Глобальные катастрофы и эволюция жизни

Данное  возражение против теории эволюции было снято результатами опытов по скрещиванию, проведенных австрийским естествоиспытателем  Грегором Менделем (1822–1884). Все началось с того, что Грегор Мендель, монах из августинского монастыря в Брюнне (ныне это город Брно в Чехии, в те времена в Австро-Венгрии), в 1850 г., т. е. задолго до того, как Дарвин и Уоллес представили доклад по эволюции, пытался получить свидетельство на право преподавать естественные науки, но не смог сдать экзамен. Желая подготовиться к испытаниям, он поступил в университет в Вене, где в течение четырех семестров изучал математику, биологию, химию и физику. Затем он вернулся в Брюнн и стал в своем саду выращивать горох. Опыты, поставленные на горохе, с видимой легкостью и изяществом помогли установить природу наследственности. А именно в 1868 г. Грегор Мендель в опытах со скрещиванием гороха показал, что наследственность не имеет, как тогда считалось, промежуточного характера – признаки передаются дискретными частицами, которые сегодня называются генами.

В диплоидных организмах, т. е. организмах с двумя гомологичными наборами хромосом, к которым относятся  и горох, и человек, каждому признаку соответствуют два гена. Они могут  быть либо точными копиями, либо вариантами (аллелями) друг друга. От каждого из родителей потомок получает по одному такому гену. Гены содержатся в небольших  тельцах – хромосомах, находящихся  в клеточном ядре.

Работа Менделя  была написана исключительно ясно и  с научной точки зрения представляла настоящий шедевр, но долгое время  оставалась невостребованной. Только в 1900 г. три неизвестных исследователя  одновременно своими опытами подтвердили  полученные им результаты.

Можно привести еще один подобный пример. В 1902 г. лондонский врач А. Геррод показал, что действие, по крайней мере некоторых генов состоит в контроле активности ферментов. Данная работа также оказалась незамеченной. Представление о том, что гены содержат информацию для построения белка (один ген – один фермент) утвердилось лишь после 1945 г. Приведенные примеры и история становления теории эволюции показывают, насколько сложен и трудоемок путь постижения естественно-научной истины.

Российский  ботаник С.И. Коржинский (1861– 1900) и независимо нидерландский ученый Хуго Де Фриз (1848–1935) предложили теорию мутаций – внезапных изменений наследственности. Эта теория, проливая свет на процесс изменчивости, подтверждала дарвиновское учение. Чем резче мутация, чем крупнее скачок, тем меньше шансов для новой формы организма выжить в данных условиях. Иное дело – мутации небольшие. Чаще всего они тоже вредны для организма, но в редких случаях небольшое изменение может быть полезным. Организм совершенствуется, оказывается лучше приспособленным, чем его неизменившиеся сородичи, и естественный отбор закрепляет новую форму. Так теория мутаций навела мост между менделевскими законами о наследственности и дарвинизмом.

Вместе  с тем, теория мутаций породила новые  проблемы, связанные в частности, с причинами мутационных изменений. В самом деле, почему одни особи  данного вида изменяются, а другие, живущие в таких же условиях, нет? Не видя никаких внешних причин, которые вызывали бы эти изменения, многие ученые склонялись к тому, что  мутации носят спонтанный, т. е. самопроизвольный, характер. Но вот в 1927 году появилась  коротенькая заметка американского  генетика Г. Меллера. Он облучал плодовых мушек дрозофил рентгеновскими лучами и получил небывалую вспышку изменчивости. Вскоре было доказано, что мутации могут вызываться не только рентгеновскими лучами, но и другими видами излучений, а также многими химическими соединениями, резким изменением температуры и т. д.

Таково  одно направление исследований, обусловленное  результатами опытов Менделя. Другое, не менее важное направление, связанное  с выяснением природы самого гена, развивалось под руководством американского  генетика Т.Г. Моргана (1866–1945). К настоящему времени многие вопросы о природе  гена и генетической информации уже  выяснены.

Искусственный и естественный отбор

Решая главный вопрос о движущих силах  развития, Дарвин пришел к тому рубежу, перед которым прежде остановился  Ламарк. Однако в отличие от Ламарка  Дарвин решительно исключил из рассмотрения таинственное «стремление к совершенствованию», обратив собое внимание на человеческую деятельность.

