Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер 13 стр.

В середине 1990-х гг. группа геологов из Австралийского национального университета под началом Йохена Брокса пробурила скважину в древних сланцах северо-западной Австралии на глубину 700 м и добралась до формаций, возраст которых при помощи ураново-свинцового метода был определен в 2,7 млрд лет. В толще сланцев геологи обнаружили микроскопические следы нефти с содержанием стеринов. Поскольку из всех земных организмов только эукариоты способны производить эти молекулы, команда Брокса сделала вывод: эукариоты — вероятно, простые амебоподобные существа — появились не позже 2,7 млн лет назад.

Еще миллиард лет или около того эукариоты оставались микроскопическими, наподобие бактерий. Но примерно 1,8 млрд лет назад появляются первые окаменелости многоклеточных организмов в виде таинственных спиралей около двух сантиметров длиной. Возраст древнейших узнаваемых многоклеточных организмов — красных водорослей — составляет 1,2 млрд лет. Наша ветвь многоклеточных — животные — оставила для нас первые окаменелости лишь 575 млн лет назад. Причем «животные» — это достаточно вольное определение для существ, оставивших эти следы. Среди них есть диски с трехлучевыми выступами, напоминающие монеты какой-то неведомой империи. Есть «листья» с рядами узких прорезей; под водой они, должно быть, выглядели как некие фантастические жалюзи. На дне древних морей встречаются ребристые отпечатки, формой напоминающие отпечатки гигантского большого пальца.

Эти существа известны как эдиакарская фауна (название происходит от Эдиакарской возвышенности в Австралии, где представители этой фауны найдены во множестве). В прошлом палеонтологи пытались классифицировать их как растения, лишайники или даже какой-то неизвестный нам тип многоклеточных, оказавшийся тупиковой ветвью эволюции. Сегодня многие специалисты считают, что по крайней мере некоторые из этих организмов являются древними родичами основных групп (называемых типами) современных животных. Не исключено, что некоторые из окаменелостей находятся в родстве с медузами[3]. Гигантский отпечаток пальца на самом деле может оказаться ближе к аннелидам, или кольчатым червям, — группе, в которую входят земляной червь и пиявка. «Листья» могут быть морскими перьями, которые и сегодня живут на коралловых рифах. Тем не менее многие эдиакарские жители еще ждут тех, кто пожелал бы их определить. К примеру, никто пока не рискнул взяться за «монеты».

Среди подобных эдиакарских окаменелостей присутствуют и следы «перспективных моделей» животного царства. В скалах, возраст которых составляет 550 млн лет, есть остатки червоточин и следов, которые могли быть сделаны только мускулистыми существами. Они указывают на существование сложных животных, способных активно зарываться и ползать, в противоположность закрепленным эдиакарским организмам и дрейфующим медузам. Возможно, у этих таинственных животных уже развились многие признаки сложных животных, такие как мускульная стенка или кишка. У примитивных животных, таких как медуза, этих структур нет, а у таких животных, как насекомые, плоские черви, морские звезды или люди, есть. Разница в том, как формируются их зародыши. Тело медузы формируется из двух зародышевых слоев. У других животных три слоя: эктодерма, из которой в конечном итоге развиваются кожа и нервы; мезодерма, из которой формируются мышцы, кости и многие внутренние органы; и эндодерма, из которой строится кишечник. Считается, что именно эти трехслойные организмы 550 млн лет назад оставили после себя червоточины и следы, но до сих пор окаменевшие остатки этих существ не обнаружены.

В 1998 г. в процессе поиска ранних трехслойных организмов палеонтологи совершили одно многообещающее открытие: были обнаружены докембрийские зародыши. Группа американских и китайских исследователей нашла скопление мелких окаменелостей возрастом 570 млн лет. Среди них есть одноклеточные оплодотворенные яйца. Некоторые яйца находились на первой стадии деления и представляют собой двухклеточный шарик. В некоторых уже четыре клетки, в некоторых — восемь, шестнадцать и т. д. Палеонтологи представления не имеют, что именно выросло бы из этих зародышей, но, судя по размерам и схеме деления, лучше всего на эту роль подходят трехслойные организмы.

