Эволюция. От Дарвина до современных теорий

Прочитать «Происхождение видов» – означает испытать необычайный восторг от того, как научный гений озаряет ваши мысли и подробно разъясняет свою главную теорию. В честь 150-летия самого влиятельного из когда-либо опубликованных произведений научно-популярной литературы New Scientist попросил генетика, мыслителя-эволюциониста и автора Стива Джонса обобщить материалы книги и переосмыслить ее под реалии XXI века. Ниже приведена обновленная версия величайшего творения Дарвина.

«Происхождение видов» для XXI века

Уникальная среди всех научных теорий, эволюционная биология берет свое начало из популярной книги, написанной одним единственным автором. Седобородый гений подарил нам совершенно новый взгляд на существование: жизнь на Земле менялась в пространстве и времени, и изменения эти зачастую происходили под влиянием простого процесса под названием «естественный отбор».

Чарльз Дарвин называл свою работу «одним длинным аргументом». Для читателя XXI века книга и впрямь кажется довольно длинной – с одной иллюстрацией на 150 000 слов. Сам Дарвин обладал ясным мышлением, поэтому его труд представляет собой впечатляющую пропаганду идей от известных (как изменились животные на фермах) до мало знакомых (как формируются инстинкты и развиваются эмбрионы).

Кроме того, Дарвин объясняет, как возможные проблемы его теории (например, необъяснимо совершенная структура глаз) в действительности становятся частью решения, и очевидные недостатки (неполная картина данных, сохранившаяся в ископаемых) легко объясняются. Дарвин иногда и ошибался – ведь он не знал о генетических открытиях Грегора Менделя и полагал, что наследование основывалось на смешении крови. Тем не менее в основном ученый оказался прав.

Дарвин описал процесс эволюции как «видоизменение потомства». Сегодня же это название можно перефразировать в «генетику плюс время». Потомки похожи на родителей из-за наследования их ДНК, но сам процесс копирования не является точным. Каждый цикл содержит ошибки или мутации, и они довольно редко встречаются по отдельности. Но с одной или двумя возможными мутациями в рабочем гене каждого поколения у людей может вскоре создаться целое генетическое разнообразие. Копия копии всегда несовершенна, и лишь по одной этой причине эволюция неизбежна.

У Дарвина была и другая догадка. Он заметил, что если какой-то вариант позволял своим носителям становиться успешнее в выживании, размножении и передаче своих генов, то в последующих поколениях этот признак начинал распространяться. Такие унаследованные различия в шансах на размножение позволяют живым организмам лучше приспосабливаться к изменяющимся условиям среды и способны со временем порождать новые формы жизни. Естественный отбор, как окрестил его Дарвин, является фабрикой по изготовлению почти что невозможного.

«Происхождение видов» писалось в спешке. Поняв, что Альфред Рассел Уоллес пришел к той же идее, которую Дарвин дорабатывал со времен возвращения из путешествия на «Бигле», ученый решил сократить и адаптировать свою теорию для выхода объемным томом и приложить максимум усилий для того, чтобы как можно скорее поделиться своими открытиями с широкой аудиторией. Вышедшая книга была короче, чем планировалось, но оказалась понятнее читателю, что, бесспорно, послужило причиной для столь незамедлительного резонанса. Дарвин вновь и вновь извинялся за то, что так сильно урезал свою книгу. И всю свою жизнь посвятил тому, чтобы заполнить эти пробелы.

Если расценить «Происхождение видов» спешным обращением к читателям, то описание ниже будет не более чем почтовой открыткой, кратко описывающей суть теории Дарвина, адаптированной под современные реалии.

В которой Дарвин приводит примеры из одомашнивания животных и растений для объяснения причин изменчивости и принципов отбора.

