Текст книги "Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК"

Изобретаем полет

Мишенью атак Майварта против Дарвина были не рыбы или земноводные, а птицы. В то время происхождение способности летать было величайшей загадкой. В 1859 году в первом издании книги “О происхождении видов” Дарвин сделал весьма специфические предсказания. Если его теория единого происхождения всех форм жизни на Земле верна, в окаменелостях должны обнаруживаться промежуточные формы, отражающие переход между разными формами жизни. Однако в то время никакие такие формы не были известны, не говоря уже конкретно о переходной форме между летающими птицами и животными, перемещающимися по земле.

Но Дарвину не пришлось долго ждать. В 1861 году рабочие немецкого известнякового карьера обнаружили удивительную окаменелость. Этот известняк с мелкими гранулами был идеальным материалом для изготовления литографических плит, широко использовавшихся в типографском деле. Известняк формировался в очень мягких условиях в водной среде. Это означает, что все, что в него включалось, практически не подвергалось никакому дополнительному воздействию. В таких камнях окаменелости сохраняются почти в идеальном виде.

На той известковой плите был интересный отпечаток чего-то длинного и перистого. Оно напоминало прекрасно сформированное перо. Но оставалось загадкой, откуда в этих камнях могли взяться перья.

Известняк, содержавший этот необычный отпечаток, образовался во время юрского периода. За несколько десятков лет до этого открытия немецкий аристократ и натуралист Александр фон Гумбольдт (1769—1859) обратил внимание на особый известняк в массиве Юра на границе Франции и Швейцарии. Слой известняка простирался на много миль. Фон Гумбольдт назвал его юрским, предполагая, что его особые свойства могут отражать специфический момент в истории Земли. Вскоре после этого другие ученые обнаружили, что породы юрского периода часто содержат окаменелости – например, крупных спиралевидных существ, названных аммонитами. Похожие окаменелости были найдены по всему миру, что привело ученых к заключению: юрский период – особый геологический период в истории всей планеты, а не только особенность территории Франции и Швейцарии.

Затем в начале 1800-х годов в Англии в отложениях юрского периода были обнаружены крупные зубы и челюсти. Подобные находки появлялись повсюду. Вскоре стало ясно, что в юрский период жили не только спиралевидные моллюски, но и динозавры. Отпечаток пера демонстрировал кое-что еще. Не летали ли над головами динозавров птицы?

Одинокая окаменелость пера всех заинтриговала. Может, это перо птицы юрского периода? Или были еще какие-то неизвестные пернатые существа? Такую гипотезу тоже нельзя было исключить.

Через несколько лет после обнаружения пера один фермер расплатился за оказанную ему медицинскую помощь окаменелостью, происходившей из того же карьера, что и перо. Врач, который ее приобрел, – опытный анатом, интересовавшийся ископаемыми, – с первого взгляда понял, что перед ним не обычный кусок известняка. Содержавшуюся в нем окаменелость почти целого скелета с полыми костями, крыльями и хвостом покрывали отпечатки перьев. Представляя себе ценность находки, врач устроил аукцион между музеями и в конечном итоге получил 750 фунтов от Британского музея.

За следующие пятнадцать лет появились и другие образцы. В середине 1870-х годов фермер по имени Якоб Нимейер продал владельцу карьера одну окаменелость за стоимость коровы. Владелец карьера, зная о враче, который продал предыдущую находку в Лондон, в 1881 году предложил новую окаменелость ему же. Этот скелет обошелся Музею естественной истории в Берлине в тысячу фунтов. На сегодняшний день обнаружено семь таких образцов.

Пернатое существо, названное Archaeopteryx, представляло собой весьма занятную химеру. Оно имело покрытые перьями крылья и полые кости, как птица. Но, в отличие от известных птиц, у него были зубы хищника, плоская грудная кость и три острых когтя на концах крыльев.

