Эволюция. От Дарвина до современных теорий

Заявления об эволюции, сделанные приверженцами сверхъестественного появления мира, могут казаться весьма убедительными для тех, кто не разбирается в науке в целом и биологии в частности. Заблуждений много и среди приверженцев эволюции. Большинство из нас откровенно признаются, что не разбираются в квантовой механике, но мы постыдимся сказать то же об эволюции. В действительности по мере появления новых открытий в биологии эволюция может стать куда более странной, чем могли себе представить ее прародители.

Эволюция: путеводитель для тех, кто запутался

Ниже приведены примеры популярных мифов и заблуждений об эволюции.

«Вопреки распространенному мнению, не все свойства растений и животных являются адаптацией или результатом естественного отбора».

Почему многие из нас проводят вечера перед телевизором с едой из микроволновой печи? Может ли оказаться прав один исследователь, посчитавший, что телевизор служит современным аналогом неолитического костра, превращая вечерние ужины в «естественное следствие сотен тысяч лет эволюции человека»?

Не надо смеяться. Ведь очень сложно устоять перед соблазном придумать очередную псевдоэволюционную историю, объясняющую разные аспекты нашего тела и поведения. Мы склонны верить, что у всего есть смысл. Однако часто это мнение ошибочно.

Вспомним, к примеру, мужские соски. Самцам млекопитающих они явно не нужны. Но тем не менее они есть, поскольку нужны самкам. Не так уж сложно «отрастить» соски, поэтому полам не потребовалось прибегать к отдельным путям развития для «отключения» роста сосков у самцов. Некоторые исследователи полагают, что женский оргазм существует по той же причине, однако это мнение весьма спорно.

Еще пример – ваше обоняние. Не кажется ли вам, что аромат роз является слишком сильным и подавляет остальные запахи? Можете ли вы обнаружить характерный запах, который источает моча большинства людей после употребления спаржи? Люди сильно различаются по обонятельным способностям. Вероятно, это связано не столько с естественным отбором, сколько со случайными мутациями в генах, кодирующих обонятельные рецепторы.

Еще есть особенности, которые возникают в результате отбора, но совершенно другого признака. Например, низкорослость пигмеев не дает никакого преимущества для выживания, однако является побочным эффектом отбора для раннего деторождения в популяциях с высокой смертностью. Поскольку один и тот же ген играет разные роли на разных этапах развития или в разных частях тела, отбор выгодного варианта довольно часто сопряжен с наличием несвязанных эффектов. Так, мужская гомосексуальность может являться побочным эффектом генетических вариантов, повышающих женскую фертильность. Кроме того, если посредственный или слабый вариант гена окажется рядом с очень полезным, то он сможет быстро распространиться внутри популяции.

Другие особенности растений и животных (например, крылья страусов) – это адаптации, переставшие служить своей первоначальной цели. Такие рудиментарные признаки могут сохраняться в том случае, если не влияют на шансы особи на выживание, берут на себя выполнение другой функции либо, несмотря на свою бесполезность, продолжают встречаться в определенных популяциях (слишком малых или в популяциях с недостаточным количеством поколений для эволюционного искоренения данного признака).

Ярким примером служит и аппендикс человека. Существует множество теорий о возможных функциях данного органа, но реальность говорит сама за себя: у вас больше шансов выжить без аппендикса, чем с ним. Еще пример – зубы мудрости. Более слабая челюсть меньшего размера позволила нашим предкам отрастить крупный мозг, но лишила их достаточного места для моляров. Тем не менее у многих людей продолжают вырастать зубы, для которых нет места. И последствия в данном случае иногда бывают фатальными.

Эволюционная психология печально известна своими попытками объяснить каждый аспект человеческого поведения (от садоводства до насилия) адаптацией, возникшей во времена, когда наши предки жили в африканской саванне. Некоторое поведение действительно можно отнести к проявлению адаптации. Но в отсутствие каких-либо убедительных доказательств заявления об ужинах перед телевизором следует встречать с изрядной толикой скепсиса.

