя те одноклеточные, от которых они, как принято считать, произошли, делились весьма различно.
Ответ нельзя дать, не вернувшись к бактериям. Важно вспомнить, что между бактериями легко происходит горизонтальный перенос генов, о котором мы говорили в п. 8 части 1. Благодаря ему царство бактерий выступает как генетическое целое. У горизонтального переноса есть одно важное для эволюции следствие: «перенос функциональной информации от высших форм жизни к примитивным практически не происходит (хотя и здесь есть исключения) по причине невозможности «понимания» генетической информации высших организмов геномом низших. Так природа как бы законсервировала мир примитивных форм, создав своеобразную генетическую базу для экспериментов Эволюции», — писала Е. А. Аронова [5].
Она же напомнила о том, что нынче вспоминать неприято — о роли ламаркизма в признании эволюционного значения горизонтального переноса. Сперва она привела слова Г. Буркхардта, американского биографа Ламарка: «Идея о наследовании приобретённых признаков стала известной как ламарковский механизм благодаря чему-то вроде исторической шутки». По Буркхардту, главный у Ламарка творческий фактор эволюции — «внутренняя активность организма» — просто не был понят учёными, он «не был опровергнут экспериментально, он был отвергнут как бесполезная гипотеза».
Далее Аронова напомнила: «Сама схема естественного отбора малых вариаций никогда не была обоснована экспериментально (все её немногочиленные подтверждения касались однократных скачков, как, например, в случае с берёзовой пяденицей2)» — и отметила, что доктрина дарвинизма «предъявляла к ламаркизму гораздо более высокие требования, чем к себе самой». Горизонтальный перенос, как и мутация, происходит случайно (мобильный ген попадает в иной организм очень редко), однако встраивается активно — это своего рода заражение. Нет никакой, даже фантастической, гипотезы, которая бы объясняла пассивное встраивание чужого гена в геном.
У всех организмов есть механизмы ограничения переноса, оберегающие генетическое единство каждого вида. Одним из таких ограничений и выступает иммунитет — ведь он препятствует, кроме всего прочего, проникновению чужих генов. Естественно напрашивается такое объяснение: если бы иммунитет у всех организмов был столь же сложным, как у теплокровных, то эволюция была бы сильно заторможена — за счёт излишнего ограничения потоков информации между организмами. Разве такое объяснение плохое?
Плохое. Тезис «если бы» хорош для пояснения того, что уже известно, но как обоснование причин он никуда не годен, тут он чаще всего — самообман. Вот ещё пример. В отличие от Ламарка и Дарвина мы знаем, что царство бактерий — основа жизни для высших организмов и если бы оно исчезло, жизнь на Земле прекратилась бы. Но одни бактерии породили, как принято считать, высших, а остальные остались бактериями — иначе нас попросту не было бы. Тоже — чем не объяснение? Вполне в духе дарвинизма.
На самом деле надо понять, как и почему древние бактерии, не ведая о нуждах потомков (в том числе и о наших с вами), удержались от того, чтобы всем сплошь обратиться в высшие формы жизни и с тем погибнуть. Ведь гибнут же, бездумно размножаясь, стая саранчи, раковая опухоль или популяция чумной бациллы. Да и мы с вами делаем то же самое — так полагают многие.
О чумной бацилле стоит сказать особо. Зачем ей смертельный яд, губящий «хозяина» (жертву), а с тем и её саму? Как недавно выяснилось, он вовсе не нужен ей самой (её мутанты, лишённые способности производить яд, выживают не хуже, а лучше нормальных) и даже не служит отходом её метаболизма. Он как бы специально сделан для убийства и затем – самоубийства. Каким именно образом чумной яд убивает иммунную систему жертвы, мы уже знаем (см. п. 13 части 2), но зачем?
Древние религии полагали, что чума — кара богов, но сейчас такое объяснение существования чумы вряд ли кого устроит, в том числе верующих. Христианство, например, утверждает, что Бог ничего плохого сам не творит. Может быть, чумной яд творят черти? Нет, они, согласно христианской догме, вообще ничего не творят, они могут только что-то портить.
Но ведь для синтеза яда особый оперон не только создан (сотворён?), но и вписан в иммунитет бациллы — яд её саму не губит. Кем и как это сделано? Тут даже креационисты ничего всерьёз (кроме божьей кары) сказать не могут.
