Карл Циммер "Эволюция. Триумф идеи" - Часть 2
ЧАСТЬ II. Созидание и разрушение
Вторая глава начинается с рассуждений о том, какое место занимает человек на "древе жизни". Во времена Дарвина его считали "венцом творения", высшим существом. Сейчас же ученые понимают, что человек - очень и очень "сырой" продукт эволюции.
Отдельный вопрос - что возникло в первую очередь: ДНК или РНК? ДНК способна хранить информацию о строении тела и передавать ее от поколения к поколению, но сама она беспомощна без РНК и белков. К примеру, она не может, подобно ферментам, соединять молекулы в цепочку или резать их на части. У белков противоположный недостаток: они совершают работу, необходимую для поддержания жизни клетки, но им очень трудно передавать информацию от одного поколения другому. Только РНК способна выступать в обеих ролях - и переносить генетический код, и проделывать биохимическую работу. Эта двойственность делает РНК ведущим кандидатом на звание первой молекулы жизни.
РНК настолько легко эволюционирует, что в настоящее время биотехнологические компании пытаются превратить ее в антикоагулянты и другие лекарственные средства. Работы Джойса и его коллег позволяют предположить, что во времена молодости Земли РНК могла выполнять функции и ДНК, и белков. Многие биологи теперь говорят о самой ранней стадии жизни как о «мире РНК».
Так или иначе, первые 3 млрд лет или около того микроорганизмы были единственными хозяевами и обитателями Земли. Это время вовсе не было скучным с точки зрения эволюции, что бы мы, люди, ни думали об этом, как бы ни тешили свой антропоцентризм. С точки зрения биохимии эра микроорганизмов была временем удивительных перемен, постоянного движения генов, в результате которого были изобретены бесчисленные способы превращения энергии в жизнь. Только после этого могли появиться на свет наши многоклеточные предки - первые животные.
Далее Циммер довольно подробно описывает эксперименты ученых с генами. Один из примеров, который понравился мне: биологи обнаружили, что во всех этих животных НОХ гены выполняют одну и ту же работу: определяют назначение различных секций тела зародыша вдоль продольной оси, точно как у насекомых. НОХ гены различных животных так похожи, что можно заменить дефектный НОХ ген плодовой мушки соответствующим НОХ геном мыши, и при этом у мушки на положенных местах вырастут соответствующие части тела. Несмотря на то что последний общий предок мыши и плодовой мухи жил более 600 млн лет назад, этот ген и по сей день сохраняет функциональность.
Кажется, что эволюция создает лучшее из возможного, однако это далеко не всегда так. Пример довольно нелепого прибора, созданного эволюцией, - глаз человека.
Свет, проникая в глаз позвоночного, проходит сквозь желеобразное стекловидное тело и попадает на фоторецепторы сетчатки. Но нейроны сетчатки на самом деле обращены назад, как будто мы пытаемся рассмотреть собственный мозг. Так что свету, прежде чем попасть на нервные окончания, способные его регистрировать, необходимо преодолеть несколько слоев нейронов и плотную сеть капилляров.
После того как свет все же попадает на обращенные назад фоторецепторы сетчатки, им (фоторецепторам) приходится посылать сигналы обратно через все слои сетчатки к передней части глаза. Одновременно нейроны обрабатывают сигнал и делают изображение резче. Верхний слой нейронов сетчатки соединен со зрительным нервом, который располагается на ее поверхности. Сам нерв, направляющийся назад к мозгу, пронизывает все слои нейронов и капилляров.
Получается, что вся эта конструкция «спроектирована глупейшим образом», как резко, но справедливо выразился биолог-эволюционист Джордж Уильяме. Слои нейронов и капилляров играют роль светофильтра и снижают интенсивность света, попадающего в конце концов на фоторецепторы. Чтобы скомпенсировать ослабление сигнала, наш глаз совершает непрерывные крохотные движения и заставляет изображение предмета, который мы видим, двигаться по сетчатке. Мозг затем обрабатывает множество нечетких картинок, убирает помехи и выстраивает четкое изображение.
Но ведь глаз может прекрасно функционировать, имея другую форму! Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить глаз позвоночного с глазом кальмара. Глаз кальмара - настолько мощное оптическое устройство, что позволяет его хозяину видеть добычу почти в полной темноте.