Испокон веков фермеры являлись невольными эволюционистами, поскольку сами отбирали и формировали признаки одомашненных видов. И нигде сила человеческого отбора не видна так ясно, как у домашнего очага. Собак приручили порядка 16 000 лет назад в Китае, возможно, это сделалось ради их мяса. Предками собак являлись волки, и у двух этих видов до сих пор сохранилось одинаковое научное название – Canis lupus. Но с тех пор собаки сильно изменились. Заводчики безжалостно искореняли неподходящих для них животных. Эта избирательная смерть в сочетании с избирательным спариванием вскоре поделила собак на множество пород. Некоторые виды отделились тысячи лет назад, однако большинство их них – не старше 400 лет. В детстве Дарвина существовало не более 15 известных пород. К моменту публикации «Происхождения видов» их количество возросло до 50. Сейчас оно составляет порядка 400. За 30 собачьих поколений многие современные породы обзавелись четко выраженными отличительными признаками. И иногда одна мутация порождает новую породу.

Ирландский волкодав имеет высоту в 1 метр и весит целых 30 чихуахуа. Однако разница в размерах обусловлена определенным геном, который встречается в одной форме у крупного животного, и в другой – у мелкого. И все же большая часть различий спровоцирована целым комплексом генов, невольно отобранных селекционерами с целью закрепления четких породных признаков. Окажись все это разнообразие пород в диких условиях, наивные энтузиасты-натуралисты могли бы отнести их к разным видам. Как доберман может находиться в той же породной категории, что и чихуахуа?

Несмотря на ряд очевидных сложностей при спаривании, межвидовое скрещивание собак порождает фертильное потомство, что является одним из критериев для определения вида. Точно так же европейский серый волк свободно скрещивается с домашними собаками, благодаря чему они и получили свое название. И всего за несколько коротких десятилетий заводчики породистых собак наглядно продемонстрировали дарвинизм в действии.

«Что до ваших теорий, то я готов пойти за них на костер, если потребуется… Я надеюсь, что вы не позволите себе испытать отвращение или раздражение из-за значительного оскорбления и искажения, которые, если я не ошибаюсь, уже для вас заготовили… А что касается тех нахалов, которые будут лаять и тявкать, то вы должны помнить, что некоторые ваши друзья наделены определенной агрессивностью, которая (хотя вы часто и справедливо попрекаете ее) может помочь вам – я уже точу свой клюв и когти в боевой готовности». – Писал Чарльзу Дарвину 23 ноября 1859 года его сторонник Томас Генри Гексли о книге «Происхождение видов»

В которой Дарвин рассматривает индивидуальные особенности и выделяет широкую степень изменчивости видов, на которые действует естественный отбор.

Мир природы полон разнообразия. Количество классифицированных видов животных до сих пор не превышает 1,8 миллиона, и, несомненно, впереди нас ждет множество новых открытий. О других царствах жизни известно еще меньше. Многие ареалы обитания практически не исследованы. Схема классификации водных микробов, собранных в водах Атлантического и Тихого океана, Балтийского, Средиземного и Черного морей, позволила идентифицировать тысячи новых семейств генов. Они служат доказательством того, что существует огромное количество пока что неизвестных нам водных форм жизни. И это количество приближается к 99 % всей биосферы.

Дарвин был очарован многообразием живых организмов. Он пришел к выводу, что новые виды, как правило, создаются из вариантов уже существующих. А разнообразие существующих видов, как показала генетика, не перестает удивлять своими масштабами. Внутривидовая изменчивость находится под пристальным вниманием естественного отбора, который способствует проявлению определенных признаков в конкретных средах обитания. Если животное заселяет две разные среды, разделенные пространством или временем, то его популяция может разделиться на две формы, неспособные к обмену генами. То есть так появятся два вида.

Иногда граница между видами изменяется и становится нестабильной, что указывает на динамическое и постоянно меняющееся давление переменчивой среды.

Например, многие поколения красных волков и койотов, несмотря на все их различия, занимали одинаковые ареалы обитания в Северной Америке. Каждый вид сохранял свои отличительные черты. Однако в последние годы деятельность человека «сблизила» оба вида, и они стали производить фертильных гибридов. Такие животные смогли преодолеть барьеры для обмена генами, поэтому со временем два вида вновь слились в один.

В которой Дарвин описывает конкуренцию за ограниченные природные ресурсы.

Со временем все виды способны значительно разрастись. Однако этого не происходит из-за болезней, нехватки пищи, атак хищников или отсутствия жилищ. Поэты-романисты и большая часть либерального общества времен Дарвина отрицали борьбу за существование. Теперь мы признаем ее, но часто забываем, насколько безжалостной она может оказаться.

