Проповеди об эволюции: как найти ответ на Великий Вопрос Жизни и не запутаться во Всём Остальном
Эпиграф (который заодно поясняет заголовок для тех, кто вдруг не читал «Автостопом по Галактике»):
- Хорошо, - сказал он. - Ответ на Великий Вопрос...
- Ну!
- Жизни, Вселенной и Всего Остального...
- Ну!
- Это... - произнёс компьютер и замолчал.
- Ну!
- Это...
- Ну!!!
- Сорок два, - с бесконечным спокойствием сообщил компьютер.
Ну, я вам не скажу за всю Вселенную (вся Вселенная очень велика), но ответ на Великий Вопрос Жизни нам таки дали. Кто? Дарвин, Мендель, Уотсон, Крик и другие... устами Александра Владимировича Маркова.
Под скромным названием этой беседы, «Дарвиновский эволюционный механизм», кроется на самом деле нечто гораздо большее...
...но начнём всё-таки со сверхкраткой исторической справки. До Дарвина особенно биологии как науки и не было - так, описание всякой живности (по крайней мере, минутка отсебятины, это мой наивный взгляд). Не без удовольствия, впрочем, замечу, что модельный биологический объект до возникновения самой науки всё-таки существовал: самая обычная домашняя курица! Точнее, яйцо, а ещё точнее - эмбрион. Да, бывает и так - слова науки нет, а объект есть :-)))
Но, разумеется, не Дарвином единым жива биология. Новый этап начался, когда занялись генетикой, а там и подружили Дарвина с Менделем заочно и посмертно. Почему не подружили сразу? Потому что на заре генетики работали в основном с результатами очень грубых мутаций, резкими изменениями, и результаты эти будто бы противоречили дарвиновскому градуализму (и получался сальтационизм). Потом уже стало ясно, что эти «макромутации» - это, скорее, исключение, чем правило, а в массе своей мутации - это обычно что-то небольшое и даже не сильно страшненькое. Дальше - больше: наследственный материал разглядели непосредственно и поняли, как он работает. Сейчас, можно сказать, уже новая эра в биологии, поскольку оперируют целыми геномами, а не отдельными кусочками ДНК. Надо, кстати, заметить, что геномика - лишь одно из направлений, которые обозначают забавным буквосочетанием: -омики, или омиксные науки, как-то протеомика, метаболомика, коннектомика и т.д. На основе всего этого уже разрабатывают омиксные технологии.
Что до основополагающего труда Дарвина, он настоятельно рекомендуется не только благочестивому биологу, но и каждому прохожему: это, цитирую, «душеспасительное чтение». От себя лично добавлю: душеспасительнее всех перевод К.А. Тимирязева! Он мне кажется куда удобоваримее, чем более поздний и шире распространённый. Предлагаю сравнить. Этот отрывок (из которого ещё кусочек вынимаю в целях экономии места) взят из перевода 1991 г., который, по моим наблюдениям, встречается в интернетах очень часто:
Мы видим, что вариации, появляющиеся при доместикации в известном периоде жизни, склонны вновь появиться у потомства в том же периоде... Также и в природном состоянии естественный отбор имеет возможность действовать на органические существа и модифицировать их в каком-нибудь возрасте путём кумулирования выгодных для этого возраста вариаций и путём их унаследования в соответствующем возрасте.
Перевод того же отрывка от Тимирязева:
Если мы видим, что изменения, проявляющиеся у домашних пород в известном периоде жизни, стремятся проявиться у потомства в том же периоде,... то и в природном состоянии естественный отбор будет действовать на организмы во всяком возрасте, путём накопления выгодных для этого возраста изменений и путём их унаследования в соответствующем возрасте.
Вроде бы разница небольшая... но ощутимая, по-моему. Решайте сами, конечно, какой перевод читать (аль вообще оригинал), но, по-моему, есть ещё один очень важный повод больше доверять Тимирязеву. Климент Аркадьевич сам общался с Дарвином. Бесконечно трогательную историю их встречи можно прочитать в этой книжке.
Что до оригинала, тут уж лучше брать сразу быка за рога и читать первое издание, в котором Дарвин ещё не сделал той уймы уступок, по большей части не очень оправданных... что ж поделать, честный был человек, слушал критиков :-)))
И чем же это Дарвин так важен? Да тем, что выдрал естественную науку из лап сверхъестественного! Как так? Раньше изучение природы было по-настоящему богоугодным делом: иначе, как промыслом божьим, натуралисты того времени не могли объяснить сложность и, в некотором роде, «совершенство» живых организмов. Дескать, если вы нашли на дороге часы, вряд ли окажется, что эти часы появились сами по себе - стало быть, их некий часовщик сотворил. Вот так же думали и о природе.
