Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №11 за 2007 год"

Белые пятна эволюции

Многие выводы современной теории эволюции неочевидны и требуют изощренных обоснований. В ней немало нерешенных проблем, и есть области, к изучению которых только приступили. Однако на сегодняшний день это единственная фундаментальная теория в биологии, позволяющая объяснить развитие и разнообразие жизни.

Понятие «эволюция», то есть «развертывание» или «разматывание», постепенное без скачков и перерывов изменение и усложнение какого-нибудь объекта, существовало в науке и до Дарвина . Об эволюции, например, Солнечной системы писали Кант в 1755 году и Лаплас в 1796-м. Естественно, что и биологи примеряли эту идею к своей дисциплине. Первая основанная на ней теория органического мира принадлежала Жану Батисту Ламарку, который предположил, что всем живым существам свойственно стремление к самоусовершенствованию и прогрессу с наследованием приобретенных на протяжении жизни признаков. И хотя с точки зрения современной науки в объяснении причин развития Ламарк был не прав и изменения, которые не затрагивают половые клетки, наследоваться не могут, тем не менее существование самого явления эволюции он доказал вполне убедительно. Были, конечно, и другие теории развития органического мира, ныне практически забытые. Для XVIII и начала XIX века подобный подход, объяснявший происходящие в мире изменения естественными причинами, а не действием высших сил, был новаторским и противоречил общепринятой методологии, суть которой лучше всего изложил англиканский священник Уильям Пэйли. В увидевшем свет в 1806 году «Естественном богословии» он рассуждал так: предположим, что на прогулке в поле мы нашли часы. Ясно, что столь сложный и целесообразный механизм не мог возникнуть самопроизвольно, но был замыслен и изготовлен неким часовщиком. Но Вселенная и жизнь неизмеримо сложнее часов, поэтому должен быть и создавший их Мастер. Популярность этой аналогии в наши дни побудила американского биолога и выдающегося популяризатора дарвинизма Ричарда Докинза продолжить спор с Пэйли и даже дать своей книге, опубликованной в 1986 году, название «Слепой Часовщик». Как объяснить ошибки и неточности в «конструкции» живых организмов, спрашивает Докинз. К примеру, геном человека «содержит огромное количество «мусора», неработающих и даже смертельных генов, как, например, онкогены. Все это мог создать только слепой часовщик, но никак уж не «умный» творец».

Первое эволюционное древо жизни, которое изобразил Дарвин в записной книжке «Трансмутация видов» в 1837 году

К тому времени, как Чарлз Дарвин отправился в знаменитое кругосветное плавание на корабле «Бигль», и за почти двадцатилетний последующий период, когда он прорабатывал свою теорию, в естествознании, в первую очередь в геологии, было накоплено достаточно фактов, позволяющих объяснять развитие физического и органического мира без Часовщика.

Англия и континентальная Европа изобилуют местами, где пласты горных пород выходят прямо на поверхность и потому легкодоступны для изучения. В начале 1830-х годов английский геолог Чарлз Лайель, с которым Дарвин впоследствии сдружился, предложил новую концепцию истории Земли, названную униформизмом. Согласно ей главные процессы, изменяющие Землю, – это выветривание и размывание горных пород. Поскольку идут они очень медленно, то увидеть результаты их работы – сглаживание гор и образование километровых осадочных толщ – можно только за длительный период времени. Первые же оценки возраста Земли по скорости накопления морских осадков составили миллионы лет вместо шести дней Творения. Тогда считали, что для постепенной эволюции видов этого времени вполне достаточно.

Книгу Лайеля «Основы геологии» с изложением идеи постепенной эволюции ландшафтов Дарвин даже брал с собой в путешествие, хотя отношение к ней научного сообщества было настороженным. Большинство ученых верили в теорию катастроф, утверждавшую, что каждый пласт ископаемой фауны – это свидетельство отдельных актов творения, которые чередовались с катастрофическим вымиранием созданного прежде. «Проницательный Генсло (пастор и ботаник) дал совет мне внимательно изучить только что появившийся первый том Principles, но ни в коем случае не проникаться проводимыми в ней воззрениями», – писал Дарвин. Но молодой естествоиспытатель проникся – так убедительны были доводы Лайеля.

