Читаем Три возраста эволюции онлайн бесплатно

Нынешний год отмечен двойным юбилеем Чарлза Дарвина: в феврале исполнилось 200 лет со дня его рождения, а в ноябре сравняется 150 лет со дня выхода в свет «Происхождения видов» – главного труда ученого и, вероятно, самой знаменитой книги по биологии за все время существования этой науки. XIX век был щедр на великих ученых и великие теории, но даже среди них творение Дарвина стоит особняком. Одни фундаментальные концепции того времени сегодня отвергнуты наукой и представляют чисто исторический интерес. Другие – классическая термодинамика, периодическая система элементов, сравнительная лингвистика, теория электромагнитного взаимодействия и даже опередившая свое время менделевская генетика – давно стали чем-то само собой разумеющимся и бесспорным. Периодический закон Менделеева выводится как простое следствие из квантовых свойств атомов, расшифровка «наследственных зачатков» стала настолько рутинным делом, что с этим справляются компьютерные программы.

Изменилась до неузнаваемости сама методология науки, представление ученых о том, что такое научная теория. И только теория Дарвина по-прежнему находится в центре общественного внимания, вызывая жаркие споры.

За прошедшие полтора века ее бессчетное число раз пытались опровергнуть, включить в более общую концепцию или найти ей альтернативу. Однако и сегодня основанные на ней представления безраздельно господствуют в биологии.

При взгляде из нашего времени на прошлое науки кажется, что до выхода книги Дарвина в биологии безраздельно господствовало представление о неизменности видов. На самом деле

идея постепенного изменения растений и животных в ряду поколений, высказанная еще античными авторами, в XVIII веке разделялась многими авторитетными учеными.

В 1809 году знаменитый натуралист Жан Батист Ламарк даже обнародовал первую целостную концепцию эволюции. Но летом 1830 года на публичном диспуте в Академии наук основатель палеонтологии Жорж Кювье убедительно опроверг эволюционные построения единомышленника Ламарка – Жоффруа Сент-Илера. После этого эволюционные идеи в биологии воспринимались как беспочвенные фантазии, неподобающие серьезным ученым.

Однако последующие годы принесли множество фактов и наблюдений, которые было все труднее истолковывать без привлечения идеи эволюции. Уже перед самим Кювье встал вопрос, почему открываемые и описываемые им древние существа так непохожи на современных. Он объяснял это глобальными катастрофами, уничтожавшими древнюю флору и фауну. Но тогда приходилось предположить, что после каждой такой катастрофы животный мир был создан заново. К середине века ученые открыли так много ископаемых, что Альсид д'Орбиньи, ученик Кювье, подсчитал: если его учитель был прав, то современная фауна представляет собой – ни много ни мало! – 28-ю по счету попытку творца заселить планету. Поверить в это было нелегко даже убежденному стороннику неизменности видов.

Одним словом, к 1850-м годам в науке о природе накопилось огромное напряжение между господствующей теорией и множеством противоречащих ей фактов. Наука созрела для революции, не хватало лишь достаточно мощного начального импульса.

Книга Дарвина стала как раз таким импульсом – что и предопределило триумфальный успех изложенных в ней взглядов.

Впрочем, этот триумф был не вполне однозначным. Как известно, труд Дарвина содержал два основных положения: фактические доказательства эволюции и гипотезу о возможном механизме этого процесса – естественном отборе.

Первый тезис в самом деле был принят мировой наукой на ура: в считанные годы (если не месяцы) практически все ученые-биологи перешли на эволюционные позиции, а те немногие, кто отказался это сделать, тем самым отправили сами себя на дальнюю периферию научного сообщества или даже за его пределы. А вот представление о том, что в основе эволюции лежит закрепление случайных изменений, приняли далеко не все.

Точнее, мало кто отрицал само существование дарвиновского отбора, но многие новоявленные эволюционисты ограничивали его роль выбраковкой неудачных форм. Сами же новые формы, удачные или неудачные, создавались, по их мнению, совсем другими факторами: первые 30 – 40 лет после выхода «Происхождения видов» стали временем рождения множества теорий о возможных механизмах эволюции. Общее их число не поддается подсчету: своя теория на эту тему была чуть ли не у каждого уважающего себя профессора зоологии или ботаники. Среди наиболее популярных были многочисленные версиии ламаркизма (так стали называть идею наследования признаков, приобретенных в ходе жизни, – хотя сам Жан-Батист Ламарк отводил этому явлению скорее роль помехи, отклоняющей вид от магистрального пути прогресса), а также представления об эволюции под действием неких внутренних причин и побуждений.

