Теория направленной эволюции

А.В. МЕЛКИХ 

ТЕОРИЯ 
НАПРАВЛЕННОЙ 
ЭВОЛЮЦИИ 

À.Â. Ìåëêèõ
Òåîðèÿ íàïðàâëåííîé ýâîëþöèè: Íàó÷íîå èçäàíèå / À.Â.
Ìåëêèõ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò»,
2020. – 384 ñ.

ISBN 978-5-91559-276-5

Îñíîâûâàÿñü íà ðàññìîòðåíèè ñëîæíîñòè æèâûõ ñèñòåì, àâòîð ïðåäëàãàåò íîâóþ êîíöåïöèþ æèçíè è åå ýâîëþöèè. Ïðåäëîæåííàÿ òåîðèÿ ëó÷øå, ÷åì äðóãèå òåîðèè îáúÿñíÿåò ñëåäóþùèå
ôàêòû ýâîëþöèè è ðàáîòû æèâûõ ñèñòåì:
- âîçíèêíîâåíèå ñëîæíûõ îðãàíèçìîâ â ïðîöåññå ýâîëþöèè;
- ñóùåñòâîâàíèå ïîëîâ;
- êîíå÷íîñòü ïðîäîëæèòåëüíîñòè æèçíè (ñòàðåíèå è ñìåðòü);
- èçâåñòíóþ ñêîðîñòü ýâîëþöèè âèäîâ.
- óñòîé÷èâóþ ðàáîòó êëåòêè, âêëþ÷àÿ âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó
áèîëîãè÷åñêè âàæíûìè ìîëåêóëàìè;
- ìûøëåíèå, âêëþ÷àþùåå ïðèîáðåòåíèå íîâîãî çíàíèÿ.
Îñíîâíûå èäåè íîâîé òåîðèè ìîãóò áûòü âûðàæåíû â âèäå
ñëåäóþùèõ îñíîâíûõ ïîëîæåíèé.
Ýâîëþöèÿ âèäîâ àïðèîðíî íàïðàâëåíà. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî çàìåíû íóêëåîòèäîâ ÄÍÊ ïðîèñõîäèëè íå ñëó÷àéíûì îáðàçîì, à â
ñîîòâåòñòâèè ñ àïðèîðíîé èíôîðìàöèåé î òîì, ÷òî èìåííî êîäèðóåò òà èëè èíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü.
Âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó áèîëîãè÷åñêè âàæíûìè ìîëåêóëàìè â
êëåòêàõ óïðàâëÿåòñÿ äàëüíîäåéñòâóþùèìè ñèëàìè, èìåþùèìè
êâàíòîâóþ ïðèðîäó.
Âñå ïîâåäåíèå æèâîòíûõ è ÷åëîâåêà âðîæäåííîå.

Äëÿ íàó÷íûõ ðàáîòíèêîâ â îáëàñòÿõ áèîëîãè÷åñêèõ è ôèçèêîìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê, ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé óíèâåðñèòåòîâ, âñåõ ñïåöèàëèñòîâ, èíòåðåñóþùèõñÿ ïðîáëåìàìè ñîâðåìåííîé
áèîëîãèè.

© 2020, À.Â. Ìåëêèõ
© 2020, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-276-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

В в ед ен и е  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
8

Глава 1. Краткий очерк теории эволюции. Что есть дарвинизм?  . . . .  
13

1.1. Дарвинизм и синтетическая теория эволюции  . . . . . . . . . . .  
13
1.2. Геномная революция. Расширенный синтез?  . . . . . . . . . . . .  
20
1.3. Альтернативы дарвинизму  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
22