«Существует множество исследований и экспериментов, нацеленных на опровержение эволюции. Однако за полтора столетия со времен публикации теории Дарвина никому так и не удалось этого сделать».

Когда биолога Дж. С. Холдейна спросили, что бы могло опровергнуть эволюцию, он изрек свое известное: «Ископаемый кролик в докембрии». Таким образом он говорил о том, что эволюция предсказывает прогрессивные временны´́е изменения миллионов ископаемых, обнаруженных в недрах земли по всему миру: многоклеточные организмы появились после одноклеточных, челюстные рыбы – после бесчелюстных и т. д. Для опровержения теории эволюции достаточно будет найти одно-два исключения. Например, если бы первые ископаемые амфибии оказались старше первой ископаемой рыбы, то это означало бы, что амфибии не могли произойти от рыб. Но таких исключений пока не было обнаружено.

Теорию эволюции могло бы опровергнуть и открытие гибрида млекопитающих и птиц (например, пернатого кролика). Уже известны животные, сочетающие в себе признаки млекопитающих и рептилий (австралийская ехидна); есть окаменелости с помесями птиц и рептилий (зубастый археоптерикс). Но ни одно из животных не сочетает в себе признаков млекопитающих и птиц. Именно этого и следует ожидать, если птицы и млекопитающие развились из разных групп рептилий. Ведь в противном случае нет никаких причин, по которым «дизайнер» не смешал бы все эти черты, создавая млекопитающих с перьями и птичьими легкими или страусов, покрытых шерстью и выкармливающих грудью потомство.

Сама молодая Земля стала бы настоящей проблемой для эволюции, поскольку, как было подмечено Дарвином, для естественного отбора требуются огромные отрезки времени («глубокое время»). В XX веке физик Уильям Томсон подсчитал, что возраст Земли составляет всего 30 миллионов лет, и некоторые стали видеть в этом доказательство необоснованности теории эволюции. На самом деле ряд научных данных (например, изотопы свинца) показал, что Земля намного старше, чем думал Дарвин. Ее возраст составляет порядка 4,5 миллиарда лет.

Представим себе на минуту, что жизнь на Земле была кем-то придумана, а не развилась самостоятельно. В этом случае внешне похожие организмы могли иметь совершенно разное внутреннее устройство – точно так же устройство ЖК-экрана отличается от плазменного. Последовавший за этим всплеск геномных исследований показал, что все живые существа «работают», по сути, примерно одинаково: они хранят и переводят информацию, используя один и тот же генетический код с небольшими изменениями в самых примитивных организмах. Огромные куски этой информации идентичны или слабо отличаются даже между совершенно разными видами.

Более того, геномы сложных существ демонстрируют отсутствие интеллекта или прогнозирования. В основном ваша ДНК состоит из миллионов бездействующих копий паразитической ДНК. Отсюда напрашивается неизбежный вывод: если бы жизнь была кем-то придумана, то этот «создатель» был бы ленив, глуп и жесток.

При этом если бы организмы создавались для выполнения определенных ролей, то они бы не смогли адаптироваться к изменяющимся условиям. Бесчисленные эксперименты – спланированные и неспланированные – показали, что все организмы, вне зависимости от вида, эволюционируют в соответствии с изменениями окружающей среды при условии, что эти изменения не окажутся слишком резкими. Изменение среды организмов в лабораторных условиях позволило исследователям не просто создавать бактерии, растения и животных со всевозможными характеристиками, но и выводить новые виды. В реальных условиях деятельность человека влияет на многие виды: городские птицы еще сильнее отдаляются от своих деревенских сородичей, рыба становится меньше, поскольку рыбаки отбирают только самых крупных особей, а трофейная охота делает из снежных баранов с объемными рогами мелкорогих барашков.

«Вообще-то естественный отбор может привести к значительному упрощению, а сложность, как правило, возникает в случаях, когда сам отбор либо плохо работает, либо отсутствует».

Пользуйтесь или потеряете. Эта старая поговорка относится как к эволюции, так и к повседневной жизни. Она объясняет, почему у пещерных рыб нет глаз, а ленточные черви-паразиты утратили пищеварительную систему.

