Магия эволюции с разоблачением.

На форуме "глобальная авантюра" (https://glav.su/forum/) есть пользователь Yuri Rus (Юрий Романчиков, биолог), который, однажды, решил рассказать про теорию эволюции.

ч 1. Вероятность же того, что обезьяны напечатают, скажем, Евгения Онегина путем произвольного тыканья в машинку, легко подсчитать и без всякого суперкомпьютера. Это всего лишь  1 / N^к , где N - число разных знаков, использованных в тексте, а К - число всех знаков, включая пробелы. Пушкин использовал не только русский алфавит (_{который в его время был длиннее, чем после революции, не то 35 букв, если без ё и й, не то 37, если с ними}), но и французский (_{включающий 26 латинских букв и 14 диакритических знаков}), а также цифры (10) и знаки препинания ( _{. , ( ) - : ; ! ? " пробел и новая строка - т.е. 12}). Если разделять заглавные и строчные буквы, то число букв удваивается. Ну пусть русский алфавит Пушкина не включал ё и й, т.е. 35 букв. Тогда 
.
N = 35∙2 + 40∙2 + 10 + 12 = 172.
.
Если мы возьмем текст Евгения Онегина 1837 г. издания отсюда и подсчитаем число букв, то получим 142650 без пробелов и 162235 с пробелами. Нам нужно с пробелами. Итак, мы имеем 
.
N^к = 172¹⁶²²³⁵
.
Давайте сведем это к степеням 10. Я сегодня добрый и согласен уменьшить N от 172 до 160, поскольку 
.
16 = 2⁴,  а  2¹⁰ ≈ 10³. 
.
N^к ≈ 160¹⁶²²³⁵ = 10¹⁶²²³⁵ * 16¹⁶²²³⁵ = 10¹⁶²²³⁵  * 2⁴⁽¹⁶²²³⁵⁾ ≈ 10¹⁶²²³⁵*10³⁽⁶⁴⁸⁹⁴⁾ = 10³⁵⁶⁹¹⁷.
.
На самом деле, несколько больше, но неважно.
.
Давайте возьмем миллиард обезьян, которые каждую секунду будут тыкать по клавишам без отдыха на протяжении, скажем, одного года. Сколько знаков они напечатают? Один год содержит чуть больше 30 миллионов секунд, помножим на миллиард, получим...
.
Целых 3* 10 ¹⁶. И сколько лет понадобится нашему миллиарду обезьян, чтобы напечатать Евгения Онегина?
.
Всего 3∙10³⁵⁶⁹⁰⁰ лет.

Кстати, если это непонятно: мы можем взять вместо обезьян миллиард суперкомпьютеров с производительностью 1 квинтиллион флопс (таких еще нет, предполагается, что в следующем году этот рубеж будет достигнут. То есть способных, грубо говоря, тыкать на клавиши квинтиллион (10¹⁸) раз в секунду. Ура! Им понадобится... 3∙10³⁵⁶⁸⁸³ лет. 
.
Нет, миллиарда мало. Возьмем квинтиллион суперкомпьютеров! Нет, квинтиллион квинтиллионов квинтиллионов квинтиллионов!  Точно. Наверняка хватит.
.
Что? 3∙10³⁵⁶⁸¹⁰ лет? 
.
А вот физики говорят, что во Вселенной порядка 10 ⁸⁰ элементарных частиц (врут, наверно). Возьмем 10 ¹⁰⁰ суперкомпьютеров! Нет, 10 ¹⁰⁰⁰ суперкомпьютеров, с производительностью у каждого 10 ¹⁰⁰⁰ тыканий по клавишам в секунду! Сколько им понадобится времени на Евгения Онегина?
.
3∙10 ³⁵⁴⁹⁰⁰ лет. 

Возьмем аналогичный пример. У человека один набор хромосом содержит примерно 3 миллиарда пар оснований, два набора - 6 миллиардов. Какова вероятность того, что случайным перебором на компьютере мы получим точную последовательность ДНК, скажем, стрелка?