Впрочем, так ли уж важно, под действием каких именно причин и сил идет эволюция? Главное – что она идет, что все наблюдаемые в современном мире живые существа – результат длительного исторического развития, и его можно восстановить, выяснив, кто кому родня и в каком колене. В ботанических и особенно зоологических работах того времени всходят целые джунгли филогенетических деревьев – схем эволюционного родства изучаемых организмов.

Родство проявляется в сходстве строения, но сходство – не всегда признак родства. Скажем, листья рябины похожи на дистья некоторых папоротников. Но если на этом основании сделать вывод о родстве этих растений, то другие папоротники придется признать родичами... морозных узоров на стекле, удивительно похожих на их листья. С другой стороны, между стремительным кальмаром и мидией, лишенной глаз и конечностей и навечно приклеенной к камню, на первый взгляд нет ничего общего. Однако зоологи давно выяснили, что эти совершенно несходные существа представляют собой варианты одной базовой схемы: у каждого из них есть мускулистая нога (у кальмара – разделенная на десяток щупалец), облегающая тело мантия, раковина и другие характерные черты строения. Такие сопоставления – предмет сравнительной анатомии и морфологии, переживших во второй половине XIX века невиданный расцвет. В неменьшей степени это относилось и к палеонтологии, данные которой оказались еще более востребованы для реконструкции эволюционных связей.

Если к моменту выхода «Происхождения видов» сравнительная анатомия уже существовала века, а палеонтология – десятилетия, то третья бурно развивавшаяся отрасль биологии – сравнительная эмбриология – возникла именно как плод эволюционных идей.

В основе ее лежало наблюдение работавшего в Бразилии немецкого зоолога Фрица Мюллера: у зародыша любого более-менее сложного организма на определенных этапах развития можно наблюдать характерные черты его предков. Этот эффект, подтвержденный множеством исследований, возведенный одним из лидеров эволюционной биологии XIX века Эрнстом Геккелем в ранг «основного биогенетического закона» и знакомый всем по картинке из школьного учебника биологии, сделал эмбриологию инструментом для анализа эволюционных связей. Результаты применения этого инструмента оказались порой весьма нетривиальными: кто бы мог подумать, например, что асцидия – сидячее морское животное, похожее на мешок с двумя трубками для перекачки воды – окажется в прямом родстве с позвоночными? Ни палеонтология, ни сравнительная анатомия не давали оснований для такого сближения, но русский зоолог Александр Ковалевский, изучив развитие асцидии, обнаружил у нее свободно плавающую личинку – активное существо, обладающее хордой и спинной нервной трубкой. Вероятно, так и выглядели предки асцидий до перехода к сидячему образу жизни.

Сравнительные методы позволяли проследить «родственные связи» даже отдельных органов и структур. Стало ясно, например, почему у одного животного никогда не встречаются одновременно клыки и настоящие рога: оказалось, что это альтернативные варианты развития одного и того же эмбрионального зачатка.

Взгляд морфолога уверенно различал в птичьем пере – преобразованную чешую рептилий, в легких – вырост пищеварительного тракта рыбы, в электрическом органе южноамериканского угря – видоизмененные мышцы. Можно даже сказать, что основным содержанием тогдашних эволюционных исследований было выяснение происхождения конкретных форм – как групп живых организмов, так и характерных структур.

Это была вполне осмысленная и достойная исследовательская программа – не завершенная, кстати, и по сей день. Проблема была в том, что один и те же методы в руках разных исследователей нередко давали совершенно разный результат. Если, скажем, родственные связи между разными классами позвоночных были установлены довольно быстро и позднее лишь уточнялись, то происхождение позвоночных в целом было предметом самых фантастических гипотез: их выводили из кольчатых червей, червей-немертин, трилобитов, паукообразных, иглокожих и т. д. К рубежу XIX – XX веков интерес ученых к составлению эволюционных родословных изрядно увял, а применявшиеся для этого методы оказались основательно скомпрометированными. А в первые годы нового, ХХ века эволюционизм был атакован с совершенно неожиданной стороны.

