Текст книги "Эволюция для тех, кто хочет все успеть"

Эволюция для тех, кто хочет все успеть

* * *

Все права защищены. Книга или любая ее часть не может быть скопирована, воспроизведена в электронной или механической форме, в виде фотокопии, записи в память ЭВМ, репродукции или каким-либо иным способом, а также использована в любой информационной системе без получения разрешения от издателя. Копирование, воспроизведение и иное использование книги или ее части без согласия издателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© ИП Сирота Э. Л. Текст и оформление, 2017

© Оформление. ООО «Издательство „Э“», 2017

* * *

Вопросы, на которые дает ответ эта книга

Что такое эволюция?

Самое общее определение эволюции – естественный процесс развития жизни на Земле. Эволюция – это постоянное установление хрупкого баланса между растениями, живыми организмами и средой, в которой они обитают. См. главу I

Какие виды выживают?

«Выживают не сильнейшие виды и не самые разумные, а предпочтительно те, кто лучше других приспосабливается к изменениям». Чарлз Дарвин. См. главу III

Кто такой археоптерикс?

Это удивительное существо с птичьими крыльями и скелетом динозавра, ископаемые останки которого были впервые найдены в 1861 году. См. главу V

Почему у всех позвоночных пятипалая конечность?

Причина общности строения кроется в общности происхождения – у всех позвоночных был один и тот же пятипалый предок. См. главу VII

Кит – это родственник коровы?

Да, потому что киты произошли от наземных парнокопытных млекопитающих, которые когда-то вернулись в воду. См. главу IX

Сколько времени заняла эволюция глаза моллюска?

Расчеты показали, что для создания полноценного глаза понадобится 364 000 поколений моллюсков, или 500 тысяч лет. См. главу X

Где хранится наследственная информация?

В процессе наследования участвуют гены – участки ДНК, в которых зашифрована информация о каждом конкретном признаке данной особи, от строения органов до цвета глаз. ДНК находится в ядре каждой клетки организма, в том числе и в половых клетках. См. главу XII

Что такое биологический вид?

Это сообщество популяций, живущих на близлежащих территориях, занимающих сходные экологические ниши, особи которых могут скрещиваться между собой и давать потомство. См. главу XV

На какие разновидности делятся мутации?

Самая простая классификация мутаций – это разделение их на полезные, вредные и нейтральные. См. главу XVI

Как виды сохраняют единообразие?

Биологические виды сохраняют единство благодаря миграциям и скрещиванию между особями разных популяций. См. главу XXI

За счет чего живут паразиты?

Паразитами называют организмы, существующие за счет других видов. Они используют хозяев в качестве источника питательных веществ или места обитания. См. главу XXIV

Где происходит химическая эволюция?

Начальные этапы химической эволюции происходили и происходят не только на нашей планете. В космосе присутствуют некоторые виды органических веществ, которые при определенных условиях могли бы привести к появлению живых клеток. См. главу XXVII

Что называют эволюционным прогрессом?

Рассматривая картину появления и развития жизни на Земле, невозможно не заметить, что все происходило по пути постепенного усложнения – это и называют прогрессом. См. главу XXIX

Предисловие

Однажды Томас Гексли, последователь Дарвина, выступал в научном обществе с докладом об эволюционной теории. Слово взял священнослужитель, до глубины души возмущенный утверждением, что предком человека являются приматы. «А по какой линии – бабушки или дедушки – вы произошли от обезьяны?» – язвительно спросил он. «Я бы предпочел иметь среди своих родственников обезьяну, чем болтливого недалекого человека», – парировал Гексли.

Этот исторический анекдот свидетельствует о том, какие баталии велись в свое время вокруг теории эволюции. Люди не готовы были принять тот факт, что их предки и биологические родственники лазают по деревьям и ловят на себе блох. А между тем, среди наших предшественников на древе эволюции есть не только обезьяны.

Если оглянуться на четыре миллиарда лет назад, можно обнаружить общего предка всех живых существ на планете – единственную клетку, у которой не было даже ядра, но были признаки живого организма. Через два миллиарда лет у клетки появилось ядро, еще миллиард лет понадобился для того, чтобы она соединилась с другими клетками и стала многоклеточным организмом. Ну а дальше – самое интересное. Жизнь развивалась, приобретала разнообразные формы, планета заселялась удивительными растениями и животными, сменяющими друг друга. Сегодня вершина эволюции – человек. Но этот бесконечный процесс не может завершиться, он продолжается, а что будет дальше – покажет время.

Глава I
Все всегда меняется
Эволюция живых существ

Биология приобретает смысл только в свете эволюции.