В самом деле, не слишком ли мы недооцениваем самих  себя, когда говорим, что не способны создавать новые формы органической жизни? А как же наши культурные растения и домашние животные – разве они не созданы человеком? Остановимся на пшенице. Некогда человек бросил в землю горсть зернышек невзрачного дичка. Зернышки были мелкие, а колосья при малейшем дуновении ветра осыпались. Нелегко было собрать урожай первому земледельцу! Тысячелетия вначале бессознательного, а потом и сознательного отбора лучших экземпляров привели к тому, что зерно стало полновесным, а колос неосыпающимся. И еще десятки других свойств придал пшенице человек: увеличил количество белка в зерне, сделал ее стойкой ко многим болезням, вывел сорта, отзывчивые к удобрениям, неполегаемые, скороспелые... Сейчас культурная пшеница занимает на земном шаре свыше 200 млн га, но если перестать за ней ухаживать, то через несколько лет не отыщется ни одного зернышка культурного злака. Предоставленная самой себе, культурная пшеница погибнет! То же можно сказать почти о любом культурном виде растений или животных.

А если так, то следует присмотреться  к методам, какими человек создавал новые сорта растений и породы скота. Дарвин часто встречался со скотоводами  и выспрашивал, как они создают  и сохраняют свои стада. И ответ  слышал почти всегда один: «Мы оставляем  на племя лучших животных».

Вот и все! Ларчик открывался на удивление  просто. Скотоводы не подозревали, что, забивая слабых и низкопродуктивных животных (с низким надоем молока, если это коровы, с худшей шерстью, если это овцы; слабосильных, если это лошади, предназначенные для перевозки грузов, и недостаточно быстроногих, если это скаковые лошади), они проводили огромную созидательную, творческую работу. Искусственный отбор – так назвал этот метод Дарвин. Путем искусственного отбора человек создал формы, ранее не существовавшие в дикой природе (рис. 7.10). Дарвин решил посмотреть, не происходит ли чего-либо подобного и среди диких животных.

Человеку  с давних пор было ясно, что пищевые  ресурсы для какого-либо вида животных (или растений) в определенной местности  ограничены. А способность к размножению? Она ведь не имеет границ! Цифры  здесь столь же просты, сколь и  поразительны. Если бы из всех яиц, отложенных одной птицей, вылупились птенцы, выросли  и сами дали потомство, а потомство  этого потомства тоже сохранилось  бы полностью и так продолжалось бы, скажем, 15 лет, то общее число  потомков одной пары достигло бы десяти миллионов!

Однако  практически так никогда не происходит. Количество птиц, животных, растений остается неизменным (или меняется в небольших  пределах как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) нередко на протяжении многих столетий. Это значит, что далеко не из всех яиц вылупляются птенцы, не все птенцы становятся взрослыми птицами и, наконец, не все взрослые особи оставляют потомство. Кому же везет, кому выпадает счастливый жребий? Очевидно, тем, кому удается захватить нужное количество пищи, уберечься от врагов – словом, тем, кому удается победить в борьбе за существование.

В борьбе за существование побеждают, таким образом, лучше приспособленные  к жизни в условиях окружающей среды. Например, часть деревьев в  лесу угнетена: им не хватает места  под солнцем (рис. 7.11), а если это  так, то в природе, как и на животноводческой ферме, тоже происходит отбор. Однако отбирает здесь уже не человек, а сама природа. Именно условия природной среды  ведут отбор наиболее приспособленных – естественный отбор, как назвал это Дарвин. Вот чем объясняется целесообразность органических форм! Устройство животного или растения не потому целесообразно, что кто-то приспособил данный организм для определенной цели, а потому, что из всего многообразия форм выживали и могли оставлять потомство особи, лучше других приспособленные к данным условиям!

Двое  молодых русских ученых, А.О. Ковалевский (1840–1901) и И.И. Мечников (1845–1916), взяв на вооружение эволюционную теорию, стали  создавать новую науку – сравнительную эволюционную эмбриологию (эмбрион – греч. зародыш). Ковалевский при этом открыл переходные формы между позвоночными и беспозвоночными, заполнив тем самым наиболее важный пробел в общей системе развития животного царства.

Целенаправленное поведение и  естественный отбор

Созданные человеком устройства и машины (например, управляемая ракета, персональный компьютер) доказывают, что и неживые системы  способны к целенаправленному действию. Однако для их создания необходим  осознающий поставленную цель конструктор. В этой связи возникает вопрос: не нужен ли был подобного рода конструктор при создании живой  системы? Один из возможных ответов  на данный извечный вопрос содержится в идее Дарвина и Уоллеса, суть которой в том, что живые существа могут самосовершенствоваться (эволюционировать) в сторону все большей адаптации, т. е. приспособленности к среде  обитания. Оба ученых предположили наличие механизма естественного  отбора.  Живые существа способны изменяться (мутировать) случайным образом, и такие мутации наследуются. Если мутации оказываются полезными для выживания, то их доля в последующих поколениях будет возрастать. В результате происходит эволюция популяций в направлении большей адаптации к окружающей среде.

