Краткая история биологии. От алхимии до генетики

Глава 4 Классификация жизни

Открытия, сделанные благодаря микро­скопу, высветили различия между живой и неживой материей. Вновь стали актуальны­ми вопросы, которые казались закрытыми. Эти вопросы касались возникновения жизни или, по крайней мере, простых ее форм.

В то время как легко увидеть, что чело­веческие существа и большие животные воз­никли из материнских организмов либо из яиц, с малыми формами жизни все не так просто. До недавнего времени считалось, что такие существа, как черви и насекомые, вы­растают из разлагающегося мяса и прочих «испорченных» субстанций.

Подобное возникновение жизни из нежи­вого называлось спонтанным размножением. Классический пример очевидности существо­вания спонтанных генераций — возникнове­ние личинок из разлагающегося мяса.

Очевидно, что эти червеобразные организ­мы формируются из «ничего». Одно из исключений — наблюдения Харви, который утверждал в своей книге, что такие организ­мы возникают из яиц («семян»), которые слишком малы, чтобы их увидеть.

Итальянский врач Франсиско Реди (1626—1697) был впечатлен работами Хар­ви и решил проверить эти предположения. В 1668 г. он приготовил восемь колб с раз­личными видами мяса внутри. Четыре из них запечатал, а четыре оставил на возду­хе. Мухи могли лететь только на открытые колбы. Мясо внутри закрытых колб разло­жилось, но личинки мух не развились. Реди повторил эксперимент, накрыв некоторые из колб газовой тканью. В таком случае в кол­бы был доступ воздуха. И вновь в этих кол­бах не развивались личинки.

Итак, личинки возникали не из мяса, а из яиц, отложенных мухами. Концепция спонтанного размножения была поколебле­на. Однако наблюдения ван Левенгука над простейшими опять-таки отвергли экспери­мент Реди. И мухи, и личинки были доста­точно сложными организмами, хотя и более простыми, чем человек. Простейшие, реши­ли современники, могли развиться спонтан­но. В экспериментах из питательной среды, поставленной в отстой, вскоре в больших количествах возникали простейшие. Спон­танное размножение стало предметом дис­куссии, которая достигла наибольшей остро­ты в XVIII и XIX вв. То была битва веков: виталисты — против механистов.

Философия витализма началась с немец­кого врача Георга Эрнста Сталя (1660 — 1734). Он прославился своей теорией «фло­гистона», вещества, которое могло гореть, как дерево, и ржаветь, как железо. Сталь полагал, что при горении и ржавении фло­гистон высвобождается, улетая в атмосферу. Тот факт, что ржавчина прибавляла метал­лу вес, некоторые объясняли отрицательным весом флогистона. Когда он терялся, металл вырастал в весе. Теория казалась химикам весьма привлекательной и была принята большинством из них.

Однако в 1707 г. Сталь опубликовал кни­гу, посвященную медицине. Он утверждал, что живые организмы подчинены не физи­ческим законам, а законам совсем иного толка. Оппонировал ему голландский врач Герман Буерхаав (1668 — 1738), наиболее из­вестный в медицинских кругах человек сво­его времени. В своем анатомическом по теме труде он утверждает, что тело человека под­чиняется законам физики и химии.

Для механистов, к которым он принадле­жал, законы природы были одинаковы при­менительно как к живой, так и к неживой природе, служили мостиком между ними. Если бы удалось показать, что микроорга­низмы возникают из неживой материи, то эта небольшая пропасть была бы преодолена и мост завершен в своем строительстве.

Виталистическая точка зрения утверждала, что, какими бы простыми ни были формы жизни, между ними и неживой природой — непреодолимая преграда. Спонтанные генера­ции невозможны.

В XVIII в. сыграли свою роль и религи­озные взгляды. Библия описывала спонтан­ное происхождение видов в нескольких своих пассажах, поэтому многие виталисты (обычно консервативные в религии) сочли необходимым согласиться с возможностью спонтанного воспроизведения жизни.

В 1748 г. английский натуралист Джон Нидхэм (1713—1781), католический свя­щенник, опять-таки в опыте с прокипячен­ным мясом, сделал вывод, что личинки и микроорганизмы возникли из мертвой мате­рии, раз мясо кипяченое (стерилизованное). Он решил, что факт спонтанных генераций доказан.

Скептический взгляд на этот вопрос испо­ведовал итальянский биолог Ладзаро Спалланцани (1729—1799). Он поместил стери­лизованное мясо в колбу и запечатал ее. Микроорганизмы не появлялись. Вопрос ка­зался исчерпанным, однако сторонники спон­танного размножения и здесь нашли лазейку. Они заявили, что в воздухе носится «жизнен­ный принцип», который рождает жизнь в не­живом. Он непостижим. Кипячение по Спалланцани убило этот жизненный принцип, заявили они.

