Краткая история биологии

Самопроизвольное зарождение

Открытия, сделанные с помощью микроскопа в середине XVII столетия, на первый взгляд стирали различия между живой и неживой материей. И на повестку дня снова встал, казалось бы, уже почти решенный вопрос о происхождении жизни или по крайней мере наиболее простых ее форм.

Еще не так давно признавалось возникновение из гнилого мяса или других отбросов существ, подобных червям или насекомым. Такое «появление» живого из неживого называли самопроизвольным зарождением. Классическим примером его считалось появление личинок мух в гниющем мясе. Этот факт признавали тогда почти все биологи. И только Гарвей в своем трактате о кровообращении высказал предположение, что такие мелкие живые существа рождаются из цист или яиц, неразличимых невооруженным глазом (естественно, что биолог, постулировавший существование невидимых глазу сосудов, мог прийти и к этому выводу).

Итальянский врач Франческо Реди (1626–1698), проникшись идеей Гарвея, в 1668 г. провел следующий эксперимент. Он поместил в восемь сосудов по куску сырого мяса, четыре сосуда запечатал, а четыре оставил открытыми. Мухи могли садиться только на мясо в открытых сосудах, и именно там появились личинки. Реди повторил эксперимент, не запечатывая некоторых сосудов, а только накрыв их марлей. И при свободном доступе воздуха на защищенном от мух мясе личинки не развивались.

Теперь, казалось бы, биологическая мысль могла окончательно освободиться от представления о самопроизвольном зарождении. Однако значение эксперимента Реди было несколько ослаблено открытием Левенгука, который в те же годы установил существование простейших организмов. Пришлось признать, что мухи и личинки все-таки довольно сложные организмы, хотя и кажутся простыми по сравнению с человеком. Возникала мысль, что простейшие, по величине не превышающие мушиные яйца, образуются путем самопроизвольного зарождения. А доказательством служил тот факт, что при выдерживании питательных экстрактов, не содержавших простейших, в них все-таки появлялись многочисленные крошечные существа. Вопрос о самопроизвольном зарождении становился частью более общего спора, принявшего в XVIII и XIX столетиях особенно острый характер, — спора между виталистами и материалистами.

Философию витализма четко сформулировал немецкий врач Георг Эрнст Шталь (1660–1734). Он приобрел известность главным образом как автор теории флогистона — субстанции, которая, полагал он, содержится в веществах, способных гореть или ржаветь, подобно дереву или железу. При сгорании дерева или коррозии железа, говорил Шталь, флогистон переходит в воздух. Пытаясь объяснить, почему при коррозии металлов их вес увеличивается, некоторые химики наделяли флогистон неким «отрицательным весом». Теория флогистона считалась общепринятой на протяжении всего XVIII столетия.

Надо сказать, что в объемистых трудах Шталя, особенно в его книге по медицине, опубликованной в 1707 г., содержались и важные мысли по физиологии. Шталь решительно заявил, что живые организмы подчиняются законам совершенно иного типа, чем физические, а изучение химии и физики неживой природы не способствует успехам биологии. Противником этой точки зрения был голландский врач Герман Бургав (1668–1738), самый известный медик того времени (его называли голландским Гиппократом). В труде по медицине, подробно разбирая строение человека, Бургав пытался показать, что человеческое тело во всех своих проявлениях подчиняется именно физическим и химическим законам.

Для материалистов, считавших, что живой и неживой природой управляют одни и те же законы, микроорганизмы представляли особый интерес, являясь как бы своеобразным мостом между живым и неживым. Если бы удалось доказать, что микроорганизмы образуются из неживой материи, мост был бы достроен. Следует заметить, что последовательные виталисты начисто отрицали возможность самопроизвольного зарождения. По их мнению, даже между самыми простыми формами жизни и неодушевленной природой существует непреодолимый разрыв. Однако на протяжении всего XVIII столетия позиции виталистов и материалистов в отношении самопроизвольного зарождения еще не были четко разделены, так как определенную роль играли здесь и религиозные соображения. Порою виталистам, обычно более консервативным в вопросах религии, приходилось поддерживать идею о развитии живого из неживого, поскольку о самопроизвольном зарождении упоминала Библия. К такому заключению пришел в 1748 г. английский натуралист и к тому же католический священник Джон Тербервил Нидхем (1713–1781). Проделанный им эксперимент был очень прост: Нидхем вскипятил бараний бульон, налил его в пробирку и закрыл пробкой, а через несколько дней обнаружил, что бульон кишит микробами. Так как, по мнению Нидхема, предварительное нагревание стерилизовало жидкость, то микробы образовывались из неживой материи, и самопроизвольное зарождение, по крайней мере для микробов, можно было считать доказанным.

