О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

3. Если долго-долго-долго...,

или пара слов об эволюции

Процессы развития и превращения живых систем наблюдались на самых ранних стадиях развития биологии. Проблема происхож- дения жизни была одним из центральных вопросов на всем протя- жении истории биологической науки. Представления об этом пре- терпелизначительныеизменениявразноевремя.

Механизм такого развития интересовал биологов с того момен- та, когда было зафиксировано изменение видов. Процесс происхож-

денияКлассификацияодн хвидовврезультатеизменениядругихбылназванэволю-

ученыхци йживойприродывидов. создавалась постепенно трудами многих

. Джон Рэй и Карл Линней ввели биноминальную номенкла- туру с использованием двух наименований – родового и видового, которая позволила дать каждой форме животных и растений опре- деленное научное название и включить их в единую систему клас- сификации.

В работах Кювье были показаны сцепленные признаки, харак- терные для каждого рода. Наличие одного такого признака яв- лялось основанием утверждать, что у данного экземпляра будут присутствовать и другие. Широко известна легенда о том, как один издрузейученого,желаяподшутитьнадним,натянулнасебябара- нью шкуру, пробрался ночью в дом и закричал над кроватью: «Кю- вье, я тебя съем!» Проснувшись, Кювье протянул руку, ощупал шку- руиспокойноответил:«Копыта,рога…Травоядное!Тынесможешь менясъесть».

В1828г.КарлЭрнстфонБэрсформулировалобобщение,извест-

ное сейчас как закон Бэра: особенности, общие для всех представи-

телей какой-либо группы животных, появляются в процессе развиНапример, анатомические тия зародыша раньше, чем более спозвоночныхецифическ п из , отлича-

структурыющие членов, характерныеэтой г уппыдлядругвсехот друга. (головной и спин ной мозг, осевой скелет, дуги аорты и сегментарная мускулатура) появляются на более ранних стадиях, нежели образования, свой- ственные отдельным классам позвоночных (конечности у четве- роногих, перьевой покров у птиц, шерсть у млекопитающих и т.д.). Кратко закон Бэра можно выразить словами: «онтогенез повторяет филогенез»,т.е.развитиезародышаоднойособиданноговидазако- роткоевремяповторяетэволюционноеразвитиеданноговида.

81

Все эти и многие другие открытия и обобщения подготовили почву для создания теории эволюции, автором которой считается английскийнатуралистЧарльзДарвин.

Мысль о том, что современные организмы произошли от бо- лее простых, возникла задолго до того, как Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора». В 1785 г. Джейсом Хэттоном была выдвинута концепция актуализ- ма, согласно которой геологические процессы, действующие в на- стоящее время, ничем не отличаются от процессов, действовавших в прошлом. Чарльз Лайель подтвердил существование геологиче- ской эволюции и сделал вывод о возможности применения эволю- ционного подхода к живой природе. За 50 лет до «Происхождения видов...» французский зоолог Жан Батист Ламарк опубликовал ра- боту «Философия зоологии», в которой развил одну из первых по- следовательныхконцепцийэволюции.Ламаркполагал,чтотрудно- сти, возникающие перед живыми организмами, они преодолевают благодаря адаптации, которая может передаваться потомкам; ина- чеговоря,онсчиталприобретенныепризнакинаследственными.

Обобщив различные концепции эволюции, Дарвин сформули- ровалследующиеположенияэволюционнойтеории:

1. Любой группе животных и растений свойственна изменчи- вость. Дарвин вслед за Ламарком считал, что любая изменчивость передается по наследству, сейчас мы разделяем наследуемые и не- наследуемыепризнаки.Дляэволюцииважнытольконаследуемые.

2. Число организмов каждого вида, рождающихся на свет, боль- шетогоихчисла,котороеможетвыжитьиоставитьпотомство;тем не менее численность каждого вида относительно постоянна. По- этому следует предположить, что какая-то часть особей в каждом поколениигибнет.

3. Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, су- ществует конкуренция за пищу и место обитания. Это может быть какактивнаяборьба(брачныесхваткисамцовмногихвидовживот- ных), так и постоянно идущая слабозаметная конкуренция, напри- мерприпереживаниинеблагоприятныхусловий.