До недавнего времени такие примеры считались исключением, но, возможно, мы всерьез недооценили масштаб, в котором эволюция любит все упрощать. Существуют целые группы совершенно примитивных существ, которые оказываются потомками более сложных организмов. Например, у предка «безмозглых» морских звезд и морских ежей был мозг. А вопрос, почему его потомки решили обходиться без мозга, так и остался открытым.

Несмотря на это совершенно очевидно, что за последние 4 миллиарда лет эволюция создала и еще более сложные формы жизни. Обычно такие формы считаются результатом естественного отбора. Но не так давно биологи, изучающие наши странные и раздутые геномы, перевернули эту идею с ног на голову. Они считают, что как минимум на начальных этапах сложность возникает при ослаблении давления отбора или при его отсутствии. Как это возможно?

Предположим, у животного есть ген с двумя разными функциями. В результате мутации какие-то потомки получают две копии этого гена. В большой популяции с жесткой конкуренцией и сильным давлением отбора такие мутации, скорее всего, будут устраняться, поскольку они не повышают приспособляемость индивида и с большой вероятностью являются неблагоприятными.

Однако в популяциях меньшего размера со слабым давлением отбора у таких мутаций появляется небольшой шанс уцелеть и распространиться в результате случайного дрейфа генов. Если такое произошло, то дупликатные гены начнут обзаводиться собственными мутациями. Мутация в одной копии может разрушить ее способность к выполнению одной из двух начальных функций гена. Тогда вторая копия может разучиться выполнять вторую функцию. Опять же, данные изменения не несут никакой полезности – такие животные продолжат выглядеть и вести себя одинаково. Однако и эти мутации способны распространиться в результате дрейфа генов. Таким образом, популяция прошла бы целый путь от наличия одного гена с двумя функциями до появления двух генов с одной функцией в каждом.

Это увеличение сложности генома происходило бы не из-за давления отбора, а вопреки ему. Тем не менее оно могло бы стать отправной точкой для большей физической или поведенческой сложности, потому что теперь каждый ген способен развиваться обособленно. Например, он может включаться или выключаться в разное время или в разных тканях. И как только появятся какие-либо благоприятные мутации, естественный отбор сразу же о себе заявит.

Такое чувство, что в основе эволюции лежит совершенно разнонаправленное давление: сложные структуры и модели поведения (глаза и язык) совершенно точно являются результатом естественного отбора, а сильный отбор (как и в больших популяциях) блокирует случайные геномные изменения, которые могут привести к усложнению.

«Вам не нужна идеальная адаптация, чтобы выжить. Достаточно того же уровня адаптации, что и у конкурентов».

Адаптация, или приспособленность, – это извечная тема документальных фильмов о дикой природе. Снова и снова нам рассказывают, как хорошо животные приспособлены к своей среде обитания. Но, к сожалению, обычно это не так.

Вспомним белку обыкновенную (рыжую белку), которая, казалось бы, идеально приспособилась к окружающей среде. Но затем в Великобритании появилась серая белка и показала, что на самом деле ее уровень адаптации к широколиственным лесам намного выше.

Существует множество причин, почему эволюция не создает идеальных «проектов». Для естественного отбора нужно, чтобы нечто просто функционировало, а не работало на полную мощность. И варианты «на авось» здесь далеко не редкость. Классический пример тому – «большой палец» панды, представляющий собой видоизмененную кость запястья. Ей животное пользуется как противопоставленным большим пальцем для захвата бамбука. Это не самый идеальный вариант, но поскольку настоящий большой палец животного срощен с лапой, панде пришлось согласиться на более неуклюжую альтернативу.

Эволюция меняет существующие структуры гораздо чаще, чем создает новые. Лопастные плавники древней рыбы превратились в совершенно разные структуры: крылья, копыта и руки. Это означает, что у нас пять пальцев на руках только потому, что такое же число было у амфибий, а не потому, что это являлось оптимальным количеством.