На постепенные изменения, происходящие в органическом мире, указывал и огромный палеонтологический материал, накопленный в XIX веке. Разнообразие окаменелых форм животных и растений, четкое распределение их по толщам, вплоть до того, что по одним и тем же ископаемым остаткам можно установить одновозрастные слои, даже если они находятся в разных местах, – все это наводило на мысль о том, что живой мир закономерно менялся по всей планете. Более того, уже во времена Дарвина по окаменелостям начали восстанавливать временную последовательность геологических событий, которой ученые пользуются поныне.

Поскольку эволюционное развитие предполагает непрерывность, значит, одни виды должны происходить от других. Главное подтверждение этого тезиса пришло из эмбриологии, которая бурно развивалась в начале XIX столетия, и уже был открыт закон (российским академиком Карлом фон Бэром), согласно которому у животных, совершенно разных во взрослом состоянии, похожи зародыши. Дарвин был хорошо знаком с этими исследованиями и использовал их для своих теоретических построений.

Рождение дарвинизма

Что же, собственно, сделал сам Дарвин? А сделал он на первый взгляд очень простую, но совершенно необходимую вещь, благодаря которой гипотеза стала теорией. Он объяснил, как идет эволюция, каков ее конкретный механизм. Именно это объяснение, оформленное в виде теории естественного отбора, впоследствии назвали «дарвинизмом». Эта теория «покоится на трех китах»: изменчивости, наследственности и отборе. Понять ее несложно и школьнику, достаточно припомнить, что среди животных и растений, будь то домашние или дикие, всегда есть какое-то разнообразие, и особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга – так проявляется изменчивость. При этом дети больше похожи на своих родителей, чем на чужих, – так работает наследственность. Теперь положим, что в потомстве одной пары голубей клювы немного различаются по длине, и один любитель обращает внимание на голубя с клювом слегка покороче, другой же, напротив, на голубя с клювом подлиннее, поэтому они будут отбирать для разведения птиц с одним из крайних проявлений признака. Первоначально отличия очень малы, но с течением времени отбор приводит к возникновению двух хорошо различающихся форм – пород. Именно так в действительности и произошло с породами голубей-турманов, выведенных в Англии, чей пример использовал для иллюстрации своей теории Дарвин. Получается, что совершенство и поразительное разнообразие живых организмов – от бактерий и грибов до баобабов и человека – создано благодаря естественному отбору, который действует из поколения в поколение.

Схема соответствия геологических и палеонтологических данных, составленная в XIX веке. Здесь показана хронологическая последовательность напластований морских осадков и содержащихся в них флоры и фауны. В частности, видно, что слоны появились позже, чем динозавры

Первое издание основного труда Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» увидело свет 24 ноября 1859 года. В день ее появления на прилавке магазина она разошлась тиражом 1 250 экземпляров. Потребовалось второе издание тиражом 3 тысячи, потом допечатали еще 16 тысяч, книгу перевели на многие языки мира. Дарвин смеялся: «Даже на древнееврейском языке появился очерк о ней, доказывающий, что моя теория содержится в Ветхом Завете!» Он был горд и отрицал, будто успех книги – только в ее своевременности. По его признанию, до ее публикации он не встречал среди своих коллег ни одного, кто сомневался бы в постоянстве видов. Даже Лайель не соглашался с Дарвином. Однако теория естественного отбора так хорошо объясняла накопившийся у натуралистов материал и так интересно читалась, что была просто обречена на успех.

Что бы ни говорил автор, книга действительно оказалась очень своевременной. Благодаря быстрому развитию науки, техники и экономики в европейском обществе распространилась идея прогресса. Теория эволюции переносила ее на развитие живого мира и одновременно служила естественнонаучным обоснованием прогрессистских социальных теорий. Говорят даже, что Карл Маркс хотел посвятить «Капитал» Дарвину, и хотя это лишь миф, его существование показательно.

