Homo Sapiens. Краткая история эволюции человечества
Никто вам эволюцию до изобретения машины времени не покажет, поскольку эволюция представляет собой весьма длительный процесс, растянутый на тысячи… нет – на десятки тысяч, на сотни тысяч и на миллионы лет… Если мы на протяжении всей своей жизни станем наблюдать за каким-нибудь биологическим видом, то никакой эволюции не увидим – слишком уж мал срок для того, чтобы хоть что-то произошло, чтобы хоть что-то заметить.
Но кто сказал, что прямые доказательства нельзя заменить косвенными?
Давайте начнем с химии и биологии. Подавляющее большинство живых организмов, населяющих нашу планету, имеют клеточное строение, и клетки эти, с одной стороны, очень разные, а с другой – весьма похожи друг на друга. Одни лишь вирусы не имеют клеточного строения, но их не все ученые считают живыми организмами. Вирусы принято считать особой формой жизни. Но дело не в вирусах, а в том, что клетка является структурно-функциональной единицей большинства живых организмов, населяющих нашу планету. Организмы эти могут быть одноклеточными, состоящими из одной-единственной клетки, и многоклеточными, как мы с вами.
Разве общность клеточного строения не является доказательством наличия общих предков? Еще как является!
Пойдем дальше. Помимо внешнего сходства, клетки всех организмов имеют довольно схожий химический состав. Повсюду и везде «царят» нуклеиновые кислоты и белки, а в качестве аккумуляторов энергии используются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (сокращенно – АТФ). Обмен веществ и энергии в разных клетках также имеет схожие черты…Считать это сходство случайным нельзя. Это все равно, что предположить, будто несколько разных писателей, или композиторов, или художников, творя по отдельности, могут создать одинаковые произведения. Возможно ли такое? Конечно же нет.
В природе, как и в следственной практике, все совпадения неслучайны! Давайте запишем это утверждение крупными буквами в свои молескины. Оно нам еще пригодится.
Существуют также и эмбриологические доказательства эволюции. Начальные стадии эмбрионального развития многоклеточных живых организмов очень похожи, что неопровержимо свидетельствует о единстве их происхождения.
Сходство начальных стадий эмбрионального развития позвоночных
Множество доказательств эволюции дает палеонтология, наука, изучающая организмы, существовавшие в прошлые геологические периоды. Окаменевшие остатки и отпечатки древних организмов дают нам возможность сравнивать потомков, то есть – ныне существующие виды, с предками и отслеживать изменения, произошедшие в результате эволюции. Так, например, установлено, что современные однопалые травоядные лошади происходят от более мелких пятипалых всеядных предков, населявших нашу планету примерно 70 000 000 лет назад. Эти пралошади обитали в лесах, но глобальное изменение климата, приведшее к сокращению площади лесов на планете и увеличению площади степей, вынудило их начать осваивать новую среду обитания. В степи спастись от хищников можно только бегством, в отличие от леса, прятаться там негде. Необходимость быстрого бега привела к преобразованию конечностей – они удлинились, а число пальцев уменьшилось до одного. Длинные и быстрые ноги пригодились не только для защиты, но и для добывания пищи, ведь в поисках пастбищ лошадям регулярно приходилось преодолевать большие расстояния. Пастбищ, обратите внимание! В степи лошадям пришлось перейти от смешанного питания к вегетарианскому, потому что животной пищи в степи гораздо меньше, чем растительной, и добывать ее весьма сложно. Растительную пищу нужно тщательно перетирать и долго переваривать. В результате зубы увеличились в размерах, их строение стало более сложным, увеличился желудок, удлинился кишечник.
Эволюция лошади
Те наглядные изменения, которые вы видите на рисунке, происходили в течение семидесяти миллионов лет! Для эволюции этот срок не такой уж и большой… Филогенетический ряд (то есть ряд эволюционного развития) лошади установлен полностью и служит веским подтверждением наличия эволюции.
Другим палеонтологическим доказательством эволюции служит наличие так называемых «переходных форм» – живых организмов, сочетающих в себе признаки различных классов. Так например, археоптерикс, обитавший около 150 000 000 лет назад, занимал по своему строению промежуточное положение между пресмыкающимися и птицами. От пресмыкающихся у археоптерикса остались длинный хвост, зубы и пальцы на крыльях, а такие признаки, как перья, цевка и 4 пальца на ногах, уже были птичьими.