Феодосий Добржанский

Жизнь удивительна и многообразна в своих проявлениях, одно из самых удивительных ее качеств – постоянное движение и преобразование. Ничто не остается постоянным надолго, всему суждено измениться или исчезнуть.

Поймать равновесие

Эмпедокл из Акраганта, живший в V веке до н. э., одним из первых заговорил о подобии естественного отбора

Когда-то, по вселенским меркам не очень давно, Земля покоилась под коркой снега и льда; сотни лет назад она представляла собой один огромный континент, окруженный океаном; до этого она была расплавленным и раскаленным шаром, а еще раньше ее не было вовсе. В природе нет постоянства – все, от галактик до микробов, непрерывно претерпевает изменения. Обычному человеку за его короткую жизнь заметить эти изменения непросто, но ученые, с их масштабным видением, давно установили, что эволюционные процессы затрагивают все системы: звезды и планеты, континенты и ландшафты, растительные и животные сообщества, социальные институты и т. д.

И все же, когда речь заходит об эволюции, чаще всего говорят о биологии и живых организмах. Таким образом, самое общее определение эволюции – естественный процесс развития жизни на Земле. К эволюционным процессам относят формирование приспособлений и адаптаций, образование новых видов и вымирание нежизнеспособных, генетические изменения, трансформацию экологических систем и биосферы планеты.

Еще одно определение

Эволюцией в общем смысле этого слова называют изменение любых сложных систем во времени

Эволюция – это постоянное установление хрупкого баланса между растениями, живыми организмами и средой, в которой они обитают. Условия меняются, организмы приспосабливаются, в результате их приспособления возникают новые факторы, которые, в свою очередь, снова требуют перемен. Условия жизни на нашей планете весьма многообразны, поэтому мы можем наблюдать огромное количество кардинально отличающихся друг от друга разновидностей живых существ.

Голова плюс ноги

В античные времена высказывалось немало необычных идей о происхождении жизни. К примеру, древнегреческий философ Эмпедокл считал, что органы человеческого тела зарождались по отдельности, самые приспособленные выживали и соединялись в организмы

Фундамент под домом науки

Как получилось, что от одного общего предка произошли гиппопотамы, морские звезды, попугаи и мы с вами? Какие механизмы работали на протяжении миллионов лет, чтобы создать такую сложную систему, как глаз млекопитающего? Почему животные одного вида, живущие на разных континентах, отличаются? Каким образом изменения и приспособления передаются по наследству? На эти и многие другие вопросы, касающиеся развития жизни на Земле, дает ответы эволюционная биология. Сфера исследований этой науки – пути, по которым осуществляется эволюция, ее процессы, закономерности и механизмы.

Изучая историю разнообразных изменений, произошедших за миллионы лет в мире растений и животных, эволюционная биология создает целостную картину существования всего живого на нашей планете. Ее можно сравнить с фундаментом здания, в котором располагаются все остальные науки о жизни: генетика, экология, физиология, антропология, психология и т. п.

Лестница Аристотеля

Аристотель одним из первых высказал предположение о постепенном усложнении живых организмов. Он даже описал «Лестницу существ», где все животные были разделены на группы в зависимости от сложности строения

В наше время многие виды флоры и фауны находятся под угрозой вымирания, а какие-то уже исчезли с лица Земли из-за нарушения экологического баланса. Знание механизмов эволюции позволяет разработать превентивные меры для их сохранения. Оно же помогает противостоять мутациям вирусов и бактерий, вызывающих инфекционные заболевания, распознавать гены, вызывающие наследственные патологии, культивировать полезные для человека сельскохозяйственные растения. Практическая сфера применения эволюционной биологии очень широка, а ее теоретическая часть позволяет понять устройство живого мира и места человека в нем.

За время своего существования наука прошла долгий путь: возникали и рушились теории, гипотезы находили подтверждение или опровергались. В ХХI веке существует несколько эволюционных теорий, общепринятой считается синтетическая теория эволюции.

Глава II
Природа стремится к совершенству
Ламарк и его «философия зоологии»

Поднимитесь до рыб, рептилий, птиц, даже до млекопитающих, и вы увидите повсюду постепенные переходы между соседними видами и даже родами.

Жан Батист Ламарк

Несмотря на то что многие концепции Ламарка сегодня отвергнуты, его учение продолжает жить и в наши дни. Основное его отличие от доминирующего дарвинизма – признание стремления к совершенствованию, заложенного в каждом живом существе.