Сходство между глазами эмбриона и светочувствительным пятном ланцетника помогает представить и понять, почему наши глаза так странно устроены. Светочувствительное пятно нашего ланцетникоподобного предка эволюционировало в пару чашевидных фотодетекторов, отходивших в стороны от нервной трубки. Чашевидная форма позволяла им захватывать больше света, чем плоское светочувствительное пятно. Постепенно чаша замкнулась в сферический глаз, который уже мог формировать на сетчатке изображение. Но поскольку исходным материалом для глаза позвоночных послужила конструкция светочувствительного пятна ланцетника, он так и остался с нейронами, обращенными прочь от входящего света. Строение светочувствительного пятна у предков позвоночных серьезно ограничило формы, которые позже мог принять их глаз. Эволюция лишь приспособила, как смогла, анатомию ланцетника к дальнейшим, куда более серьезным задачам.
Когда шарик падает на колесо рулетки, его судьбу нельзя считать совершенно случайной. Он не может, к примеру, отскочить от колеса и прилипнуть к потолку. Он не остановится на перегородке между двумя номерами. Сила тяжести, энергия броска и форма перегородок на колесе заставляют шарик остановиться на одном из номеров. Его судьба будет выбрана из конечного - более того, ограниченного - числа вариантов, но все же она остается непредсказуемой. То же можно сказать и об эволюции. Она ограничена определенными условиями, но это не означает, что сам процесс разворачивается равномерно и предсказуемо.
В главе большое внимание уделено так называемому Пермскому вымиранию, причины которого ученым до конца не известны.
Пермское вымирание показывает, что за одно геологическое мгновение миллионы видов могут быть стерты с лица земли; при этом жизнь, которая принимает эстафету после катастрофы, как правило, принципиально отличается от той, что была прежде.
При массовых вымираниях обычные законы эволюции на некоторое время перестают действовать. В конце пермского периода природные условия внезапно стали настолько суровыми, что большинство видов их не вынесло. Виды исчезли, экологическая сеть, часть которой они составляли, рухнула - и сработал принцип домино: вымирание одних видов влекло за собой вымирание других и т. д. Должно быть, некоторые из уцелевших видов обладали определенными качествами, которые и позволили им выжить. Возможно, их ареалы охватывали целый континент или океан, что для вида увеличивало шансы на то, что хотя бы несколько особей сумеют выжить в каком-нибудь изолированном убежище. Может быть, они способны были выдерживать низкое содержание кислорода в морской воде или резкое повышение температуры на суше. Но большинство подобных приспособлений имело значение лишь в течение того относительно короткого времени, когда на Земле воцарился ад.
Когда же период массового вымирания закончился, эволюция вновь установила свои обычные правила. Вновь возникла конкуренция между особями и между видами, и естественный отбор принялся изобретать все новые пути специализации. Но поколения, которые могли бы выдвинуться, играя по этим нормальным правилам, никак не могли оказаться среди победителей, если не пережили катастрофы.
Массовые вымирания всегда влекут за собой целую цепь изменений. Они устраняют со сцены доминантные формы жизни, которые при нормальных условиях подавили бы в зародыше всякую конкуренцию со стороны перспективных новых видов. Без этой неравной борьбы уцелевшие виды получают возможность экспериментировать, пробовать новые формы. Возможно, динозавры появились только потому, что со сцены ушли лидеры - синапсиды.
Тем не менее свобода, которую приносят выжившим массовые вымирания, не беспредельна. Даже после пермской катастрофы, когда конкуренция практически исчезла, эволюция не смогла изобрести ни одного нового типа живых существ. Ни одна линия позвоночных не отрастила у себя по девять ног. Не исключено, что после пермского вымирания животные стали уже слишком сложными, чтобы эволюция могла их радикально переделывать. Теперешняя эволюция работала только с вариациями уже сложившейся базовой структуры.
Следующая волна вымирания произошла из-за столкновения с астероидом. Астероид вошел в атмосферу Земли со скоростью от 20 до 70 километров в секунду; возникла сильнейшая ударная волна, а сам астероид обзавелся огненным хвостом. Компьютерные модели позволяют предположить, что в момент удара о воду могла возникнуть гигантская волна цунами высотой до 300 метров. Вода обрушилась на берег, унося с собой целые леса; деревья оказались затопленными на глубине 500 метров. Сразу после столкновения с водой астероид ударил в дно океана и испарил 100 кубических километров породы. Осколки породы и самого астероида от удара взлетели на 100 километров вверх, выше стратосферного слоя. Планета вздрогнула от землетрясения в 1000 раз более мощного, чем все те катаклизмы, свидетелем которых было человечество. Бурение в Атлантике показало, что удар спровоцировал подводные оползни вдоль восточного побережья Северной Америки до самой Новой Шотландии. После этого из кратера поднялся огненный шар диаметром в сотни километров. Вероятно, почерневшее небо наполнилось тысячами падающих звезд - кусков расплавленной породы; они носились над планетой, вызывая все новые и новые пожары.