Археоптерикс
Столь любимые современными киношными и мультипликационными режиссерами зверозубые ящеры, или териодонты, представляли собой переходную форму от пресмыкающихся к млекопитающим. Знаете, почему их назвали «зверозубыми», а не просто «зубастыми»? Дело в том, что у териодонтов зубы не одинаковые, как у всех ящеров, а разные, отличающиеся по форме и предназначению – резцы, клыки и коренные. В точности как у зверей, то есть – у млекопитающих. И конечности териодонтов располагались как у млекопитающих – под телом, приподнимая его над землей.
Зверозубый ящер
Ныне живущие рыбы латимерии (их известно два вида) являются промежуточным звеном между рыбами и земноводными.
Латимерия
Но, пожалуй, самым интересным, а также самым убедительным доказательством эволюции является одноклеточное растение эвглена зеленая, сочетающая признаки растений и животных.
Эвглена зеленая
Если существуют переходные формы, то существует и сам «переход» – изменение биологических видов, верно? А это изменение и есть эволюция.
Принято считать, что первым эволюционистом в истории человечества был английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин, автор фундаментальных трудов «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» (1859) и «Изменения домашних животных и культурных растений» (1868). Но на самом деле эволюционистские взгляды высказывались еще в Древней Греции. Древнегреческий философ и натуралист Анаксимандр Милетский, живший в VI веке до н. э., считал, что все живое вышло на сушу из воды. Так, в общем-то, оно и есть. Жизнь на нашей планете зародилась в воде, а на сушу вышла лишь после того, как был сформирован озоновый слой атмосферы, поглощающий губительную часть солнечного излучения(коротковолновое ультрафиолетовое излучение). До появления озонового слоя роль «щита» играла вода[2]. Демокрит Абдерский, живший на два века позже Анаксимандра, считал, что наземные животные произошли от земноводных, которые, в свою очередь, зародились в илу. Подобные утверждения не высасывались из пальца, а делались на основании сходства между представителями различных классов животных.
Что же касается Дарвина, то публикация его труда под названием «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» стала толчком к признанию эволюции научным сообществом. Дарвин доказал, что жизнь на нашей планете развивалась, а не была создана в некоем готовом и неизменяющемся виде. Дарвин разработал правильную эволюционную теорию (были и неправильные, но их мы рассматривать не станем), которая, хоть и имела ряд недостатков, но в целом давала верное представление о предмете. Дарвин сумел правильно определить движущие силы эволюционного процесса, вскрыть его сущность и выстроить убедительную систему доказательств эволюции. Без системы доказательств любая теория всего лишь гипотеза.
Чарльз Роберт Дарвин (1809–1882)
В наше время принята синтетическая теория эволюции, которая является синтезом учения Дарвина и ряда научных дисциплин, прежде всего – генетики.
Не зная генетики, невозможно понять эволюцию, потому что в основе эволюционной теории лежит наследственность – способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. Материальными единицами наследственности, иначе говоря – хранителями наследственной информации являются гены, которые изучает генетика. Эволюцию невозможно рассматривать в отрыве от генетики. Это все равно что изучать органическую химию, не имея понятия об углероде, водороде и кислороде. Поэтому в двух следующих главах мы с вами будем говорить только о генетике, а далее станем вспоминать о ней почти в каждой главе.
ПОСТСКРИПТУМ
Все течет, все меняется… В том числе и взгляды на эволюцию. Если сравнить современные школьные учебники с тем, что пишут в научных антропологических журналах, то иногда может сложиться впечатление, будто существуют две разные эволюции.
Нет уж, увольте! Эволюция у нас одна на всех, это взгляды на нее могут быть разными. В школьных учебниках и научно-популярной литературе часто встречаются отголоски взглядов полувековой давности. Точнее, взглядов вековой давности. Короче говоря, тех взглядов, которых научное сообщество придерживалось во второй половине XIX века и в первой половине XX века.