Отбор, даже если допустить его роль, здесь бессилен, ибо обладатели яда гибнут много чаще других бактерий. По этой же причине и ламаркова активность работает здесь ничуть не лучше. Может быть, яд возник случайно? Но нет, эпидемии возникают вновь и вновь, то есть в появлении бактериальных ядов и их успешном распространении есть многократная повторяемость. А где многократная повторяемость, там может работать наука. Но если не дарвинизм и не ламаркизм, то, значит, в эволюции должно быть ещё что-то, о чём мы пока не говорили. Сперва подумаем, какова тут может быть роль случайности.
21. О случайности
Противники Дарвина всегда упрекали его в том, что он преувеличил роль случайности в эволюции, заменив исследование её реальных законов ссылкой на случайность наследственных изменений. Дарвинисты, наоборот, хвалят своего основоположника за то, что тот ввёл в рассмотрение «антислучайный фактор» (отбор) и тем самым указал случайности её место в эволюции. Однако ни те, ни другие не захотели исследовать сам феномен случайности, так что осталось тайной, говорят ли спорщики об одном и том же явлении или о разных. Оказалось — о разных. Более того, сплошь да рядом один и тот же эволюционист использует термин «случайность» в самых различных, порой несовместимых, смыслах. Мы уже видели это у Бернета, в его клонально-селекционной идее (см. часть 1).
Мне пришлось в своё время потратить много времени на выявление разных типов и форм случайных явлений, итогом чего явилась книга «О природе случайности» [6]. Пересказать её содержание здесь никак не удастся, и остаётся лишь сказать несколько самых необходимых фраз.
Случайным именуют то явление, которое имеет различные исходы, то есть может при данных условиях как произойти, так и нет. Всё необозримое разнообразие случайных явлений можно разделить на два класса — имеющих устойчивую частоту появления каждого исхода (её интерпретируют как вероятность данного исхода) и не имеющих. Почти все случайные явления, с которыми наука умеет обращаться, относятся к первому классу (их изучают теория вероятностей и математическая статистика), а почти все биологические (в том числе эволюционные и иммунные) — ко второму.
В частности, выражение «мутация происходит с вероятностью Р» почти никогда смысла не имеет, поскольку у мутаций, как мы уже говорили (п. 8, часть 1), не наблюдается устойчивых частот. И тем меньше смысла у базовой идеи дарвинизма: «самое маловероятное событие когда-нибудь обязательно произойдёт». Причин тому много, и укажу одну: оно имеет смысл только тогда, когда слово «маловероятное» означает событие, происходящее с заданной вероятностью, большей нуля (точнее: большей некоторого числа, большего, чем нуль); а биологи и гуманитарии применяют данное прилагательное в смысле «вряд ли доступное наблюдению», не задумываясь о вероятностях.
Однако математика для явлений второго класса существует, и для нашей цели она весьма полезна. Это — статистика «толстохвостых» распределений. (Если аккуратнее — статистика распределений, в которых дисперсия, то есть мера разброса случайной величины, неограниченно растёт с ростом числа испытаний.) Называют их так потому, что у кривых типа у(х), их описывающих, у очень медленно и нерегулярно стремится к нулю с ростом х.
Такими распределениями наука и техника буквально начинены, но обращать внимание на них в математике не принято. Однако и среди них один класс кое-как описан — это квазигиперболические распределения (рис. 4). Называют их так потому, что самое частое значение случайной величины располагается тут на графике с левого края, а остальные частоты убывают направо, приблизительно как гипербола. Однако эта приблизительная регулярность сохраняется только до середины графика, тогда как правая его часть являет собой болтанку отдельных точек, слабо связанную с гиперболой. Очевидно, что две половины этого графика надо изучать по-разному.
Квазигиперболичны распределения городов по числу жителей, людей — по богатству, двигателей — по мощности, букв — по встречаемости в текстах, учёных — по числу публикаций, родов организмов — по числу входящих в них видов и т.д. Последний пример мне ближе всего, его я и поясню.
Род — понятие, означающее группу близких видов, и вводится оно для описания общих свойств этих видов. Поскольку систематик вводит каждый род по своему усмотрению, то удобно вводить роды так, чтобы в них было не слишком много видов, но и не один вид. Однако так не выходит. Какими бы правилами группировки ни задаться, всегда окажется, что какой-то вид никому не близок и его следует выделить в отдельный род (такова енотовидная собака в семействе псовых отряда хищных), а какие-то виды, наоборот, столь похожи, что в один род приходится помещать сотни видов: например, род Crocedura (белозубки, из семейства землеройковых отряда насекомоядных) включает 149 видов (табл. 1). Бывают роды и по 2 тыс. видов. Систематики не раз пытались это неудобство исправить, объединяя одни роды и дробя другие, но система оказывалась непрактичной и от неё вскоре отказывались.