Эти открытия были сделаны в самое удачное время для теории Дарвина. Когда Томас Гексли исследовал зубы, конечности и когти археоптерикса, он выявил глубокое сходство между этим существом и рептилиями. Он сравнил археоптерикса с другой находкой из юрского известняка – маленьким динозавром Compsognathus. Они были примерно одинакового размера и имели похожий скелет, за исключением перьев. Гексли заявил, что археоптерикс доказывает теорию Дарвина: это было промежуточное звено между рептилиями и птицами. Дарвин даже упомянул археоптерикса в четвертом издании книги “О происхождении видов”: “Вряд ли какая-то другая находка последнего времени лучше, чем эта, показывает, насколько мало мы еще знаем о прежних обитателях нашего мира”.

Подобные сравнения вызвали множество самых разных вопросов. Если археоптерикс доказывает родство птиц и рептилий, какие именно рептилии были предками птиц? Имелось несколько очевидных кандидатов, и у каждого были свои сторонники. Одни ученые предполагали, что длинный хвост археоптерикса и форма его черепа указывают, что предками птиц были небольшие плотоядные существа, похожие на ящериц. Другие сравнивали птиц с еще одной группой летающих рептилий юрского периода – с птерозаврами. С этой гипотезой была проблема: хотя птерозавры имели крылья и летали, кости их крыльев очень сильно отличались от птичьих. Крылья птерозавров поддерживались удлиненным четвертым пальцем, тогда как крылья птиц поддерживаются перьями и сочетанием пальцев. Наконец, третьим импонировала версия Гексли, сравнившего археоптерикса с мелкими динозаврами.

Впрочем, некоторые известные ученые на протяжении нескольких лет не соглашались с идеей происхождения птиц от динозавров, приводя разные доводы. Один исследователь заявил, что нашел роковую ошибку этой гипотезы: у птиц есть ключицы, тогда как динозавры, в отличие от других рептилий, их не имеют. Другие указывали на различия в метаболизме и образе жизни птиц и динозавров – столь значительные, что динозавры ни в коем случае не могли быть прародителями птиц. Ведь динозавры, за некоторыми исключениями, были крупными и медлительными животными, не очень похожими на мелких и чрезвычайно подвижных птиц. Многие считали, что археоптерикс был всего лишь птицей и ничего не мог рассказать о переходных формах. Дискуссии разгорались, в значительной степени из-за того же вопроса: как появились перья и все другие специфические признаки птиц, в том числе и у археоптерикса?

Представление о динозаврах как о массивных и малоподвижных существах имело долгую историю. Но такая же долгая история у отказа от этого представления, начавшегося с работ одного ученого-эклектика, который, как Бэшфорд Дин, любил носить военную форму.

Франц Нопча фон Фельшё-Сильваш (1877-1933), больше известный как барон Нопча, был человеком сильных страстей и высокого интеллекта. В 18 лет в родовом поместье в Трансильвании он обнаружил несколько костей. Самостоятельно обучившись анатомии, в 1897 году он опубликовал их научное описание, назвав костями крупного динозавра. Нопча написал 700-страничный труд по геологии Албании и десятки научных статей на многих языках. Он был австрийским шпионом и участвовал в организации албанского сопротивления против турецкого владычества. Он мечтал стать королем Албании. К сожалению, жизнь его оборвалась, когда из-за больших долгов он застрелил своего любовника, а потом покончил с собой.

После обнаружения первых древних костей на собственной земле в 1895 году Нопча собрал большую коллекцию окаменелостей и принялся изучать динозавров Трансильвании – как их кости, так и окаменевшие следы протоптанных ими дорожек на всей территории Восточной Европы. Разглядывая эти сохранившиеся в камнях тропы, он видел следы передвигавшихся по болотам живых и дышащих существ. Следы на болотах показывали, что оставившие их животные вполне могли быстро перемещаться. Животные тяжело опирались на землю, и, судя по расстоянию между отпечатками ног, они бегали. Вывод ясен: динозавры были не медленными и неповоротливыми животными вроде слонов, а быстрыми и активными хищниками. Нопча развил эту идею и дальше: поскольку бегающие динозавры должны были быть быстрыми и легкими, они вполне могли быть предками птиц. По его мнению, потребность в быстром передвижении заставила их подняться в небо, а оперенные крылья помогали протоптицам размахивать лапами, чтобы увеличивать скорость и хватать добычу.