Те, старые, взгляды, были очень удобными. Наверное, поэтому некоторые авторы до сих пор не могут от них отказаться – умом все понимают, а сердце «не лежит». Судите сами – если считать, что в процессе эволюции стадии сменяли друг друга (скачками или плавно, не так уж и важно) и что одномоментно на нашей планете существовала только одна эволюционная стадия, то весь процесс можно представить четко и ясно. Никакой путаницы, все как в аптеке, где у каждого препарата есть или хотя бы теоретически должно быть свое особое место. Согласитесь, что приятно работать, когда у тебя все разложено по полочкам, верно?
То, о чем только что было сказано, называется стадиальной теорией или стадиальной моделью эволюции. Когда в распоряжении ученых было мало материала, эта теория казалась единственно верной, и ее невозможно было опровергнуть. Каждой находке отводилась своя отдельная полочка, свой период. Со стадиальной теорией гармонично сочетались представления о последовательной смене археологических культур (о них речь пойдет впереди). Определенной стадии человека соответствовали определенные орудия труда.
Но настал момент, когда полочек стало не хватать…
Ладно, повесить на стену лишнюю полочку не составляет труда. Но как быть со временем? Нельзя растянуть временной период или же впихнуть в него другой. А датирование находок к этому просто подталкивало, потому что получалось, будто в одно и то же время на нашей планете жили разные эволюционные стадии человека.
А почему бы и нет?
Эволюция одна на всех, но не одинакова для всех. В разных обособленных, изолированных друг от друга, группах эволюционный процесс протекает по-разному. Разные пути, разная скорость движения… Как можно утверждать, что в такой-то период существовал только такой-то вид рода Люди?
Помимо изоляции есть еще и такой процесс, как миграция. Заглядывая в гости к соседям, люди менялись с ними генетическим материалом. С эволюционной точки зрения не важно, как проходил этот обмен – добровольно или принудительно, важно то, что он имел место.
Эволюционный процесс невозможно «вытянуть» в одну-единственную линию. То есть гипотетически, конечно же, можно, но на самом деле эволюция представляет собой множество линий, причудливо переплетающихся друг с другом. Эволюционный процесс представляет собой не линию, а нечто вроде сети. И скачки у эволюции могут быть только условные. В реальности скачков нет, все течет и меняется медленно и плавно.
На сегодняшний день в научном мире принята сетевидная модель эволюционного процесса. Но и от стадийной модели отказались не полностью, сохранив ее терминологию. Понимая, что эволюция в разных очагах протекает неодинаково, приходится оперировать стадиальными терминами для того, чтобы не запутаться в этой сложной сети. Например, гораздо проще сказать, что на территории Европы 100 000 лет назад жили палеоантропы, чем объяснять, что здесь жили неоднородные по морфологическому строению группы людей, представляющих собой переходную стадию от Человека прямоходящего к Человеку разумному. Но когда антрополог слышит слово «палеоантроп», он понимает его именно в таком вот развернутом смысле.
Говорим и пишем одно – понимаем другое. Такое вот научное «лицемерие», привыкайте.
Глава вторая
Самая таинственная наука на свете
Как именно появляются новые признаки?
Как они «закрепляются»?
Как они передаются по наследству?
Почему одни признаки передаются, а другие – нет?
Почему у одних и тех же родителей рождаются разные дети, порой – совершенно непохожие друг на друга?
Почему при скрещивании лошади с ослом можно получить потомство, а при скрещивании человека с его ближайшей родственницей шимпанзе – нельзя?
Ответы на эти вопросы, а также на многие другие, может дать генетика, самая таинственная наука на свете.
Почему самая таинственная? Да потому что вряд ли какая другая наука заключает в себе столько тайн, как генетика.
А еще это одна из самых молодых наук. Дат рождения у генетики две, с разницей в сорок лет. Можно считать, что генетика родилась в 1865 году, когда австрийский монах Грегор Мендель обнародовал результаты исследований о передаче признаков по наследству при скрещивании гороха. Работа Менделя «Опыты над растительными гибридами» стала первым научным трудом по генетике, а сформулированные Менделем закономерности наследования, впоследствии получившие название законов Менделя, – фундаментальными законам генетики. Но самого понятия «генетика» в то время еще не существовало. В течении 40 лет генетика жила непризнанной, можно сказать, что прозябала в безвестности. И только в 1906 году английский биолог Уильям Бэтсон дал генетике имя, образовав его от греческого слова «генезис», означающего «рождение» или «порождающий». Спустя три года появился главный термин генетики под названием «ген», а еще через несколько лет была сформулирована хромосомная теория наследственности, ставшая фундаментом генетики.