Замечательна статистика родов. Какую бы крупную группу животных, грибов или растений ни взять, всегда одновидовых родов окажется в ней больше всего, следующим будет число двухвидовых родов, затем — трехвидовых и т.д., пока мы не дойдём до середины графика, где впервые монотонность убывания будет нарушена. Для насекомоядных (см. табл. 1) это нарушение будет в том, что пятивидовых родов нет, но шестивидовые есть. А дальше начнётся самое любопытное: обнаружив, что нет родов по 7, 8 и 9 видов, а затем идут роды по 10, 12 и 13 видов, после чего — опять провал, мы должны бы ожидать, что разнообразие группы близко к исчерпанию, а оказывается наоборот. Впереди ещё 2/3 видов отряда, и свыше половины этого обилия составит один огромный род — упомянутые белозубки.
Похоже ведёт себя отряд рукокрылых (в основном состоящий из летучих мышей), но в нём вдвое больше видов, и первый провал, притом крупный, расположен гораздо дальше — нет родов по 17—45 видов. Отряд вдвое обширнее, и можно ожидать гигантского рода в конце таблицы, а его нет: тут самый большой род вдвое меньше, чем в отряде землеройковых.
«Толстый хвост» выражен в данных распределениях тем, что при у=1 одиночные точки могут уходить по оси х неопределённо далеко и с неопределёнными интервалами между ними. Именно поэтому дисперсия тут растёт с ростом выборки и обычная («гауссова») статистика не работает.
Это выражается, прежде всего, в том, что нет смысла искать средние величины, ибо они совсем неинформативны. Средний рост людей или средний вес яблок полезно знать, поскольку около этих величин группируется основная часть объектов (людей, яблок и т.п.). А вот среднее число видов в роде не говорит ничего: в обоих приведённых примерах оно (43 и 75 видов в роде) приходится на провалы — родов с таким или близким числом видов просто нет. Реальные роды либо много крупнее, либо много мельче средней величины.
И никакой биологической специфики тут нет: таковы почти все квазигиперболические распределения. Например, около 1/3 научных работников не оставляют после себя ни одной публикации, затем следуют оставившие одну-две (это не только рано ушедшие из науки, но и те, кто рано понял, что его стезя — обслуживание исследований). Зато основную массу статей пишет та треть учёных, у которых больше, чем по 30 статей на каждого. Авторов со средним числом публикаций (5—6 за жизнь) очень мало. Среди гигантов печатной продуктивности знаменит математик Леонард Эйлер (около 830 публикаций, в основном посмертных), и я думал, что это близко к пределу возможностей человека, пока не выяснил, готовя статью для энциклопедии, что Л.С. Берг оставил после себя 1002 публикации3.
Вернёмся к иммунологии. Недаром Тонегава оговорился, что там имеет место «сложная неравномерная случайность»: основная часть иммуноглобулиновых генов не мутирует вовсе, доля мутирующих убывает примерно квазигиперболически, причём один из них мутирует втрое чаще основной массы мутирующих (рис. 2 к части 2). Теперь видно, сколь наивен был окрик Медавара, чтобы Стил либо показал регулярность частот (на гораздо более сложном явлении, нежели точковый мутагенез), либо прекратил исследование.
Сейчас, спустя полвека, досадным выглядит тот факт, что хотя квазигиперболическая статистика разработана именно в Англии (основателями этой дисциплины явились ботаник Джон Виллис и математик Гаролд Юл), где жил и работал Медавар, но она осталась вне круга знаний иных учёных. Однако нам важнее понять, как с такой случайностью работать.
22. Материя не только активна, но и упорядоченна
В сказанном выше упорядочивающий смысл видится мне тот, что почти все случайные явления мира укладываются в одну из двух статистик — либо в обычную «гауссову», либо в квазигиперболическую. У этого факта должна быть общая причина, и она уже известна: первой статистике подчиняются те случайные явления, в которых преобладает независимость событий, а второй — те, где события в основном зависимы, точнее, связаны в нежёсткую систему. (Естественно, по мере ослабления зависимости явлений их статистика постепенно переходит от второй к первой, что давно математиками показано [6, с. 264]. Мы такими промежуточными явлениями заниматься не будем.)