Например, около 400 миллионов домашних собак живут легкой жизнью в домашних условиях. Во многих культурах, презирающих собак, несколько миллионов особей сбиваются в стаи одичавших собак, вынужденные выживать на объедках. Их жизнь хаотична, опасна и непродолжительна. А волки, некогда бродившие по северным лесам, вытесняются со своих территорий людьми. В Европе осталось несколько тысяч особей волков, но вскоре исчезнут и они, если не окажутся под защитой человека. Волкам и одичавшим собакам не повезло столкнуться с самым злейшим из существующих в природе врагом, и оба вида платят высокую цену за свое существование.

В которых Дарвин объясняет, как унаследованные различия в способностях к выживанию и размножению определяют природу и факторы изменчивости для действия естественного отбора.

Десять тысяч лет назад большая часть Северной Америки была покрыта льдами. По мере отступления ледников они сравняли с землей замысловатые рельефы низких холмов, небольших озер и стремительных рек. Постепенно колюшки отодвигались все дальше от моря. Они нашли два разных пристанища и перешли на разные образы жизни. В озерах, где большая часть пищи была доступна в поверхностных водах, колюшки стали изящными и ловкими пловцами. В водоемах, где лучшим местом для кормления служило мелкое дно, колюшки превратились в мясистых и энергичных рыб, способных добывать пропитание. Несмотря на то что эти рыбы пока не выделены в отдельные виды, каждая форма предпочитает оставаться в собственном ареале обитания и скрещиваться внутри стаи. Естественный отбор направлен на адаптацию рыбы к сопутствующим существованию трудностям, а шанс передать свои гены дальше получают лишь особи, идеально прошедшие тест на выживание.

По признанию Дарвина, вступительный экзамен для передачи генов состоит из двух испытаний. Первый включает в себя само выживание, а второй касается успешного размножения. Это подводит нас к тому, что Дарвин называл «половым отбором». Самцы многих видов вынуждены бороться за внимание самок. Самка же выбирает наиболее успешного кандидата для того, чтобы стать отцом ее потомства, сосудом ее собственных драгоценных генов. Эта борьба за размножение может приводить к развитию таких необычных структур, как павлиний хвост. Такие сексуально привлекательные черты не только помогают в выживании особи, но и являются ее слабым местом. Возможно, поэтому они столь эффективны – яркие признаки показывают, что наряду с опасными для особи сексуальными сигналами их обладатель наделен всем, что нужно для выживания.

В которой Дарвин рассматривает органы крайней степени совершенства и другие очевидные камни преткновения в своей теории.

Ухо млекопитающего является прекрасным примером того, как эволюция умеет создавать шедевры инженерной мысли. Вода является отличным проводником, поэтому рыба воспринимает звуковые волны с помощью простых датчиков давления на своем теле. По мере выхода на сушу животных требовалась способность усиливать более слабые звуковые волны.

С этой целью у рептилий и птиц появился крошечный слуховой столбик – небольшая слуховая косточка в среднем ухе, расположенная между внешним миром и сенсорными клетками уха. Однако у млекопитающих слуховая косточка состоит из трех взаимосвязанных единиц с рычажным способом соединения, повышающим их эффективность.

История об образовании уха млекопитающих явно писалась довольно вдумчиво, а само ухо относится к структурам, измененным до неузнавания. У древнейших рыб не было челюстей. Они образовались гораздо позже из костных дуг, некогда поддерживающих жабры. Вторая жаберная дуга стала единственным «усиливающим» рычагом, найденным у рептилий и их пернатых родственников. С появлением предков млекопитающих ухо стало отвоевывать и другие структуры. Для начала изменилось положение шарнирной области между верхней и нижней челюстью, благодаря чему «высвободилась» одна кость верхней челюсти и одна кость нижней, которые превратились в оставшиеся косточки среднего уха. Поэтому можно сказать, что мы слушаем тем, чем наши предки когда-то жевали.

Из окаменелостей можно восстановить всю цепочку существ с развивающимся средним ухом. Это свидетельствует о том, что естественный отбор может основываться на серии успешных ошибок, и ему под силу создавать сложные органы из чего-то уже совершенного.

