Текст книги "Приспособиться и выжить!"
Автор книги: Шон Кэрролл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 21 страниц)
Возвращаемся к Дарвину
Дарвин взошел на борт военного английского корабля «Бигль» в декабре 1831 г., в возрасте 22 лет. Это было началом пятилетнего кругосветного путешествия. Основное время корабль провел в районе Южной Америки, где неугомонный капитан Роберт Фицрой зарисовывал и перерисовывал все реки и гавани. Для Дарвина знакомство с животными, растениями, ископаемыми остатками и геологическими породами этого огромного континента стало началом большого пути, который через 20 с лишним лет привел к созданию трактата «О происхождении видов». Труд этот начинается такими словами:
Путешествуя на корабле Ее Величества «Бигль» в качестве натуралиста, я был поражен некоторыми фактами, касавшимися распространения органических существ в Южной Америке, и геологических отношений между прежними и современными обитателями этого континента. Факты эти, как будет видно из последующих глав этой книги, кажется, освещают до некоторой степени происхождение видов – эту тайну из тайн, по словам одного из наших величайших философов. По возвращении домой я в 1837 году пришел к мысли, что, может быть, что-либо можно сделать для разрешения этого вопроса путем терпеливого собирания и обдумывания всякого рода фактов, имеющих какое-нибудь к нему отношение. После пяти лет труда я позволил себе некоторые общие соображения по этому предмету и набросал их в виде кратких заметок; этот набросок я расширил в 1844 году в общий очерк тех заключений, которые тогда представлялись мне вероятными; с того времени и до настоящего дня я упорно занимался этим предметом. Я надеюсь, мне простят эти чисто личные подробности, так как я привожу их затем только, чтобы показать, что не был поспешен в своих выводах.
Эти «краткие записи» заняли 502 страницы и были распроданы за один день – 24 ноября 1859 г.
«До чего же глупо было не додуматься до этого!» – воскликнул знаменитый биолог Томас Хаксли, прочтя книгу Дарвина «О происхождении видов».
Вопреки распространенному мнению, Дарвин не был автором идеи эволюционного развития. Эта идея существовала уже на протяжении нескольких десятилетий, в том числе она была признана в семье самого Дарвина. Его дед, Эразм Дарвин, изложил теорию эволюции в своей книге «Зоономия, или законы органической жизни» (Zoonomia, or the Laws of Organic Life, 1794 г.).
Вовсе не сама идея изменяемости видов так потрясла Хаксли. Произведенное впечатление объяснялось мощью и одновременно интуитивной простотой двух идей, заключавшихся в «наследовании с изменениями» и «естественном отборе», которые предлагались в качестве механизма эволюции живых организмов.
Дарвин провел аналогию между отбором вариантов в процессе одомашнивания животных и борьбой за существование среди слишком многочисленного потомства диких животных:
Можно ли… считать невероятным, чтобы другие изменения, полезные в каком-нибудь смысле для существ в их великой и сложной жизненной битве, появлялись в длинном ряде последовательных поколений? Но если такие изменения появляются, то можем ли мы (помня, что родится гораздо более особей, чем может выжить) сомневаться в том, что особи, обладающие хотя бы самым незначительным преимуществом перед остальными, будут иметь более шансов на выживание и продолжение своего рода? С другой стороны, мы можем быть уверены, что всякое изменение, сколько-нибудь вредное, будет неукоснительно подвергаться истреблению. Сохранение благоприятных индивидуальных различий или изменений и уничтожение вредных я назвал «естественным отбором» [курсив Ш. К.].
«О происхождении видов», глава IV
И затем Дарвин приходит к смелому выводу о том, что этот процесс привел к возникновению всех современных форм жизни от общих предшественников:
Различные группы фактов… по-моему, столь ясно указывают, что бесчисленные виды, роды и семейства, населяющие земной шар, произошли каждый в пределах своего класса или группы от общих прародителей и затем изменялись в течение последовательного развития…
А дальше еще смелее:
Вот в чем заключается суть дарвиновской теории эволюции: естественный отбор мельчайших вариаций создал величайшее разнообразие форм жизни, начав с просто устроенного общего предка. Простая логика, научное бессмертие. Неудивительно, что Хаксли так себя ругал.