Глава 2. Направленная эволюция и возникновение жизни. . . . . . . . .  
27

2.1. Условия на ранней Земле и возникновение жизни . . . . . . . .  
27
2.2. Теории возникновения жизни. Предбиологическая 
эволюция и проблема первого репликатора  . . . . . . . . . . . . .  
31
2.3. LUCA, Археи, цианобактерии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
38
2.4. Основная проблема эволюции — перебор вариантов 
при кодировании  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
42
2.5. Блочные и другие способы ускорения эволюции. 
Молекулярная экзаптация  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
49
2.6. Биологическая сложность и эволюция  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
51
2.7. Уравнения направленной эволюции . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
59
2.8. Проблема упаковки и стабильности репликаторов  . . . . . . . .  
60

Глава 3. Почему клетка работает? Обобщенный парадокс Левинталя. . .  
64

3.1. Парадокс Левинталя и его возможные решения . . . . . . . . . .  
64
3.1.1. Воронкообразный ландшафт?  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
65
3.1.2. Топологические проблемы упаковки белка  . . . . . . . .  
69
3.2. Обобщенный парадокс Левинталя 
(парадокс упаковки-реакции) и его связь 
с другими задачами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
75
3.2.1. Упаковка ДНК и РНК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
75
3.2.2. Проблемы реакций между биологически важными 
молекулами, их распознавания, копирования 
и транспорта   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
79
3.2.2.1. Реакции и распознавание   . . . . . . . . . . . . . . .  
 79
3.2.2.2. Проблемы регуляции генома и работы 
молекулярно-генетической системы 
управления   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 83

Оглавление
4

3.2.2.3. Транспорт молекул и ионов. 
Сортировка белков   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 85
3.2.2.4. Упаковка, реакции и эволюция . . . . . . . . . . .  
 88
3.2.2.5. Какими должны быть потенциалы 
взаимодействия между атомами . . . . . . . . . . .  
 89
3.2.3. Апериодические структуры и проблема 
упаковки белка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
90
3.2.4. Формулировка обобщенного парадокса Левинталя 
и перспективы его решения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
93
3.3. Проблемы морфогенеза  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
97
3.3.1. Модели и нерешенные проблемы морфогенеза . . . . .  
97
3.3.2. Морфогенез на уровне молекул. 
Почему клетка работает? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
99
3.3.3. Механо-химические процессы на молекулярном 
уровне и их устойчивость. 
Цитоскелет и внеклеточный матрикс. . . . . . . . . . . . .  
101
3.3.4. Квантовая модель морфогенеза, не-Архимедово 
пространство и Бомовская динамика. . . . . . . . . . . . .  
103
3.4. Эксперименты по проверке наличия нетривиальных 
квантовых эффектов при взаимодействии 
между биологически важных молекул. . . . . . . . . . . . . . . . . .  
108

Глава 4. Направленная эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
111

4.1. Основные положения теории направленной эволюции. . . . .  
111
4.2. Априорная информация, NP-полные задачи 
и формула Байеса для эволюции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
4.3. Видообразование в рамках направленной эволюции. . . . . . .  
126
4.3.1. Видообразование в рамках дарвиновской теории 
и его проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
127
4.3.2. Скорость эволюции видов. Быстрая эволюция  . . . . .  
131
4.3.3. Механизмы видообразования и молекулярное 
распознавание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
132
4.3.4. Теорема Фишера и механизм пересечения оврагов  . .  
135
4.3.5. Происхождение генетического алфавита  . . . . . . . . . .  
138
4.3.7. Молекулярное распознавание окружающей среды 
и направленная эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
139
4.4. Механизмы направленной эволюции 
и некоторые свойства живых систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
142
4.4.1. Молекулярные часы и направленная эволюция . . . . .  
142
4.4.2. Генетическое разнообразие и существование 
полов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
146
4.4.2.1. Evolvability и робастность   . . . . . . . . . . . . . . .   146
4.4.2.2. Существование полов и горизонтальный 
перенос генов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   151
4.4.3. Красная Королева . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
156
4.4.4. Конечное время жизни организмов как следствие 
частичной направленности эволюции  . . . . . . . . . . . .  
160