Дарвин ничего не знал о генах, и его глава о наследовании является самым слабым звеном в теории. Однако теперь у нас есть молекулярные зонды, которые показали, что в сенсорной системе рыб активны те же гены, что и в ухе человека. Это служит доказательством того, что генетика и эволюция превратились в отрасли одной и той же науки.

Однако для некоторых тринидадских гуппи найти компромисс между спариванием и смертью оказалось не так-то просто. Самцы, которые обитают в определенных водоемах, имеют ярко-оранжевый пятнистый окрас, привлекающий самок… В других водоемах такой окрас привлекает вездесущих хищников, замечающих яркие пятна и поедающих их носителей. В таких водоемах окрас самцов тускнеет и становится однородным. Но стоит пересадить этих рыб в водоемы без хищников, и через несколько поколений они снова засияют ярко-оранжевыми пятнами – вот она мощь инстинкта размножения.

В которой Дарвин сталкивается с проблемой эволюции поведения.

С давних пор собак использовали для охоты. Обладатели особых способностей (идти по следу, догонять, находить мертвых животных) выбирались в качестве продолжателей рода. А их история продолжает жить в инстинктах современных пород. Пастушьи собаки (например, бордер-колли) преследуют овец, но не кусают их. Но собаки, которых разводят для контроля за более крупными животными (например, корги для выпаса рогатого скота), идут еще дальше и набрасываются на своих подопечных. Питбультерьеры – это агрессивные существа, способные удержать за нос быка – или ребенка. Могут ли такие психологические характеристики действительно развиваться под давлением отбора?

В 1950-х годах российские исследователи отметили, что благодаря строгому генетическому отбору по приручаемости некогда дикие черно-бурые лисицы в течение нескольких поколений начали вилять хвостами, тявкать и наслаждаться обществом человека. Даже их внешний вид изменился – появился новый окрас шерсти и висячие уши. Через 30 поколений черно-бурые лисы стали совершенно ручными. Их мозг как будто бы эволюционировал так же быстро, как и остальные части тела.

В которой Дарвин изучает то, что разделяет виды.

Виды сохраняют свои отличительные особенности, потому как живут в разных местах обитания и не могут спариваться друг с другом. Или же, если спаривание возможно, то оно приводит к бесплодному потомству. Гибридная стерильность вызывается генами. А поскольку большинство генов нельзя скрестить, то и найти истинного виновника гибридной стерильности довольно трудно. Эксперименты с двумя популяциями мексиканской рыбы показывают, что для разграничения видов бывает достаточно лишь небольших изменений.

Пецилия обитает в озерах и покрыта изящными темными пятнами. В водоемах поблизости живет меченосец, который выглядит точно так же, с той лишь разницей, что у самцов отсутствуют пятна и присутствует длинный хвост. В дикой природе оба вида никогда не скрещиваются. Однако в лабораторных условиях это возможно. В результате появляются пятнистые гибриды с хорошей выживаемостью (по крайней мере, в аквариуме). Но если скрестить их с одним из родителей, то следующее их потомство постигнет зловещая судьба. Маленькие пятна превратятся в смертоносные черные опухоли. Но самцы с такими раковыми опухолями, как ни странно, очень нравятся самкам.

Поиск в ДНК обнаруживает проблему. Клетки обладают молекулярными тормозами и ускорителями, сообщающими им, когда следует начинать или прекращать деление, а когда – умирать. У гибридной рыбы этот молекулярный контроль нарушается. Ген-ускоритель одного родительского вида отказывается реагировать на команды торможения гибрида. Как следствие, гибриды второго поколения умирают от рака.

Это красноречиво указывает на то, что эволюция (происхождение от общего предка) может объединять совершенно разных существ. А гиперактивный ген, отвечающий за вышеописанные проблемы у рыб, весьма схож с тем, который при определенных отклонениях вызывает рак кожи человека.

В которых Дарвин рассматривает отсутствие промежуточных разновидностей, объясняет, почему наши палеонтологические коллекции полны пробелов, а также описывает, как его теория объясняет схему сукцессии от окаменелостей до живых форм.