Однако в книге Дарвина есть нечто большее, чем эти несколько заключений (к некоторым из которых независимым образом пришел также Альфред Рассел Уоллес[5]5
Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) – знаменитый британский путешественник, биолог и антрополог. – Прим. перев.
[Закрыть] в результате своих исследований в Южной Америке и на Малайском архипелаге). Дарвин представил доказательства. Его труд – это горы и горы наблюдений и фактов, изобретательные эксперименты, умные аналогии и 20 лет подбора профессиональной аргументации.
Мы, биологи, благодарны Дарвину за многое. Безусловно, книга «О происхождении видов» является самой главной книгой в биологии. «Длинный аргумент»[6]6
«Один длинный аргумент: Чарльз Дарвин и генезис современной эволюционной теории» (One Long Argument: Charles Darwin and the Genesis of Modern Evolutionary Thought. Cambridge, 1991) – книга известного дарвиниста Эрнста Майра. – Прим. перев.
[Закрыть] Дарвина превосходно построен, подтвержден великолепным набором фактов и представляет собой пример героического труда, выполненного одним человеком. Эту книгу до сих пор очень легко читать, и в ней по-прежнему чувствуется страсть автора. Однако наследие Дарвина состоит из множества книг, посвященных образованию коралловых рифов, важности полового отбора, биологии орхидей и усоногих раков и многому другому. Это пример того, как многого могут достичь в жизни талантливые и трудолюбивые люди.
Но почему же великие идеи Дарвина встретили такое сопротивление?
Покажите нам этапы эволюции
Сам Дарвин очень хорошо понимал и предвидел многие вопросы и возражения, которыми могло быть встречено появление его теории. В большинстве своем нападки на его идеи, конечно же, шли со стороны людей, которые считали его взгляды на историю жизни отталкивающими и унизительными без всякой научной подоплеки. Большинство ученых быстро восприняли идею эволюции, то есть идею об изменчивости видов. Но даже сторонникам Дарвина было трудно воспринять предложенный им механизм того, как эти изменения происходят.
Задуматься над механизмом было вполне резонно. Я полагаю, что многие ученым и простым людям поначалу стоит немалого труда свыкнуться с дарвиновским видением естественного отбора, известного также как идея о «выживании наиболее приспособленного». Заметим, кстати, что эту знаменитую формулировку придумал не Дарвин, а философ Герберт Спенсер. Это выражение по совету Уоллеса появилось только в пятом издании книги Дарвина, вышедшем в 1869 г. Процесс эволюции по Дарвину основывался на трех главных элементах: изменчивость, отбор и время. Каждый из них требовал объяснения и доказательства, и каждый мог вызывать недоверие. По существу, Дарвин просил своих читателей представить себе, как слабые изменения (причина которых была неизвестна и невидима) могут отбираться (в ходе невидимого процесса, который нельзя было измерить) и накапливаться на протяжении такого периода времени, который лежит за пределами человеческого опыта. Дарвин эту трудность понимал:
Главной причиной естественного нежелания допустить, что какой-либо вид дал начало другому, не сходному с ним виду, заключается в том, что мы всегда неохотно допускаем существование великих перемен, отдельных стадий которых мы не в состоянии уловить [курсив Ш. К.]. Это затруднение совершенно сходно с тем, которое испытывали геологи, когда Лайель[7]7
Чарльз Лайель (1797–1875) – крупнейший шотландский ученый, основоположник современной геологии. – Прим. перев.
[Закрыть] выдвинул впервые свое утверждение о том, что длинные ряды внутриматериковых скал и глубокие долины являются результатами деятельности факторов, которые мы и теперь еще видим в действии. Наш разум не может схватить полного смысла, связанного с выражением «миллион лет»; он не может подвести итог и усмотреть конечный результат многочисленных легких изменений, накоплявшихся в течение почти безграничного числа поколений.
