Слепой часовщик
Шрифт:
При попытке рассмотреть на все возможные деревья обнаруживаются вычислительные трудности. Когда нам нужно расклассифицировать только трёх животных, то возможных деревьев будет только три: А вместе с B, исключая C; А с C, исключая B; и B с C, исключая A. Можно проделать аналогичные вычисления для больших количеств животных, подлежащих классификации, но количество возможных деревьев круто возрастает. Когда нам нужно рассмотреть только четверых животных, то общее количество возможных деревьев родства равно 15 и пока что обозримо. Компьютеру не потребуется долго работать, чтобы выяснить, какое из этих 15 является наиболее скупым. Но если нужно рассмотреть 20 животных, то число возможных деревьев, составит 8 200 794 532 637 891 559 375 (см. рисунок 9). Наибыстрейшему на сегодняшний день компьютеру потребуется 10 000 миллионов лет (примерно возраст Вселенной), чтобы вычислить скупейшее дерево для всего 20 животных. А систематики часто хотят строить деревья из более
Рис. 9.
Это генеалогическое древо правильно. Существуют также 8200794532637891559374 других способа классификации этих 20 организмов, и все они неправильны.
Хотя молекулярные систематики были первыми, осознавшие эту проблему взрывного роста вариантов, фактически она уже существовала и в недрах немолекулярной таксономии. Немолекулярные систематики просто уклонились от неё, делая интуитивные предположения. Из всех, в принципе возможных генеалогических деревьев, подавляющее большинство может быть отброшено сразу — например, все миллионы генеалогических деревьев, которые располагают людей ближе к дождевым червям, чем к шимпанзе. Систематики даже не взглянут на такие очевидно абсурдные деревья родства, но сосредоточатся на относительно немногих деревьях, которые не слишком радикально нарушают их предположения. Это, видимо, справедливо, хотя всегда есть опасность, что правильное, скупейшее дерево оказалось одним из тех, что были отвергнуты без рассмотрения. Компьютеры также можно запрограммировать на использование кратчайших путей, тем самым проблему взрывообразно больших чисел можно милосердно сократить.
Молекулярная информация настолько обильна, что позволяет нам многократно и независимо строить системы родства на основе различных белков. При этом мы можем использовать выводы, сделанные при изучении одной молекулы, для проверки выводов, сделанных на основании другой. Если нас беспокоит, что история, рассказанная одной белковой молекулой, на деле может быть результатом конвергенции, то мы можем безотлагательно проверить её, изучив другую. Конвергентная эволюция — это собственно особый вид случайного стечения обстоятельств. Особенность случайных совпадений состоит в том, что, даже если они, несмотря на редкость, однажды всё-таки случаются, то просто повторение их вероятно уже гораздо менее. И уж тем более низка их вероятность при трёхкратном повторении. Рассматривая всё больше и больше независимых белковых молекул, мы можем практически исключить случайное совпадение.
Например, одно исследование группы новозеландских биологов состояло в неоднократной (а именно пятикратной) независимой классификации 11 животных с использованием пяти различных белковых молекул. В эти 11 животных входили: овца, макака-резус, лошадь, кенгуру, крыса, кролик, собака, свинья, человек, корова и шимпанзе. Идея состояла в разработке дерева родства этих 11 животных сначала на основании одного белка. Затем построить аналогичное дерево на основании другого белка и посмотреть, получилось ли оно тем же самым, что и в первом случае. Затем проделать то же самое для третьего, четвертого и пятого белка. Теоретически, если, к примеру, никакой эволюции фактически не было, то каждый из этих пяти белков, возможно, даст совершенно отличное дерево «родства».
Все пять белковых последовательностей всех 11 животных были доступны в библиотеке. Для 11 животных возможно 654 729 075 деревьев отношений, которые нужно рассмотреть, используя обычные методы сокращения путей поиска. Для каждой из пяти белковых молекул компьютер напечатал скупейшие деревья родства — пять независимых лучших предсказаний истинного дерева родства этих 11 животных. Если бы все пять этих деревьев оказались бы идентичны, то это был бы самый красивый результат, на который можно было бы надеяться. Вероятность получения этого результата случайным совпадением крайне мала: это было бы число с 31 нулём после десятичной запятой. Мы не должны удивляться, если не сможем получить согласованность столь совершенную: некоторая конвергенция и случайные совпадения вполне ожиданны. Нас должна беспокоить лишь существенная несогласованность этих деревьев. Фактически эти пять деревьев оказались не совсем идентичными, но очень подобными. Все пять молекул согласны в том, что человек, шимпанзе и макака близки друг другу, но есть некоторые разногласия по вопросу о том, какие животные ближе всего к этому кластеру: гемоглобин B говорит, что это собака, фибринопептид B говорит, что это крыса; фибринопептид А говорит, что это кластер, состоящий из крысы и кролика; гемоглобин А говорит, что это кластер, состоящий из крысы, кролика и собаки.