Вплоть до окончания следующего века во­прос оставался открытым.

Основным аргументом в пользу спонтан­ных генераций был вопрос классификации; то есть, возможно было либо поместить жи­вое отдельно от неживого, либо оформить классификацию как серию градаций. XVII и XVIII вв. стали свидетелями классификации различных форм, существующих в жизни, и на грани их высветились противоречия еще более сложные, нежели по спонтанным гене­рациям; противоречия, пик которых пришел­ся на XIX в.

Для начала формы жизни могут быть раз­делены на отдельные виды; но сложность со­стоит в определении термина «вид». В общем, и целом вид — это группа особей, свободно скрещивающихся между собою, ко­торые могут приносить здоровое потомство, в свою очередь способное скрещиваться. Та­ким образом, все человечество, сколь бы ни были велики различия между отдельными группами, способно свободно скрещиваться и производить относительно здоровые поко­ления. С другой стороны, слон индийский и слон африканский, сколь бы схожими они ни были, — это отдельные виды, поскольку самец одной группы не может быть скрещен с самкой другой группы.

Аристотель когда-то перечислил пятьсот видов животных, а Теофраст — столько же видов растений. С тех пор в течение двух тысяч лет было открыто бесчисленное множество видов. К 1700 г. были описаны де­сятки тысяч видов.

Но сколь много ни было бы открыто ви­дов, всегда существовало искушение сгруп­пировать их в подобные.

Первым сделал попытку в данном на­правлении английский натуралист Джон Рэй (1628-1705).

В период 1686—1704 гг. он опубликовал трехтомную энциклопедию жизни растений, в которой описал 18 600 видов. В 1693 г. подготовил энциклопедию жизни животных, в которой, однако, было рассмотрено уже меньше видов, но предпринята попытка группировки видов — на основе общности копыт (пальцев) конечностей и зубов.

К примеру, он разделил млекопитающих на две большие группы: с пальцами на конечностях и с копытами. Копытных он подразделил на непарнокопытных (лоша­дей), парнокопытных (крупный рогатый скот) и трехчленнокопытных (носороги). Парнокопытные, в свою очередь, подраз­делялись на: жвачных, имеющих постоян­ные рога (козы); жвачных, с периодически сбрасываемыми рогами (олени); нежвачных (свиньи).

Система классификации Рэя не прижилась, но была взята на вооружение шведским нату­ралистом Карлом фон Линнеем (1707— 1778), Известным иод латинизированным именем Каролус Линиеус. К тому времени число из­вестных видов живых организмов достигло 70 тысяч; в 1732 г. Линней, пропутешествовав 4600 миль по Северной Скандинавии, обна­ружил в этом не самом плодородном регионе 100 новых видов.

В колледже Линней исследовал органы размножения растений, отметил, чем они от­личаются от вида к виду, и попытался осно­вать свою систему классификации. В 1735 г. он опубликовал «Систему природы», в ко­торой описывал систему классификации ви­дов — прямую предшественницу системы, принятой сегодня.

Таким образом, была основана наука так­сономия, изучение классификации видов жи­вых существ.

Линней систематически сгруппировал по­добные виды в роды (от латинского «раса»), порядки, классы. Все известные виды живот­ных были сгруппированы в шесть классов: млекопитающие, птицы, рептилии, рыбы, насекомые и червеобразные. Эти подразделе­ния не столь хороши, как у Аристотеля, но недостатки их легко восполнимы.

Каждому виду, по Линнею, давалось двойное латинское имя; оно состоит: 1) из рода, к которому вид принадлежит; 2) из собственного имени. С тех пор такая биноми­альная номенклатура закрепилась; она дала в руки биологам международный язык, пре­дотвращающий недоразумения. Вид челове­ка, живущий ныне на Земле, Линней назвал именем, закрепившимся с тех пор, — Homo sapiens.

По классификации Линнея, группы, ши­рокие и узкие, выглядят как дерево жизни. Случайно ли закрепилась такая классифика­ция?

Могли ли два тесно связанных вида раз­виться от общего предка и могли ли два тес­но связанных предка видов развиться от еди­ного примитивного предка?

Для самого Линнея, религиозно настроен­ного человека, верящего а слово Библии, само такое предположение было святотат­ством. Он настаивал на том, что каждый отдельно созданный Божественным Провидением, им же и поддерживался. Его система классификации подтверждала это ве­рование, ибо была основана на внешнем сходстве и не предполагала возможных вза­имосвязей.