_{( прим. "стрелок" - это имя пользователя с форума)}

Эта вероятность будет равна, опять же, 1 / N^к, где  N - число разных нуклеотидов, т.е. 4, а К - длина ДНК хромосом, т.е. 6000000000. 
.
N^к = 4⁶⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰ ≈ 10³⁶⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰.
.
Это настолько большое число, что его можно считать практически бесконечностью, а вероятность найти эту последовательность случайным перебором равна, для всех практических целей, нулю. Потому что как бы вы ни увеличивали мощность суперкомпьютеров, их число и время на перебор, вы лишь незначительно уменьшите показатель степени (т.е. К) показательной функции N^к. Вы увеличите мощность, или число, или время в миллиард (10⁹) раз - вы уменьшите К всего на 9. Увеличите в 10¹⁰⁰ раз - уменьшите К на 100. Но на самом деле, в нашей Вселенной вам не достичь 10¹⁰⁰ и тем более 10¹⁰⁰⁰, это я просто для наглядности.
.
Тем не менее, уменьшим N^к в 10¹⁰⁰⁰ раз:
.
N^к / 10¹⁰⁰⁰ = 10³⁵⁹⁹⁹⁹⁹⁰⁰⁰.
.
И сильно нам это помогло?

А уникальность стрелка несколько выше. Стрелок ведь в настоящее время состоит не из одной клетки и не только из ДНК. Вероятность возникновения стрелка - та самая 1 / N^к. Здесь N отражает число разных элементов организма. Вообще говоря, это не только разные атомы (почти вся таблица Менделеева), но и разные их состояния, скажем, разные изотопы, ионизированные или нейтральные атомы, разные возбужденные состояния электронов этих атомов, и т.д. Но для простоты примем, что N равно 100. 
.
Теперь К - число этих атомов. Обратите внимание, что в отличие от текста Евгения Онегина или последовательности нуклеотидов в хромосомах, которые линейны, атомы характеризуют пространственные координаты (3) и скорости (по 3 координатам), причем величина скоростей может варьировать в широком диапазоне. Но мы этим великодушно пренебрежем и будем учитывать только общее число атомов, как будто они расположены в одну линию. Грубо оценить число атомов в теле стрелка можно, разделив объем стрелка (пусть 75 литров) на средний объем одного атома (пусть 3 кубических ангстрема). 1 литр = 10²⁷ куб. ангст. Значит, К = 2.5∙10²⁸.
.
Итак, N^к = 100²⁵⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰ = 10⁵⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰.
.
На самом деле, напоминаю, намного больше, потому что и число атомов в разных состояниях мы не учитываем, и тем более их трехмерные координаты и скорости. Но может быть, и этого достаточно, чтобы прочувствовать, что значит выражение "практически невероятно"?
 

ч. 2 Проблема самопроизвольного возникновения сколь угодно сложных живых систем делится в теории эволюции на две довольно независимых части.

Первая, самопроизвольное возникновение первой живой клетки.

Вторая, дальнейшая эволюция потомков этой первой клетки.

Так вот, со второй частью особых проблем, концептуально во всяком случае, можно сказать, и нет. Те, что есть, вполне разрешимы. А вот с первой частью проблемы есть, и серьезнейшие. Именно здесь, кстати говоря, ученые часто используют расчеты вероятности образования биополимеров путем случайного перебора всех возможных комбинаций, подобные тем, что я приводил выше. И некоторые авторы (не только креационисты) делают из таких рассуждений вывод. что жизнь не могла возникнуть самопроизвольно.
.
Немного позже, я о возникновении первых клеток буду много писать - но подробности потом.

^{К сожалению, далее, автор "о возникновении первых клеток" - ничего не сообщил. По крайней мере, я этого не нашёл}

Сейчас же о том, как теория эволюции объясняет последовательное усложнение живых существ, то, что выше описывалось как "практически невероятные" явления (та самая экспонента, которая "больше бесконечности").