Коль скоро дарвинизм признавал эволюцию всех видов, то с неизбежностью возникал вопрос о происхождении «венца творения». На него Дарвин тоже ответил, но в другой книге, которая вышла на 12 лет позже первой: вероятно, он долго не решался публично выступить по такому щекотливому вопросу. Эта книга называлась: «Происхождение человека и половой отбор». По мнению автора, своим интеллектуальным прогрессом человечество обязано женщинам, которые выбирали себе самых умных и надежных партнеров, а слабые и глупые представители сильной половины оставались без потомства. Именно в этой книге прозвучало впервые заявление, столь взбудоражившее общество, о нашем родстве с обезьянами. С тех пор теория эволюции вышла за стены кабинетов ученых, стала предметом широкого обсуждения, и критика ее утратила конструктивный научный характер. Что поделать, но тогда в руках у Дарвина не было столь весомых доказательств своей правоты, которые появились позже, и, говорят, под занавес своей жизни он готов был даже отказаться от гипотезы происхождения человека. Факты появились вскоре после его кончины. В 1890 году на острове Ява голландский антрополог Эжен Дюбуа обнаружил кости древних, похожих на человека, существ, которых назвали питекантропами. И хотя, по современным представлениям, ни питекантроп, ни другие известные ископаемые человекообразные, включая неандертальца, не были непосредственными предками человека, тем не менее они – наши ближайшие генетические родственники – и помогают увидеть, как вместе с постепенным развитием мозга и освоением прямохождения возник человек.

Зачем судиться с теорией

После Первой мировой войны общественное мнение в США было предубеждено против теории эволюции, которую связывали с атеизмом. В 1925 году в штате Теннесси в качестве закона был принят «акт Батлера», гласящий: «…будет нарушением закона, если любой преподаватель любого университета или школы, содержащихся полностью или частично за счет штата, будет преподавать любую теорию, отрицающую историю Божественного Творения человека, как тому учит Библия, и вместо этого преподавать, что человек произошел от низших животных». Ответственность за нарушение предполагала уплату штрафа в 100—500 долларов, большой по тем временам суммы. Противники акта Батлера, группа бизнесменов из Дейтона, маленького городка в штате Огайо, возглавляемых инженером Джорджем Рэппли, решили показать абсурдность этого закона весьма оригинальным способом – через суд. Они заручились согласием молодого преподавателя естествознания и математики Джона Скоупса, что тот признает себя нарушителем акта Батлера. Фактически Скоупс только один раз вел урок биологии, заменяя заболевшего коллегу, на котором действительно обсуждал главу по дарвинизму из рекомендованного учебника. Замысел заключался в том, чтобы процесс показал несостоятельность акта Батлера и привел к его отмене. Дополнительным стимулом была идея Рэппли о том, что процесс привлечет внимание к Дейтону и поможет заработать – классическая пиар-акция. Процесс начался 10 июля 1925 года. Защита добилась обсуждения Библии в качестве альтернативного естествознанию источника знаний. Обвинитель Уильям Брайан, влиятельный политик, неоднократный кандидат в президенты, вынужден был отвечать на «неудобные» вопросы о библейских чудесах, можно ли их трактовать буквально и рассматривать в качестве серьезной альтернативы естественнонаучной точке зрения: о сотворении мира за шесть дней и его возрасте, остановке Солнца Иисусом Навином, проглоченном китом и жившим три дня в его желудке Ионе и подобном. Брайан не ответил на эти вопросы удовлетворительно, и наблюдавшая за процессом пресса признала его поражение. Стало очевидно, что библейские факты естественной истории можно трактовать как аллегории. Скоупс был оправдан, но в силу юридических причин акт Батлера отменили не сразу – это произошло только в 1967 году, хотя со времен «обезьяньего процесса» более ни разу не применяли. В США было еще несколько попыток ограничить преподавание эволюционизма в школе по религиозным мотивам. Последний раз это было в 2002 году в округе Кобб штата Джорджия, где на школьных учебниках биологии по требованию верующих родителей поместили наклейки с надписью: «…эволюция – это теория, а не факт… эту тему надо рассматривать критически». В 2005 году окружной суд постановил эти наклейки убрать. В России недавно прошел первый «обезьяний процесс». Инициировавший его Кирилл Шрайбер профессионально занимается рекламным бизнесом, равно как помогавший ему на процессе друг Антон Вуйма, руководитель «Духовного наследия» – организации, называющей себя «информационным агентством с сильным PR-уклоном». Сам Вуйма в интервью признавал, что в целях саморекламы проводит акцию «черного PR» – в данном случае против дарвинизма. Суд города Санкт-Петербурга принял первый иск к рассмотрению и вынес по нему отрицательное решение.