Однако это не отвратило других ученых от попыток предположить некую эволюцию (это слово стало популярным только в сере­дине XIX в.). По этой теории, один вид раз­вивался от другого; сама классификация отражала естественные взаимосвязи между видами. (В конце жизни и сам Линней стал предполагать, что новые виды могут возни­кать в результате гибридизации.)

Даже французский натуралист Жорж Луи Леклерк (1707 — 1788), большой консерватор, не мог не дать хода такому предположению.

Леклерку принадлежит сорокатомная эн­циклопедия по естественной истории, попу­лярная в его время, но разнородная по составу. В ней он указывает, что у многих видов имеются части тела, не используемые ими (рудименты), например два рудиментар­ных пальца по бокам копыта у свиней. Раз­ве нельзя допустить, что когда-то эти пальцы функционировали? Может быть, человекооб­разная обезьяна развилась в человека, а осел дегенерировал из лошади?

Английский врач Эразм Дарвин (1731" 1802) писал длинные поэмы на темы ботани­ки и зоологии. Он принимал как систему Линнея, так и эволюционные изменения. Однако эти взгляды были бы забыты сегодня, если бы не тот факт, что Эразм Дарвин был дедом Чарлза Дарвина, доработавшего эволюционную теорию.

Приход Французской революции год спус­тя после смерти Леклерка потряс Европу. Ста­рые ценности пошатнулись; стало возможным принятие новых невероятных теорий, эволю­ционных доктрин. Несколько десятилетий спустя французский натуралист Жан Батист де Мане шевалье де Ламарк (1744 — 1829) вновь занялся теорией эволюции.

Ламарк сгруппировал первые классы Линнея (млекопитающие, птицы, рептилии, рыбы) в большую группу позвоночных, а другие два класса — насекомые и черви — беспозвоночных. Ламарк трудился над тем, чтобы наилучшим образом упорядочить классы и группы. Он, в частности, разделил восьминогих паукообразных и шестиногих насекомых; ракообразных и морских звезд.

В период между 1815-м и 1822 гг. Ламарк опубликовал гигантский семитомный труд «Естественная история беспозвоночных», ко­торый лег в основу современной зоологии беспозвоночных. Эта работа заставила его прийти к мысли о возможности эволюции; он опубликовал свои соображения по этому поводу в 1801 г., а затем более детально их проработал в 1809 г. в книге «Зоологическая философия». Ламарк предположил, что используемые органы растут в течение всей жизни, повышая свою эффективность; и дегенерируют, соответственно, если не используются. Эта особенность их развития либо дегенерации, передаваемая потомству, теперь именуется наследственно приобретенными характеристиками.

На примере жирафа он вывел возмож­ность приобретенных, ранее неизвестных ха­рактеристик. Постепенно, по мере использо­вания шеи, ног, языка, антилопа все более наращивала их и передавала потомству. В конечном счете антилопа превратилась в жирафа.

Однако в истории существовало одно сла­бое звено: не только не было очевидным на­следование этих характеристик, но все фак­ты говорили против этого.

Как быть с пятнистой шкурой жирафа, которая служит естественным камуфляжем? Как она появилась из однородной шкуры антилопы?

Ламарк умер в нищете, всеми забытый, забыта была и его теория. Но она сослужи­ла службу тем, кто пошел следом. Один тот факт, что эволюция вышла на арену борьбы мнений, уже был значителен. Позже шансов могло и не представиться.

Наибольшая трудность, которая стояла на пути всех эволюционных теорий, — это нич­тожная скорость изменений. В памяти чело­вечества не осталось примеров превращения одного вида в другой. Если такой процесс и имел место, он должен был быть исключи­тельно медлительным, может быть затянув­шимся на сотни тысяч лет. Во времена Сред­невековья и нашего времени европейцы знали только слово Библии и полагали, что нашему миру 6 тысяч лет. Для эволюции это временное пространство ничтожно.

В 1785 г. произошло изменение. Джеймс Хаттон (1726 — 1797), шотландский врач, воспринимавший геологию как хобби, опуб­ликовал свою книгу «Теория происхождения Земли». В ней он привел обзор изменений, которые производят на земной поверхности вода, ветер и прочие климатические факто­ры. Он также указывал на медлительность, на непрерывность таких процессов, как горо­образование, прокладка реками долин и ка­ньонов. Если учитывать скорость прохожде­ния таких изменений, возраст Земли должен был бы насчитывать миллионы лет.

Эта новая концепция возраста Земли по­началу встретила крайне враждебный прием, однако вскоре именно она объяснила нахож­дение во все большем масштабе ископаемых останков животных, получивших тогда боль­шую известность.