Скептически отнесся к этому эксперименту итальянский биолог Ладзаро Спалланцани (1729–1799), который предположил, что в опыте Нидхема продолжительность нагревания была недостаточной для стерилизации. Спалланцани закупорил колбу с питательным бульоном, кипевшим в течение 30–45 минут, — микроорганизмы не появились.

Казалось бы, это решало спор, но приверженцы самопроизвольного зарождения все же нашли лазейку. Они объявили, что источник жизни, нечто неведомое и невоспринимаемое, содержится в воздухе и передает жизнеспособность неодушевленным телам. Кипячение, проведенное Спалланцани, говорили они, разрушило этот жизненный источник. И в течение почти всего следующего столетия этот вопрос вызывал сомнения и споры.

Расположение видов в системе

Спор по поводу самопроизвольного зарождения был в известном смысле спором о классификации явлений: навеки отделить живое от неживого или допустить ряд переходов. В XVII и XVIII веках предпринимались попытки классифицировать различные формы жизни, однако это привело к еще более серьезным противоречиям, достигшим кульминационной точки в XIX столетии.

Прежде всего единицей классификации как для растений, так и для животных является вид. Этот термин очень трудно точно определить. Грубо говоря, вид — это любая группа живых организмов, которые, свободно скрещиваясь друг с другом в природе, приносят подобное себе потомство, а оно в свою очередь производит последующее поколение и так далее. К примеру, люди при всех своих внешних различиях считаются представителями одного вида. В то же время индийский и африканский слоны при большом внешнем сходстве принадлежат к различным видам, так как при скрещивании не дают потомства.

В списке Аристотеля насчитывалось около пятисот видов животных, а Теофраст описал столько же видов растений. Однако за прошедшие с тех пор два тысячелетия количество известных видов животных и растений весьма возросло, особенно после открытия новых континентов, когда на исследователей обрушился целый поток сообщений о растениях и животных, неизвестных натуралистам классической древности. К 1700 г. были описаны десятки тысяч видов растений и животных.

В любом, даже ограниченном перечне очень заманчиво сгруппировать сходные виды. Так, например, вполне естественно поставить рядом два вида слонов. Но разработать единую систему для десятков тысяч видов оказалось нелегко. Первая попытка в этом направлении принадлежит английскому натуралисту Джону Рею (1628–1705).

В трехтомном труде «История растений» (1686–1704) Рей дал описание всех известных в то время видов растений (18 600). В другой книге, «Систематический обзор животных…» (1693), Рей предложил свою классификацию животных, применив принцип объединения видов по совокупности внешних признаков, главным образом по наличию когтей и зубов. Так, он разделил млекопитающих на две большие группы: животных с пальцами и животных с копытами. Копытные в свою очередь были разделены на однокопытных (лошадь), двукопытных (крупный рогатый скот) и трехкопытных (носорог). Двукопытных он вновь разделил на три группы: к первой относились жвачные животные с несбрасываемыми рогами (например, козы), ко второй — жвачные с ежегодно сбрасываемыми рогами (олени) и к третьей — нежвачные животные.

Классификация Рея была еще очень несовершенна, но принцип, положенный в ее основу, получил дальнейшее развитие в трудах шведского натуралиста Карла Линнея (1707–1778). К тому времени число известных видов составляло минимум 70 000. Проехав в 1732 г. по северной части Скандинавского полуострова, не отличающейся особенно благоприятными условиями для процветания флоры и фауны, Линней за короткое время обнаружил около ста новых видов растений.

Еще в студенческие годы Линней изучал органы размножения растений, отмечая их видовые различия. Позднее на этой основе он построил свою систему классификации. В 1735 г. Линней опубликовал книгу «Система природы», в которой изложил созданную им систему классификации растительного и животного мира, явившуюся предшественницей современной. Именно Линней считается основателем таксономии (или систематики), изучающей классификацию видов живых форм.