К началу кембрийского периода, около 530 лет назад[4], эдиакарские организмы пришли в упадок и исчезли. В это же время появляется множество окаменелостей трехслойных организмов. Среди них уже можно обнаружить первых животных, явно родственных многим живущим сегодня группам. Наш собственный тип, к примеру, представлен здесь фоссилизованными остатками существ, внешне похожих на миногу и миксина; практически это воплощенный архетип позвоночных Оуэна.

Внешность новобранцев из других типов еще более экстравагантна. Так, родич сегодняшних моллюсков выглядел как подушечка для иголок, утыканная наконечниками стрел. Сегодняшних плеченогих, или брахиопод, представляла Halkieria, которая напоминала бронированного слизня. Opabinia имела пять глаз, торчавших из головы, подобно грибам, и рыхлила морское дно хоботком с раздвоенным рыльцем; им же она могла схватить и отправить в рот жертву. Похоже, Opabinia была древним родичем сегодняшних членистоногих. Некоторые типы, сегодня существующие в жалкой безвестности — к примеру, онихофоры или сипункулиды, — процветали во время кембрийского взрыва в таком разнообразии, какого позже им никогда не удавалось достичь.

Опасение Дарвина по поводу кембрийского периода оказалось беспочвенным. Теперь, когда исследователи научились считывать показания изотопных часов и распознавать молекулярные ископаемые, им удалось показать, что за миллиарды лет до кембрия в мире действительно кипела жизнь, как и предполагал Дарвин. Докембрий вовсе не был таинственным прологом к эволюции; на самом деле на него приходится 85% истории жизни. А у палеонтологов сегодня имеется замечательная коллекция докембрийских окаменелостей, включая окаменелости ископаемых бактерий, простейших, водорослей, эдиакарских организмов, сверлильщиков и зародышей животных. Но нет никаких сомнений в том, что кембрийский период, история которого известна по окаменелостям гораздо лучше, представляет собой самый замечательный эпизод эволюции животных. Как бы долго животные ни таились в океане до этого, ясно, что 535 млн лет назад видообразование среди них резко ускорилось и приняло поистине взрывной характер. Точное ураново-свинцовое датирование позволило ученым определить, что весь кембрийский взрыв продолжался всего лишь 10 млн лет.

Кембрийский взрыв полностью проходил под водой[5]. В тот момент, когда появлялись все эти новые существа, континенты еще были пусты, лишь покрыты бактериальными корками. Но оставалось уже недолгое время — по геологическим, конечно, меркам — до того, как на эти берега должна была выплеснуться многоклеточная жизнь. Первыми были растения. Около 500 млн лет назад зеленые водоросли постепенно развили у себя водонепроницаемую оболочку, которая позволила им проводить на воздухе без воды все больше и больше времени. Вероятно, первые наземные растения выглядели как сегодняшние мхи и печеночники; они образовали по берегам рек и морей низкий насыщенный влагой ковер. Около 450 млн лет назад эту новую экосистему начали исследовать многоножки и другие беспозвоночные. Появились новые виды растений, способные поддерживать себя в вертикальном положении, и уже 360 млн лет назад деревья на суше вырастали до 20 метров в высоту. В какой-то момент из прибрежных топей выползли и наши предки — первые позвоночные, способные передвигаться по суше.

В истории жизни на Земле выход живых существ на сушу и вся наземная часть эволюции выглядит небольшим и не очень существенным отрезком. Девять десятых нашей эволюции составляет ее подводная часть. Но с нашей точки зрения последние несколько сотен миллионов лет на суше — самая интересная часть эволюции. Окаменелости древнейших наземных позвоночных показывают, что около 320 млн лет назад они разделились на две ветви. Одна из ветвей — амфибии — поначалу произвела на свет некоторое количество неуклюжих гигантов, но сегодня представлена лишь лягушками, саламандрами и другими мелкими существами. Как правило, они должны всегда оставаться влажными и откладывают мягкие яйца, которые могут легко высохнуть. Другая ветвь — амниоты, или высшие позвоночные, — получила в процессе эволюции прочную водонепроницаемую оболочку для зародыша. Из амниотов около 250 млн лет назад выделились динозавры; они завоевали господство на суше и сохраняли его, пока большинство ветвей динозавров не вымерло (уцелели только птицы, которые на самом деле представляют собой летающих динозавров с перьями) примерно 65 млн лет назад. Хотя первые млекопитающие появились почти одновременно с первыми динозаврами, господство на суше они получили только тогда, когда вымерли их соперники-рептилии. Наши предки — приматы — вероятно, появились примерно в этот же момент, но самые древние ископаемые Homo sapiens обнаружены в геологических пластах, образованных лишь 600 000 лет назад. Все люди, живущие сегодня на Земле, могут проследить свою родословную до общего предка, жившего всего лишь 150 000 лет назад.