Как отмечал сам Дарвин, с присущей ему скромностью, он всего лишь обобщил известные всем факты. Но это оказался очень болезненный удар для религиозных фундаменталистов, кои и по сей день тщетно пытаются «доказать», что всё, и особенно всё живое, создала некая сверхъестественная сущность. Забывая, видимо, о многочисленных несовершенствах, кои в большом количестве встречаются даже у, страшно сказать, «венца творения» (перекликающиеся статейки на тему: раз и два). Добавлю от себя орнитологическое словцо: это как нужно было перестараться с дыхательной системой у птиц, чтобы пришлось «создавать» часть лёгкого (neopulmo), которая будет изымать кислород из крови, потому что palaeopulmo работает слишком эффективно... а что, сразу всё просчитать нельзя было? Отстранить такого кривого творца от работы :-)))
Ну и, пользуясь статусом летописца-не-стенографа, выскажу как минимум три причины не говорить о креационизме:
1. Эволюция - это факт. Можно в неё не верить, но она никуда от этого не денется. Если вы поверите, что нет гравитации, она тоже не исчезнет... 2. Креационизм - это безумно скучно: по сравнению с тем, что эволюция вытворяет на самом деле, это как финансовый отчёт по сравнению с захватывающим романом. Ну, если это не что-то вроде весёлой пародии от Эффеля :-))) 3. Если эволюционная теория будет когда-то опровергнута, обращение к сверхъестественному - не выход. Нужна будет новая научная теория. Сказки придумывать все горазды, но наука так не работает.
И напомним вкратце, в чём суть дарвиновской эволюции. Для неё нужен репликатор - штука, которая будет размножаться, но не слишком точно копироваться; индивидуальные изменения должны наследоваться, и некоторые изменения должны влиять на успех размножения. Вот и всё, занавес!
При чём тут огоньки? Два первых пункта у них выполняются: огонь «размножается» - распространяется, и получаются разные языки пламени - по размеру, по цвету, по температуре... вот только эти изменения «по наследству» не передаются. Посему - огонь не эволюционирует, не репликатор он.
Насчёт искусственной жизни, которая только бы размножалась, и больше не делала ничего из списка... а была ли бы она тогда жизнью? Просто самокопирующиеся штуки, да ещё и неизменчивые, выходит дело... нет, всё-таки, по-моему (секундочка отсебятины), так не получится, и притом по причине, о которой ещё пойдёт речь в этой лекции!
Ещё раз, всё в одном - пусть и длинном - предложении. У нас тут не Твиттер, в конце концов!
А вот это приятно - и, цитирую, «очень интересно, забавно и трогательно». Как понять, живая ли аморфная гугля из мягкой карамели и оксидов молибдена, которая живёт в лужах из глицерина на планете Тяпляп-2? Очень просто, если верить определению, принятому NASA: если она - т.е., эта самоподдерживающаяся химическая система - эволюционирует по-дарвиновски, значит, живая!
Эту картинку знает каждый прохожий :-))) А что же за секрет жизни разгадали Крик и Уотсон?
Начнём с того, что о существовании ДНК и даже о том, что она и есть вещество наследственности, знали уже тогда. Показал это изящный эксперимент с вирусами-фагами, в которых метили радиоактивными изотопами ДНК и белки. Белки с изотопами серы внутрь бактериальной клетки не попадали, а ДНК с изотопами фосфора - попадала. Надо ещё заметить, что известно было о ДНК то, что в ней число пуриновых азотистых оснований (аденина и гуанина) было равно числу пиримидиновых (тимина и цитозина). Но вот что это значило - другой вопрос. Великий Вопрос Жизни: как ДНК копируется? Она же должна копироваться перед клеточным делением! Как же она это делает?
И вот для того и нужно было понять, как ДНК устроена! И это оказалась двойная спираль, азотистые основания в которой соединены по принципу комплементарности.