Оглавление

4.4.5. Эффект Болдуина и фенотипическая пластичность . .  
163
4.5. Направленная эволюция морфологических структур. . . . . . .  
165
4.5.1. Программа Evo-devo и ее проблемы  . . . . . . . . . . . . .  
166
4.5.2. Критические шаги в эволюции и морфогенез  . . . . . .  
167
4.5.3. Сложность некоторых эволюционных 
приспособлений и механизмы их возникновения  . . .  
171
4.5.4. Направленная эволюция и механизм образования 
форм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
179
4.5.5. Самоорганизация, генетическая модульность 
и механизмы эволюции биосистем  . . . . . . . . . . . . . .  
181
4.6. Направленная эволюция экосистем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
182
4.6.1. Сигнальные молекулы как переносчики 
информации в экосистемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
183
4.6.1.1. Сигнальные молекулы и их роль 
в экосистемах   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   183 
4.6.2. Квантовая модель распознавания биологически 
важных молекул в экосистемах  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
187
4.6.3. Эволюция экосистем и происхождение сложности. 
Нейтральность в экосистемах  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
189
4.6.4. Генетическое разнообразие и устойчивость 
экосистем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
195
4.6.5. Мутуализм и симбиоз. Хрупкость симбиоза. . . . . . . .  
198
4.6.6. Обобщенная Гея. 
Экосистема как суперорганизм?  . . . . . . . . . . . . . . . .  
204
4.7. Новый синтез, расширенный синтез 
и направленная эволюция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
205
4.8. Эксперименты по проверке теории направленной 
эволюции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
207
4.9. Часто задаваемые вопросы и замечания  . . . . . . . . . . . . . . . .  
209

Глава 5. Новая когнитивная парадигма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
213

5.1. Движение и его сложность на молекулярном уровне  . . . . . .  
215
5.1.1. Мышечные клетки как основа движения. . . . . . . . . .  
215
5.1.2. Даже простейшие формы движения 
имеют квантовую основу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
217
5.2. Концепции поведения животных. 
Классификация поведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
218
5.2.1. Инстинкт и врожденное поведение . . . . . . . . . . . . . .  
218
5.2.2. Виды и условия обучения животных . . . . . . . . . . . . .  
221
5.2.3. Павловские рефлексы и кибернетика  . . . . . . . . . . . .  
222
5.2.4. Обучение и нейропластичность . . . . . . . . . . . . . . . . .  
224
5.3. Интеллект животных. Инстинкт или обучение на опыте? . . .  
227
5.3.1. Импринтинг и распознавание . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
227
5.3.2. Метод проб и ошибок. 
Байесовский классификатор  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
228
5.3.3. Когнитивные модули. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
230

Оглавление
6

5.3.4. Интеллект животных: концепции, обобщения, 
инсайт. Инстинкт или обучение на опыте?  . . . . . . . .  
232
5.3.5. Социальное обучение и проблема распознавания  . . .  
235
5.3.6. Проблема приобретения знаний  . . . . . . . . . . . . . . . .  
237
5.3.7. Концепция врожденных программ 
поведения животных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
240
5.4. Проблема приобретения знаний 
и человеческое мышление  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
242
5.4.1. Обучение в искусственных системах  . . . . . . . . . . . . .  
242
5.4.2. Китайская комната Сирла. Теорема Геделя, 
возражения против сильного ИИ 
и проблема приобретения знаний  . . . . . . . . . . . . . . .  
248
5.4.3. Создание концепций, обобщение 
и индуктивная логика  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
253
5.4.4. Метаматематика и мышление. 
Что означают доказательства теорем?  . . . . . . . . . . . .  
259
5.4.5. Язык мышления и врожденные грамматики  . . . . . . .  
265
5.4.6. Может ли нейрофизиология дать ответ 
на вопрос о понимании и мышлении?. . . . . . . . . . . .  
267
5.5. Квантовый метаязык и врожденные программы 
поведения человека  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
270
5.5.1. Квантовый метаязык . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
270
5.5.2. Квантовые эффекты в работе нейронов. . . . . . . . . . .  
275
5.5.3. Квантовая модель нейрогенеза и образования 
связей между нейронами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
278
5.5.4. Квантовая модель работы нейрона 
и проблема обучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
281
5.5.5. Физическая основа мышления: топология, 
управление и виртуальные частицы . . . . . . . . . . . . . .  
285
5.5.6. Феномен сознания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
288
5.6. Эволюция поведения и возникновение сложности . . . . . . . .  
290
5.6.1. Проблемы эволюционного возникновения 
сложного поведения. Пчелы, шалашники 
и хомячки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
290
5.6.2. Эволюция жгутиков бактерий 
и полета насекомых. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
294
5.6.3. Выход рыб на сушу. Как змеи начали ползать? 
Как птицы начали летать? Выход рыб на сушу  . . . . .  
296
5.6.4. Происхождение языка и знаков животных 
и человека. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
300
5.6.5. Гандикап и сверхстимулы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
303
5.6.6. Происхождение морали и культуры. 
Социобиология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
304
5.6.7. Направленная эволюция поведения 
и интеллекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
308
5.7. Эксперименты по проблеме приобретения знаний . . . . . . . .  
310
5.8. Часто задаваемые вопросы: интеллект  . . . . . . . . . . . . . . . . .  
310