Эти несколько страниц не могут, конечно, в полной мере отразить величественные глубины истории жизни на Земле, но ясно одно: время нашего собственного существования во Вселенной выглядит на этом фоне крохотным, почти незаметным мгновением. Историю человечества невозможно изобразить на шкале естественной истории. Если представить себе, что 4 млрд лет существования жизни на Земле — это долгий летний день, то последние 200 000 лет, вместившие в себя расцвет современного человека, возникновение сложного языка, искусства, религии и торговли, зарождение сельского хозяйства, городов и всю письменную историю, уложились бы в краткую вспышку светлячка на закате.

В конце концов Дарвин получил почти неограниченное время, которого так жаждал. Но летопись окаменелостей, хотя и демонстрирует наглядно примерный ход эволюции жизни, ничего не говорит о том, как именно все происходило. Этот вопрос Дарвину также не удалось прояснить до конца жизни — ведь ни он сам, ни другие ученые того времени не знали, как работает наследственность.

Уже в XX в., пока геологи и палеонтологи восстанавливали историю жизни, другие ученые решали вопрос наследственности и разгадывали ее связь с механизмами естественного отбора. Связь эта — как и свидетельства древности жизни — скрыта в молекулах и атомах. Если в первом случае необходимые атомы миллиардами лет оказались заключены в глубине горных пород, то в случае наследственности они прячутся в ядрах наших собственных клеток.

4. Свидетели перемен

Загадка наследственности — как два человека могут произвести на свет дитя, обладающее качествами обоих родителей, — в начале XIX в. породила множество самых диких идей и предположений. Одной из нелепейших, по крайней мере с современной точки зрения, была так называемая гипотеза пангенеза. В ней предполагалось, что наследственность передается посредством мельчайших частиц, которые отщепляются от всех клеток тела. Эти частицы (получившие название геммулы), подобно триллионам мигрирующих лососей, устремляются к половым органам, где и концентрируются в сперме или яйце. Когда яйцо оплодотворяется спермой, геммулы обоих родителей смешиваются. Поскольку каждая частица происходит от конкретной клетки в конкретной части тела одного из родителей, все вместе они формируют нового человека с признаками обоих родителей.

Гипотеза пангенеза оказалась неверной, но предложивший ее ученый не канул в безвестность и не угодил в списки чокнутых. Его репутация устояла благодаря нескольким другим идеям, которые успешно выдержали испытание временем. Автором теории пангенеза был Чарльз Дарвин.

Наследственность наряду с возрастом Земли была одним из величайших разочарований Дарвина. К концу XIX в. «Происхождение видов» убедило большинство ученых в том, что эволюция реальна, но многие продолжали скептически относиться к предложенному Дарвиным механизму изменений — а именно, к естественному отбору. Многие вместо этого обратились к давним идеям Ламарка. Может быть, существует встроенный механизм управления эволюцией, утверждали они, или, может быть, взрослые особи могут приобретать за время жизни определенные качества и передавать их потомству. Если бы Дарвин мог показать, что законы наследственности запрещают такую передачу, но разрешают естественный отбор, он легко одержал бы верх над критиками. Но эти знания не были доступны ни Дарвину, ни другим ученым тех дней.

Уже после смерти Дарвина ученые начали постепенно разбираться в том, как работает наследственность. Только тогда стало ясно, что неоламаркисты ошибаются. Только тогда стало ясно, что законы наследственности делают естественный отбор не только возможным, но и неизбежным, и как при этом возникают новые виды. Для того чтобы это выяснить, потребовался многолетний труд не только генетиков, но также зоологов и палеонтологов. К середине XX в. их совместные усилия сложились в так называемую «синтетическую теорию эволюции». Молодые ученые основывали на синтетической теории эволюции свои новые исследования. Они начали понимать, как проходит эволюция на молекулярном уровне. В результате естественный отбор сегодня уже не та ускользающая невидимая сила, какой ее считал Дарвин. На самом деле сегодня можно наблюдать и действие естественного отбора в дикой природе, и разделение видов. Для этого ученым даже не надо следить за животными, растениями или микробами: можно видеть, как естественный отбор работает внутри нашего тела и даже среди искусственных форм жизни в компьютере.