И пусть вас на англоязычной схеме не смущает слово sugar, под которым скрывается часть сахарофосфатного остова: говорят, ДНК на вкус солёная :-))) Кстати, много есть способов извлечь ДНК в домашних условиях (раз, два, три...). Я бы уж давно этот опыт проделала, если бы придумала, куда девать медицинский спирт: заказать-то его можно, только продают его литровыми канистрами, что свинство :-))) Может, и заморочусь всё-таки когда-нибудь... на молекулярной биологии в бакалавриате мы это делали, и получали такую соплевато-медузообразную структуру (неточно цитирую преподавателя), но это, конечно, не так интересно...
Очень скромно авторы выразились о своём несомненно великом открытии: написали в конце, что вот это самое специфическое спаривание указывает на...
...возможный механизм копирования генетического материала. Всего делов-то, а вот вам и тайна жизни разгадана.
Полуконсервативный способ репликации ДНК (то есть такой, при котором у каждой дочерней ДНК одна цепь от материнской, а другая синтезирована заново) был показан самым остроумным способом в изящном эксперименте Мезельсона и Сталя.
Кстати, вспоминается забавное мнемоническое правило, чтобы запомнить пары оснований: Тигр - Альбинос и Цапля - Голубая (тимин-аденин, цитозин-гуанин).
Бывают и другие репликаторы, которые не включают в себя нуклеиновые кислоты! Страшная штука - прионы. Прионные белки в нормальной форме на самом деле всегда с нами, в нервной системе. Что именно они делают - ещё непонятно.
Но хуже всего то, что не совсем понятно, отчего нормальный белок превращается в патологический, который вызывает всякие жуткие болезни, побуждая правильное сворачиваться неправильно - по сути, размножаясь!
Да ещё и наследственная изменчивость у этих белков есть. И к лекарствам они приспосабливаются, и к разным типам клеток... так ещё эволюционируют и вообще мир захватят!
Ну, это, скорее, мрачная фантазия, потому что эволюция у прионов неинтересная. Что значит «неинтересная»? Каждый раз прионы, по сути, «изобретают велосипед», эволюция у них ненакопительная. Кроме того, набор возможных конфигураций невелик. Такая слабоэволюционирующая система. (Возникает риторически-теоретический вопрос: может ли появиться где-то и как-то система, которая будет эволюционировать сильнее, чем обычная жизнь с нуклеиновыми кислотами и белками?)
Тем не менее, кушать людей, а также сырое мясо (и особенно мозг) всяких экзотических зверей всё-таки не стоит... к термической обработке, увы, прионы тоже устойчивы - но это не значит, что от мяса стоит совсем отказываться. От мяса из ненадёжных источников - стоит.
Умиляясь, переходим к очень важной проблеме биологии. Дело в том, что из поколения в поколение передаётся генотип, а отбор идёт по фенотипу. И связи одного с другим ещё разгаданы маловато. Другими словами: с точки зрения биологии, в слове «кролик» больше четырёх букв (я имею в виду нуклеотиды в ДНК) не на две буковки, а в тысячи раз :-)))
Пардон за кривой ракурс, не рассчитала немного... но в природе всё очень сложно, знаете :-))) Цитирую Александра Владимировича: «самая философская картинка из всех, которые я показываю». В природе всё взаимосвязано, вот наешься варенья, и слипнется... и дальше по тексту.
Перефразирую известный стих: вот старый пёс без хвоста, который влияет на кота, который влияет на синицу, которая влияет на пшеницу, которая в тёмном чулане хранится... в общем, в биологии всё примерно так же, если упрощать.
Насчёт безумных взаимосвязей - правда, не на генетическом, а на биогеоценотическом уровне. Есть у меня любимейший пример. Обнаружилось однажды, что выживаемость птенцов чернозобой гагары в шотландских озёрах обратно пропорциональна числу солнечных дней в июне. Причём это происходит на тех водоёмах, где не очень много рыбы. Гагары, рыба, ясная погода в июне... что здесь при чём?! Вот как всё объясняется: гагарята, если рыбы немного, питаются личинками насекомых. Чем больше ясных дней, тем лучше прогревается вода, а чем лучше прогревается вода, тем быстрее личинки окукливаются и превращаются в летающих имаго, которые уже не достаются птенцам. Занавес под душераздирающий вой гагар.
Кстати, об упрощении. Да, это неизбежно - как прикажете распутывать тончайшие нити всевозможных взаимодействий, не принимая никаких допущений и не опуская какие-то мелочи?