4. Наследственные изменения, облегчающие носящим их орга- низмам выживание в окружающей среде, дают своим обладателям преимущество перед другими. Происходит естественный отбор – выживают наиболее приспособленные, остальные гибнут. Концеп- ция выживания наиболее приспособленныхособейявляетсяядром эволюционнойтеорииДарвина.

82

5. Выжившие особи имеют больше шансов дать начало новому поколению, которому будут переданы по наследству признаки, об- легчающиевыживание.

Все это ведет к тому, что каждое новое поколение оказывается все более приспособленным к окружающей среде, а при изменении этойсреды происходятиизмененияживых организмов,возникают новые приспособления, позволяющие адаптироваться к изменив- шимся условиям. В результате многолетнего естественного отбора, действующего в течение нескольких поколений, отдаленные по- томки могут оказаться настолько не похожими на своих прароди- телей,чтоихможнобудетвыделитьвотдельныйвид.Можеттакже случиться, что приспособление к изменившимся условиям окружа- ющей среды произойдет по-разному у различных популяций одно- говида,тогдаотодногопредковоговидамогутвозникнутьдваили более.

Эволюционная теория Дарвина базировалась на «трех китах» – наследственности, изменчивости и естественном отборе. Послед- ниедвехарактеристикинепредставлялиособыхзатруднений,авот механизмынаследственнойпередачипризнаковдолгоевремябыли непонятными.СамДарвиннемогобъяснить,почемуоднипризнаки передаются от поколения к поколению, а другие – нет. Более того, существовалатакназываемаяпроблема

, когда признаки проявлялиськрос генеративнойне в каждом послепере- дующемачи признаковпоколении,ачерезодноилинесколько.

Все эти проблемы оказались решены с открытием законов на- следственности и генетического механизма передачи наследствен- нойинформации.

Сущность законов, определяющих черты сходства и различия между родственными индивидуумами, стала понятна лишь в ХХ в. Однакоужесдавнихпорлюдизнали,что«подобноерождаетподоб- ное», и выводили новые породы растенийи животных, обладавших определеннымипризнаками.

Делалось немало попыток выяснить, как передаются признаки из поколения в поколение. В 1760 г. очень важное открытие сделал ботаникЙозефГотлибКёльрейтер,которыйскрещивалдвавидата- бака, перенося пыльцу одного вида на пестики другого. Растения, полученныеизгибридныхсемян,имелипризнаки,промежуточные между признаками обоих родителей. Отсюда следовал вывод, что родительские признаки передаются как через пыльцу, так и через семяпочки, т.е. в передаче наследственных признаков участвуют

83

особи одного вида, передающимся по наследству. В данном случае

84

речь шла именно о фенотипе, т.е проявлении внешних признаков, причем нельзя было установить, какие из них смогут передаваться последующим поколениям, а какие – нет. В этом случае не было по- нятно, как могут появляться и закрепляться новые признаки, и тем более – как они могут передаваться по наследству. У противников эволюционной теории был сильнейший аргумент: если даже новый признак появляется в какой-либо популяции, он неизбежно должен будет«раствориться»черезнесколькопоколений,уравновешенный темиособями,укоторыхэтотпризнакотсутствует.Послепоявления теории мутагенеза все встало на свои места, поскольку она опери- ровала понятием «генотип» (набор генов, принадлежащих данной особи данного вида). Совокупность генотипов всех особей данного виданазываетсявидовымгенофондом.

Мутацией называется какое-либо изменение генетического кода, независимо от причин, вызвавших такое изменение, и его по- следствий.Причинымутацииназывают . Такихфакторовдостаточномного,наиболеемутагенсильнымиизфактораминихявля- ютсявоздействиеизлучения(радиоактивного,ультрафиолетового, рентгеновского и т.д.), воздействие химических веществ, вирусные инфекции.Примутациипроисходитизменениетриплетногокода.