Барон Нопча в албанском национальном костюме. Как и Дин, он изучал древнюю историю эволюционных инноваций и тоже любил спортивное оружие и военное обмундирование

Когда Нопча опубликовал свои выводы в 1923 году, его постигла судьба, преследующая большинство ученых в кошмарах: на него не обратили внимания. Общепринятая на тот момент теория, которую активно поддерживал видный палеонтолог из Йельского университета О.Ч. Марш, утверждала, что динозавры были крупными и неповоротливыми, а птицы произошли от предков, которые умели выполнять планирующие движения. По всей видимости, способность к полету возникла у лазающих по деревьям животных, которые планировали, перебираясь с ветки на ветку. И со временем такой планирующий полет эволюционировал в способность летать. Интуитивное подтверждение этой теории мы находим, наблюдая за поведением современных животных, совершающих планирующий полет, от лягушек и змей до белок и лемуров. Поскольку для приобретения способности к планирующему полету требуется меньше изобретений, чем для способности к самостоятельному полету, планирование кажется правдоподобным первым этапом на пути эволюции самостоятельного полета.

В 1960-х годах молодой сотрудник Йельского университета Джон Остром попытался понять, как жили “утконосые” динозавры (гадрозавры). Эти существа, представленные в большинстве крупных естественнонаучных музеев мира, часто имели на голове гребень и клюв характерной формы, которому они обязаны своим названием. На протяжении многих лет в музейных экспозициях их описывали как малоподвижных травоядных существ, передвигавшихся на четырех ногах, нечто вроде пресмыкающихся слонов. Но чем больше Остром разглядывал кости, тем менее правдоподобной казалась ему такая интерпретация. Прежде всего, передние конечности животного были довольно короткими. Если животное передвигалось на четырех конечностях, слабые передние и мощные задние ноги заставляли бы его наклоняться вперед неестественным для четвероногого существа образом. Более того, гребень и отростки на задних ногах свидетельствовали о наличии мощных поддерживающих мышц. Все эти наблюдения указывали на то, что “утконосые” динозавры в основном передвигались на двух ногах. Остром пошел еще дальше; он предположил, что эти животные не были похожи на неповоротливых слонов, а скорее были активными двуногими бегунами. Он называл их двуногими буйволами.

В 1960-х годах Остром исследовал просторы Вайоминга, и дебаты XIX века между Майвартом и Дарвином приобрели новый смысл. Как большинство палеонтологов, Остром вел двойное существование: благопристойного вида ученый и преподаватель в течение учебного года, лето он проводил в грязи и беспорядке экспедиционных условий. В августе 1964-го он завершал ничем не примечательный экспедиционный сезон вблизи города Бриджер в Монтане, оглядывая окрестности в поисках места работы для будущего сезона. Сползая с одного обрыва, он и его помощник внезапно остановились, увидев нечто торчащее из камней. Это могла быть рука длиной около шести дюймов. “Мы оба в безумном порыве почти скатились со склона”, – рассказывал позднее Остром, описывая этот случай. Причина безумного порыва заключалась в том, что из руки выступали огромные острые когти, подобных которым они никогда не видели.

Поскольку это был последний разведочный день, у них не было с собой никаких инструментов. Студентам-палеонтологам, которые читают эти строки, не следовало бы знать, что они сделали потом. В возбуждении нарушив главную заповедь полевых палеонтологических исследований, они начали быстро копать руками и перочинными ножами, пытаясь откопать животное. Вернувшись на следующий день с нормальными инструментами, они обнаружили ногу и несколько зубов. Это были зубы хищника – с острыми концами и зазубренным краем. Еще два года работы, и они смогли извлечь большую часть скелета.

Динозавр Острома был размером с крупную собаку, но его кости были странно легкими и полыми. Существо имело мускулистый хвост и чрезвычайно мощные задние конечности с когтями. Когти имели суставы, что означало, что ими можно было разрывать добычу. Остром окрестил это чудище Deinonychus (по-гречески “ужасный коготь”). В более поздней монографии среди обычного сухого научного текста Остром привел описание дейнониха, назвав его “невероятно хищным, чрезвычайно ловким и очень активным” животным.