Активная природа и пассивная материя

Жан Батист Ламарк (1744–1829), французский естествоиспытатель, создавший одну из первых в биологии эволюционных теорий

В античные века и во времена Средневековья ученые и естествоиспытатели были уверены в низменности видов флоры и фауны. Но уже в эпоху Возрождения возникли отдельные предположения о том, что виды могут меняться. Тогда были совершены многочисленные археологические открытия и стало очевидно: при том, что древние животные и растения схожи с современными, у них есть вполне заметные отличия. Ученые заговорили о трансмутации – изменении видов, заимствовав этот термин из алхимии. Тогда же было высказано предположение о вымерших разновидностях живых существ.

Всего четырнадцать

В своем знаменитом трактате «Философия зоологии» Ламарк описал 14 классов животных. Он впервые произвел разделение на позвоночных и беспозвоночных, отделил паукообразных от насекомых

Разрозненных идей об изменчивости в XVII–XVIII веках существовало немало, но первым, кто разработал систематическое учение, стал Жан Батист Ламарк, разносторонний ученый из Франции. Он был человеком верующим, считал, что природу создал Бог, заложив в ней стремление к развитию и самосовершенствованию. А уж природа, реализуя свой потенциал, из пассивной материи создала все растения и животных, начав с простейших и постепенно перейдя к более сложным.

Название, витавшее в воздухе

Ламарк самостоятельно придумал название новой науки о растительном и животном мире – биология. Правда, позже выяснилось, что одновременно с ним этот же термин предложили еще несколько ученых в разных странах

Свои революционные идеи Ламарк изложил в труде «Философия зоологии», опубликованном в 1809 году. Наименование «философия» не случайно, оно говорит об умозрительности теории и довольно вольной интерпретации известных фактов. Это был ранний этап развития науки, когда выводы делались логически, на основе принятых за аксиому нескольких постулатов, а не после экспериментальной проверки фактов. Поэтому многие из идей Ламарка в свете сегодняшних знаний не выдерживают никакой критики. Тем не менее для своего времени «Философия зоологии» была передовым трактатом, а изложенное в ней учение давало ответы на многие вопросы естествознания и задавало верное направление развитию биологии.

Жираф, натренировавший шею

Движущей силой всех изменений, происходящих в природе, Ламарк объявил изначально присущее всему живому «стремление к совершенствованию».

Откуда оно взялось, естествоиспытатель не объяснял, да это и не было нужно: его современники понимали, что оно было изначально заложено Творцом. Благодаря этому стремлению, простейшие формы жизни стремятся стать более сложными, приобретая все новые черты, органы и привычки и поднимаясь вверх по эволюционной лестнице.

Эволюция не торопится

«Допустим, что человеческая жизнь длится не более одной секунды в сравнении с жизнью вселенной, в этом случае ни один человек, занявшийся созерцанием часовой стрелки, не увидит, как она выходит из своего положения», – говорил Ламарк, когда его спрашивали, почему эволюционные изменения не заметны

При этом простые существа, вроде инфузорий, по мысли Ламарка, постоянно самопроизвольно зарождаются из соединения живой и неживой материи. В трактате «Философия зоологии» описана концепция пяти элементов материи, из которых важнейшим является эфир – он, как тончайший флюид, циркулирует в материи и инициирует ее «оживление».

При жизни Ламарка были открыты такие необычные животные, как ехидна и утконос, находящиеся на стыке млекопитающих и рептилий; это открытие дало новый толчок размышлениям ученого. Он понял: виды непостоянны, они меняются, трансформируются, переходят один в другой. Люди этого заметить не могут, так как эволюция – процесс медленный, занимающий сотни и тысячи лет.

Главными эволюционными механизмами Ламарк считал упражнение органов и адаптацию. В качестве наглядного примера он обычно приводил жирафа: это животное, чтобы прокормиться высоко растущими листьями, было вынуждено постоянно вытягивать шею, в результате она достигла необыкновенной длины.

Глава III
Побеждает сильнейший
Естественный отбор и другие постулаты дарвинизма

Выживают не сильнейшие виды и не самые разумные, а предпочтительно те, кто лучше других приспосабливается к изменениям.

Чарлз Дарвин

Биологическая эволюция – это реальность, существующая с момента зарождения жизни. Первым, кто смог обоснованно это доказать, был Чарлз Дарвин, посвятивший созданию теории практически всю жизнь.

Вокруг света за пять лет

Чарлз Дарвин (1809–1882), английский натуралист, автор самой знаменитой теории эволюции

В 1831 году Чарлз Дарвин, двадцатидвухлетний выпускник Кембриджского университета, отправился в кругосветное путешествие на экспедиционном судне «Бигль». Это путешествие не только дало ему уникальный опыт, но и поставило перед ним вопросы, пытаясь ответить на которые он написал книгу «Происхождение видов», совершившую подлинный переворот в естествознании.