Как уже отмечалось, в генетическом коде нет знаков препина- нияисчитываниеидетподряд.Легкоубедиться,чтопрималейших изменениях генетических «слов» изменится и все «генетическое предложение»–ДНКвхромосоме.Вариантовтакогоизменениямо- жет быть два. Во-первых, этозамещениеодногонуклеотидана дру- гой (точнее – замещение пары нуклеотидов в двойной спирали). В данном случае собьется синтез только одной аминокислоты. На- пример,приисходнойцепочкенуклеотидовААЦГАТГАЦзамещение первой молекулы цитозина на какую-либо другую приведет к тому, что первый триплетный код будет изменен, а все остальные оста- нутся прежними. Во-вторых, молекула нуклеотида может быть уте- ряна или, наоборот, добавлена. В этом случае последствия оказы- ваются гораздо большими. При той же исходной цепи ААЦГАТГАЦ внормальныхусловияхсчитываниебудетпроисходитьследующим образом:ААЦ, ГАТ, ГАЦ. Еслиже, например, второйнуклеотидвыпа- дет, то код будет уже совершенно иным: АЦГ, АТГ, АЦ… Последствия такихмутациймогутбытьнепредсказуемыми.

Вообще среди биологов считается, что отрицательных мутаций гораздо больше, чем положительных. Биологические организмы, даже самые простые, представляют собой системы с чрезвычайно

85

сложной организацией, поэтому даже малейшее вмешательство в отлаженный механизм их функционирования может привести к катастрофическим последствиям. Этот факт стал еще одним аргу- ментомпротивниковэволюционнойтеории.Утверждалось,чтопри помощи такой неустойчивой причины, как комплекс случайностей (а любая мутация является случайной), невозможно создать что-то новое, а тем более – настолько сложную и высокоорганизованную систему,какбиосфера.

Этот аргумент и сейчас еще звучит достаточно серьезно и ис- пользуется не только религиозными деятелями, но и самими био- логами.ВотпримеравстралийскогомолекулярногобиологаМ.Ден- тона из книги «Эволюция: теория в кризисе» (Denton M. Evolution: A theory in crisis. London, 1985). Мутации он уподобил обезьяне, си-

дящей за пишущей машинкой. Теоретически не запрещено, чтобы ударяя по клавишам так, как ей заблагорассудится, обезьяна в чис- лепрочихвариантовабсолютнобессмысленноготекстанапечатала отрывок из «Гамлета». На практике же это совершенно невероятно, поскольку вероятность появления даже одной строчки настольно мала, что для своего осуществления потребовала бы времени, пре- вышающеговозрастсуществованиянашейВселенной.Такчто,хотя теоретического запрета на то, чтобы в результате случайных мута- ций появился какой-либо вид, и не существует, учитывая ограни- ченность эволюции во времени, это представляется невероятным. Вполневероятно,пишетДентон,чтослучайноможнонабитьнама- шинке трехбуквенное слово. При увеличении количества букв, ска- жем, до семи, количество комбинаций будет превышать миллион. Двенадцатибуквенное слово имеет порядок 1014 комбинаций, а это числосравнимосчисломминутводноммиллиарделет.

Аргумент достаточно серьезный, но совершенно не учитываю- щий третью составляющую эволюционной теории – естественный отбор. Можно сказать, что эволюция идет не случайным и хаотич- ным образом, а вполне целенаправленно, только цель задается не осознанно, а путем складывания определенных условий суще- ствования и изменения окружающей среды. Естественный отбор проводит «проверку на выживаемость» различных мутаций, и если оказывается, что изменение не носит позитивного характера, про- цесс вовсе не начинается с нуля – существуют другие мутации, ко- торые рано или поздно приведут к цели. Стоит только допустить такую целесообразность, как оказывается, что для создания шек- спировской фразы обезьяне понадобится гораздо меньшее время.

86

Предположим, что в каком-то организме вида произошла мутация. Задачей отбора будет установление ее полезности или вредности для выживания вида, причем, если она оказывается вредной, это не означает уничтожения вида как такового. Генофонд вида бу- дет существовать, т.е. уже имеющиеся в наличии признаки отнюдь не будут отбракованы. Эволюционный процесс не идет путем хао- тическогопродуцированияпроизвольногопотокаэлементовиком- бинаций,прикоторомвсеначинаетсясызновавслучаекакого-либо сбоя в работе. Естественный отбор представляет собой кумулятив- ный процесс, при котором происходит сохранение всех позитивных измененийгенофондакаждойпопуляцииикаждоговида.