Дейноних – динозавр с “ужасными когтями”

Но дейноних был только началом. Остром и те, кто пришел после него, изменили наше представление о динозаврах и заодно продемонстрировали силу дарвиновского ответа Майварту. Они исследовали каждый бугорок, отверстие и прочие особенности костей рептилий и сравнили их с окаменелостями и с костями ныне живущих птиц. И вскоре пришли к заключению, что динозавры, особенно двуногие, имели много общего с птицами. У этих динозавров, называемых тероподами, обнаружился целый набор птичьих черт, включая полые кости и сравнительно высокую скорость развития. Вероятно, это были очень активные животные с быстрым метаболизмом.

Хотя эти динозавры во многом походили на птиц, у них не было одного важного признака – перьев. Перья считались специфическим приспособлением птиц, способствовавшим их успешной эволюции, и необходимым элементом для полета.

В 1997 году съезд Общества палеонтологии позвоночных проходил в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. Многие из нас знали, что ожидается нечто неординарное. Обычно мероприятие проходит довольно спокойно: доклады и презентации, перемежающиеся коктейлями и встречами. Члены общества разбиваются на группы, как правило в соответствии с тем, каких существ они изучают. Ученые, занимающиеся млекопитающими, посещают доклады о млекопитающих, специалисты по палеонтологии рыб ходят на заседания по рыбам и т. д. Все общаются, но потом расходятся по своим научным сессиям.

Однако в 1997 году все было иначе. Изо всех углов доносилось: “Вы это видели? Неужели это правда?”

Китайские коллеги показали изображения неизвестного существа, обнаруженного крестьянами в провинции Ляонин, к северо-востоку от Пекина. У него были полые кости, когтистые передние и задние лапы и длинный хвост – все признаки дейнониха. Но это существо очень хорошо сохранилось. Оно оказалось вмурованным в камень с очень мелкими гранулами, который хорошо сохраняет отпечатки или окаменевшие фрагменты мягких тканей. Именно это всех и взволновало: было совершенно очевидно, что тело динозавра окружали перья. Не полностью сформированные перья, но пушок. Динозавр был покрыт примитивным оперением.

Остром присутствовал на симпозиуме. В то время я был молодым ученым и помню, как увидел его в перерыве: он разговаривал с одним из самых уважаемых палеонтологов. Он кричал. Эта находка подтверждала результаты его тридцатилетних неоднозначных исследований. Передавали такие его слова: “Когда я впервые увидел эти фотографии, у меня буквально ослабели ноги. Покров этого динозавра не похож ни на что, что мы когда-нибудь где-нибудь видели”. А позже он говорил: “Я и не надеялся, что на своем веку увижу что-нибудь подобное”.

Оперенные динозавры оправдали предсказания Острома и других ученых, утверждавших, что динозавры – ближайшие родственники птиц

Оперенные динозавры, которых мы увидели в Нью-Йорке в 1997 году, были первыми экземплярами из тех, что принесла приливная волна новых окаменелостей, обнаруженных в Китае. В последующие десятилетия в Китае было найдено около двенадцати видов оперенных динозавров, отражавших многообразие хищных динозавров с разным покровом. Самые примитивные имели простые трубчатые перья. Но у тех, которые ближе к археоптериксу и птицам, были настоящие перья с центральным стержнем и отходящими от него волокнами опахала. Перья не являются специфической особенностью птиц; они были практически у всех хищных динозавров.

Птиц отличают не только перья: у них есть грудная кость, крылья и специализированные кости кистей, предназначенные для полета. Птичье крыло имеет классический рисунок: одна кость, две кости, кости кисти и пальцы. На конечностях птиц только три пальца, а не пять; средний палец удлинен и служит точкой присоединения перьев. В птичьей кисти немного костей, и одна из них имеет форму месяца, за что ее называют полулунной костью.