Оглавление

Глава 6. Вселенная как суперорганизм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
312

6.1. Число обитаемых планет во вселенной. 
Редкая или обычная Земля? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
312
6.2. Определения жизни и нерешенные вопросы 
ее возникновения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
317
6.3. Гея, антропный принцип и цивилизации . . . . . . . . . . . . . . .  
319
6.4. Направленная эволюция жизни во вселенной. . . . . . . . . . . .  
325
6.5. Квантовая вселенная и большой отскок . . . . . . . . . . . . . . . .  
328
6.5.1. Проблемы стандартной космологической 
модели и их решение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
329
6.5.2. Не-инфляционные модели, 
большой отскок и жизнь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
333
6.6. Вселенная как суперорганизм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
336

За к лю ч ен и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
344

Приложение 1. Информация, измерения и эволюция . . . . . . . . . . . . .  
346

Приложение 2. Не-Архимедов анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
348

Приложение 3. Сходство между эволюцией и вычислением  . . . . . . . .  
349

И с то чн и к и рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
351

Сп и с о к  ли тературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
353

Посвящается моей семье

ВВЕДЕНИЕ

 «Сформулируйте то, что правильно, изложите это наиболее понятным образом, и боритесь за это 
до конца»

Людвиг Больцман

«Бездумное поклонение авторитетам есть злейший враг истины».

Альберт Эйнштейн

Дарвиновская теория эволюция считается общепринятой уже около 150 лет, однако многие вопросы эволюции в 
настоящее время остаются нерешенными. В частности, остается 
нерешенным главный вопрос — как в процессе эволюции возникли 
столь сложные организмы?
Перечислим основные нерешенные проблемы эволюции, имея 
в виду, что они часто являются проблемами биологии в широком 
смысле. 
Согласно современной эволюционной теории, основными механизмами возникновения видов являются мутации, отбор и горизонтальный перенос генов. При этом предполагается, что мутации генов 
не только случайные, но и представляют собой достаточно сложный 
процесс замены целых блоков нуклеотидов, а также использования 
уже ранее существовавших генов. В то же время основным постулатом 
дарвинизма, а также современной эволюционной теории является 
априорная ненаправленность эволюции. Это означает, что какими 
бы ни были мутации, они не направлены заранее на создание какихто «хороших» комбинаций нуклеотидов. Иначе говоря, эволюция 
не имеет целей.

Введение

Однако понятие «случайность» по отношению к мутациям не 
точно определено. Различная его трактовка разными авторами приводит к противоречиям. Что означают случайные или неслучайные 
события в контексте эволюции? Как считать вероятности тех или 
иных эволюционных процессов? Могут ли в рамках современной 
теории быть объяснены такие феномены как старение или происхождение полов? 
Как известно, геномы все известных на сегодняшний день организмов очень велики. Даже геномы простейших бактерий имеют 
примерно 106 нуклеотидов (геном человека содержит 2×109 пар нуклеотидов). Поскольку нуклеотидов 4 вида (A, T, G и C) то полное 
число вариантов такого генома составит примерно

 
41000000.