Рис. 1. Диаграмма, показывающая в нисходящем порядке основные группировки живых форм (от царства до вида).

Близкие виды Линней группировал в роды, близкие роды — в отряды, а близкие отряды — в классы. Все известные виды животных были сгруппированы в шесть классов: млекопитающие, птицы, рептилии, рыбы, насекомые и черви. Такое деление на классы было несколько хуже предложенного два тысячелетия назад Аристотелем, но зато несло в себе плодотворный принцип систематического деления. Недостатки системы позднее были легко устранены.

Каждый вид у Линнея имел двойное латинское название: первое слово в нем — название рода, к которому принадлежит вид, второе — видовое название. Форма биноминальной (двуименной) номенклатуры сохранилась до сих пор. Благодаря ей у биологов появился международный язык для обозначения живых форм, что позволило избавиться от многочисленных недоразумений. Даже виду «человек» Линней дал название, сохранившееся до наших дней, — Homo sapiens.

На подступах к теории эволюции

Классификация Линнея, в которой очень большие группы постепенно делились на все более мелкие, создает подобие разветвленного дерева, получившего позже название «древа жизни». При внимательном изучении этой схемы неизбежна мысль: случайна ли такая организация? Разве не могут в действительности два близких вида произойти от общего предка, а два близких предка — от еще более древнего и примитивного? Короче говоря, не могла ли картина, представленная Линнеем, возникнуть и развиваться на протяжении многих веков, подобно тому как растет дерево? Это предположение послужило причиной величайшего в истории биологии спора.

Для самого Линнея подобная мысль была невозможна. Ученый упорно стоял на том, что каждый вид сотворен отдельно и сохраняется божественным провидением, не допускающим вымирания видов. Система его классификации основана на внешних признаках и не отражает возможных родственных связей. (Похоже на попытку объединить ослов, кроликов и летучих мышей только на том основании, что у них длинные уши.) Конечно, если не признавать родственных отношений между видами, то безразлично, как их группировать: все классификации одинаково искусственны, и исследователь выбирает наиболее удобную. Тем не менее Линней не мог помешать другим ученым развивать идеи «эволюции» (это слово стало популярным лишь в середине XIX столетия), процесса, при котором последовательно и непрерывно одни виды дают начало другим. Это родство между видами и должно было найти свое отражение в принятой классификационной системе. (Все же в последние годы жизни Линней допускал возможность образования новых видов путем гибридизации.)

Вызов широко распространенным взглядам на развитие животных организмов осмелился бросить французский естествоиспытатель Жорж Луи Леклерк Бюффон (1707–1788), высказав идею изменяемости видов под влиянием окружающей среды.

Бюффон написал сорокачетырехтомную энциклопедию «Естественная история», столь же многоплановую для того времени и популярную, как когда-то труд Плиния, но гораздо более точную. В ней он указывал, что некоторые существа обладают бесполезными частями тела (рудиментарными органами), вроде, например, двух редуцированных пальцев у свиньи, которые расположены возле функционирующих копыт. Не имели ли некогда эти пальцы нормальных размеров? Возможно, когда-то они служили животному, но со временем сделались ненужными. Не исключено, что и с целым организмом может произойти нечто подобное? Может быть, человекообразная обезьяна — это выродившийся человек, а осел — выродившаяся лошадь?

Английский врач Эразм Дарвин (1731–1802), дед великого Чарлза Дарвина, в своих велеречивых поэмах о ботанике и зоологии одобрял систему Линнея и в то же время признавал возможность изменения видов под влиянием окружающей среды.

Через год после смерти Бюффона Европу всколыхнула Великая французская буржуазная революция. Началась эпоха ломки и перестройки, эпоха переоценки ценностей. Нации одна за другой отказывались признавать авторитет тронов и церкви; теперь находили признание научные теории, которые прежде считались бы опасной ересью. В этой обстановке идеи Бюффона о «спокойном», эволюционном развитии живого мира не встретили поддержки.

Однако спустя несколько десятилетий другой французский естествоиспытатель, Жан Батист Пьер Антуан Ламарк (1744–1829), берется за детальное изучение исторического развития живой природы.