Чем больше мы анализируем, тем больше замечаем, что анатомические изобретения, которые птицы используют для полета, такие как перья, не являются их уникальными структурами. Хищные динозавры со временем становились все больше и больше похожими на птиц. У ранних видов были пятипалые конечности. За десятки миллионов лет они потеряли пальцы и остались с тремя, включая удлиненный средний палец, который у птиц служит основанием крыла. Как и птицы, эти динозавры потеряли кости кисти и приобрели полулунную кость, похожую на ту, которую птицы используют для маховых движений. У них появилась даже грудная кость. Эти динозавры не могли летать, но у них было некое подобие оперения – от простого пухового покрова у ранних форм до более сложной организации, как у археоптерикса и более поздних динозавров. Но зачем динозаврам нужны были перья? Некоторые палеонтологи предполагают, что этот признак помогал найти полового партнера. Другие считают, что примитивный пух служил для теплоизоляции и помогал поддерживать температуру тела. Возможно, перья выполняли обе функции. Но какой бы ни была их функция у динозавров, происхождение перьев практически наверняка не связано с полетом.

Как изобретение легких и конечностей предшествовало переходу из жизни в водной среде на сушу, так изобретение анатомических структур для полета предшествовало полету. Полые кости, высокая скорость развития и метаболизма, похожие на крылья передние конечности, кисти с суставами и, конечно же, перья исходно появились у динозавров, которые жили на земле и быстро бегали, чтобы поймать добычу. Главным изменением было не изобретение новых органов как таковых, но переназначение уже существующих признаков для решения других задач.

Считалось очевидным, что перья появились, чтобы птицы могли летать, а легкие – чтобы животные могли дышать на суше. Эти представления были логичными, очевидными – и ложными. Более того, мы знали об этом уже на протяжении столетия.

Не так уж тщательно скрываемый секрет заключается в том, что биологические инновации никогда не возникают во время кардинальных изменений, с которыми их связывают. Перья появились не во время эволюции полета, а легкие и конечности – не во время перехода к сухопутному образу жизни. Более того, эти и другие великие революции в истории жизни не могли произойти по-другому. Великие перемены в истории жизни не ждали одновременного появления множества новшеств. Такие значительные изменения происходят за счет переназначения уже имеющихся структур для новых целей. Ничто не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно начинается.

Это история о революциях, произведенных эволюцией. Изменения в истории жизни происходят по замысловатому пути с множеством поворотов, тупиков и изобретений, которые не использовались только по той причине, что возникли не вовремя. Два слова Дарвина о том, что многие изобретения появляются в результате смены функции уже существующих признаков, указали нам путь к пониманию происхождения органов, белков и даже ДНК.

Но тела рыб, динозавров и людей не возникают полностью оформившимися в момент зачатия. Они выстраиваются заново в каждом поколении по инструкции, полученной потомством от родителей. Изобретения зарождаются где-то в этих инструкциях и (как предвидел Дарвин) появляются в одних условиях, но, как мы увидим далее, могут менять назначение в других.

Глава 2
Эмбриональные идеи

Создатель современной классификации живых существ Карл Линней (1707-1778) изучил сотни растений и животных. Его научная классификация строга и несентиментальна – с одним исключением. Из тысяч изученных им животных по отношению к одному он выразил презрение и насмешку. Дети знают, что саламандры и тритоны – милые большеглазые существа с крупными головами, четырьмя ногами и длинными хвостами. Но Линней по какой-то непонятной причине называл их “грязными и противными” и считал удачей, что “создатель не тратил сил, чтобы произвести их в большом количестве”.

Хотя Линней считал саламандр худшим произведением Творца, другие объявляли их стихийными и почти магическими существами. Некоторые философы от Плиния Старшего до святого Августина полагали, что тритоны и саламандры рождаются в лаве, в аду или в огне. Для Августина саламандры были живым доказательством реальности адского огня. Его идея основывалась на убеждении, что саламандры не горят в огне или способны возрождаться из огня. Возможно, эти невероятные способности отражали некие биологические особенности животного. Как известно любителям животных и владельцам террариумов, некоторые виды саламандр любят поселяться в гниющей влажной части бревен. Возможно, во времена Августина люди, которые собирали бревна, этого не замечали. Поджигая населенные саламандрами куски дерева, они оказывались свидетелями неожиданного появления извивающихся существ, что, вне всяких сомнений, и породило страшные сказки о дьявольщине.