Да и пусть вспомнит себя читатель в школе: вы что, уже в первом классе какие-нибудь замороченные биохимические циклы проходили безо всяких упрощений (по ссылке, кстати, тоже всё упрощено - я так подозреваю, даже не будучи биохимиком :-))) Вот и учёных не ругайте почём зря. Реальность сложнее, чем нам всем хотелось бы. Но сферические кони в вакууме - это рабочая скотина науки, которую надо холить, лелеять и кормить идеальным сеном с овсяными материальными точками.
Кстати, здорово, когда в научные иллюстрации включают ещё и щепотку юмора. Тут можно развлечься, угадав, к чему были эти картинки, а здесь приведу изумительную иллюстрацию отсюда, на которую случайно наткнулась ещё на втором курсе, готовя реферат про физиологию рыб.
Всего-то маленькая деталь, но сразу уголки губ тянутся вверх, не так ли? :-)))
Но вернёмся к теме. Небольшой ликбез о том, как всё-таки упрощать неимоверно сложное. И о том, как усложнять слишком простое (как-то «врождённое» и «приобретённое»).
Учимся говорить правильно! Особенно неправильно, думается мне, включать режим телеологии (ген shh возник для того, чтобы было два глаза), хотя соблазн чрезвычайно велик. О гене, который назван в честь ёжика Соника и других интересных генах - тут.
Кстати, об одноглазом поросёнке. Была я в Кунсткамере. И знаете, что? Самая знаменитая часть её экспозиции меня не впечатлила! Индейцы понравились гораздо больше.
А помните знаменитый опыт Менделя с горохом, где он скрещивал растения с жёлтыми семенами и растения с зелёными? В первом поколении получались жёлтые, во втором - 3:1 жёлтых и зелёных. А почему именно так получилось, разгадали лишь сравнительно недавно. Связано это с работой гена, кодирующего белок, который в положенное время (например, перед листопадом или при созревании семян) разрушает хлорофилл. И что бы вы думали?
Правильно! Всё сложнее! Для того, чтобы всё работало как надо, и семена получались жёлтыми, нужно, по большому счёту, чтобы работал исправно весь геном - иначе не то что жёлтых семян не будет, но вообще горох зачахнет...
И всё же, Мендель молодец: если бы он работал не с горохом и признаки выбрал бы другие, не столь простые в наследовании, законы генетики так бы и оставались неоткрытыми ещё очень долго. Есть, кстати, исторический анекдот (а может, и быль) о том, что изначально Мендель собирался проводить опыты на мышах. Но в монастыре размножать грызунов нехорошо (молчать, гусары - вспомните о книгах, которые мыши любят грызть!), вот и переключился на горох. И попал в точку.
Некоторые думают, что биологи думают, что один ген прямо влияет на один признак, и всё. На самом деле... ну, вы поняли. Есть такая штука, как плейотропия, когда один ген влияет сразу на много признаков. Вот и у курчавых кур мутация в одном гене вызывает не только интересное развитие перьев, но и повышение метаболизма (впрочем, так мне и не удалось откопать точные сведения о температуре их тела; речь больше идёт о том, что курчавое перо не больно-то сохраняет тепло, и кур нужно держать в тепле), задержку полового созревания или сниженную плодовитость.
Быть может, история с этими курами немного напоминает... нашу собственную: у нас шёл сильный отбор на увеличение мозга (в том числе и по гену ASPM), определённые варианты которого нехорошо влияют на оогенез (да и сперматогенез тоже, и на другие процессы). Всё тот же отбор на один признак, чреватый всякими побочными эффектами... естественный, правда, в данном случае :-)))
И эти люди, которые обвиняют учёных в «редукционизме» и ругаются «биологизаторством», запрещают нам ковыряться в носу? Помимо плейотропии, где от гена идёт много стрелочек к разным признакам, бывает мультигенность, когда к одному признаку идут стрелки от множества генов (вспомните о примерах, когда генотип влиял на образованность и доход), эпистаз (красные стрелки на этой схеме; скажем, у лабрадора на окрас влияет ген B: генотип BB и Bb - по фенотипу чёрный, bb - шоколадный, но если вдруг у собаки есть генотип ee, получается палевый независимо от того, что там у гена B)... и контрольный в голову - воздействие факторов среды.
Что наша жизнь? Игра! Цитирую, «все биологи-теоретики пялятся на эту картинку и пытаются понять, насколько это важно». И ещё послелекционная цитата Александра Владимировича по этому поводу: «вокруг этой картинки набралось много философской галиматьи». Здесь индивидуальное развитие (в данном случае клетки) происходит в сложном «эпигенетическом ландшафте» из некоего полотна с переплетающимися резинками под ним. И куда этот шарик подастся, зависит от натяжения этих самых резиночек.