Геологическая летопись похожа на пару строк из различных страниц истории мира. Большая ее часть заполнена пробелами, ведь мягкотелые существа редко сохраняются в горных породах. Поэтому нам повезет, если какие-то фрагменты их тел доживут до наших дней хотя бы частично. Со времен Дарвина находилось огромное количество окаменелостей по всему миру, а беспокойство ученого о том, что геологические данные летописи могли бы не подтвердить его теорию, теперь кажутся нам совсем необоснованными.

Дарвин высчитывал примерный возраст каждого слоя в зависимости от скорости разрушения горных пород. Сегодня же мы можем проводить прямой анализ ископаемых, отслеживая степень химических разложений элементов во времени. Мы отследили возникновение первой жизни 3 миллиарда лет назад и гибель динозавров 65 миллионов лет назад. Некоторые части летописи этого колоссального периода кажутся на удивление завершенными.

Гималаи полны ископаемых – не горных существ, а морских обитателей. Когда-то давно эти горные вершины образовывали дно океана Тетиса. В окаменелостях присутствуют и предки синих китов. Кости самого древнейшего предка всех китообразных обнаружили в слоях возрастом 50 миллионов лет. Они принадлежат существу с четырьмя ногами и хвостом, которое жило на берегу и внешне напоминало тюленя. Однако уши этого предка обладали уникальной структурой, которая в наше время встречается только у китов.

Другая важная находка – «ходячий плавающий кит», живший через миллион лет после древнейшего кита. Он был похож на трехметровую выдру. Еще через миллион лет ноздри животного «мигрировали» вверх по морде, а таз отодвинулся от позвоночника. И через 5 миллионов лет в океанах обитало длинное млекопитающее с крошечными конечностями.

Затем произошло великое деление: предки синего кита и родственные ему виды – те, которые процеживают крошечных существ из толщи воды, – стали «отращивать» гигантские сита во рту. Другие же виды сохранили свои острые зубы, которые присутствовали и у древних китов, и у современных китов-убийц – косаток. Более поздние слои демонстрируют разделение ветвей дельфинов и китов. Летопись, которая когда-то была не более чем огромным пробелом, позволила воссоздать полную картину развития крупнейших из когда-либо живших животных. Делалось это с огромным трудом и определенной долей везения.

Геологическая летопись позволила китам занять свое законное место в семействе млекопитающих, ведь до недавнего времени классификация этих животных вызывала ряд сомнений. Древнейшие предки китов были родственниками предков бегемотов.

Таким образом, киты при всей своей уникальности стали частью большой группы, в которую входят бегемоты, свиньи, жирафы и крупный рогатый скот. Анализ ДНК подтвердил данные из летописи окаменелостей. А вся история эволюции китов воссоздалась менее чем за полвека.

В которых Дарвин показывает важность географических барьеров и климатических изменений для объяснения распространения жизни в известном нам виде.

Пингвины – очаровательные птицы. В зависимости от классификации, существует от 17 до 20 видов пингвинов. Такое разнообразие включает в себя различные формы – от величественного императорского пингвина из Антарктики до малого пингвина Австралии, вес которого составляет всего одну двадцатую от веса антарктического «императора». Прочие виды населяют Новую Зеландию, Южную Африку и Галапагосские острова. Несмотря на то что результаты анализа ДНК показывают, что ближайшими родственниками пингвинов являются альбатросы, эти птицы не умеют летать… так как же им удалось достичь такого географического разброса популяций?

Самые древние окаменелости пингвинов появились вскоре после вымирания динозавров (около 65 миллионов лет назад). Общий предок всех живых видов обитал в южной части Новой Зеландии и на Земле Мэри Бэрд (Антарктида), которые в те времена были удалены друг от друга не более чем на 1500 километров. Предки непосредственно пингвинов уже почти лишились своих крыльев. Окаменелости и анализ ДНК показывают, что распространение пингвинов соответствовало распространению и отступлению ледников. Череда ледниковых периодов, которая началась примерно 35 миллионов лет назад, сделала Антарктику непригодной для жизни, поэтому по мере наступления ледников птицы отступали на север. Затем течение льда сместилось западнее, восточнее и ближе к экватору.