Хотя в мире насчитывается сравнительно немного видов саламандр, вероятно, около пяти сотен, по последним данным, их связь с человеком выходит далеко за пределы интуитивного неприятия, мыслей о преисподней или о зарождении жизни в огне. Эти существа стали катализатором нового подхода к пониманию главных превращений в истории жизни.

В XIX веке многочисленные зоологические экспедиции отправлялись на разные континенты, в горы и в джунгли. Были описаны тысячи новых минералов, видов живых существ и артефактов. На исследовательских судах часто были натуралисты, задача которых заключалась в сборе и описании видов живых существ, камней и ландшафтов тех мест, куда прибывал корабль. Люди, которые анализировали образцы, прибывавшие в порты и на вокзалы Лондона, Парижа и Берлина, и писали о них статьи, пользовались большим уважением.

Если бы существовал почетный титул зоолога, его, безусловно, заслуживал бы профессор из Музея естественной истории в Париже Огюст Дюмериль (1812-1870). Как и его отец Андре Дюмериль, тоже долгое время служивший профессором в этом музее, Огюст всю жизнь страстно интересовался рептилиями и насекомыми. Отец и сын проводили совместные исследования и также совместными усилиями организовали в музее зверинец, где могли наблюдать за живыми животными, а не только изучать образцы. Дюмериль-старший опубликовал классификацию царства животных, используя анатомические описания, сделанные сыном. После смерти отца в 1860 году Огюст стал ревностно разыскивать новые виды.

В январе 1864 года группа исследователей, изучавших озеро в окрестностях Мехико, прислала ему шесть саламандр. Это были крупные взрослые особи, которые, в отличие от всех известных на тот момент саламандр, имели перистые жабры, отходившие от основания черепа подобно перьям. У них были даже спинные гребни, доходившие до хвоста, напоминавшего плавник. Вывод был очевиден: жабры и форма тела указывали на то, что эти взрослые саламандры жили в воде.

Исследователи этого не знали, но саламандры долгое время были частью культуры ацтеков. Возможно, для науки они были новинкой, но в Мексике это был известный деликатес, который часто готовили для праздничных торжеств и особых ритуалов.

Под влиянием недавно обнародованной теории Дарвина Дюмериль решил, что эти земноводные могут пролить свет на превращение рыб в наземных животных. Он поместил саламандр в построенный им с отцом зверинец. К счастью, там были и самцы, и самки, и примерно через год они спарились и отложили яйца. В 1865 году из яиц вылупились совершенно здоровые маленькие саламандры. За этими животными легко ухаживать, и при правильном содержании они долгое время могут обходиться без большого количества пищи. С подопечными все было в порядке, и Дюмериль предоставил их самим себе.

Две саламандры Дюмериля

Через какое-то время он все же к ним заглянул. Должно быть, в первое мгновение он подумал, что кто-то сюда заходил, поскольку теперь в клетке было два вида саламандр. Во-первых, родители – крупные водные существа с жабрами. Но, кроме них, здесь находились и другие животные. Они тоже были крупными, но выглядели как сухопутные: без жабр, без рыбьего хвоста – ничего, что могло бы напоминать об их способности жить в воде. Внимательно исследуя их анатомическое строение и сравнивая с уже описанными в научной литературе видами, Дюмериль понял, что этим существам несколько лет назад уже было присвоено имя. У них были точно такие же признаки, как у представителей рода Ambystoma — хорошо известных полностью сухопутных саламандр.

Животные настолько не походили друг на друга, что по системе Линнея их следовало отнести к разным родам, а не только к разным видам. Как будто Дюмериль посадил в клетку шимпанзе, а вернувшись через год, обнаружил мирно соседствовавших в клетке шимпанзе и горилл.

Появилась ли новая форма жизни из воздуха? Произошло ли в клетке Дюмериля в Париже крупное эволюционное превращение? Какую магию явили саламандры в этот раз?