Теория естественного отбора в настоящее время трансформи- ровалась в синергетическую теорию эволюции, которая учитывает все вышеназванные факты. Синергетическая теория представляет процесс эволюции живых организмов в качестве функционирова- нияединойсистемы,состоящейизмножестваэлементов,которыми являются как биологические виды, так и явления неживой приро- ды.Видымогутсуществоватьнапротяжениидлительноговремени, оставаясь неизменными. Это происходит, если система находится в состоянии устойчивого динамического равновесия. В этом случае действуют все возражения, приводимые противниками классиче- ской эволюционной теории. При неизменности внешних факторов запаса прочности, заложенного в каждом организме и в каждом виде, вполне хватает для существования вида. Частота появления новых генов остается на уровне, обеспечивающем существование этого равновесия. При этом новые признаки действительно ниве- лируютсявтечениемалогочислапоколений.Однакозначительные изменения окружающей среды служат фактором, вызывающим необходимость в приспособлении, для чего из новых признаков, регулярно появляющихся в популяции, отбираются и сохраняются те,которыеспособныобеспечитьмаксимальнуюадаптациюкизме- нившимся условиям. В эволюции участвуют, таким образом, не от- дельныепопуляции,ацелыйкомплексбиогеологическихфакторов, которые, действуя совместно, и обеспечивают ее протекание. Про- цесс эволюции при таком подходе выглядит прерывистым, скачко- образным,несмотрянато,чтомутагенезпроисходитпостоянно.

Теория эволюции имела огромное методологическое значение для развития не только биологии, но и множества других наук. Даже в социальной сфере она проявила свое действие. Возник ряд течений, объединенных в общую категорию социального дарви-

87

. В общих чертах они использовали старый подход к разви- тиюн змаобщества, заложенный еще Мальтусом, но с возникновением теории Дарвина появилась возможность подвести под мальтузиан- ство научную базу. Социалдарвинисты утверждали, что, поскольку человек является всего лишь одним из многих биологических ви- дов, к нему приложимы принципы естественного отбора, которые действуют на все остальные живые организмы. Основной прин- цип – «выживает сильнейший» – в применении к человеку означал, что все естественные ограничители численности населения, ука- занные Мальтусом, должны рассматриваться как благо, направлен- ноенаулучшение«человеческойпороды».Внаиболеезавершенной форме принципы социального дарвинизма проявились в науке, получившей название «евгеника». Евгенический подход к биоло- гической сущности человека характеризуется убеждением, что ее можно и нужно улучшать точно так же, как мы улучшаем породы различных животных, приспосабливая их к своимцелям. При выве- дении новых пород идет не естественный, а искусственный отбор, в результате которого закрепляются не все вновь возникшие при- знаки, а только те, которые имеют ценность для человека, но могут оказаться бесполезными или даже вредными для самого организ- ма. В начале и середине ХХ в. было очень популярно мнение, что к человеку необходимо применить те же принципы для улучшения различных его характеристик. Предлагалось даже создавать раз- личные породы людей в связи с их профессиональной деятельно- стью.Например,длясолдатанеобходимызначительнаяфизическая сила и выносливость, в то время как интеллектуальные качества особойролинеиграют.Дляученого,напротив,необходимразвитый мозг. Такой подход, представлявшийся его создателям рациональ- ным и прогрессивным, будучи применен к человеку, на самом деле создал бы предпосылки для построения самого страшного тотали- тарного общества. Евгенические исследования были подвергнуты жесточайшейкритикеврамкахбиоэтикиисейчасевгеникаявляет- ся одной из отраслей медицины, занимающейся проблемами гене- тическогоздоровьячеловекаипутейегоулучшения.

