Текст книги "Нерешенные проблемы теории эволюции"
Автор книги: Валентин Красилов
Жанр:
Биология
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц)
Однако объективность классификации заключается не в автоматизме и воспроизводимости, а в отражении наиболее существенных свойств объектов.
По словам Ф. Добжанского [Dobzhansky, 1970], каждый вид – воплощение особого образа жизни. Еще в большей степени это справедливо для высших таксонов, целостность которых в первую очередь определяется единством адаптивной зоны, т. е. тем местом, которое они занимают в структуре биосферы [Красилов, 1973]. Высшие таксоны традиционной классификации животных представляют собой более или менее хорошо очерченные адаптивные типы. Об этом говорят уже их названия – земноводные, пресмыкающиеся, млекопитающие, голосеменные, покрытосеменные и т. д. Главные отличительные признаки, отраженные в этих названиях, имеют вполне очевидное приспособительное значение. Именно они знаменуют освоение той или иной адаптивной зоны. О высокой целостности этих таксонов свидетельствует хотя бы тот факт, что они устояли против многочисленных попыток, «филогенетического опровержения». Не раз ставился вопрос об их расформировании как полифилетических и, следовательно, «искусственных», и тем не менее они уцелели в эпоху безраздельного господства филогенетической систематики.
Это в полной мере относится и к большинству отрядов млекопитающих (грызуны, хищные, копытные, ластоногие). Что же касается цветковых растений, то группы, выделенные в прошлом на адаптивной основе, – многоплодниковые, сережкоцветные, сложноцветные – вошли (правда, под другими названиями) в современные «филогенетические» системы. Но о чем говорит и что предсказывает, например, принадлежность надпорядку Dillenianae, включающему столь несходные во всех отношениях растения, как ива и пион? Вот случай, когда систематик вправе говорить о кризисе жанра.
КОГЕРЕНТНАЯ И НЕКОГЕРЕНТНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
В каждом виде время от времени попадаются особи, которые резко отличаются от сложившегося в сознании систематика видового стандарта. Они могут даже выходить за рамки своего отряда, как в случае уродливых четырехкрылых мух. И все же систематик не выделяет их в особый вид, считая отличия слишком эфемерными.
Со времен К. Линнея представление о виде включает устойчивость во времени и пространстве. Преувеличение устойчивости ведет к признанию неизменности видов. Против этого и выступали эволюционисты, утверждая, что границы видов в принципе условны; если они выглядят естественными, то лишь благодаря вымиранию переходных форм. В пылу полемики они дали крен в другую сторону, явно недооценивая устойчивость видов. По теории эволюции, между видами должны существовать какие-то переходы. Однако переходы не делают границы неразличимыми, Они лишь изменяют морфологию границ, превращая их из линейных в двухмерные (например, экотоны в биогеографии) или трехмерные (стратоэкотоны в биостратиграфии). Только в абсолютном континууме нет естественных границ. Следующее высказывание из «Происхождения видов» свидетельствует о том, что Дарвин не представлял себе череду видов как абсолютный континуум «…периоды, в течение которых вид перетерпевает изменение, хотя и продолжительны, если измерять в годах, все же кратковременны по сравнению с периодами, когда он остается неизменным» [Darwin, 1872, с. 384]. Та же мысль лежит в основе современной теории «точечного равновесия» видов [Eldredge, Gould, 1972], поддерживаемой сейчас многими палеонтологами. Отсутствие плавных переходов между видами нередко объясняют неполнотой палеонтологической летописи. Но как это ни парадоксально, филогенез, восстановленный по немногим палеонтологическим находкам, выглядит как континуум, тогда как более детальное исследование выявляет его прерывистость. Замечу, что позиция Дарвина в отношении эволюционных скачков не была догматической. Хотя ему импонировал лейбницевский принцип непрерывности, он, как мы видели, допускал возможность скачкообразного перехода одних видов в другие. Разногласия между сторонниками «точечного равновесия», выдвигаемого как антитеза классическому дарвинизму, и ортодоксальными «градуалистами» отчасти объясняются невнимательным прочтением Дарвина.