Земля горела. Дым закрыл солнце. Растения и фитопланктон погибли в бесконечной тьме, и экосистемы, основой которых они были, погибли тоже. Через несколько месяцев дым рассеялся, но мир, вполне возможно, остался темным и холодным. Не исключено, что удар испарил залежи юкатанских сульфатов, и частицы серы, соединяясь с кислородом воздуха, формировали капельки двуокиси серы. В результате Землю окутала туманная дымка, способная отражать солнечный свет; такое положение могло сохраняться лет десять. Но по мере рассеивания дымки на планету обрушилась другая напасть, тоже результат удара: климат резко потеплел. Углерод из осадочных пород, поднятых в атмосферу, превратился в парниковый углекислый газ; кроме того, астероид наполнил атмосферу водяным паром, а это еще более эффективный парниковый газ.
Жара, холод, пожары и другие катастрофы, вызванные столкновением, могли стать причиной вымирания двух третей всех видов живых существ Земли. Альваресам удалось найти единственную причину мелового вымирания - но, как и в случае с пермской катастрофой, способов воздействия у нее было множество.
Самый острый вопрос, связанный с вымиранием видов, относится к деятельности человека. Охотой, разрушением среды обитания и биологическими инвазиями человек успел уже уничтожить немало видов живых существ; множество других видов находятся в настоящий момент на грани вымирания. Но можно ли оценить мощность нынешнего вымирания видов и кризиса в целом?
Если сбудутся пессимистические прогнозы, то несколько следующих столетий станут свидетелями еще одного массового вымирания, при котором исчезнет значительно больше половины всех биологических видов. Если считать, что человек унаследовал Землю на пике биологического разнообразия (а судя по всему, это именно так), это вымирание по числу потерянных видов может стать крупнейшим за всю историю жизни на планете.
Сейчас происходит нечто совершенно новое, и человек имеет к этому непосредственное отношение. Он придает эволюции совершенно новые качества, с которыми природа прежде никогда не сталкивалась: теперь вид может сесть на самолет и мгновенно оказаться на другом конце света; кроме того, возникают сочетания видов, которые прежде никогда не сталкивались между собой. Правила игры полностью меняются, и мы просто не знаем, чем и когда все это может закончиться.
Вторая глава начинается с рассуждений о том, какое место занимает человек на "древе жизни". Во времена Дарвина его считали "венцом творения", высшим существом. Сейчас же ученые понимают, что человек - очень и очень "сырой" продукт эволюции.
Отдельный вопрос - что возникло в первую очередь: ДНК или РНК? ДНК способна хранить информацию о строении тела и передавать ее от поколения к поколению, но сама она беспомощна без РНК и белков. К примеру, она не может, подобно ферментам, соединять молекулы в цепочку или резать их на части. У белков противоположный недостаток: они совершают работу, необходимую для поддержания жизни клетки, но им очень трудно передавать информацию от одного поколения другому. Только РНК способна выступать в обеих ролях - и переносить генетический код, и проделывать биохимическую работу. Эта двойственность делает РНК ведущим кандидатом на звание первой молекулы жизни.
РНК настолько легко эволюционирует, что в настоящее время биотехнологические компании пытаются превратить ее в антикоагулянты и другие лекарственные средства. Работы Джойса и его коллег позволяют предположить, что во времена молодости Земли РНК могла выполнять функции и ДНК, и белков. Многие биологи теперь говорят о самой ранней стадии жизни как о «мире РНК».
Так или иначе, первые 3 млрд лет или около того микроорганизмы были единственными хозяевами и обитателями Земли. Это время вовсе не было скучным с точки зрения эволюции, что бы мы, люди, ни думали об этом, как бы ни тешили свой антропоцентризм. С точки зрения биохимии эра микроорганизмов была временем удивительных перемен, постоянного движения генов, в результате которого были изобретены бесчисленные способы превращения энергии в жизнь. Только после этого могли появиться на свет наши многоклеточные предки - первые животные.
Далее Циммер довольно подробно описывает эксперименты ученых с генами. Один из примеров, который понравился мне: биологи обнаружили, что во всех этих животных НОХ гены выполняют одну и ту же работу: определяют назначение различных секций тела зародыша вдоль продольной оси, точно как у насекомых. НОХ гены различных животных так похожи, что можно заменить дефектный НОХ ген плодовой мушки соответствующим НОХ геном мыши, и при этом у мушки на положенных местах вырастут соответствующие части тела. Несмотря на то что последний общий предок мыши и плодовой мухи жил более 600 млн лет назад, этот ген и по сей день сохраняет функциональность.