В настоящее время найдены основные закономерности эволю- ции, которые позволяют всесторонне рассмотреть этот процесс. Несмотря на то, что среди исследователей существуют некоторые расхождения в представлениях о конкретных молекулярных меха- низмах,лежащихвосновемутаций,отипахмутаций,остепенивоз- действия на эволюцию отдельных организмов таких факторов, как

88

изоляция, численность популяции и т.д., существуют общие черты, позволяющие проследить эволюционный процесс в его основных характеристиках. Не вызывает сомнений, что первичным материа- ломдляэволюциислужат изменениявгенах ихромосомах, чтодля зарождения нового вида необходима изоляция популяции, выра- женная в той или иной степени, что естественный отбор обеспечи- вает сохранение некоторых, но не всех возникающих мутаций. Кро- метого,существуютпятьосновныхзакономерностейэволюции:

1. Эволюция происходит с разной скоростью в разные периоды. В настоящее время она протекает быстро, это объясняется увели- чившимсячисломмутагенныхфакторовивыражаетсявпоявлении многих новых форм и вырождении старых. Примером может слу- жить вирус гриппа, который мутирует постоянно, причем иммуни- тет, выработанный на старые штаммы, не действует на новые. Это доказывает, что у вновь появляющихся разновидностей вируса ме- няется генетическая структура, что приводит к изменению синте- зируемоговирусомбелка.

2. Эволюция организмов различных видов происходит с раз- личной скоростью. Наиболее устойчивые виды, известные в насто- ящее время, – плеченогие (животные, родственные моллюскам). Некоторые их виды совершенно не изменились за последние пять- сот миллионов лет: раковины ископаемых плеченогих, найденные в древних породах, совершенно идентичны раковинам современ- ных видов. Такие животные, как крокодилы и гигантские черепахи, являются современниками динозавров, т.е. их эволюция не продви- нуласьвпередпримернозастопятьдесятмиллионовлет.Надругом полюсе находится человек – за последние несколько сот тысяч лет на Земле успело появиться и исчезнуть несколько видов гоминид – австралопитеки, питекантропы, неандертальцы. Вообще эволюция протекает быстрее при первом появлении нового вида, а затем, померестабилизации,еетемпызамедляются.

3.Новыевидыобразуютсянеизсамыхвысокоразвитыхиспеци- ализированных форм, а, напротив, из относительно простых и не- специализированных. Так, млекопитающие произошли не от круп- ных динозавров, а от группы сравнительно мелких неспециализи- рованныхрептилий.

4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существу- ет много примеров так называемой регрессивной эволюции, когда сложная форма дает начало более простым. Большинство парази- товпроизошлиотсвободноживущихпредков,которыеимелиболее

89

сложную организацию, нежели современные формы. В процессе эволюции происходилоприспособлениек изменившимсяусловиям окружающей среды, в результате чего многие ненужные свойства были утрачены. Существует множество примеров регрессивной эволюции: некоторые бескрылые птицы произошли от крылатых, которые были способны летать, безногие змеи – от рептилий, ко- торые имели конечности; киты, имеющие всего два плавника, – от млекопитающих с четырьмя конечностями и т.д. Все это связано со случайным характером мутаций и с тем, что они не обязательно вызывают изменения от простого к сложному и от несовершенно- го к совершенному. Если какому-либо виду оказывается выгодным иметь более простое строение органа или вовсе лишиться его, то любыемутации,происходящиевэтомнаправлении,будутнакапли- ватьсяестественнымотбором.

5. Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи, и происходит в результате процессов мутирования, дифференци- альноговоспроизведения,естественногоотбораидрейфагенов.

4. Скоро сказка сказывается,

или пара слов чторазвитиисихжизни на Земле

Несмотря на то, мы до пор не в состоянии абсолютно точнообъяснить,какимобразомвозниклажизнь,одинфактможно констатировать – однажды она все-таки возникла! И, появившись, принялась развиваться, результатом чего оказалось появление нас с вами. Однако даже этот непреложный факт вызывает множество сопутствующих вопросов, которые мы и рассмотрим в этом разде- ле, а если повезет – даже дадим на них ответы, приближающиеся кистине.

Первый такой вопрос: а какой была эта возникшая жизнь? Не с точки зрения структуры, здесь все более-менее очевидно – первые живые существа однозначно были одноклеточными ор- ганизмами. А вот как они себя вели, чем дышали, как питались и размножались? С размножением тоже понятно – до появления многоклеточных организмов это было исключительно деление. И сейчас одноклеточные размножаются точно так же, поэтому есть всеоснованияпредполагать,чтовэтомпроцессеничегонеизмени- лось с древних времен. С дыханием уже сложнее: сейчас для жизни большинстваживыхсуществнеобходимкислород.НараннейЗемле

90