Лучшая демонстрация теории эволюции – стадии развития лягушки: у похожего на рыбку головастика сначала отрастают задние лапки, потом передние, затем исчезает хвостик, и вот новое существо – амфибия

Общий предок

Коллеги задавали Дарвину массу вопросов, на многие из которых он убедительно ответил и не только потому, что был энциклопедически образованным человеком, но и благодаря силе предложенной им теории. А на что не ответил он сам, ответили следующие поколения ученых, и их ответы породили новые вопросы…

Возможно ли, что никакой преемственности между видами нет и каждый из них возник независимо? На этот вопрос современная наука, которая изучает механизм эволюции на уровне молекул, отвечает отрицательно. У всех известных существ наследственная информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Нуклеотидов всего четыре, и они одинаковы у микроорганизмов, растений и животных. Этот факт – в пользу родства всех существ. Но порядок следования нуклеотидов различается в молекулах ДНК разных организмов, что, собственно, и служит залогом их внешнего и внутреннего различия. Чем больше таких различий в ДНК двух разных видов, тем раньше они разошлись со своим общим предком.

Используя эти положения, в 1962 году американские биохимики Лайнус Полинг и Эмиль Цукеркандль выдвинули идею «молекулярных часов». Они заметили корреляцию между количеством различий в последовательностях аминокислот гемоглобина – белка, переносящего кислород, который есть у многих животных, и временем расхождения видов согласно палеонтологической летописи. То есть скорость, с которой изменяется последовательность аминокислот, для данного белка постоянна. А значит, по числу различий в одном и том же белке для любой пары видов можно оценить время их расхождения, даже если и палеонтология на этот счет не дает никаких указаний. Как в школьной задаче на расчет времени при известных расстоянии и скорости. Тот же принцип оказался верным и для последовательностей нуклеотидов в молекулах ДНК. В идеальном случае генеалогия живого существа, построенная палеонтологами, должна совпасть с генеалогией, построенной генетиками, и это стало бы одной из лучших демонстраций теории эволюции.

Знания о последовательностях ДНК и белков привели к рождению новой науки, занимающейся их сопоставлением и анализом, – биоинформатики. От нее ответвилась молекулярная филогенетика. По сравнению с традиционной систематикой, основанной на изучении анатомии, эта наука оперирует огромным количеством признаков – ведь число генов у многоклеточных организмов исчисляется многими тысячами, и каждый из них состоит из сотен или тысяч нуклеотидов. Сотни лабораторий во всем мире анализируют ДНК и все глубже разбираются в родственных связях организмов.

Лапка мышиного эмбриона сначала похожа на плавник. Со временем из него формируются пальцы, перепонки между которыми пропадают благодаря универсальному явлению апоптоза – запрограммированной смерти клеток

Не только генетический код, но и функциональные участки ДНК – гены – нередко одинаковы. Например, развитие зародыша у разных групп многоклеточных животных управляется одними и теми же генами. Где будет передний конец, а где – задний, задают «гомеозисные» гены, очень похожие у всех животных: от медузы до примата. Одни и те же гены управляют развитием глаза мухи и мыши – а ведь прежде считалось, что эти органы несравнимы, поскольку по-разному устроены: глаз насекомых состоит из множества простых глазков – фасеток, каждый из которых дает изображение одной точки пространства, а глаз позвоночных строит полное детальное изображение. Еще пример, в зародыше любого вида образуются лишние клетки, которые затем самоуничтожаются. Так, наши пальцы формируются за счет гибели клеток между ними, иначе вместо нормальной конечности развивалась бы сросшаяся культя. Точно так же ликвидируются самостоятельно и мутантные клетки, способные стать раковыми. Эти процессы запрограммированной гибели клеток – апоптоза – управляются особыми генами, которые очень похожи и, как оказалось, взаимозаменяемы, у человека, мыши и крошечного червя, состоящего всего лишь из одной тысячи клеток.