Это кажущееся противоречие отражает, с одной стороны, внутреннюю противоречивость непрерывно-прерывистого процесса видообразования, а с другой – несовпадение взглядов Дарвина-философа и Дарвина-натуралиста. Как человек своего времени, он испытал воздействие представлений о непрерывности, постепенности развития (в частности Англии от королевы Елизаветы до королевы Виктории), на котором зиждилось душевное равновесие викторианцев. Эти представления поддерживали Ч. Лайеля в его полемике с Ж. Кювье, в которую включился и Дарвин, принявший тезис своего старшего коллеги о несовершенстве – псевдопрерывистости – геологической летописи. Он заключает «Происхождение видов» столь милым сердцу викторианца заверением в постепенности развития жизни, малой вероятности скачков и катастроф в прошлом и будущем. В то же время, как опытный систематик, Дарвин не мог не понимать, что идея непрерывного изменения обесценивает виды. Если мы выделяем их произвольно, то какой смысл говорить об их происхождении в природе? Вслед за приведенным выше замечанием о прерывистости видообразования он, по-видимому, не случайно упоминает о возможном влиянии поднятий и опускании континентов на темпы эволюции – указание на связь образования видов с эволюцией более сложных систем, в которые они входили.
Истоки этих разногласий восходят к «плачущему» Гераклиту, утверждавшему, что нельзя дважды войти в одну и ту же реку, и «смеющемуся» Демокриту, а также относительно жизнерадостному Сократу, который задавался вопросом, как удается одинаково называть вещи и понимать друг друга, если «нет ничего устойчивого, все течет, как дырявая скудель, и беспомощно, как люди, страдающие насморком» [Платон, 1968]. В самом деле, свойство сознания генерировать устойчивые представления было бы совершенно бесполезным в мире, где не существует устойчивых отношений между объектами, т– е. нет системности. Прерывистость видообразования, вероятно, связана с прерывистостью эволюции систем более высокого порядка, в которые они входят. В эволюции биосферы, как мы уже говорили, наблюдается определенная периодичность. «Нормальные» периоды между биосферными кризисами характеризуются увеличением продуктивности сообществ, эффективности использования энергетических ресурсов, предполагающей усложнение структуры и направляющей виды по пути специализации. Закономерности этого процесса описывает традиционная теория эволюции путем естественного отбора наиболее конкурентоспособных организмов. Но традиционная теория ничего не говорит о возможных результатах отбора, как и о том, конечно его действие или бесконечно. Подобные вопросы обычно исключаются из рассмотрения как телеологические и, следовательно, находящиеся вне компетенции теории, объясняющей, как действует отбор, а не куда он ведет (и в силу этого лишенной предсказательной силы). Единственным приемлемым телеологическим элементом считается представление об узкоспециализированных формах как тупиках эволюции, позаимствованное из сугубо телеологической теории Э. Копа, который всерьез считал свой «закон неспециализированного» подтверждением библейского изречения: пока не станете, как дети, не войдете в царствие небесное [Соре, 1887].
Но если тупик, узкая специализация, – результат острой конкуренции, то получается, что эволюционные шансы есть лишь у тех, кто каким-то образом оказался вне конкуренции. Еще один парадокс заключается в длительном существовании архаичных форм, казалось бы давно побежденных в борьбе за существование, но тем не менее проявляющих завидную стойкость. Среди хвощей и папоротников, например, есть очень упорные сорняки. Сказать, что, раз они выжили, стало быть, достаточно приспособлены к тем условиям, в которых выжили, значило бы полностью заслужить упрек в тавтологичности, часто бросаемый теории отбора.
Чтобы справиться с этими парадоксами, необходимо преодолеть редукционизм традиционного мышления и обратиться к экологическим системам, в которые виды входят как компоненты. Специализация означает сужение экологической ниши вида и, следовательно, сокращение перекрытия экологических ниш конкурирующих видов. Поскольку острота конкуренции зависит от степени перекрытия ниш, то по мере углубления специализации она ослабевает и превращается из движущего фактора в стабилизирующий. Таким образом, когда достигнуто наиболее устойчивое в данных условиях состояние, система может подавлять дальнейшее изменение компонентов. И действительно, палеонтология дает массу примеров исключительного консерватизма видов, входящих в устойчивые экологические системы.