Как известно, элементарные механизмы наследственности были открыты австрийским естествоиспытателем-самоучкой Грегором Менделем всего через шесть лет после выхода «Происхождения видов». Однако его работа осталась совершенно незамеченной и не оказала никакого влияния на биологию XIX века.

Фактически генетика как наука родилась только в 1900 году, после переоткрытия менделевских законов – и сразу же противопоставила себя старой эволюционной теории.

«Закончилась эпоха парусных кораблей и теории Дарвина», – провозглашал один из пионеров генетики Уильям Бэтсон.

Уже в 1901 году один из переоткрывателей менделевских соотношений голландский ботаник Хуго де Фриз сформулировал закономерности мутаций – изменения генов. Они оказались совсем непохожи на дарвиновское постепенное накопление малозаметных изменений. По де Фризу наследственный материал меняется скачком, сразу создавая новый вид. Дарвиновскому отбору вновь оставалось лишь отбраковывать неудачные изменения. Впрочем, и в этой скромной роли его возможности были вскоре усечены:

в 1903 году Вильгельм Иоганнсен (кстати, автор термина «ген») доказал, что в чистых линиях никакой отбор не может привести к изменению наследуемого признака.

В его опытах средний вес фасолин из поколения в поколение оставался постоянным, хотя для посева всякий раз отбирались самые крупные.

Сегодня утверждение датского генетика выглядит тавтологией. Чистая линия – это группа организмов, в которой отсутствует генетическое разнообразие по определенному гену или нескольким генам. Понятно, что когда выбирать не из чего, отбор невозможен. Однако в то время результаты Иоганнсена воспринимались чуть ли не как экспериментальное опровержение дарвинизма. Дело в том, что дикие растения и животные внешне гораздо более единообразны, чем культурные сорта и породы. Казалось само собой разумеющимся, что этому внешнему единообразию соответствует генетическая однородность – а значит, природные популяции можно моделировать чистыми линиями.

Примирить Менделя с Дарвином попытался крупнейший американский генетик Томас Морган: мутации сами по себе не порождают новый вид, но, нарушая генетическую однородность природных популяций, дают тем самым материал для отбора.

Однако из его же собственных работ следовало, что мутация – событие слишком редкое: одна ошибка приходится на несколько сот тысяч актов копирования гена. Если учесть, что большинство мутаций вредны, то выходит, что для самого простенького эволюционного изменения нужны или невообразимо долгое время, или астрономическая численность вида.

Выход из тупика наметился только в 1926 году – в виде небольшой статьи московского энтомолога Сергея Четверикова. Из нее следовало, что природные популяции должны быть насыщены мутантными версиями самых разных генов.

Как известно, большинство живых существ несут по два экземпляра каждого гена. Вновь возникающие мутации, как правило, рецессивны, т. е. при наличии «нормальной» версии гена они внешне не проявляются. Это означает, что за единообразием внешнего облика представителей того или иного вида кроется ошеломляющее генетическое разнообразие, созданное накопленными за всю его предыдущую историю мутациями. И значит, естественному отбору нет нужды ждать, когда произойдет очередная мутация, – материал для его работы всегда имеется.

Выводы Четверикова были немедленно проверены на реальных природных популяциях (прежде всего мушки-дрозофилы, генетика которой уже была неплохо изучена) и полностью подтвердились. Это вызвало волну эволюционно-генетических исследований: теперь ученые могли работать с четкими и однозначными объектами – генами – и строго измерять происходящие изменения. Результаты экспериментальных и полевых наблюдений, математических моделей, теоретических построений десятков авторов из разных стран к середине 1940-х годов сложились в довольно стройную концепцию, которая с легкой руки Джулиана Хаксли (внука Томаса Хаксли, прозванного «бульдогом Дарвина» за неустанную и яростную защиту дарвинизма во всевозможных дискуссиях) получила имя «синтетической теории эволюции» (СТЭ). Слово «синтетическая» здесь подчеркивает, что новая теория соединила в себе достижения генетики и идеи классического дарвинизма.

В центре внимания новой теории находится процесс видообразования.

Согласно СТЭ, биологический вид – это система популяций, способных обмениваться генами. Вид может занимать весьма обширную территорию, на разных участках которой условия жизни различаются довольно сильно.