Первый из вопросов возник в Уругвае, где путешественники обнаружили останки древнего ископаемого, напоминающего современного броненосца, но гораздо более крупного и с отличающимся строением панциря. Размышляя об интересной находке, Дарвин задумался: неужели виды животных могут со временем подвергаться изменениям?

Позже, неспешно перемещаясь по южноамериканскому материку в составе экспедиции, ученый заметил, что по мере изменения ландшафта растения и животные близкородственных видов сменяют друг друга. Почему на пятьдесят километров дальше обитает один вид попугаев, а в этом месте другой? Этому должна быть какая-то причина. Позже он ответит на данный вопрос: все дело в лучшей приспособленности к конкретным условиям среды.

Доказательства вдогонку

Дарвин знал слабые места своей теории и, хоть и предвидел нападки оппонентов, не боялся о них говорить. К примеру, почти не существует переходных видов животных. Дарвин считал: это потому, что они вымерли. Последующие археологические открытия подтвердили его уверенность

Похожий феномен Дарвин наблюдал на богатых разнообразной флорой и фауной Галапагосских островах. Небольшие птички, называемые земляными вьюрками, обитали на каждом острове, но на одном они имели более широкий клюв, на другом – более яркую окраску перьев, на третьем – небольшой клюв и меньшие размеры. Было очевидно, что виды меняются. Но почему это происходит? «Эта проблема стала преследовать меня», – записал естествоиспытатель в дневнике.

Откуда все взялось?

Сразу по возвращении Дарвин занялся обработкой собранного материала, от чучел животных и засушенных растений до десятков исписанных блокнотов. Постепенно он включался в работу над главным трудом своей жизни – «Происхождением видов». От момента начала написания работы до момента публикации прошло около двадцати лет. За это время были перепроверены сотни фактов, разобраны десятки теорий и предположений, исследованы многочисленные возражения, которые могли бы возникнуть у противников. Решившись на издание революционной книги, Дарвин предстал перед ученым миром во всеоружии и был готов отразить все нападки, которые не замедлили последовать.

У ученого было немало предшественников, большинство из них встали на защиту дарвинизма. Чарлз Лайель, написавший «Принципы геологии», говорил об эволюции Земли, которая обрела свой нынешний облик постепенно, под влиянием естественных факторов среды. Томас Мальтус, издавший трактат «О народонаселении», ввел термин «естественный отбор», Дарвин впоследствии активно его использовал. Роберт Чамберс, опубликовавший провокационный для своего времени труд «Следы естественной истории творения», утверждал, что люди произошли от менее организованных предков.

«Путешествуя на корабле „Бигль“ как натуралист, я был поражен некоторыми фактами, которые касались распределения органических существ в Южной Америке, и геологическим отношением между прошлыми и современными жителями этого континента. Факты эти… освещают в некоторой степени происхождение видов – эту тайну из тайн…»

(Чарлз Дарвин)

Работая над «Происхождением видов», Дарвин сначала размышлял о зыбкости границ между различными видами, потом задумался о половом размножении и о том, зачем оно нужно природе. В итоге он пришел к проблеме впечатляющего масштаба: как возник и как развивался на протяжении своей истории весь органический мир. Вся деятельность ученого – это попытка решить эту проблему и, надо отметить, попытка весьма успешная.

Слабым здесь не место

Полное название главной книги Чарлза Дарвина – «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». В ней он объясняет, как в природе происходит развитие от простейших форм до самых сложных. Основная движущая сила эволюционного процесса – естественный отбор – процесс, в результате которого выживают и оставляют потомство те особи, которые наиболее приспособлены к условиям окружающей среды.

Письма счастья эволюциониста

Работая над теорией эволюции, Дарвин обращался ко всем, кто хоть как-то мог ему помочь: врачам, садоводам, фермерам, путешественникам. Он отсылал им письма с подробными вопросами о растениях и животных, и, что удивительно, почти все ему отвечали!

Первый постулат теории: особи одного вида отличаются друг от друга. Это можно проиллюстрировать простым примером: даже щенки, родившиеся от одной собаки, будут отличаться окрасом, размером, силой, выносливостью и т. д. То же самое относится к каждому виду растений и животных. Следующий постулат: все в природе размножается в геометрической прогрессии. Если бы не было препятствий для выживания любого вида, то через определенный промежуток времени особи этого вида заполонили бы всю планету. Но этого не происходит, потому что выживают далеко не все.