Многие группы не развили в себе особых свойств для большей приспособляемости. Акулам не хватает плавательного пузыря, который помогает костным рыбам лучше управлять своей плавучестью. Вместо этого им приходится полагаться на плавательные способности, жирную печень для высокой плавучести и периодическое заглатывание воздуха. Легкие млекопитающих с двунаправленной циркуляцией воздуха гораздо менее эффективны, чем легкие птиц, в которых воздух движется только в одном направлении.

Повторяющаяся мутация будет означать, что некоторые потенциально полезные функции могут потеряться. Многие приматы не умеют вырабатывать витамин С – эта способность сохранилась у животных, получающих в своем рационе много витамина С. В то же время такие «потери» могут ограничиваться при изменениях среды обитания, что и продемонстрировал один примат во время долгого морского путешествия.

Недальновидность эволюции приводит к появлению заведомо ошибочных моделей. Одним из примеров того является глаз позвоночных со слепым пятном в месте прохождения нерва через сетчатку. Если естественный отбор основывается на плохой, но рабочей модели, то все потомки вида, как правило, никуда от нее не денутся.

Но меняется и сама среда обитания. В конкурирующей борьбе между хищником и жертвой, паразитом и хозяином виды должны поддерживать свой текущий уровень приспособляемости и повышать его путем постоянного развития. Как сказала Красная Королева из «Алисы в стране чудес»: «Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте».

Но люди бегут недостаточно быстро. Развитие и адаптация – это игра чисел: при увеличении популяции и поколений увеличивается количество мутаций и возрастают шансы естественного отбора отобрать полезное и устранить неблагоприятное. Ежедневно в организме ВИЧ-инфицированного человека может образовываться порядка 10 миллиардов новых вирусных частиц. Для сравнения: до недавнего времени общая численность населения Земли составляла не более нескольких миллионов человек.

За десятилетие бактерия способна создать 100 000 поколений. А со времен отделения человеческой ветви от линии шимпанзе прошло не более 25 000 поколений. Поэтому нет ничего удивительного в том, что за одну человеческую жизнь мы смогли увидеть эволюцию таких новых вирусов, как ВИЧ.

За последние 10 000 лет наше развитие значительно ускорилось. Но мы меняем окружающую среду еще быстрее, что не проходит без последствий, начиная с ожирения и аллергий и заканчивая различными зависимостями и близорукостью. Вирусы и бактерии способны приблизиться к совершенству, тогда как мы, люди, так и останемся не более чем грубым черновиком.

«Мы не можем точно сказать, как будет выглядеть жизнь через миллиард лет, но теория эволюции способна сделать несколько предположений».

Космологи делают точные прогнозы о том, что произойдет со Вселенной через 20 миллиардов лет. Биологи изо всех сил пытаются предсказать, как несколько бактерий смогут эволюционировать в чашке за 20 часов. Некоторые полагают, что отсутствие точной способности прогнозирования делает эволюцию ненаучной дисциплиной.

Однако в науке важно не то, сколько всего вы сможете предсказать на основе теории или насколько точными окажутся эти предсказания, а то, сможете ли вы создавать предсказания, которые окажутся правильными. Метеорологи не отвергают теорию хаоса, потому как она говорит о невозможности предсказать погоду на 100 % правильно. Наоборот, они принимают эту теорию, потому как погода подчиняется широкому спектру закономерностей, предсказанных теорией хаоса.

Трудность в прогнозировании пути эволюции отчасти заключается в возможности организмов развиваться в различных направлениях. Если бы мы могли поворачивать время вспять на 4 миллиарда лет и позволили бы жизни развиваться снова и снова, то ход ее развития мог бы быть совершенно иным. Жизнь на этой планете формировалась на основе случайных событий. Если бы астероид не уничтожил динозавров, то разумная жизнь могла бы стать совершенно другой. Если бы она вообще развилась.