Для формирования, например, таких сложных  органов, как глаз, требуется множество  согласованных между собой мутаций. Их одновременное возникновение  маловероятно, поэтому естественно  предположить, что эволюция идет путем  накопления малых сдвигов.

Все промежуточные  стадии в эволюции органа должны быть функционально полезными и приводить  к его постепенному совершенствованию. Даже с учетом всевозможных ограничений  в результате естественного отбора могут возникнуть удивительно сложные  структуры. Предположение о том, что та или иная структура служит определенной цели, оказалось весьма плодотворным для экспериментальной  биологии.

Важность  целенаправленности действий можно  пояснить на примере конструирования  самовоспроизводящейся машины. Идею такого конструирования впервые  предложил известный математик  фон Нейман. Он показал, что логически  вполне возможно построить универсальную  машину, которая по данным ей инструкциям  способна создать любую другую машину заданной конструкции. Такую машину можно запрограммировать и на воспроизведение самой себя.

Подобные  машины должны включать три взаимосвязанные  функциональные части:

А – рабочий  механизм, обеспечивающий физическое построение машины (в инженерном представлении  это линия с программным управлением);

I – инструкции (команды), записанные на носителе информации, которые задают алгоритм действий рабочим органам (носитель, содержащий необходимую для построения А информацию);

В – устройство для копирования инструкций.

В целом данную систему можно представить в  виде

S = A+B+I.

Такая самовоспроизводящаяся машина прекрасно  моделирует живой организм, для которого А – тело, I – гены, В – механизм копирования генов для передачи их следующему поколению. В данной машине можно запрограммировать не только воспроизведение, но и другие функции. На биологическом языке это означает, что такие машины способны мутировать и претерпевать эволюцию, т. е. их потомки будут отличаться от предков. Если самовоспроизводящиеся машины будут изменяться случайным образом, то это не приведет к их направленной эволюции. Чтобы появилась устрица как самовоспроизводящийся организм, должны сформироваться сложнейшие органы: жабры, кишечник и др., – а также должно появиться целенаправленное поведение и т. п., что вместе взятое кажется просто невероятным.

Одна  из особенностей естественного обора  – мутации, благоприятные или  неблагоприятные для организма, возникают случайно. Изменение какого-либо адаптивного признака – результат единичной мутации: случившись, она попадает под естественный отбор. Однако против такого представления может быть выдвинуто одно весьма серьезное возражение, которое удобно пояснить на примере эволюции глаза. Вероятность одновременного возникновения ряда мутаций, приводящих к образованию сетчатки (слоя светочувствительных клеток), хрусталика и т. д., ничтожно мала. Представить себе, что такие одновременные изменения могут произойти в результате случайных мутаций – все равно, что бросить в коробку полный набор часовых деталей, встряхнуть их и ожидать, что они сами сложатся в целые часы. Если мутации произойдут не одновременно и в результате не будет хватать хотя бы одного компонента глаза, такой глаз окажется бесполезным и отбор по всем прочим мутациям будет невозможен.

Сложные биологические структуры могут  создаваться в результате естественного  отбора, если в принципе их можно  получить путем постоянного усложнения, так, чтобы каждый новый этап давал  какое-то новое преимущество. Поскольку  естественный отбор не обладает даром  предвидения, он иногда не может способствовать появлению некой промежуточной  структуры, не приносящей сразу определенной выгоды, даже если бы эта структура  и могла оказаться полезной в  отдаленном будущем.

Некоторые адаптации весьма совершенны, и кажется, что их появление было бы невозможно без предвидения и изобретательности. Поэтому многим трудно поверить, что это произошло путем простого накопления отдельных сдвигов к лучшему. Поверить, может быть, и можно, но тогда возникает вполне логичный вопрос: чем же такое представление отличается от того, в котором отстаивается роль Творца? Ведь оба представления в данном случае основаны на вере. Кроме того, в природе существуют адаптации, которые невозможно объяснить естественным отбором. Например, физические и химические свойства веществ и фундаментальные постоянные как будто специально подобраны так, чтобы могла возникнуть жизнь. Такое утверждение иногда называют приспособленностью окружающей среды. Имеется другая формулировка: если бы фундаментальные постоянные были чуть-чуть иными, жизнь была бы невозможна. Данный принцип, распространенный на развитие Вселенной, носит название тонкой подстройки Вселенной.