Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №11 за 2007 год
Знания о последовательностях ДНК и белков привели к рождению новой науки, занимающейся их сопоставлением и анализом, — биоинформатики. От нее ответвилась молекулярная филогенетика. По сравнению с традиционной систематикой, основанной на изучении анатомии, эта наука оперирует огромным количеством признаков — ведь число генов у многоклеточных организмов исчисляется многими тысячами, и каждый из них состоит из сотен или тысяч нуклеотидов. Сотни лабораторий во всем мире анализируют ДНК и все глубже разбираются в родственных связях организмов.
Лапка мышиного эмбриона сначала похожа на плавник. Со временем из него формируются пальцы, перепонки между которыми пропадают благодаря универсальному явлению апоптоза — запрограммированной смерти клеток
Не только генетический код, но и функциональные участки ДНК — гены — нередко одинаковы. Например, развитие зародыша у разных групп многоклеточных животных управляется одними и теми же генами. Где будет передний конец, а где — задний, задают «гомеозисные» гены, очень похожие у всех животных: от медузы до примата. Одни и те же гены управляют развитием глаза мухи и мыши — а ведь прежде считалось, что эти органы несравнимы, поскольку по-разному устроены: глаз насекомых состоит из множества простых глазков — фасеток, каждый из которых дает изображение одной точки пространства, а глаз позвоночных строит полное детальное изображение. Еще пример, в зародыше любого вида образуются лишние клетки, которые затем самоуничтожаются. Так, наши пальцы формируются за счет гибели клеток между ними, иначе вместо нормальной конечности развивалась бы сросшаяся культя. Точно так же ликвидируются самостоятельно и мутантные клетки, способные стать раковыми. Эти процессы запрограммированной гибели клеток — апоптоза — управляются особыми генами, которые очень похожи и, как оказалось, взаимозаменяемы, у человека, мыши и крошечного червя, состоящего всего лишь из одной тысячи клеток.
А раз во всех существах встречаются одинаковые «кирпичики», значит, они достались им от некоего общего предка? Кто же это мог быть? В мире одноклеточных мы видим организмы, похожие по обмену веществ и на растения, и на животных. Первые путем фотосинтеза создают себе пищу сами, вторые — этого не могут и нуждаются в готовых органических веществах. Например, от такого существа, как эвглена зеленая — полуводоросль-полуживотное, могла пойти дальнейшая эволюция. Чтобы стать многоклеточными, отдельным существам-клеткам нужно было объединиться в колонии. Сейчас полагают, что такой скачок связан с появлением хищничества как образа жизни: большую особь труднее съесть. Вся дальнейшая эволюция — это непрекращающаяся гонка наращивания размеров обеих противоборствующих сторон, в которой хищники и жертвы подгоняли друг друга. Животные, которые жили миллиард лет назад, настолько отличались от современных, что к ним неприменимы привычные принципы классификации. В них причудливо сочетались признаки разных современных типов, никогда не встречающиеся одновременно ни в одном из ныне живущих организмов. Трибрахидиум можно было бы назвать медузой, если бы не диковинная трехлучевая симметрия, более характерная для растений. Дикинсония похожа на кольчатого червя, но назвать ее так мешает «скользящая» симметрия, при которой парные конечности расположены не напротив друг друга, а в шахматном порядке. Такой тип симметрии опять-таки чаще встречается в растительном царстве, но в данном случае ученые уверены, что имеют дело с животным. По непонятной причине эти странные существа вымерли, и более полумиллиарда лет назад (в раннем кембрии) на коротком отрезке времени длительностью порядка десяти миллионов лет появились все известные современные типы животных. Это событие назвали «кембрийским взрывом». И согласно теории эволюции общий предок современных животных вышел из древнего мира докембрийских «чудищ», тех, кто пережил глобальную катастрофу. Данные молекулярной филогенетики подтверждают, что родословная современных типов (как то: губки, погонофоры, хордовые и т. д.) — это не дерево, но куст с пучком ветвей-типов, растущих из единого корня. А вот окаменелые остатки того, кто был этим корнем, палеонтологам еще не попались.