Несмотря на кажущуюся ограниченность предиктивных возможностей эволюции, эта теория может использоваться – и используется – для создания всевозможных предсказаний. Для начала, Дарвин предсказал, что будут найдены ископаемые переходные формы, и миллионы (даже триллионы, если считать микроорганизмы) из них уже были обнаружены. Кроме того, исследователи сначала предсказали виды пород и эпохи, в которых могли бы проявиться переходные формы, а затем взялись за работу и обнаружили их (как это случилось с тиктааликом – полурыбой, полуамфибией).

Или вспомним знаменитую березовую пяденицу, которая с развитием промышленности приобрела черный окрас – для лучшей адаптации к загрязненным деревьям. Уберите загрязнение, и, согласно теории эволюции, светлый окрас снова возьмет верх – что в данный момент и происходит.

Этим предиктивным возможностям можно найти куда более практическое применение. Например, теория эволюции предсказывает, что если вы генетически создадите культуры, способные производить пестициды, то это приведет к развитию линии резистентных к данным пестицидам насекомых. А еще вы сможете замедлить распространение генов резистентности, если будете выращивать обычные растения рядом с генно-модифицированными. Все действительно оказалось именно так. Многие исследователи, разрабатывающие методы лечения инфекционных заболеваний, пытаются предсказать пути развития резистентности и найти способы ее предотвращения. Например, выписывая комплекс определенных лекарств. Это замедляет развитие резистентности, поскольку тогда для своего выживания в процессе лечения патогенным микроорганизмам потребуется сразу несколько различных мутаций.

«Значительная часть изменений обусловлена дрейфом генов, а не положительным отбором. Это можно назвать “выживанием самых везучих”».

Посмотритесь в зеркало. То, что вы видите в отражении, сильно отличается от лица неандертальца. Почему? Ответ: дрейф генов. Если говорить о таких свойствах, как форма черепа, которая может разниться в сочетании с небольшими изменениями в функционале, то случайность способна сыграть куда более важную роль в процессе эволюции, нежели естественный отбор.

ДНК постоянно подвергается воздействию химических веществ и радиации, и в процессе ее копировании допускаются ошибки. В результате каждый человеческий эмбрион содержит не менее 100 новых мутаций. Естественный отбор устранит самые вредные из них (например, способные убить эмбрион). Большинство мутаций не играют никакой роли, поскольку встречаются в «мусорной» ДНК, которая составляет подавляющую часть нашего генома. Некоторые мутации вызывают незначительные изменения, не являющиеся особо вредными или полезными.

И хотя большинство новых нейтральных мутаций исчезнет, какая-то часть из них совершенно случайно передастся через следующие поколения. Вероятность этого чрезвычайно мала, но огромное количество возникающих мутаций наделяет дрейф генов мощной силой. Чем меньше популяция, тем мощнее дрейф генов (см. рис. 6.1).

Узкие места в популяции имеют тот же эффект. Представьте себе остров. Большинство живущих там мышей имеет однотонный окрас, а несколько особей – полосатый. Если извержение вулкана уничтожит всех однотонных мышей, то полосатые мыши восстановят популяцию на острове. Это выживание самых везучих, а не самых сильных.

Подобные процессы почти наверняка сыграли важную роль в эволюции человека. Популяции людей были крошечными вплоть до 10 000 лет назад. Согласно генетическим данным, мы прошли через самые главные сдерживающие факторы порядка 2 миллионов лет назад.

Большинство генетических различий между людьми и другими приматами (и даже между различными человеческими популяциями) обусловлено дрейфом генов, а не отбором. Но поскольку основная часть мутаций находится в основном в «мусорном» геноме, то такие изменения не имеют никакого значения. Среди тех, что действительно влияют на наш организм или поведение, часть распространились путем дрейфа генов, а не отбора.

«Точно так же, как объекты, созданные для одной задачи, но используемые в решении другой, гены, структуры и модели поведения приспособляются для реализации новых задач».

Какой прок от полукрыла? Этот вопрос слабо верящие в эволюцию впервые задали более века назад. Если говорить о насекомых, то ответом могут стать гребные движения и скольжение. У нимф веснянки имеются жабры, которые с помощью махообразных движений извлекают кислород из воды. Находясь на поверхности воды, древние насекомые могли использовать эти жабры для получения кислорода и одновременного осуществления гребных движений. Некоторые веснянки до сих пор «стоят» на поверхности и «гребут» по воде, используя свои крылья.