Очень просто - эволюция побеждает экспоненту экспонентой, многократным применением последовательности Мутации - Размножение - Естественный Отбор. Проиллюстрирую это на следующем примере.
.
Допустим, у нас есть 10¹² примитивных бактерий (это не так уж много для бактерий, кстати говоря), которые делятся 1 раз в сутки. Пусть вероятность мутаций у этих бактерий равна 10⁻⁵, т.е. при каждой репликации ДНК один нуклеотид из каждых ста тысяч будет заменен на другой. Предположим, для простоты (это необязательно), что размер популяции бактерий поддерживается постоянным, часть из них все время гибнет, в том числе из-за неблагоприятных мутаций; большинство же мутаций нейтральны, не меняют жизнеспособность клеток. Рассмотрим, что произойдет с популяцией бактерий, если одна из мутаций приводит к увеличению вероятности выживания клеток на 10%, т.е. в 1.1 раз. 
.
Можно ожидать, что какое-то время число имеющих эту мутацию клеток будет экспоненциально расти в общей популяции. Вначале их было 1 / 100000 доля популяции, т.е. 10⁷ клеток.
.
Через 10 дней, их станет больше примерно в 2.6 раз, т.е. 2.6∙10⁷ клеток. 
Через 20 дней, в 6.7 раз - 6.7∙10⁷. 
Через 40 дней, в 45 раз - 4.5∙10⁸. 
Через 80 дней, в 2000 раз - 2∙10¹⁰. 
Через 100 дней, в 14000 раз - 1.4∙10¹¹. 
.
Это уже сравнимо с общим числом клеток в популяции, поэтому рост доли клеток с данной мутацией замедлится. Тем не менее, можно ожидать, что менее чем за полгода эта мутация распространится практически по всей популяции, она "выживет" исходные клетки, не имеющие ее.
.
Допустим далее, что есть еще одна мутация, которая приводит к увеличению вероятности выживания клеток на 10%. Она также начинает распространяться в популяции - и через полгода почти вся популяция содержит уже 2 полезных мутации. Затем третья мутация, четвертая, и т.д. За тысячу лет, при довольно неспешной скорости делений (современные бактерии могут делиться каждые 20 мин), мы получим 2000 последовательных мутаций, каждая из которых увеличила выживаемость клеток (или, скажем, повысила скорость делений) на 10%. Без размножения и естественного отбора, путем случайного перебора, вероятность получить эти 2000 мутаций в одной клетке составила бы  (10⁻⁵)²⁰⁰⁰ = 10⁻¹⁰⁰⁰⁰. А у нас в запасе не тысяча лет, а несколько миллиардов. И бактерий на планете намного больше, чем 10¹². Проблема решена?
.
Можно привести здесь такую аналогию. Из книг и фильмов мы узнали, что когда медвежатник хочет вскрыть сейф с цифровым замком, он не перебирает все возможные комбинации подряд (скажем, замок с 9 цифрами имеет 10⁹ комбинаций). Медвежатник подбирает каждую цифру по отдельности - он поворачивает колесико, пока не услышит щелчок, слегка отличающийся от остальных. Допустим, ему нужно в среднем 2 оборота колесика на угадывание каждой цифры. Тогда ему понадобится 20∙9 = 180 попыток, а не 10⁹.
.
В приведенном выше примере, эволюция "подбирала каждую мутацию" по отдельности - последовательно. И все бы хорошо, но есть нюанс... Мутации не происходят последовательно, они происходят одновременно. И естественный отбор на самом деле приводит к совсем другим результатам. Рассмотрим чуть усложненный пример.
.
В той же самой популяции из 10¹² бактерий, которые делятся 1 раз в сутки и имеют вероятность мутаций 10⁻⁵, происходят одновременно 100 разных полезных мутаций, каждая из которых увеличивает вероятность выживания клеток на 10%. Что произойдет?
.
Вначале - почти то же самое. Возникнут 100 субпопуляций с разными полезными мутациями, состоящие из 10⁷ клеток каждая. Затем число клеток в этих субпопуляциях (напомню, что размер популяции бактерий поддерживается постоянным) начнет увеличиваться, вначале по тому же экспоненциальному закону: 10⁷∙1.1^к, где К - число делений. Увеличиваться - за счет снижения доли "диких" (wildtype), исходных клеток. А потом эти исходные клетки почти исчезнут из популяции и менее чем через 3 месяца останутся 100 субпопуляций клеток, все имеющие по одной полезной мутации и все имеющие равную вероятность выживания. То есть не имеющие никаких преимуществ друг перед другом. Каждая из этих субпопуляций, соответственно, будет состоять примерно из 10¹⁰ клеток (одна сотая от 10¹²).
.
Этим все, разумеется, не закончится - мутации продолжаются и каждая субпопуляция содержит некоторое количество клеток с 2 мутациями (и даже с 3, но их пока что слишком мало). Приближенно, будем считать, что каждая субпопуляция, кроме клеток с 1 мутацией, включает в свой состав 99 субпопуляций с 2 мутациями, состоящих из примерно 10⁵ клеток каждая (10¹⁰ клеток помножить на вероятность мутации 10⁻⁵). 
.
За следующие 3 месяца, клетки с 2 мутациями практически вытеснят клетки с 1 мутацией. Популяция клеток к этому времени будет состоять, преимущественно, из 9900 субпопуляций клеток с 2 мутациями, каждая содержащая примерно 10⁸ клеток. 
.
Еще через 3 месяца, мы будем иметь 970200 субпопуляций клеток с 3 мутациями, каждая содержащая примерно 10⁶ клеток. 
.
Еще через 3 месяца, 94109400 субпопуляций клеток с 4 разными мутациями, каждая содержащая примерно 10⁴ клеток. 
. 
А дальше? А дальше полезные мутации будут продолжать накапливаться, но приводить они будут к все большей дивергенции клеток популяции. Они будут эволюционировать в разных направлениях, т.е. накапливать разные мутации. Дело еще в том, что "полезных мутаций" может быть далеко не 100, и не 1000, и не 1000000. Их, фактически, бесконечно большое число (для эволюционирующих клеток, геном которых может увеличиваться, в том числе за счет дупликации и дивергенции генов). В отличие от замка сейфа, который имеет только одну правильную комбинацию и ее только надо подобрать. Подумайте только о миллиардах разных генов разных видов живых существ, как раз и являющихся результатом эволюции посредством мутаций - размножения - естественного отбора.