Одна из таких систем – это мезозойская растительность Сибири, предмет специальных исследований автора. Она существовала без кардинальных изменений (в разнообразии, составе до-минантов, поясной и синузиальной структуре) от середины триасового периода до середины мелового, около 100 млн. лет. В течение этого огромного промежутка времени основные виды оставались практически неизмененными или приобретали едва уловимые отличия. Даже с помощью электронного микроскопа трудно отличить, например, юрские Phoenicopsis (доминирующее древесное растение из вымершего порядка чекановскиевых) от раннемеловых. Мутации, дрейф, генов – все это, наверное, происходило, но не могло преодолеть мощного стабилизирующего действия экологической системы. Трудно представить себе, не впадая в мистику, как дело могло бы сдвинуться с мертвой точки, если бы не биосферные кризисы. Во время кризиса, как мы уже отмечали, вымирают главным образом доминирующие виды зрелого сообщества – заключительной стадии его развития. Это безусловно наиболее приспособленные виды своей эпохи, победители в борьбе за существование. На первый план выдвигаются виды, игравшие относительно скромную роль. В общем, процесс идет как бы вспять: вместо выживания наиболее приспособленных происходит их вымирание. Поэтому я считаю возможным говорить о двух типах эволюции [Красилов, 1969]: когерентном, под контролем складывающейся устойчивой структуры экологического сообщества, в условиях острой конкуренции, и некогерентном, в условиях распадающейся экологической системы и ослабленной конкуренции. Традиционная теория эволюции в сущности описывает лишь когерентное развитие и должна быть существенно дополнена в отношении некогерентного.
Между кризисами виды пионерских стадий развития сообщества, несмотря на их относительно низкую конкурентоспособность, не вымирают. Ведь сообщество не застраховано от случайных катастроф – ураганов, пожаров и т. д. (даже падение старого дерева может быть катастрофой местных масштабов). Виды-пионеры быстро закрывают бреши и обеспечивают регенерацию сообщества. Следовательно, их существование – не каприз природы, не желающей следовать эволюционным законам. Они нужны для обеспечения устойчивости экологической системы. В условиях кризиса виды-пионеры по-прежнему исполняют свои обязанности: заполняют теперь гораздо более широкие бреши, подготавливают почву для более конкурентоспособных видов следующей стадии. Но их уже нет, их места в экономике системы – экологические ниши – вакантны (заметим, что представление о вакантных нишах предполагает некую конечную структуру сообщества с обязательным репертуаром ниш; ученые, отрицающие целенаправленность в развитии сообщества, не признают и вакантных ниш). Заполнить их некому, кроме самих пионеров, которые для этого должны изменить свою жизненную стратегию.
МАКРОЭВОЛЮЦИЯ
Жизненная стратегия пионеров рассчитана на неустойчивые условия, в которых высокая смертность сдерживает рост численности и она не достигает критических пределов, грозящих истощением природных ресурсов. Поэтому острой конкуренции не возникает. Пионеры могут противопоставить высокой смертности только быстрое размножение. Это, как правило, виды с коротким жизненным циклом.
Главное преимущество млекопитающих в кризисной ситуации на рубеже мезозойской и кайнозойской эр заключалось в гораздо более быстром по сравнению с рептилиями половом созревании (теплокровность, активность, развитие мозга – вероятно, второстепенные факторы; есть основания думать, что некоторые динозавры были теплокровными; среди них известны формы, не уступавшие ранним млекопитающим по развитию мозга; они заботились о потомстве и, кажется, могли издавать разнообразные сонорные звуки – признак относительно сложного социального поведения).
В устойчивом сообществе конкуренция играет роль основного стабилизирующего фактора. Следовательно, ослабление конкуренции во время кризиса может привести к дестабилизации — резкому увеличению размаха изменчивости. Нечто подобное происходит при одомашнивании [Беляев, 1974], когда вырванные из экологической системы и освобожденные от ее стабилизирующего воздействия виды дают формы, далеко выходящие за пределы свойственного им в природных условиях полиморфизма.