Со временем маховые движения заменили греблю и стали основным средством передвижения, позволив животным осуществлять скольжение по водной поверхности. Низкие уровни трения такого масштаба означают, что при скольжении протокрыльям (первичным крыльям) не требовалось генерировать большие потоки воздуха.

Рис. 6.1. Мощные возможности дрейфа генов: естественный отбор – не единственная сила эволюции. Слабо влияющие на приспособляемость мутации могут распространиться по всей популяции или исчезнуть по воле случая. На графиках показаны десять прогонов имитационного моделирования из одной и той же отправной точки.

Эффективность и специализированность протокрыльев возрастали, поэтому древние насекомые стали предпринимать дальнейшие шаги к осуществлению полета. Некоторые скользящие насекомые держатся на поверхности воды всеми шестью лапками. Их более быстрые сородичи удерживаются только на четырех или двух ногах. Гипотеза поверхностного скольжения об эволюции полета насекомых объясняет, каким образом жабры с махообразными движениями смогли со временем превратиться в крылья, сохранив свою полезность на каждом переходном этапе.

Но как появились крылья птиц? У некоторых динозавров чешуя, покрывающая тело, превратилась в волосообразные перья, которые, скорее всего, поддерживали тепло в теплокровных организмах и помогали согревать яйца. Динозавры с перьями на конечностях могли начать пользоваться аэродинамическими свойствами перьев (возможно, речь шла о планировании между деревьями или более быстром беге по земле). В ископаемых прослеживается постепенный переход от пуховых и волосообразных перьев до жестких маховых перьев, образующих основную часть крыла.

Другая идея, завоевывающая популярность, заключается в том, что взмахи передних конечностей помогали предкам птиц взбираться по крутым склонам или лазать по деревьям – этим методом до сих пор пользуются многие современные птицы.

Без машины времени довольно трудно доказать, для чего ранние птицы или насекомые использовали полукрыло. Тем не менее ясно одно: полукрыло могло использоваться для чего угодно. И действительно, существует множество примеров физических структур и моделей поведений, которые развивались для какой-то одной цели, а затем обретали новую. Данный процесс называется экзаптацией.

Эво-дево (ветвь эволюционной биологии развития) начинает определять точные мутации, лежащие в основе таких изменений. Например, передние конечности предка летучих мышей превратились в крылья отчасти благодаря изменению гена под названием BMP2. Он позволили сделать «пальцы» мыши длиннее обычных (см. главу 7).

Перепонки между очень длинными фалангами, образующими крыло летучей мыши, являются возрождением давно утраченной функции: у всех эмбрионов четвероногих сначала появляются перепончатые фаланги – это «наследство» от наших предков-рыб. Обычно такие перепонки исчезают на ранней стадии онтогенеза, однако у летучих мышей этот клеточный самоубийца блокируется.

Изменение назначения структуры не должно включать в себя потерю ее первоначальной формы. Челюстные кости рептилий превратились в слуховые косточки млекопитающих, сохранив саму челюсть. Нейронная сеть, позволяющая нам осуществлять точные движения конечностей, могла быть адаптирована и для создания речи.

По сути, почти все свойства сложных организмов можно рассматривать как вариации чего-то. Например, отключение одного гена у дрозофил могло превратить их усики в лапки.

Бывает и так, что только одна составляющая свойства может быть использована для другой цели. Первыми твердыми минерализованными структурами, возникшими у наших предков, были зубы древних рыб (кодонты). После развития способности к образованию твердого гидроксиапатита, ей можно было пользоваться в других частях тела. Возможно, это и стало основой для создания костных скелетов всех позвоночных.

Существуют различные направления, по которым структуры и модели поведения, созданные для одной цели, способствуют созданию новых структур и возможностей. Если мы не сразу увидели, как развивалось нечто столь сложное, как бактериальный жгутик, это не говорит о том, что он не эволюционировал.