ч. 3  В чем же здесь проблема? Мы, вроде, и так знали, что эволюция не приводит к возникновению одного-единственного генома?

Проблема (для самопроизвольного зарождения жизни) в том, что все известные нам живые организмы, от бактерий до позвоночных, являются потомками одной-единственной живой клетки. Это видно, прежде всего, из того, что все живые организмы используют один и тот же генетический код (таблицу соответствия аминокислот и тринуклеотидов). А к тому моменту, когда в процессе эволюции от неорганической материи к живым клеткам появился генетический код (возникла очень сложная система транскрипции и трансляции, т.е. передачи информации от ДНК к мРНК и синтезу на этих мРНК белков с использованием рибосом и тРНК), клетки уже были очень сложными. 
.
Так вот, если жизнь возникла там же, где она процветает сейчас, то есть на поверхности Земли в водной среде, совершенно непонятно, почему мы не наблюдаем другие формы гидрофильной жизни? Эволюционирует всегда популяция, а не отдельная молекула, клетка или организм (я об этом буду еще говорить позже, сейчас просто констатирую это как факт). И к тому моменту, когда у клетки - нашего общего родоначальника - сформировался внезапно аппарат трансляции, должна была существовать огромная популяция "протоклеток", которые были очень близки к тому же эволюционнму шагу. Популяция, находящаяся не в одном только месте, а во множестве мест по всей Земле. И в этой популяции должна была существовать огромная генетическая дивергенция, просто в силу того, что эффективность всех каталитических реакций (ферментативных, рибозимных, каких угодно) была в то время еще очень низка (предполагается, что последовавшая эволюция привела к увеличению эффективности всех внутриклеточных процессов).