Казалось невероятным, чтобы каменистые формы могли скопировать формы живые случайно; объяснение могло быть одно: та­кие животные когда-то существовали. Мно-^гие сразу предположили, что эти существа были уничтожены Всемирным потопом. Но если Земля так стара, как предположил Хаттон, останки могли быть исключительно дав­него возраста, и костный материал в них постепенно заменился каменистым.

Новый взгляд на проблему пришел с Уильямом Смитом (1769 — 1839), англий­ским геологом. Он прокладывал каналы (ко­торые тогда строили в массе), а следователь­но, имел возможности для раскопок. Он ввел латинский термин <<страта>> для ровных слоев, которыми ложились разные типы по­род. Он отмечал, что каждый слой имел свою собственную характерную форму иско­паемых биологических остатков, неповторя­емую в других слоях. Не важно, какими складками ложился слой, но он удерживал свои характерные ископаемые остатки, даже исчезая на некоторое время из виду и появ­ляясь в другом месте.

Смит научился идентифицировать назва­ние и приблизительный возраст слоев по биологическому содержимому.

Если его воззрения верны, то можно пред­положить, что геологические слои лежат в та­ком порядке, как сформировывались, и чем глубже залегает слой, тем он древнее. И по возрасту слоя можно определить возраст иско­паемого животного.

Ископаемые животные привлекли внима­ние французского биолога Жоржа Леопольда Кювье (1769—1832). Кювье изучил анатомию ископаемых животных и произвел их сравне­ние, систематически отмечая отличия и сходство. Тем самым он основал сравнительную анатомию.

Эти исследования дали возможность Кю­вье изучить необходимые взаимосвязи частей тела так, чтобы из факта присутствия одних костей можно было вывести форму других: тип мускулатуры и прочее. В конечном ито­ге он смог реконструировать приблизитель­ную форму, размеры и внешний вид ископа­емого животного.

Кажется вполне естественным интерес анатома к классификации видов. Кювье рас­ширил и дополнил систему Линнея, сгруп­пировав классы последнего в еще большие группы. Одну из групп он назвал, по Ламарку, позвоночные. Не интересуясь беспоз­воночными существами, Кювье разделил их всех на три большие группы: членистоногие (насекомые и ракообразные); моллюски и лучевые (прочие).

Все это — большие группы, именуемые теперь отрядами. В наше время к выделен­ным Кювье прибавились три дюжины других отрядов — как растений, так и животных. К позвоночным теперь отнесли еще примитив­ных животных с хордой вместо костной тка­ни, так называемых хордовых.

И вновь, из-за интереса к сравнительной анатомии, Кювье основал свою собственную систему классификации на структурах и их Функциях, а не на поверхностных сходных чертах, как когда-то Линней. Кювье создавал свою систему классификации применительно к животным. В 1810 г. швейцарский ботаник Агустин Пирамус де Кандоле (1778 — 1841) применил ее к растениям.

К ископаемым Кювье применил свою сис­тему классификации, аналогичную ныне существующей. Таким образом, Кювье стал первопроходцем в науке палеонтологии — изучении древних форм жизни.

Ископаемые животные, по Кювье, нагляд­но представляют собой эволюцию животно­го мира. Чем древнее ископаемое, тем более оно отличается от существующих форм жиз­ни, и некоторые можно расположить в по­рядке, демонстрирующем постепенное изме­нение внешних форм в природе.

Однако сам Кювье не принимал воз­можности эволюции. Поэтому он разработал теорию катастроф, которые периодически потрясали Землю и опустошали видовое разнообразие. После каждой такой катаст­рофы появлялись новые формы жизни, со­вершенно отличные от прежних. Современ­ные формы (включая человека) появились после последней катастрофы. С этой точки зрения можно было примирить новые от­крытия и библейскую историю.

Кювье считал, что для объяснения изве­стных ископаемых форм должно было про~ изойти четыре земных катастрофы. Но появ­лялись все новые находки, и их уже не могли объяснить четырьмя катастрофами. По­следователи Кювье насчитывали уже 27 ка­тастроф.

Теория катастроф не состыковывалась с «униформитаризмом» Хаттона. В 1830 г. шотландский геолог Чарлз Лайель начал публикацию трехтомного труда «Принципы геологии», в котором популяризировал тео­рию Хаттона и постулировал, что Земля про­ходила только постепенные и некатастрофич­ные изменения. В самом деле, некоторые виды неизменными дошли до нас из глуби­ны веков, а некоторые находились в геоло­гических слоях, принадлежащих нескольким периодам.

Катастрофизм изжил сам себя. Он был последним оплотом в битве против теории эволюции, и, когда он пал, возникла необ­ходимость в концепции эволюции. К середи­не XIX в. созрели условия для формулиро­вания такой концепции.