Кажется, что эволюция создает лучшее из возможного, однако это далеко не всегда так. Пример довольно нелепого прибора, созданного эволюцией, - глаз человека.
Свет, проникая в глаз позвоночного, проходит сквозь желеобразное стекловидное тело и попадает на фоторецепторы сетчатки. Но нейроны сетчатки на самом деле обращены назад, как будто мы пытаемся рассмотреть собственный мозг. Так что свету, прежде чем попасть на нервные окончания, способные его регистрировать, необходимо преодолеть несколько слоев нейронов и плотную сеть капилляров.
После того как свет все же попадает на обращенные назад фоторецепторы сетчатки, им (фоторецепторам) приходится посылать сигналы обратно через все слои сетчатки к передней части глаза. Одновременно нейроны обрабатывают сигнал и делают изображение резче. Верхний слой нейронов сетчатки соединен со зрительным нервом, который располагается на ее поверхности. Сам нерв, направляющийся назад к мозгу, пронизывает все слои нейронов и капилляров.
Получается, что вся эта конструкция «спроектирована глупейшим образом», как резко, но справедливо выразился биолог-эволюционист Джордж Уильяме. Слои нейронов и капилляров играют роль светофильтра и снижают интенсивность света, попадающего в конце концов на фоторецепторы. Чтобы скомпенсировать ослабление сигнала, наш глаз совершает непрерывные крохотные движения и заставляет изображение предмета, который мы видим, двигаться по сетчатке. Мозг затем обрабатывает множество нечетких картинок, убирает помехи и выстраивает четкое изображение.
Но ведь глаз может прекрасно функционировать, имея другую форму! Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить глаз позвоночного с глазом кальмара. Глаз кальмара - настолько мощное оптическое устройство, что позволяет его хозяину видеть добычу почти в полной темноте.
Сходство между глазами эмбриона и светочувствительным пятном ланцетника помогает представить и понять, почему наши глаза так странно устроены. Светочувствительное пятно нашего ланцетникоподобного предка эволюционировало в пару чашевидных фотодетекторов, отходивших в стороны от нервной трубки. Чашевидная форма позволяла им захватывать больше света, чем плоское светочувствительное пятно. Постепенно чаша замкнулась в сферический глаз, который уже мог формировать на сетчатке изображение. Но поскольку исходным материалом для глаза позвоночных послужила конструкция светочувствительного пятна ланцетника, он так и остался с нейронами, обращенными прочь от входящего света. Строение светочувствительного пятна у предков позвоночных серьезно ограничило формы, которые позже мог принять их глаз. Эволюция лишь приспособила, как смогла, анатомию ланцетника к дальнейшим, куда более серьезным задачам.
Когда шарик падает на колесо рулетки, его судьбу нельзя считать совершенно случайной. Он не может, к примеру, отскочить от колеса и прилипнуть к потолку. Он не остановится на перегородке между двумя номерами. Сила тяжести, энергия броска и форма перегородок на колесе заставляют шарик остановиться на одном из номеров. Его судьба будет выбрана из конечного - более того, ограниченного - числа вариантов, но все же она остается непредсказуемой. То же можно сказать и об эволюции. Она ограничена определенными условиями, но это не означает, что сам процесс разворачивается равномерно и предсказуемо.
В главе большое внимание уделено так называемому Пермскому вымиранию, причины которого ученым до конца не известны.
Пермское вымирание показывает, что за одно геологическое мгновение миллионы видов могут быть стерты с лица земли; при этом жизнь, которая принимает эстафету после катастрофы, как правило, принципиально отличается от той, что была прежде.
При массовых вымираниях обычные законы эволюции на некоторое время перестают действовать. В конце пермского периода природные условия внезапно стали настолько суровыми, что большинство видов их не вынесло. Виды исчезли, экологическая сеть, часть которой они составляли, рухнула - и сработал принцип домино: вымирание одних видов влекло за собой вымирание других и т. д. Должно быть, некоторые из уцелевших видов обладали определенными качествами, которые и позволили им выжить. Возможно, их ареалы охватывали целый континент или океан, что для вида увеличивало шансы на то, что хотя бы несколько особей сумеют выжить в каком-нибудь изолированном убежище. Может быть, они способны были выдерживать низкое содержание кислорода в морской воде или резкое повышение температуры на суше. Но большинство подобных приспособлений имело значение лишь в течение того относительно короткого времени, когда на Земле воцарился ад.