Если так, то род не просто набор видов, а элемент системы организмов. Точно так же город — элемент системы расселения народов. В самом деле, хотя Большой Лондон, бывший сто лет назад крупнейшим городом мира (5,6 млн человек), уступил через полвека первенство Нью-Йорку, а теперь занимает 20-е место (имея 8,7 млн человек); хотя система народорасселения изменилась радикально, однако форма квазигиперболы населённости городов осталась той же. Не вырос горб, не изменился тип хвоста и т.п.
Итак, если в опыте обнаружены квазигиперболы, это наводит на мысль о наличии какой-либо нежёсткой системы (некоего единства), которую следует выявить. Для теории эволюции существенно, что «толстый хвост» означает появление в системе всё более и более сложно организованных объектов (или, если так понятнее, — подсистем: ведь виды по родам распределены примерно так же, как роды по семействам и семейства по отрядам). Так же распределены мутации по частотам и многое другое. Этого не могли предвидеть ни Ламарк, ни Дарвин, ни Берг.
Замечу, что в генетике единство (системность), дающее квазигиперболы, прекрасно изучено — это совокупность систем репликации, репарации, рекомбинации ДНК и редактирования РНК. Результирующее изменение нуклеотидного текста, по традиции именуемое мутацией, заведомо должно подчиняться системной статистике. (Ей же подчиняется разнообразие слов в литературных текстах.) Вот почему у мутаций не найдено устойчивых частот. Термин мутация обрёл столько смыслов, что лишь запутывает дело, мешая строить теорию эволюции.
В 1970-х годах на связь квазигипербол с системностью обратил внимание палеоботаник С. В. Мейен. Главное его достижение как теоретика — введение понятия рефрена. Рефрен — это, упрощённо говоря, ряд направленных рядов. Пример направленного ряда приведён в верхней строке табл. 2: в классе костных рыб плавники могут отсутствовать, быть представлены одной слабо развитой парой, одной сильной парой, двумя парами лучевых лопастей, двумя-тремя парами «кистей» (кистепёрые рыбы), планирующим крылом и, наконец, активным крылом (некоторые летающие рыбы). Этот ряд направлен — в том смысле, что вдоль него наблюдается усложнение строения органа. Но аналогичные направленные ряды видны и в остальных строках табл. 2, то есть в других классах позвоночных. Ряд, составленный из этих рядов, и есть рефрен. Через рефрены Мейен пришёл к новому варианту номогенеза.
Каждая квазигипербола тоже направленный ряд, а всепроникающий феномен квазигипербол — это рефрен, один из самых общих в науке. Мейен был уверен, что теория рефренов явится единым методом упорядочения разнообразия явлений (как природы и общества, так и мышления), но, увы, умер в начале этой работы. Нам, оставшимся, приходится продолжать его труд.
(Окончание следует.)
Литература
1. Рабсон А. и др. Основы медицинской иммунологии. — М.: Мир, 2006.
2. Полетаев А. Б. Иммунофизиология и иммунопатология. — М., 2008.
3. Чайковский Ю. В. Иммунитет и эволюция: не впасть бы в другую крайность // Вестник Российской академии наук, 2003, № 3.
4. Hattory D. e.a. Dscam diversity is essential for neural wiring and self-recognition // Nature, 2007, vol. 449, p. 223-227.
5. Аронова Е. А. Неумирающий ламаркизм. Падения и взлёты // Биология (прилож. к газете «Первое сентября»), 1997, №№ 41, 42.
6. Чайковский Ю.В. О природе случайности. Изд. 2-е, исправл. и дополн. — М.: Центр систем. исслед., 2004.
7. Kurtz J. e.a. Alternative adaptive immunity in invertebrates // Trends in Immunology, 2006, № 11.
Комментарии к статье
1 DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule), то есть молекула клеточной адгезии, ответственная за синдром Дауна. Дело в том, что у людей ухудшение психического развития, известное как синдром Дауна, вызвано мутацией, портящей именно данный белок.
2 Потемнение бабочки по имени берёзовая пяденица — пример того самого «индустриального меланизма», о котором шла речь в п. 2 части 1.
3 Включая тезисы, рецензии и т.п. Знаменитый географ и зоолог Лев Семёнович Берг был основателем номогенеза – одной из прежних теорий эволюции. Её сам автор характеризовал так: «эволюция на основе закономерностей», и о ней ещё пойдёт речь.
Читайте в любое время