Успехи искусственного отбора основаны как раз на такого рода вспышках изменчивости и использовании форм, резко отклоняющихся от дикого типа. Мы уже говорили о том, что | одомашнивание и искусственный отбор, оперирующий прерывистой изменчивостью, не могут служить моделью для естественного отбора, так как они не повышают, а понижают конкурентоспособность. Теперь, введя некоторые уточнения, касающиеся разнокачественности эволюционных процессов в нормальных и кризисных ситуациях, мы можем предположить, что искусственный отбор, хотя и не годится в качестве модели когерентной эволюции, воспроизводит некоторые характерные черты некогерентной эволюции. В условиях кризиса конкурентоспособность не имеет решающего значения. Поэтому возможно существование своего рода экспериментальных форм – «небезнадежных уродов», которые в нормальных условиях отметаются стабилизирующим отбором.
Палеонтологи давно отмечали появление незадолго до вымирания группы большого количества уродливых форм, одни из которых описывались как «профетические» (т. е. предвосхищающие признаки какой-то группы, возникшей позднее), другие рассматривались как свидетельство «старения расы» (представление о старении расы, основанное на слишком прямолинейных аналогиях между онтогенезом и филогенезом, бытует и в наши дни; его сторонников не смущает то обстоятельство, что «раса», не проявлявшая никаких признаков старения сотни миллионов лет, вдруг начинает катастрофически стариться в преддверии биосферного кризиса). Вряд ли приходится сомневаться в том, что мы имеем дело с раскрепощением скрытой изменчивости в связи с вхождением группы в некогерентную фазу эволюции.
Замечено также, что темпы эволюции, которые можно охарактеризовать или появлением новых признаков, или появлением новых таксонов (события безусловно взаимосвязанные, но не вполне тождественные), колеблются в широких пределах. Достаточно напомнить, что все типы беспозвоночных появились в относительно короткий период на рубеже протерозойской и фанерозойской эр, причем в первом кембрийском периоде фанерозойской эры типов было больше, чем сейчас, – некоторые тогда же и вымерли. Хордовые возникли несколько позднее, но тоже в течение кембрия. Столь же высокие темпы формирования высших таксонов демонстрируют высшие растения в начале освоения суши (все классы споровых и голосеменные появились в девонском периоде), а затем млекопитающие и цветковые после мелового кризиса.
На основании этих и аналогичных фактов многие палеонтологи независимо друг от друга пришли к мысли об эволюционных скачках, которые они называли по-разному – взрывной эволюцией, анастрофами, типогенезом или квантовой эволюцией. Наибольшую известность получила теория квантовой эволюции, разработанная Дж. Симпсоном [1948]. Он не связывал эволюционные скачки с биосферными кризисами (в существование которых не верил), а говорил лишь об освоении новых жизненных сфер, или адаптивных зон – суши, например, глубин океана и т. д. В принципе события в начале освоения новой зоны и во время кризиса во многом сходны: в том и другом случае преимущество оказывается на стороне видов с пионерскими свойствами, в том и другом случае происходит ослабление конкуренции (значение этого фактора в теории квантовой эволюции недостаточно раскрыто), раскрепощение скрытой изменчивости. Однако «свободных» адаптивных зон на Земле давно уже не существует. Колонизация безусловно сыграла свою роль в период экспансии жизни, первичного расширения биосферы, но впоследствии эволюционные взрывы были хронологически и, как я пытаюсь показать, причинно связаны с биосферными кризисами.
О скачках говорят и в несколько ином смысле, имея в виду внезапное – в один прием – возникновение таксона (типогенез). Сторонники подобных скачков были как среди палеонтологов (О. Шиндевольф), так и среди генетиков, в их числе – один из основателей генетики Г. де Фриз, пытавшийся подтвердить мутационный типогенез экспериментально (его эксперименты, может быть, небезупречны, так как он наблюдал не столько мутагенез, сколько увеличение размаха изменчивости в результате гибридизации – тоже, впрочем, явление, связанное с некогерентной эволюцией), Р. Гольдшмидт, писавший о макромутациях и «небезнадежных уродах» [Goldschmidt, 1940], Ю. А. Филипченко [1977] и многие другие.