Ламарк объединяет первые четыре класса Линнея (млекопитающих, птиц, рептилий и рыб) в группу позвоночных животных, обладающих внутренним позвоночным столбом, или позвоночником. Два других класса (насекомых и червей) Ламарк назвал беспозвоночными. Признавая, что классы насекомых и червей слишком разнородны (он понимал, например, что нельзя объединять восьминогих пауков с шестиногими насекомыми, а омаров с морскими звездами), он долго трудится над их систематикой и приводит ее в относительный порядок, доведя до уровня аристотелевой классификации.

В 1815–1822 гг. выходит капитальный семитомный труд Ламарка «Естественная история беспозвоночных животных», который содержит описание всех известных в то время беспозвоночных. В процессе работы над систематикой беспозвоночных Ламарку неоднократно приходилось задумываться над вероятностью эволюционного процесса. Размышления об эволюции живых существ он впервые изложил в 1801 г. и развил в своем главном труде «Философия зоологии» (1809). Ламарк выдвинул предположение, что частое употребление какого-либо органа приводит к увеличению его размеров и повышению работоспособности и, наоборот, «неупотребление» — к дегенерации. Такие изменения, вызванные влиянием внешних факторов, по утверждению Ламарка, могут передаваться потомству (так называемое наследование приобретенных признаков). В качестве примера Ламарк приводит жирафа. Легко представить, что какая-то антилопа, чтобы достать листья на деревьях, изо всех сил вытягивала шею, а попутно у нее вытягивались язык и ноги. В результате эти части тела стали несколько длиннее, а это, как полагал Ламарк, передалось следующему поколению, которое в свою очередь развивало и совершенствовало унаследованные особенности. Так антилопа мало-помалу должна была превратиться в жирафа.

Теория Ламарка не получила признания, так как она не располагала убедительным доказательством наследования приобретенных признаков. Действительно, все известные к тому времени факты свидетельствовали о том, что приобретенные признаки не наследуются. Даже если бы они наследовались, это относилось бы к признакам, на которые действует «волевое напряжение», вроде вытягивания шеи. А тогда как объяснить появление защитной окраски — пятнистости — на шкуре жирафа? Каким образом она развилась из лишенной пятен окраски антилопы? Можно ли предположить, что предок жирафа стремился стать пятнистым?

Ламарк умер в бедности, всеми отвергнутый. Его теория эволюции вызывала лишь недоумение. И все-таки она первой открыла ворота шлюза.

Геологические предпосылки

Основная трудность на пути создания теории эволюции заключалась в слишком медленном темпе видовых изменений. Человечество не помнило случаев преобразования одного вида в другой. Если такой процесс и происходил, то он должен был протекать чрезвычайно медленно, возможно сотни столетий. Поскольку в средние века и в начале нового времени европейские ученые, основываясь на Библии, считали, что нашей планете около шести тысяч лет, времени для эволюционного процесса попросту не оставалось. Но и в этих представлениях произошли изменения.

Увлекавшийся геологией шотландский врач Джемс Хэттон (1726–1797) в 1785 г. опубликовал книгу «Теория Земли», где показал, как воздействие воды, ветра и климата медленно изменяет поверхность Земли. Хэттон утверждал, что этот процесс протекает с неизменной скоростью (униформизм), и для таких гигантских изменений, как образование гор или речных каньонов, необходимо колоссально долгое время, поэтому возраст нашей планеты должен исчисляться многими миллионами лет.

Концепции Хэттона вначале был оказан самый враждебный прием. Но пришлось признать, что она объясняет находки ископаемых организмов, которыми особенно интересовались биологи. Трудно представить, чтобы камни по воле случая повторяли формы живых существ. По мнению большинства ученых, это окаменелости, которые были когда-то живыми организмами. Если допустить, что Хэттон прав, то ископаемые остатки находились в земных слоях бесконечно долго; за это время составляющие их вещества заместились минеральными веществами окружающих пород.

Новые мысли в связи с находками ископаемых организмов высказал английский геодезист и инженер Уильям Смит (1769–1839). Инспектируя строительство сооружаемых в то время повсеместно каналов и наблюдая за земляными работами, Смит отметил, что горные породы различных типов и форм залегают параллельными слоями и для каждого слоя характерны определенные формы остатков ископаемых организмов, не встречающиеся в других слоях. Даже если данный слой изогнут и искривлен или вообще пропадает из виду, появляясь вновь лишь через несколько километров, он сохраняет свойственные только ему формы ископаемых. Смит научился даже определять различные слои исключительно по содержащимся в них остаткам ископаемых организмов.