За 10 миллионов холодных лет поверхность Земли нагревалась, охлаждалась и снова нагревалась, а птицы следовали за отступающим ледяным покровом до самого южного края. В процессе миграции они оставляли колонии, рассредоточенные по холодноводным берегам всего земного шара. Последовавшая за этим изоляция и трудности существования отдельных групп пингвинов привели к возникновению целого биоразнообразия известных нам видов.

В которой Дарвин рассматривает классификацию животных и показывает, как его теория структурирует все живое по эволюционным направлениям.

Все мы знаем, что прошлое – это ключ к настоящему, а младенцы – это ключ к взрослому миру. Дарвин понимал, что в процессе онтогенеза животные принимают наиболее подходящую своему образу жизни форму. Получается, что близкое родство между организмами можно отследить при сравнении их эмбриональных форм.

Целых восемь лет Дарвин изучал усоногих раков – совершенно непонятную тогда группу животных, которая, как выяснилось, была родственником крабов, насекомых и прочих членистоногих. Внешний вид взрослых раков сильно отличался от известных прибрежных форм из-за внутреннего паразита крабов, который выглядел как гигантский гриб. Но несмотря на различие взрослых особей, зародыши обоих видов очень похожи. Чуть в меньшей степени они схожи с эмбрионами омаров и крабов, а также других членистоногих морских обитателей. Эмбрионы всех этих форм схожи с зародышами насекомых. Получается, что у бабочек есть родственники даже на морских берегах. Сама же гигантская группа членистоногих в своем эмбриональном развитии схожа с зародышевыми формами ленточных червей и их родственников, которые, как известно, во взрослом состоянии выглядят совершенно иначе. Эта общая схожесть, утерянная у взрослых особей, указывает на глубинные шаблоны родства эмбрионов, видоизменяющиеся по мере развития организма.

Дарвиновская классификация жизни, в соответствии с которой группы внутри групп образовывали иерархичную структуру, идущую от общего предка, основывалась лишь на том, что ученый мог видеть в микроскопе или невооруженным глазом. Теперь же на помощь пришли гены – новые единицы эволюции. Они познакомили нас с целыми царствами жизненных форм, о которых мы ничего не знали всего несколько десятилетий назад.

Новое дерево жизни явилось прямым потомком того самого эскиза общего происхождения, опубликованного в «Происхождении видов». Современная версия основана на сравнении миллиардов последовательностей ДНК различных форм жизни. Родство китов и жирафов оказалось не самым поразительным. Большее удивление вызвало тесное родство между всеми животными и грибами, а также открытие целого царства одноклеточных существ – архей, чья структура и образ жизни при внешней схожести сильно отличается от бактерий. Возможно, в древние времена археи даже сотрудничали с бактериями, образуя ядросодержащие клетки, из которых состоят все известные нам растения и животные.

В которой Дарвин приводит «длинный аргумент» в пользу эволюции и пытается разгадать «величайшую загадку»: почему существует так много разных видов.

И вот, спустя полтора столетия после выхода «Происхождения видов», Дарвин оказался прав практически во всем. Теперь эволюция – это не «просто теория». Эволюция, как химия и другие науки, позволяет получить логический взгляд на мир. Дарвин мог лишь мечтать о том, что эта великая книга прольет свет не только на происхождение мира растений и животных, но и на существование нас самих.

Дарвинизм придал смысл тому, что когда-то было не более чем беспорядочным набором фактов, и при этом структурировал биологию. Современная психология, экология и многие другие науки зародились на страницах этой величайшей книги. Полтора столетия спустя эволюция стала так же важна для нашего понимания жизни, как и гравитация для изучения Вселенной. В заключительных словах «Происхождения видов» говорится: «Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем, как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм».

«Публикация книги Дарвина „Происхождение видов“ в 1859 году стала эпохой в моем собственном интеллектуальном развитии, как и в человеческом мышлении в целом. Она разрушила одним ударом множество догматических барьеров и возбудила ум к восстанию против всех старых авторитетов, утверждения которых противоречили современной науке» (Фрэнсис Гальтон, английский исследователь и изобретатель, из автобиографии «Воспоминания» (1908)).