Нет, кто-то из ученых, наверно, предположит, что до того, как вся эта сложная клеточная система транскрипции-трансляции окончательно была собрана, маленькими шажками, всё это работало очень медленно и неэффективно. А вот когда последний, завершающий штрих был сделан, произошел качественный перелом - и система "взлетела". Скажем, до этого момента протоклетки росли и делились очень медленно, а потом - скорость делений увеличилась в десятки раз и первые живые клетки размножились так быстро, что просто "съели" всех предшественников. 
.
Для кого-то подобное объяснение может показаться заслуживающим внимания, а для меня нет. Потому что я вижу, насколько сложна, взаимоувязана и эффективна та самая система транскрипции-трансляции, которая имеется у всех современных клеток и которая должна была уже существовать у первой клетки-родоначальницы. Идя в прошлое, как вы ни упрощайте эту систему, маленький шажок за маленьким шажком, она еще долгое время будет оставаться очень сложной и весьма эффективной. И на всех этих этапах протоклетки-предшественники были также вполне себе эффективны и конкурентоспособны. И их было много - огромная популяция разных протоклеток.
.
Посмотрите на окружающие нас разнообразные живые существа, вспомните об их эволюции. Когда, в результате особо удачной мутации или изменения внешних условий, какой-то вид получал большое преимущество над другими и активно размножался, все остальные виды не исчезали. Они могли уступить место под солнцем новому лидеру, доминантному виду. Могли уйти в тень, спрятаться где-то, занять малозаметные экологические ниши. Но все прежние виды не исчезали полностью и одновременно никогда. Они адаптировались, пусть как аутсайдеры. Жизнь всегда сохраняла свое огромное разнообразие (что было и залогом ее выживания при резком изменении условий окружающей среды). И мы имеем только один пример, когда этот принцип нарушался - самое начало гидрофильной жизни на Земле, когда, предположительно, все до одного альтернативные варианты жизни просто взяли и исчезли. Так не бывает.
.
Это звучит не очень научно: нравится - не нравится, верю - не верю. Я могу это выразить, наверно, языком математики, при помощи вероятностей и т.п., как я это делал в предыдущих сообщениях. Но сейчас я этого делать не буду (долго). 
.
Закончу так: видимое отсутствие иных форм жизни в нашей (водной) среде обитания, как минимум, использующих другой генетический код, другие нуклеотиды и аминокислоты, свидетельствует о том, что наша гидрофильная углеродная форма жизни возникла в других условиях. Возможно, как результат панспермии - если на какой-то другой планете Солнечной системы или у одной из других звезд мы (наши роботы-разведчики) обнаружим множество форм жизни с разными генетическими кодами, один из которых практически идентичен нашему, то это будет сильным аргументом в пользу того, что когда-то наша Земля была заражена бактериями с этой планеты. _{В сторону - здесь можно вспомнить о Николае Вавилове и мировых центрах происхождения культурных растений, отличающихся самым большим генетическим разнообразием.} 
.
Я же считаю, и буду доказывать это, что углеродная жизнь в нашей Солнечной системе возникла в гидрофобных условиях, внутри Земли (возможно, и внутри Марса, Венеры и других планет), а только потом некие экстремофильные бактерии приспособились жить в водной среде. И наибольшее генетическое многообразие, в том числе использование разных генетических кодов, я ожидаю встретить именно под Землей (вполне вероятно, что там встречается не одна, а много разных форм гидрофобной жизни).
.
Есть, правда, и третий вариант. Другие формы гидрофильной жизни (в основном одноклеточные) на Земле все же есть, просто биологи не умеют пока их найти. Это ведь не так просто - биологи не работают с отдельными клетками, а только с большими их количествами. Клетки сначала надо размножить, прежде чем их можно было исследовать генетически (рассматривание же под микроскопом мало что даст). А как выращивать одиночные клетки, если наши питательные вещества не годятся им в пищу? Но допустим, они вполне могут усваивать сахара и т.п., так что вырастить их смогли. Как узнать, что у них другой генетический код? Для этого надо их клонировать и секвенировать - а как, у них ведь другие нуклеотиды или другой генетический код? К слову, далеко не всегда ученым удается подобрать условия, чтобы размножить и исследовать бактерии. Это просто экспериментальный факт для размышлений.