В природе идет непрерывная борьба за существование: с естественными врагами, с себе подобными, с окружающей средой. И выживают в этой борьбе лишь самые приспособленные к данным конкретным условиям. Это и есть естественный отбор, заставляющий виды изменяться, а природу – создавать удивительное многообразие.

Глава IV
Без генетики не обойтись
Вклад Менделя в теорию эволюции

Особь – это машина для выживания гена.

Ричард Докинз

Грегор Мендель блестяще разрешил одну из самых актуальных проблем дарвиновской теории – растворение наследственных признаков в ряду поколений. Он доказал, что никакого растворения не существует, каждый из признаков наследуется отдельно, поэтому накопление полезных изменений вполне возможно.

Кошмар Дженкина

Грегор Мендель (1822–1884), аббат и биолог, основоположник учения о наследственности

Первым слабым местом вучении Дарвина было отсутствие переходных форм между видами, вторым – идея о том, что любой вновь приобретенный полезный признак может раствориться при последующем скрещивании с «нормальными» особями, такого признака не имеющими. Дарвин не знал, что вскоре после того, как он опубликовал «Происхождение видов», австрийский натуралист Грегор Мендель открыл законы наследования, которые подтверждали его теорию.

Одним из самых яростных ниспровергателей идей дарвинизма, в частности постулата о наследовании полезных для выживания признаков, был инженер и биолог-любитель Флеминг Дженкин. В своей статье «Происхождение видов» Дженкин возражал против идеи естественного отбора как движущей силы эволюционных изменений. Он утверждал: если появится особь с новым, полезным для выживания признаком, ей все равно придется скрещиваться с другими особями, у которых данного признака нет. Таким образом, этот признак исчезнет.

Неудачный выбор

Мендель открыл законы наследственности, занимаясь скрещиванием разновидностей гороха. Позже он продолжил опыты с растением ястребинкой. Выводы не подтвердились, и ученый разочаровался в своих открытиях. По трагической случайности он выбрал растение, не подчиняющее общим законам

В качестве примера Дженкин приводил случай попадания белого человека на остров, населенный чернокожими. Если этот человек возьмет в жены женщину из аборигенов, их дети будут мулатами, а не белыми. А у внуков будет еще более темная кожа. Дарвин назвал эти утверждения «кошмаром Дженкина» – они могли разрушить его теорию!

Казалось бы, возразить Дженкину нечего, так и будет: белая кожа не сможет доминировать над черной. Но этот пример нельзя считать удачным, а постулат о растворении наследуемого признака – правильным. Во-первых, белая кожа – вовсе не полезный для выживания признак на африканском острове, во-вторых, гены, отвечающие за определенный признак, не растворяются и не смешиваются с другими генами, они наследуются дискретно. Это доказал своими экспериментами Грегор Мендель.

Раз горох, два горох

Во времена Дарвина считалось, что наследственность – слитное явление. При скрещивании признаки отца и матери смешиваются, и у потомства получается нечто промежуточное. На самом деле информация, заложенная в генах, не может изменяться. Из пары генов, отвечающих за определенный признак, один будет доминировать над другим, но они не смешаются.

Мендель проводил эксперименты с горохом. Так вот, если скрестить сорт гороха с желтыми семенами и сорт гороха с зелеными семенами, то у всех потомков первого поколения семена будут желтыми. Это закон единообразия гибридов первого поколения.

Непризнанный гений

При жизни Менделя его открытия остались незамеченными научным миром. Гениальные прозрения ученого, давшего ответы на самые актуальные вопросы естествознания, находились в забвении почти четыре десятилетия, пока в начале ХХ века законы наследственности не были открыты заново

Во втором поколении (при скрещивании гибридов первого между собой) будет наблюдаться расщепление признаков 3:1. То есть у большей части растений гороха семена будут желтыми, у меньшей – зелеными. Это второй закон Менделя.

Третий закон наследственности гласит: если скрестить две особи, гены которых отличны по альтернативным признакам, то гены будут наследоваться независимо друг от друга. В этом случае возможны любые комбинации генов и, соответственно, признаков, за которые они отвечают. Например, при скрещивании двух видов гороха, с белыми цветками и желтыми горошинами и красными цветками и зелеными горошинами, могут возникнуть самые разные комбинации признаков: белый цветок и желтые горошины, белый цветок и зеленые горошины и т. д.

В начале ХХ века в биологии произошел синтез теории Дарвина и генетики, начавшейся с Грегора Менделя. В результате появилось современное эволюционное учение – синтетическая теория эволюции.