А раз во всех существах встречаются одинаковые «кирпичики», значит, они достались им от некоего общего предка? Кто же это мог быть? В мире одноклеточных мы видим организмы, похожие по обмену веществ и на растения, и на животных. Первые путем фотосинтеза создают себе пищу сами, вторые – этого не могут и нуждаются в готовых органических веществах. Например, от такого существа, как эвглена зеленая – полуводоросль-полуживотное, могла пойти дальнейшая эволюция. Чтобы стать многоклеточными, отдельным существам-клеткам нужно было объединиться в колонии. Сейчас полагают, что такой скачок связан с появлением хищничества как образа жизни: большую особь труднее съесть. Вся дальнейшая эволюция – это непрекращающаяся гонка наращивания размеров обеих противоборствующих сторон, в которой хищники и жертвы подгоняли друг друга. Животные, которые жили миллиард лет назад, настолько отличались от современных, что к ним неприменимы привычные принципы классификации. В них причудливо сочетались признаки разных современных типов, никогда не встречающиеся одновременно ни в одном из ныне живущих организмов. Трибрахидиум можно было бы назвать медузой, если бы не диковинная трехлучевая симметрия, более характерная для растений. Дикинсония похожа на кольчатого червя, но назвать ее так мешает «скользящая» симметрия, при которой парные конечности расположены не напротив друг друга, а в шахматном порядке. Такой тип симметрии опять-таки чаще встречается в растительном царстве, но в данном случае ученые уверены, что имеют дело с животным. По непонятной причине эти странные существа вымерли, и более полумиллиарда лет назад (в раннем кембрии) на коротком отрезке времени длительностью порядка десяти миллионов лет появились все известные современные типы животных. Это событие назвали «кембрийским взрывом». И согласно теории эволюции общий предок современных животных вышел из древнего мира докембрийских «чудищ», тех, кто пережил глобальную катастрофу. Данные молекулярной филогенетики подтверждают, что родословная современных типов (как то: губки, погонофоры, хордовые и т. д.) – это не дерево, но куст с пучком ветвей-типов, растущих из единого корня. А вот окаменелые остатки того, кто был этим корнем, палеонтологам еще не попались.

Уязвимое место

На самом деле прямого обоснования эволюционной теории еще никто не представил. В качестве такового может послужить только наблюдение за естественным развитием видов и обязательная регистрация того, какими были существа на старте, их промежуточные формы и во что превратились в конце. Отсутствие такого наблюдения и есть наиболее уязвимое место теории. Действительно, если видообразование – это непрерывный процесс, который продолжается и в наши дни, то почему мы не встречаем переходных форм? Есть, к примеру, тигр, лев, леопард, рысь – представители семейства кошачьих , а полосатых львов или тигров с гривами – форм промежуточных между двумя родственными видами – не бывает. Настораживает и то, что в ископаемом состоянии переходные формы также не встречаются. Отсутствие современных переходных форм Дарвин объяснял тем, что картина сегодняшнего мира – это результат уже разрешившихся противоречий и родоначальные виды истреблены естественным отбором. Что же до отсутствия их ископаемых остатков, то аргументом служили кратковременность их существования и небольшая численность, из-за чего вероятность, чтобы они сохранились, очень мала, а вероятность обнаружить их – и вовсе мизерна. Все, что видят палеонтологи, – это один вид в одном слое, другой – в другом, и никаких переходов. Словно долгие периоды устойчивого существования одних и тех же организмов вдруг сменялись быстрым видообразованием. Американские ученые Нильс Элдридж и Стивен Гоулд назвали это явление «прерывистым равновесием». Осталось понять условия стабильности и факторы ускорения эволюции.

И все-таки, в одном частном случае – среди микроорганизмов – ученые считают, что им удается видеть и регистрировать ход эволюции. В ответ на изобретение новых антибиотиков против болезнетворных бактерий возникают штаммы (группы микроорганизмов с четкими физиологическими особенностями), устойчивые к действию этих лекарств. С первой половины XX века идет постоянная гонка: медикам приходится все время изобретать новые лекарственные средства, которые быстро теряют эффективность из-за ускоренной эволюции микробов. Единственное, что останавливает от того, чтобы считать ее зримым процессом видообразования, – невозможность применить к бактериальному штамму понятия «вид». Стандартное определение гласит, что вид – это совокупность организмов, неспособных к скрещиванию с особями других видов или дающих при таких скрещиваниях бесплодное потомство. Но оказалось, что штаммы, относящиеся к одному и даже разным видам бактерий, могут обмениваться генетическим материалом друг с другом. Это явление назвали горизонтальным переносом генов. Благодаря миграции генов достижения одного вида микроорганизмов становятся доступными для другого – такую форму эволюции назвали ретикулярной, или сетчатой, чтобы подчеркнуть ее отличие от «классической», то есть древовидной, куда бактерии, похоже, не вписываются. Образно говоря, для бактерий нельзя построить эволюционное древо с общим корнем – у них родственные связи образуют запутанную сеть.