Как адепты, так и критики теории макромутаций допускали множество хрестоматийных логических ошибок, которые я, боясь наскучить читателю, разбирать не буду. Отмечу только, что «макро» относится не к изменению генома, а к его феноти-пическому эффекту – изменению морфологии в данном случае. Геномные мутации – полиплоидия, например, или хромосомные перестройки – чаще всего не производят макроэффекта на уровне целого организма и, следовательно, не относятся к макромутациям. Выражение «системная мутация», которое Гольдшмидт употреблял как синоним макромутации, наводит на мысль об изменении действия всего генома как системы. Подобные изменения в результате единичной мутации, кажется, не известны. С другой стороны, традиционные доводы против эволюционного значения макромутаций – их редкость, пониженная жизнеспособность и т. п. – в известной мере теряют силу, когда речь идет о биосферных кризисах, которые могут способствовать как возникновению (раскрепощение скрытой изменчивости), так и сохранению (ослабление конкуренции) – макромутантов (обычная ошибка генетиков заключается в том, что суждения о единичных сиюминутных событиях экстраполируются на всю эволюционную историю).
Решающее значение во время кризиса имеет способность быстро восполнить потери, т. е. скорость размножения. Следовательно, возникает общая тенденция к сокращению жизненного цикла и ускорению полового созревания. Преждевременное половое созревание известно у многих животных и человека, но в нормальных условиях оно скорее вредно, чем полезно, и закрепляется как систематически проявляющееся свойство (неотения) лишь у немногих видов (саламандр, например). Кризис, вероятно, способствует более широкому распространению этого свойства. Сокращение жизненного цикла происходит, главным образом, за счет поздних стадий развития организма, которые как бы снимаются. Если признаки специализации появляются, как это часто бывает, на поздних стадиях, то происходит деспециализация, вредная в нормальных условиях, но полезная в критических (так, Робинзону Крузо, моряку по специальности, пришлось на необитаемом острове стать еще и землепашцем, строителем, портным и т. д.).
Об эволюционном значении неотении писали многие исследователи. Особо отметим работы У. Гарстанга, Г. де Бира [Beer, 1940], Болька [Bolk, 1926], а из сравнительно недавних – С. Гулда [Gould, 1977] и С. Лёвтрупа [Lovtrup, 1974]. Они называли эволюционные изменения, связанные с ускорением полового созревания, неогенезом, фетализацией или педоморфозом (эти термины не вполне синонимичны, но близки по значению) и собрали множество фактов, свидетельствующих об участии подобных процессов в становлении многих крупных групп, от цветковых растений до антропоидов.
Чтобы лучше понять значение педоморфоза, вспомним, что общий план строения организма – его тип, по К. Бэру, – определяется на ранних стадиях развития. Следовательно, изменения общего плана – макромутации в полном смысле слова – также должны происходить на ранних стадиях (этот вывод из обобщений сравнительной эмбриологии, сформулированных в середине прошлого века К. Бэром, получил обоснование в трудах Э. Геккеля, Э. Копа, О. Шиндевольфа и особенно А. Н: Северцова). Но подобные изменения могут регулироваться в ходе дальнейшего развития таким образом, что не отражаются на взрослом организме, образуя фонд скрытой изменчивости. Основное значение ускорения развития, по-видимому, в том и заключается, что «снятие» поздних стадий как бы вскрывает подспудные пласты регулируемых изменений.
Таким образом, раскрепощение скрытой изменчивости выглядит как закономерный результат ускорения, в свою очередь стимулированного кризисной ситуацией. Это важный аспект некогерентной эволюции, придающий ей скачкообразный характер. Однако представлять себе дело так, будто макромутации сразу дают новый тип – таксой высшего ранга – значило бы утрировать скачкообразность, впадая в откровенную типологию.
В этой области царит такая путаница, что я прошу читателя, прежде чем двигаться дальше, еще раз просмотреть раздел «Виды и классы». Лет десять тому назад биологи твердо знали, что все типологическое плохо. Теперь же довольно часто можно слышать высказывания противоположного толка. К сожалению, и критики, и защитники, кажется, не очень точно представляют себе значение типологии. Например, морфологическое определение вида почему-то считают типологическим. В действительности неприятие «биологической» концепции вида еще не делает систематика типологом. Морфологический вид может быть хорошим, а типологом быть все же плохо, потому что типолог путает сущности первого и второго порядков, наделяя последние независимым существованием – ошибка, простительная Платону, но не ученому XX в., после стольких разъяснений. В большинстве случаев не понимают природы универсалий и критики типологии (например, Майр [1968]). Для них тип (любой надвидовой таксон) – не более чем сумма видов, его возникновение не отличается от видообразования, а макроэволюция – накопление микроэволюционных актов. Вопреки этому, переломные моменты в истории биосферы (рубеж протерозоя и фанерозоя, например) тем и примечательны, что видов возникает мало, а типов – много.