Известный биолог и писатель Ричард Докинз указывает, что концепция естественного отбора обманчиво проста: «Как будто человеческий мозг специально создан таким образом, чтобы неправильно понимать теорию Дарвина и не верить в нее». Роль факторов случайности (в создании новых вариантов) и отбора (в наследовании признаков) очень легко понять неправильно. Роль случая часто очень сильно преувеличивают (иногда противники теории эволюции делают это умышленно), чтобы показать, что эволюция имеет совершенно случайный характер и что упорядоченность и усложнение – также результат случайности. Но это абсолютно неверно. Отбор, который не является случайным, определяет, какие из случайных вариаций будут сохранены. Только накапливающий отбор («сложение» в терминах Дарвина) вариаций приводит к усложнению и разнообразию, причем за такой период времени, который мы, люди, едва ли можем вообразить. Идея естественного отбора смущала даже сторонников Дарвина. Люди с трудом могут поверить в то, что отбор является настолько мощным механизмом, что способен распознавать и накапливать слабые изменения.
Лишь спустя примерно 50 лет после появления книги «О происхождении видов» биологи смогли разобраться во взаимодействии факторов вероятности, отбора и времени. Интересно, что окончательно убедиться в том, что естественный отбор, по крайней мере в теории, представляет собой достаточно мощный и быстрый механизм, способный направлять ход эволюции, биологам (даже самым сомневающимся) помогла математика – та самая «бытовая» математика, которая позволяет нам рассчитывать вероятность выигрыша в казино или в лотерее, а также оценивать прибыльность банковских вкладов.
Но математика работает лишь до определенного предела. Вспомните историю о Йохане Рууде и бескровной антарктической рыбе: многие из нас готовы поверить и понять, только если увидят собственными глазами. Мы хотим видеть, как работает эволюционный процесс. Мы хотим иметь возможность видеть, измерять и отслеживать этапы, пройденные эволюцией на пути от одного вида к другому.
И вот теперь, спустя 140 лет, мы можем это сделать.
Следы эволюции в ДНК
Теперь мы знаем, что каждый шаг эволюции учтен и записан в ДНК. Каждое изменение или новый признак – от антифриза белокровных антарктических рыб до изумительных оттенков альпийских цветов и наших крупных, наполненных мозгом черепов – является результатом одного или многих (иногда очень, очень многих) постепенных изменений в ДНК, которые мы теперь имеем возможность обнаружить. Некоторые из этих изменений малюсенькие – всего лишь замена одного основания ДНК в одном гене. Другие гораздо серьезнее и связаны с появлением (или потерей) целых генов или групп генов.
Мы получили возможность проследить за этими изменениями благодаря недавнему прорыву в наших знаниях о генах различных видов организмов и их геномах (полном наборе ДНК организма). Всего лишь несколько лет назад ученые расшифровали простые геномы бактерий и дрожжей, и вот уже одно за другим стремительно появляются сообщения о прочтении геномов таких сложных организмов, как шимпанзе, собаки, киты и различные растения. Уникальная последовательность ДНК каждого организма содержит полную информацию о нем нынешнем. Это перечень всех генов, необходимых для его создания и функционирования.
Но текст ДНК – это еще и окошко в близкое и далекое прошлое. Определение генома первого представителя какой-либо группы организмов прокладывает путь для гораздо более быстрого анализа геномов его родственников. Сравнивая гены и геномы организмов с разной степенью родства, мы можем обнаружить важные различия и найти следы естественного отбора. Кому-то эта картина поубавит спеси, а кого-то восхитит. Мы можем вернуться на несколько миллионов лет назад и проследить за эволюционными изменениям в той ветви, что ведет к нам от общего предка с шимпанзе, нашим ближайшим родственником на планете. Мы можем вернуться на 100 млн лет назад и увидеть точку, в которой появилось различие между сумчатыми и плацентарными млекопитающими. Мы можем бросить взгляд в еще более давнее прошлое, когда животных еще не существовало, и найти сотни генов простейших одноклеточных организмов, которые появились более 2 млрд лет назад, но все еще выполняют ту же самую работу для нас с вами.