Мы имеем определенного общего предка с собакой и другого общего предка с крысой. Эти два предка действительно существовали в свои моменты истории. Один из них должен быть современнее другого, так что или гемоглобин B, или фибринопептид B
Я говорил, что таксономия — один из наиболее злобно-сварливых разделов биологии. Стивен Гулд хорошо характеризовал её одной фразой «названия и злобствования». Похоже, систематики питают такую страстную любовь к своей научной школе, что она была бы более ожиданна в политической партии или экономической школе, чем в академической науке. Члены конкретной таксономической школы воспринимают себя как осаждённую общину братьев, подобную ранним христианам. Впервые я понял это, когда знакомый систематик, с тревогой на побелевшем лице сообщил мне «новости»: что такой-то и такой-то (имя не имеет значения) «переметнулся к клейдистам».
Нижеследующий краткий обзор таксономических школ, вероятно, вызовет некоторое раздражение кого-то из их приверженцев, но не большее, чем они обычно вызывают друг у друга, так что никакого особого вреда я не причиню. В понятиях их базовой философии, систематики распадаются на два главных лагеря. С одной стороны располагаются те, кто без колебаний признаёт своей открытой целью раскрытие эволюционных отношений. Для них (и для меня) хорошее таксономическое дерево — это генеалогическое древо эволюционных отношений. Когда вы составляете его, вы используете все методы, находящиеся в вашем распоряжении, чтобы делать лучшее предположение насчёт близости родства одного животного к другому. Найти общее название для этих систематиков трудно, потому что напрашивающееся название, «эволюционные систематики», уже занято одной узкой подшколой. Иногда их называют «филетиками». Пока что я писал эту главу с филетических позиций. Но есть много систематиков, которые, исходя из по-своему разумных причин, идут другим путём. Хотя они, вероятно, согласятся с тем, что конечная цель таксономии состоит в открытиях в области эволюционных отношений, они настаивают на отделении практики таксономии от теории — возможно, эволюционной теории, которая бы подсказывала структуру подобий. Эти систематики изучают структуру подобий саму по себе. Они не выдвигают предварительных гипотез о том, что какая-то схема подобий обусловлена эволюционной историей, и является ли близкое подобие следствием близкого родства. Они предпочитают строить свою систематику, используя одну только систему подобий. В этом есть одно преимущество — если у вас есть какие-то сомнения насчёт истинности эволюции, вы можете использовать систему подобий для её проверки. Если эволюция истинна, то подобия животных должны отвечать некоторыми предсказуемыми схемам, особенно — схеме иерархического вложения. Если эволюция ложна, то кто его знает, какой системы подобий нам нужно ожидать, однако нет никаких явных причин ожидать вложенной иерархической системы. Эта школа настаивает, что если вы используете эволюцию при построении вашей систематики, то вы не можете использовать результаты вашей таксономической работы для поддержки истинности эволюции: это было бы циркулярным доказательством. Этот аргумент был бы важен, если бы у кого-нибудь были серьёзные в сомнения в истинности эволюции. Опять же, трудно найти подходящее название для этой второй школы систематиков. Я буду называть их «измерителями чистого подобия».
Филетики, открыто стремящиеся выявить эволюционные отношения, далее разделяются на две школы. Это клейдисты, следующие принципам, провозглашённым в знаменитой книге Вилли Хеннига «Филетическая таксономия», и «традиционные» эволюционные систематики. Клейдисты помешаны на ветвлениях. Цель систематики для них состоит в обнаружении порядка ответвлений эволюционных линий друг от друга ходе эволюции. Их не волнует, как много (или немного) эти линии изменились, начиная с пункта ветвления. «Традиционные» (не воспринимайте это как ругательство) эволюционные систематики отличаются от клейдистов главным образом тем, что они не рассматривают эволюцию лишь как ветвление. Они также принимают во внимание всю совокупность изменений, происходящих в ходе эволюции, а не только ветвления.
Клейдисты с самого начала рассуждают в понятиях ветвления деревьев. Они начинают с умозрительной записи всех возможных ветвящихся деревьев для животных, с которыми они имеют дело (ветвления только двухсторонние, ибо терпению всех людей есть предел!). Как мы видели при обсуждении молекулярной таксономии, занятие это становится трудным, если мы пытаемся классифицировать много животных, так как количество возможных деревьев становится астрономически велико. Но мы также видели, что, к счастью, существуют обходные пути и практически пригодные упрощения, и это означает, что такую работу практически можно проделать.