Это, опять же, если упрощать...
...потому что в природе есть ещё одна удивительная штука - стохастика, случайность. Из-за неё даже кишечные палочки с одинаковым генотипом в одинаковых условиях (снимаю шляпу перед экспериментаторами, засунувшими бактерий в отдельные камеры) вырастали разными. Почему? Потому что гладиолус случайно вышло. Кстати, как раз необычно, когда получается что-то одинаковое - вроде однояйцевых близнецов или, например, нематод C.elegans с одним и тем же числом клеток. По идее, они должны были бы отличаться сильнее!
ТФ - это транскрипционные факторы. Разумеется, колеблются оные во все стороны, ибо молекулы. Необязательно, впрочем, смотреть в микроскоп, чтобы увидеть эффекты от этого онтогенетического шума: можно сходить в зоопарк и посмотреть на оленя или сходить в лес и посмотреть на седмичник. В лесу можно, конечно, и оленя встретить, но дикий быстро убежит и не даст оценить ассиметрию рогов :-))) Что до седмичника с восемью лепестками, вспомнилось две вещи. Во-первых, анекдот: один человек так любил преувеличивать, что в графе «Место рождения» писал «Восьмипалатинск». Во-вторых, вспомнила, что по разным книгам у меня распиханы листочки самого обыкновенного ползучего клевера с 4 и даже 5 листочками, которые я находила прямо во дворе. Надо бы их достать, что ли...
А ещё можно взглянуть на собственные руки. У меня интересность такая: генотип, если верить тесту «Атлас», определяет мне «мужские» руки, где безымянный палец длиннее, чем указательный. На левой руке это так, а на правой пальцы одинаковые :-)))
Стохастическая изменчивость, при всей её случайности и необычности - это тоже изменчивость. Впрочем, к ней в ходе эволюции организмы становятся всё более устойчивыми. Согласитесь, всё-таки приятнее рождаться с определённым числом рук и глаз :-)))
Адаптивная фенотипическая пластичность - это, скажем, когда у зайца, который попал в страну со снежной зимой, к этому времени года густеет и белеет шерсть. Если к зиме у него шерсть вдруг будет редеть и темнеть - это уже неадаптивная пластичность. Что естественный отбор? В первом случае свойства шерсти уже смещены в правильную сторону, так что менять их особенно не надо. Во втором - отбор будет идти гораздо сильнее, чтобы зайцы всё-таки белели и обрастали шубой к зиме.
Вот и у гуппи то же самое :-))) Нет, они не белеют и не обрастают шерстью к зиме, а приспосабливаются к жизни в ручье без хищников (условно говоря, меняют окраску, например, или начинают медленнее расти и т.п.). Работа сложная, рекомендую прочитать её полный обзор на «Элементах». Основная суть: если, допустим, эволюционно выгодно усилить экспрессию какого-нибудь гена в водоёме без хищников, у гуппи, которые только-только оказались в таких новых условиях и ещё не эволюционировали там, экспрессия этого гена может и, как ни странно, уменьшаться. Дело, на самом деле, не в том, что фенотипическая пластичность специально ставит рыб в эволюционно неудобное положение: просто у неё случайная направленность. Может экспрессия или увеличиться (что как бы «правильно» в данном примере) или уменьшиться (что как бы «неправильно»). А поскольку в природе обычно никто не перетаскивает гуппяшек из ручья в ручей, надёжного механизма, который сразу направлял бы изменчивость в правильную сторону, в ходе эволюции не выработалось. Направление изменчивости в правильную сторону в данном случае - это как раз результат отбора, который усилился, если изначально фенотипические изменения получились «неправильные». Надеюсь, не приврала в сверхкратком пересказе со второй попытки - спасибо первоисточнику за уточнение :-)))
Что до послелекционных вопросов... если честно, ни один в память не врезался. Нет, они все у меня законспектированы, но чего-то такого, о чём хотелось бы побубнить, на мой вкус, не нашлось. Дошли даже до обсуждения, есть ли свобода воли... но это не очень интересно, на самом деле. Ну нет и нет её, подумаешь. Мне как раз спокойнее жить в мире, который управляется законами природы, а не какими-то там измышлениями.
Хотите больше, лучше и из первых рук? Бегом в «Научку» через четверг!