Если бы история обернулась иначе, ученые могли раскрыть тайны наследственности еще при жизни Дарвина. Еще не была закончена работа над «Происхождением видов», а один моравский монах уже открывал в собственном саду фундаментальные законы генетики.

Грегор Мендель родился в 1822 г. на территории сегодняшней Чехии в семье небогатого фермера и вырос в крошечном домике, состоявшем всего из двух комнат. Заметив способности мальчика, учителя устроили его послушником в монастырь в Брюнне в тогдашней Моравии (в настоящее время Брно). В этом монастыре было много монахов, преданных науке не меньше, чем молитве; там глубоко изучали геологию, метеорологию и физику. Мендель узнал от других монахов о последних достижениях ботаники — к примеру, о новых методах искусственного оплодотворения, позволявших выводить все более качественные сорта. Через некоторое время Менделя направили в Венский университет, где он продолжил изучение биологии. Помимо этого, он изучал физику и математику, и можно сказать, что именно эти науки сформировали Менделя как ученого. Физики научили его проверять гипотезы при помощи экспериментов — тогдашние биологи этим практически не занимались. Математики научили Менделя пользоваться статистикой и находить порядок, скрытый в случайном вроде бы наборе данных.

В 1853 г. Мендель вернулся в Брюнн. Ему было уже за тридцать, он был широкоплеч и немного склонен к полноте, имел высокий лоб, а его живые голубые глаза скрывались за стеклами очков в золотой оправе. Он работал школьным учителем, преподавал естественную историю и физику ученикам второй и третьей ступени. У него было 100 учеников и шесть рабочих дней в неделю, но при этом Мендель умудрялся вести жизнь настоящего ученого, регулярно наблюдал за погодой и следил за научными журналами. Именно в это время он решил поставить эксперимент, чтобы больше узнать о наследственности растений.

Некоторые из венских профессоров Менделя упорно пытались понять, что придает биологическим видам уникальность, почему каждый вид производит на свет подобное себе потомство. Эти вопросы сошлись вместе в тайне гибридов. Селекционеры знали, как развить определенные качества цветка или плода, как получить нужный сорт, и умели скрещивать виды для получения гибридов. Многие гибриды оказывались стерильными, а среди тех, кто мог производить потомство, новые поколения часто возвращались к формам предков. Но если растения могут каким-то образом производить гибриды, это может означать, что виды не вечны и могут меняться. В XVIII в. шведский биолог Карл Линней рассуждал о том, что виды растений одного рода произошли когда-то от общего предка путем гибридизации.

На протяжении почти всего XIX в. ученые считали, что наследственность работает через смешение родительских качеств в потомках. Но Мендель предложил совершенно иной вариант: родители могут передавать потомству свои качества, но качества эти не смешиваются. Для проверки этой идеи Мендель разработал эксперимент, в котором предполагалось скрещивать разновидности растений и отслеживать цвет, размер и форму полученных новых поколений. Для своего эксперимента Мендель выбрал горох и в течение двух лет испытывал всевозможные его сорта и их потомство. В конце концов он остановился на 22 сортах и семи различных признаков, которые предполагалось отслеживать. Горошины в отобранных им сортах могли быть гладкими или сморщенными, зелеными или желтыми. Стручки также могли быть зелеными или желтыми, гладкими или ребристыми. Сами растения могли быть высоко- или низкорослыми, цвести на кончиках или в середине побегов. Мендель собирался фиксировать все эти признаки в каждом новом поколении.

Осторожно помещая пыльцу одного сорта на цветок другого, Мендель скрестил два сорта (с гладкими и сморщенными горошинами) и получил тысячи гибридных семян. Затем он высадил эти семена в монастырском саду и дождался цветения. Получив урожай и вышелушив стручки, он увидел, что все гибридные горошины получились гладкими. Признак сморщенности не наблюдался вообще. После этого Мендель скрестил полученные семена между собой и вырастил второе поколение. Здесь некоторые горошины вновь оказались сморщенными (и морщинки на горошинах были не менее глубокими, чем у их сморщенных предков). Получалось, что признак сморщенности не отсутствовал в гладком поколении; он как бы спрятался в гибридах и позже вновь проявился.