И все же тип складывается как устойчивая общность, а не возникает – в онтогенезе или филогенезе – как конкретный признак. Появление на свет четырехкрылой мухи не равносильно появлению отряда четырехкрылых. Каждый палеонтолог может привести примеры «пророческих» признаков, возникающих задолго до типа, которому они свойственны.
Во время кризиса макромутанты, вероятно, накапливаются в популяциях, пользуясь ослаблением стабилизирующего отбора. Такие макрополиморфные популяции занимают множество различных местообитаний, как бы не ощущая неоднородности среды. В дальнейшем, по мере стабилизации условий растет численность, обостряется конкуренция, а вместе с нею чувствительность к неоднородности среды, которая, как говорят, превращается из «тонкозернистой» в «грубозернистую» [Levins, 1968]. Начинается распад макрополиморфных популяций. Макромутации или отбрасываются отбором, или вовлекаются в освоение конкретных экологических ниш, адаптивную радиацию, приобретая функциональный смысл и превращаясь в устойчивые признаки нового адаптивного типа.
Это, конечно, не более чем грубая схема несомненно гораздо более сложных формообразовательных процессов на переходе от некогерентного развития к когерентному. Тип определяют не столько отдельные устойчивые признаки, сколько устойчивые сочетания признаков (которые по отдельности могут встречаться в других сочетаниях в других типах). Акула вскармливает плод своей кровью, но никому не приходит в голову отнести ее к плацентарным. Характерные признаки цветковых растений – сосуды в древесине, сетчатое жилкование, околоцветник, завязь, рыльце, даже двойное оплодотворение – появляются порознь в родственных и неродственных им группах. Предок, наделенный всеми этими признаками в их примитивном состоянии, к великому разочарованию ботаников, пока не найден. Да и где искать его, если не в платоническом мире идей? Ведь это воплощенный синдром, гётевское Urpflanze, а не конкретное растение. К тому времени, когда сложился тип покрытосеменных, отдельные его признаки, по-видимому, уже достигли достаточно высокого развития в нескольких предковых линиях. Весь процесс напоминает заводское производство с несколькими цехами, изготовляющими отдельные детали сложной конструкции. А вот как происходит «сборка»– соединение и функциональная интеграция частей – это пока нерешенная проблема. Можно лишь догадываться, что в некогерентные периоды размываются барьеры, ограждающие генофонды эволюционных линий от проникновения чужеродного генетического материала. Для проникновения существуют два канала – гибридизация и перенос генов вирусами или бактериальными плазмидами. Известно, что гибридизация часто сопутствует нарушению привычных условий обитания. В плейстоцене чередование оледенений и межледниковий вызвало широкое распространение гибридизационных процессов [Stebbins, 1959]. В то же время деспециализация, повышение пластичности, менее жесткая детерминированность развития, возможно, благоприятны для развития симбиотических отношений с вирусами, способными встраиваться в геном. Вирусный вектор соответственно приобретает большее значение.
В 1973 г. я предположил [Красилов, 1973], что вирусный перенос генов участвовал в формировании адаптивного типа цветковых растений. Тогда мало кто принял эту возможность всерьез, так как считалось, что подобные явления высшим организмам несвойственны. Но с тех пор многое изменилось. Открытие подвижных генетических элементов практически у всех организмов, достижения генной инженерии, основанные на том же принципе, успешные эксперименты по пересаживанию генов от одного вида к другому (например, от мух Drosophila melanogaster к D. simulans [Scavarda, HartI, 1984]) убеждают в том, что неполовой перенос генов – довольно обычное явление, вероятно сыгравшее определенную роль в эволюции [Хесин, 1984; Кордюм, 1984].