Уязвимое место
На самом деле прямого обоснования эволюционной теории еще никто не представил. В качестве такового может послужить только наблюдение за естественным развитием видов и обязательная регистрация того, какими были существа на старте, их промежуточные формы и во что превратились в конце. Отсутствие такого наблюдения и есть наиболее уязвимое место теории. Действительно, если видообразование — это непрерывный процесс, который продолжается и в наши дни, то почему мы не встречаем переходных форм? Есть, к примеру, тигр, лев, леопард, рысь — представители семейства кошачьих , а полосатых львов или тигров с гривами — форм промежуточных между двумя родственными видами — не бывает. Настораживает и то, что в ископаемом состоянии переходные формы также не встречаются. Отсутствие современных переходных форм Дарвин объяснял тем, что картина сегодняшнего мира — это результат уже разрешившихся противоречий и родоначальные виды истреблены естественным отбором. Что же до отсутствия их ископаемых остатков, то аргументом служили кратковременность их существования и небольшая численность, из-за чего вероятность, чтобы они сохранились, очень мала, а вероятность обнаружить их — и вовсе мизерна. Все, что видят палеонтологи, — это один вид в одном слое, другой — в другом, и никаких переходов. Словно долгие периоды устойчивого существования одних и тех же организмов вдруг сменялись быстрым видообразованием. Американские ученые Нильс Элдридж и Стивен Гоулд назвали это явление «прерывистым равновесием». Осталось понять условия стабильности и факторы ускорения эволюции.
И все-таки, в одном частном случае — среди микроорганизмов — ученые считают, что им удается видеть и регистрировать ход эволюции. В ответ на изобретение новых антибиотиков против болезнетворных бактерий возникают штаммы (группы микроорганизмов с четкими физиологическими особенностями), устойчивые к действию этих лекарств. С первой половины XX века идет постоянная гонка: медикам приходится все время изобретать новые лекарственные средства, которые быстро теряют эффективность из-за ускоренной эволюции микробов. Единственное, что останавливает от того, чтобы считать ее зримым процессом видообразования, — невозможность применить к бактериальному штамму понятия «вид». Стандартное определение гласит, что вид — это совокупность организмов, неспособных к скрещиванию с особями других видов или дающих при таких скрещиваниях бесплодное потомство. Но оказалось, что штаммы, относящиеся к одному и даже разным видам бактерий, могут обмениваться генетическим материалом друг с другом. Это явление назвали горизонтальным переносом генов. Благодаря миграции генов достижения одного вида микроорганизмов становятся доступными для другого — такую форму эволюции назвали ретикулярной, или сетчатой, чтобы подчеркнуть ее отличие от «классической», то есть древовидной, куда бактерии, похоже, не вписываются. Образно говоря, для бактерий нельзя построить эволюционное древо с общим корнем — у них родственные связи образуют запутанную сеть.
Парадоксы развития
Еще один феномен, который пока трудно объяснить с эволюционной точки зрения, — это сложность строения живого организма. Как, например, мог образоваться такой совершенный орган, как глаз? Дарвин, который хорошо знал зоологию и анатомию, на этот вопрос отвечал так. Органы, способные воспринимать свет, есть даже у самых простейших существ. Поэтому глаза можно выстроить в ряд по мере усложнения: от простых пигментных пятен или выстланных пигментом прозрачных кожных мешочков ланцетника до сложных фасеточных глаз насекомых и совершенной оптической системы человеческого глаза. Причем такой ряд легко создать и на основе глаз зародышей, что будет иллюстрацией к процессу их развития. Ну а какие преимущества в конкурентной межвидовой борьбе дают хорошо работающие глаза тем, у кого они есть, вряд ли нужно перечислять. Гораздо труднее оказалось для Дарвина объяснить происхождение электрических органов у рыб. Но если бы ему было известно, что почти все физиологические процессы имеют электрическую природу, он с легкостью это сделал бы.
Тем не менее проблема осталась — на молекулярном уровне. Даже у наиболее простых бактерий есть около 200 генов, каждый из которых состоит из сотен или тысяч нуклеотидов. Каждый ген отвечает за какую-то жизненно необходимую функцию, например за построение элементов клетки, производство и починку молекул ДНК, за транспорт пищи в клетку. Американский биохимик Майкл Бихи назвал это свойство живой системы «неуменьшаемой сложностью», из которого следует, что первая клетка должна была появиться сразу с двумя сотнями генов, чтобы стать жизнеспособной. Кстати, этот пример часто используют критики теории эволюции. Они говорят: раз биологи сами пришли к такому парадоксу, значит, они отрицают дарвинизм. В логике такой прием называется подменой тезиса и свидетельствует об ошибочном выводе — разумеется, ученые не отрицают дарвинизма, они ищут пути обхода «неуменьшаемой сложности». Действительно, случайное возникновение даже самой элементарной клетки путем перебора химических соединений маловероятно. Но мы мало знаем о том, как была организована ранняя жизнь на Земле и какие пути могли привести к возникновению клетки.