Возможность поэтапного наблюдения меняет наше отношение к процессу. На протяжении сотни с лишним лет мы были ограничены наблюдением только внешних проявлений эволюции. Мы разглядывали окаменелости и сравнивали их с данными современной анатомии. Но до наступления молекулярной эры у нас не было возможности проводить сравнительный анализ видов на генетическом уровне. Мы могли изучать воспроизводство и выживание организмов и делать заключения о том, какие факторы влияют на эти процессы. Но у нас не было конкретных знаний о механизме изменчивости и о значимых признаках, определяющих различия между видами. Да, мы знали, что итогом эволюции является выживание наиболее приспособленного, но мы не знали, как создается этот наиболее приспособленный. Механизм любого сложного устройства (машины, компьютера, космического корабля) становится намного понятнее, если мы знаем, как оно сделано и чем каждая модель отличается от предыдущих версий. Мы уже не дикари, которые в изумлении провожают взглядом проплывающие мимо корабли.
Основное внимание в книге я уделяю объяснению того, как с помощью последовательности ДНК можно увидеть механизм эволюции в действии. Мы с вами увидим, как возникли некоторые наиболее интересные и важные способности многих удивительных существ. Книга состоит из трех основных частей. Я представляю их себе в виде трех составляющих хорошей, запоминающейся трапезы: небольшое вступление, обильная еда и полезная беседа. Сначала, чтобы подготовиться к вкушению пищи, я хотел бы объяснить вам суть основных ингредиентов эволюции – изменчивости, отбора и времени – и рассказать, каким образом они взаимодействуют, создавая наиболее приспособленные организмы.
Лауреат Нобелевской премии сэр Питер Медавар[9]9
Питер Медавар (1915–1987) – британский зоолог и иммунолог. – Прим. перев.
[Закрыть] однажды заметил, что «причины, заставившие всех без исключения профессионалов принять теорию эволюции, в большинстве своем настолько тонкие, что вряд ли могут быть поняты непрофессионалами».
Я не думаю, что это так. Но если это правда, то проблема заключается в неумении самих ученых доступно объяснить способность естественного отбора в сочетании с долгими временными интервалами создавать живые существа, большие и малые – от кита до бескровной ледяной рыбы.
Чтобы заполнить этот пробел, я постараюсь объяснить «бытовую математику» эволюции (глава 2). Это лучший способ почувствовать силу естественного отбора и поспорить с некоторыми ошибочными аргументами относительно вероятности эволюционных событий. В популярных изложениях теории эволюции эта простая математика обычно не приводится. Однако ее важно усвоить не только для того, чтобы поверить в возможность естественного отбора, но и для того, чтобы понять суть взаимодействия факторов изменчивости, отбора и времени. Я знаю, вы скажете: «Математика?! Только не это!» Не беспокойтесь, она проста. По меньшей мере эта глава поможет вам стать более успешным игроком или вкладчиком.
Основное содержание книги я представляю в виде обеда из шести блюд (шести глав). Каждая из них призвана показать, как новая информация, полученная из расшифровки ДНК, отражает тот или иной аспект эволюции. Мы познакомимся с доказательствами нового рода, о которых ни сам Дарвин, ни его математически одаренные ученики не могли и мечтать.
Сначала я расскажу о том, как в ДНК отражается процесс естественного отбора и наследования с изменениями в масштабе долгих геологических эпох. Я представлю неоспоримые доказательства того, что естественный отбор устраняет, говоря словами Дарвина, «вредные изменения» (глава 3). Доказательством является сохранение определенных генов во всех царствах живых организмов на протяжении 2 млрд лет или более. Содержание этих «бессмертных» генов остается неизменным в результате строгого контроля, осуществляемого естественным отбором. Бессмертные гены – это не просто стойкие борцы против нескончаемых мутаций, происходивших на протяжении всего этого времени, они являются важнейшим доказательством происхождения всех живых организмов от общих предков и дают нам новую возможность реконструировать ранние эволюционные события.