Признав правоту Хэттона, можно предположить, что слои залегают в порядке их медленного формирования: чем глубже слой, тем он древнее. Если окаменелости и в самом деле являются остатками живых существ, то по расположению геологических слоев можно судить о последовательности эпох, в которые жили эти существа.

Окаменелости привлекли особое внимание французского биолога Жоржа Леопольда Кювье (1769–1832). Кювье изучал строение различных животных, тщательно сравнивая их между собой и отмечая черты сходства или отличия. Его можно считать основателем сравнительной анатомии. Эти исследования помогли Кювье понять соотношение различных частей организма, позволили по отдельным небольшим косточкам без труда делать выводы о форме других костей, о типе прикрепляющихся к ним мускулов, даже судить о целом организме. Кювье усовершенствовал систему классификации Линнея, объединив классы этой системы в более крупные подразделения. Одно из них, как и Ламарк, он назвал «позвоночные». Однако Кювье не свалил в кучу всех остальных животных. В группе беспозвоночных он выделил три подгруппы: членистоногие (животные с внешним скелетом и конечностями, как у насекомых и ракообразных), мягкотелые (животные с раковиной без членистых конечностей, такие, как моллюски и улитки) и лучистые (все остальные беспозвоночные животные).

Эти крупные группы Кювье назвал типами. С тех пор стало известно свыше тридцати типов растений и животных. Расширил свои границы и тип позвоночных: после того как в него включили некоторых примитивных животных без позвоночного столба, он получил название типа хордовых.

Занимаясь сравнительной анатомией, Кювье основывал свой принцип классификации не на внешнем сходстве, как Линней, а на тех признаках, которые свидетельствовали о связи структуры и функции. Кювье применил свой принцип классификации преимущественно к животным, а в 1810 г. швейцарский ботаник Августин Пирамус де Кандолль (1778–1841) использовал его и для классификации растений.

Кювье не мог не включить в свою систему классификации и окаменелостей. Недаром он был способен восстановить целый организм на основе отдельных частей, видел, что окаменелости — не просто предметы, похожие на живые организмы, они обладают признаками, которые позволяют поместить их в тот или иной из установленных типов и даже определить их место в пределах подгрупп данных типов. Так Кювье распространил биологическую науку на далекое прошлое, заложив основы палеонтологии — науки об исчезнувших формах жизни.

Кювье установил связь между ископаемыми формами и слоями земной коры, в которой они были найдены: показал, что при переходе от древнего к более молодому слою строение ископаемых форм усложняется, а в некоторых случаях, расположив находки в определенном порядке, можно проследить и постепенные изменения. Окаменелости с очевидностью свидетельствовали об эволюции видов.

Однако теоретические взгляды Кювье находились в резком противоречии с полученными фактами. Согласно Кювье, Земля периодически претерпевала грандиозные катастрофы, во время которых уничтожалось все живое, после чего появлялись новые формы жизни, резко отличные от существовавших прежде. Современные формы (в том числе и человек) были сотворены после самой последней катастрофы. Согласно этой гипотезе, не требовалось признания эволюционного процесса, чтобы объяснить существование окаменелостей. Кювье допускал вероятность четырех катастроф. Однако, по мере того как обнаруживались все новые и новые ископаемые, вопрос осложнялся: кое-кому из последователей Кювье пришлось допустить существование двадцати семи катастроф.

Теория катастроф не согласовывалась с униформизмом Хэттона. В 1830 г. шотландский геолог Чарлз Лайель начал публикацию трехтомного труда «Основы геологии», в котором он излагал взгляды Хэттона и приводил доказательства в пользу того, что Земля претерпевала лишь постепенные и некатастрофические изменения. Продолжавшееся изучение окаменелостей говорило в пользу теории Лайеля: слоев, где была бы уничтожена вся жизнь, не обнаруживалось, более того, некоторые формы не только выживали в период предполагаемых катастроф, но и сохраняли свое строение почти неизменным на протяжении многих миллионов лет.

Появление книги Лайеля нанесло теории катастроф — последнему научному оплоту антиэволюционной теории — смертельный удар. Так к середине XIX столетия уже была подготовлена почва для создания научной теории эволюции.