Когда же период массового вымирания закончился, эволюция вновь установила свои обычные правила. Вновь возникла конкуренция между особями и между видами, и естественный отбор принялся изобретать все новые пути специализации. Но поколения, которые могли бы выдвинуться, играя по этим нормальным правилам, никак не могли оказаться среди победителей, если не пережили катастрофы.
Массовые вымирания всегда влекут за собой целую цепь изменений. Они устраняют со сцены доминантные формы жизни, которые при нормальных условиях подавили бы в зародыше всякую конкуренцию со стороны перспективных новых видов. Без этой неравной борьбы уцелевшие виды получают возможность экспериментировать, пробовать новые формы. Возможно, динозавры появились только потому, что со сцены ушли лидеры - синапсиды.
Тем не менее свобода, которую приносят выжившим массовые вымирания, не беспредельна. Даже после пермской катастрофы, когда конкуренция практически исчезла, эволюция не смогла изобрести ни одного нового типа живых существ. Ни одна линия позвоночных не отрастила у себя по девять ног. Не исключено, что после пермского вымирания животные стали уже слишком сложными, чтобы эволюция могла их радикально переделывать. Теперешняя эволюция работала только с вариациями уже сложившейся базовой структуры.
Следующая волна вымирания произошла из-за столкновения с астероидом. Астероид вошел в атмосферу Земли со скоростью от 20 до 70 километров в секунду; возникла сильнейшая ударная волна, а сам астероид обзавелся огненным хвостом. Компьютерные модели позволяют предположить, что в момент удара о воду могла возникнуть гигантская волна цунами высотой до 300 метров. Вода обрушилась на берег, унося с собой целые леса; деревья оказались затопленными на глубине 500 метров. Сразу после столкновения с водой астероид ударил в дно океана и испарил 100 кубических километров породы. Осколки породы и самого астероида от удара взлетели на 100 километров вверх, выше стратосферного слоя. Планета вздрогнула от землетрясения в 1000 раз более мощного, чем все те катаклизмы, свидетелем которых было человечество. Бурение в Атлантике показало, что удар спровоцировал подводные оползни вдоль восточного побережья Северной Америки до самой Новой Шотландии. После этого из кратера поднялся огненный шар диаметром в сотни километров. Вероятно, почерневшее небо наполнилось тысячами падающих звезд - кусков расплавленной породы; они носились над планетой, вызывая все новые и новые пожары.
Земля горела. Дым закрыл солнце. Растения и фитопланктон погибли в бесконечной тьме, и экосистемы, основой которых они были, погибли тоже. Через несколько месяцев дым рассеялся, но мир, вполне возможно, остался темным и холодным. Не исключено, что удар испарил залежи юкатанских сульфатов, и частицы серы, соединяясь с кислородом воздуха, формировали капельки двуокиси серы. В результате Землю окутала туманная дымка, способная отражать солнечный свет; такое положение могло сохраняться лет десять. Но по мере рассеивания дымки на планету обрушилась другая напасть, тоже результат удара: климат резко потеплел. Углерод из осадочных пород, поднятых в атмосферу, превратился в парниковый углекислый газ; кроме того, астероид наполнил атмосферу водяным паром, а это еще более эффективный парниковый газ.
Жара, холод, пожары и другие катастрофы, вызванные столкновением, могли стать причиной вымирания двух третей всех видов живых существ Земли. Альваресам удалось найти единственную причину мелового вымирания - но, как и в случае с пермской катастрофой, способов воздействия у нее было множество.
Самый острый вопрос, связанный с вымиранием видов, относится к деятельности человека. Охотой, разрушением среды обитания и биологическими инвазиями человек успел уже уничтожить немало видов живых существ; множество других видов находятся в настоящий момент на грани вымирания. Но можно ли оценить мощность нынешнего вымирания видов и кризиса в целом?
Если сбудутся пессимистические прогнозы, то несколько следующих столетий станут свидетелями еще одного массового вымирания, при котором исчезнет значительно больше половины всех биологических видов. Если считать, что человек унаследовал Землю на пике биологического разнообразия (а судя по всему, это именно так), это вымирание по числу потерянных видов может стать крупнейшим за всю историю жизни на планете.
Сейчас происходит нечто совершенно новое, и человек имеет к этому непосредственное отношение. Он придает эволюции совершенно новые качества, с которыми природа прежде никогда не сталкивалась: теперь вид может сесть на самолет и мгновенно оказаться на другом конце света; кроме того, возникают сочетания видов, которые прежде никогда не сталкивались между собой. Правила игры полностью меняются, и мы просто не знаем, чем и когда все это может закончиться.