Это число столь велико, что не может быть перебрано за время 
существования Вселенной никаким способом. Как в таком случае 
природа решает проблему перебора столь большого числа вариантов? 
Современная теория считает, что это можно сделать блочно-модульным способом, перебирая не нуклеотиды, а их большие блоки.
Однако при этом возникает дилемма:
либо мутации априорно (заранее) никуда не направлены, но 
тогда не понятно, как выбрать подходящие блоки;
если же пользоваться блочным методом, то он может быть 
эффективным только в случае, когда заранее известно, какие 
сочетания нуклеотидов окажутся хороши. Это, однако, противоречит духу дарвинизма, поскольку для этого необходимо 
априорное знание. 
Таким образом, природа решает задачу возникновения сложных 
систем каким-то другим способом.
Когда в процессе эволюции возникли сложные организмы, стало 
важно рассматривать их поведение. Принято считать, что часть поведения организмов (в том числе — человека) является врожденной, 
а часть обусловлена обучением. В результате обучения животные 
приобретают знания, необходимые для выживания в меняющейся 
окружающей среде. Однако механизм обучения остается далеко не 
ясным.
Чем обусловлен сам процесс приобретения знаний? Существуют ли 
программы для такого процесса? Если да, то, что они должны включать в себя? Что такое «способность к обучению»? Является ли такая 
способность универсальной? Может ли она быть формализована?

−

−

Введение
10

Возникающие вопросы имеют прямое отношение к человеческому мышлению. Откуда берутся, например, такие его свойства, как 
обобщение, индукция, откуда берутся знания? На вопрос Канта, 
заданный им 240 лет назад «Как возможны синтетические суждения 
априори?», ответ до сих пор не получен.
Все живые организмы в конечном итоге состоят из биологически важных молекул, таких как белки, РНК, ДНК. Взаимодействие 
между ними осуществляется в клетках очень точно, несмотря на 
хаотическое движение молекул. Такие микроскопические устройства, выполняющие полезную работу на уровне молекул, называются 
молекулярные машины.
Почему они работают так точно? Проблема состоит в том, что во 
многих случаях биологически важные молекулы обладают большим 
числом степеней свободы. В этом случае гораздо более вероятно 
образование из них неэффективных комплексов, запутывание, склеивание и т.д.
Наконец, теория эволюции жизни на Земле должна быть естественным образом согласована с эволюцией Вселенной. Является ли 
возникновение и дальнейшая эволюция жизни во Вселенной случайностью или это закономерный процесс? 
Перечисленные проблемы с необходимостью ставят вопрос о том, 
понимаем ли мы, что такое жизнь? Необходима ли какая-то новая 
теория жизни? В связи с этим приведу отрывок из воспоминаний 
А.Д. Сахарова о И.Е. Тамме (лауреате нобелевской премии по физике), который очень точно характеризует представления большинства 
ученых о жизни:
«В то время он часто говорил о биологии…. Но к его тезису, 
что для объяснения явлений жизни необходимы какие-то совершенно новые принципы, быть может, даже физические, столь же 
кардинальные, как квантовая механика, я относился настороженно. 
Я спорил с ним, говорил, что иерархически организованная стереохимия, действующая по правилу ключ-замок, плюс электрохимия 
в качестве украшения — вполне достаточная база для осуществления процессов жизни (так же как любой самый примитивный 
алфавит — вполне достаточная база для выражения самых сложных 
мыслей)» (Сахаров, 2011).
Мнение Сахарова очень широко распространено среди ученых, 
однако, как будет показано в этой книге, в конечном итоге прав 
оказался именно Тамм — для понимания жизни действительно необходима совершенно новая теория.