Затем я обращаюсь к рассмотрению очень важного вопроса о том, каким образом организмы приобретают новые признаки и более тонким образом настраивают уже существующие (глава 4). Я продемонстрирую это на нескольких замечательных примерах, касающихся происхождения и эволюции цветового зрения у животных. Цветовое зрение и его тонкая настройка играют важнейшую роль в жизни животных, в том, как они находят еду, партнеров и других себе подобных при свете, в темноте и в глубинах океана. Этапы развития и настройки цветового зрения на уровне ДНК особенно хорошо изучены и отлично показывают, как естественный отбор влияет на эволюцию генов.
Эти примеры эволюции в природе убедительно демонстрируют отдельные эпизоды и механизмы эволюционного процесса. Они подтверждают теорию, существующую уже много десятилетий. Однако дело обстоит гораздо интереснее: анализ ДНК преподносит нам и некоторые сюрпризы – неожиданную информацию, которая позволяет по-новому взглянуть на процесс эволюции. Такая информация – настоящий клад.
Изучение истории жизни на Земле в значительной степени основано на традиционном анализе окаменелостей – так вот, при анализе ДНК биологи тоже нашли определенный род окаменелостей – ископаемые гены (глава 5). Как осадочные породы содержат в себе следы древних форм жизни, которых больше не существует, так и в ДНК всех видов организмов содержатся гены (иногда исчисляемые сотнями), которые больше не используются и находятся на разных стадиях распада. Эти ископаемые гены, как те, о которых мы говорили в связи с ледяной рыбой, могут многое поведать о древних организмах и о том, в чем образ жизни их потомков стал иным. Наши с вами ископаемые гены рассказывают, чем мы отличаемся от предков-гоминидов.
И все же самое неожиданное открытие – это воспроизводимость и повторяемость эволюции (глава 6). Сравнивая виды, которые независимо друг от друга приобрели или потеряли аналогичные признаки, мы часто обнаруживаем, что эволюция повторяет саму себя, причем на уровне одного и того же гена, иногда путем изменения одной и той же позиции в этом гене. В некоторых случаях одни и те же гены становятся «ископаемыми» независимо у разных видов. Это замечательным образом доказывает, что на всем протяжении истории жизни отдельные виды, включая те, что принадлежат к совершенно разным таксономическим группам, под влиянием определенных условий изменялись одинаковым образом. Повторяемость эволюционных изменений распространена так широко, что мы вынуждены пересмотреть наши представления об уникальности событий прошлого. Летопись ДНК рассказывает нам не только о том, что у какого-то вида произошли те или иные генетические изменения, но и о том, что в сходных условиях многие разные виды с большой вероятностью будут меняться одинаково.
Повторение эволюционных событий не ограничено отдаленным прошлым или малоизвестными видами – оно происходит сейчас, в нашей с вами плоти и крови (глава 7). Наш вид сформировался под влиянием физической среды и патогенных организмов. С некоторыми древнейшими врагами, такими как возбудитель малярии, мы и сегодня вынуждены вести «эволюционную гонку вооружений», и следы суровых боев остались в наших генах. Я объясню, как процесс естественного отбора сформировал наше генетическое содержание и почему знание об этом так важно для развития медицины и понимания биологии человека.
Огромное множество доказательств, упоминаемых в этих пяти главах, не оставляют сомнений в повсеместности естественного отбора и в его способности уловить даже очень небольшие различия между особями. Однако еще со времен Дарвина самым сложным для понимания аспектом эволюционного процесса была кумулятивная способность естественного отбора направлять эволюцию сложных структур. На протяжении всего этого времени ученым не хватало детальной информации о механизмах формирования сложных органов и структур организма.
В заключительной части нашей трапезы я представлю новые данные о создании и эволюции сложности (глава 8). Я расскажу о том, как знание механизмов развития организма помогает понять устройство сложных структур и как сравнение структур разной степени сложности помогает понять ход их эволюции. Данные, записанные в ДНК, проливают свет на то, как сложность и разнообразие организмов развились на основе древних генов, контролирующих развитие тела.