Грегор Иоганн Мендель (1822–1884)
То, что признаки наследуются от родителей, было известно с древнейших времен. Как только люди научились сравнивать, они заметили, что дети в той или иной степени похожи на своих родителей. Более того – не имея понятия о генах, законах наследственности и прочих премудростях генетики, люди ухитрялись выводить нужные им породы животных и растений сугубо практическим путем. Нужна, к примеру, длинноногая быстрая порода лошадей, значит, надо отбирать для скрещивания самых грациозных, самых длинноногих жеребят. А если нужно вывести сильную породу, способную перевозить тяжелые грузы, то ставка делается не на грациозность, а на рост, ширину груди, развитие мускулатуры. А ноги у тяжеловоза могут быть и короткими, тут не длина важна, а сила.
Уильям Бэтсон (1861–1926)
Практики-селекционеры действовали «вслепую» и были довольны, потому что им важны результаты, а не научное объяснение метода. Но ученым хотелось найти объяснение…
Для объяснения механизма наследственности Дарвин придумал геммулы, некие гипотетические частицы, обеспечивающие наследование признаков. Эти самые геммулы, по мнению Дарвина, образовывались во всех клетках организма, а затем поступали в кровь и с током крови доставлялись в половые железы. Каждая «новорожденная» половая клетка получала полный набор геммул, то есть получала наследственную информацию от всех клеток родительского организма.
Логично?
Вполне логично. Ведь примерно так все и происходит – в любом живом организме содержится информация о всех его клетках и эта информация передается по наследству. И то, как наследуются приобретенные признаки, эта гипотеза тоже объясняла. Новый признак – это определенные изменения клеток. Изменившиеся клетки вырабатывают новые геммулы, отличающиеся от тех, которые они вырабатывали прежде. Новые геммулы поступают в половые клетки и вызывают появление нового признака у потомства…
Гипотезу геммул опроверг двоюродный брат Чарльза Дарвина Фрэнсис Гальтон. Имя Гальтона в наше время мало кому известно, несмотря на то, что он внес значительный вклад в целый ряд научных дисциплин.
Фрэнсис Гальтон (1822–1911)
Гальтон основал дифференциальную психологию, науку о психологических различиях у представителей разных социальных групп, и психометрию – теорию и методику психологических измерений.
Гальтон создал первую в мире антропометрическую лабораторию.
Гальтон обосновал возможность использования отпечатков пальцев в криминалистике. Метод опознания по отпечаткам пальцев был открыт не Гальтоном, но именно он доказал, что у двух людей не может быть одинаковых отпечатков пальцев.
Все слышали слово «антициклон», обозначающее область повышенного атмосферного давления? Так вот, феномен антициклона открыл Гальтон.
Заинтересовавшись геммулами, Гальтон решил проверить верность этой гипотезы. Он поставил довольно простой опыт – переливал кровь от кроликов с темной окраской шерсти кроликам со светлой шерстью. По логике геммулы темной окраски, содержащиеся в переливаемой крови, непременно должны были попасть в половые железы светлошерстных кроликов и проявить себя в их потомстве. Однако ожидаемого потемнения шерсти у потомства светлошерстных кроликов Гальтон не получил. Шерсть оставалась светлой, а это означало, что никаких геммул не существует. Надо было искать другое объяснение.
После геммул появился панген – материальный носитель наследственности, находящийся в клетке. Затем приставку «пан-» отбросили и получился «ген». Ген, просто ген, структурная и функциональная единица наследственности…
В каждой клетке присутствуют дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты, сокращенно – ДНК и РНК. Молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Нуклеотиды – это сложные органические соединения, в которые помимо прочего (углеводного остатка и фосфатной группы) входят так называемые азотистые основания, производные пиримидина или пурина. Если вам ничего не говорят слова «пиримидин» или «пурин» и вы не в состоянии отличить фосфатную группу от углеводного остатка, то ничего страшного, ведь мы с вами сейчас говорим о генетике, а не об органической химии. Запомните просто, что ДНК и РНК состоят из нуклеотидов, в которые входят азотистые основания. Этого достаточно.
С генетической точки зрения разница между ДНК и РНК огромна.
Молекула ДНК является хранителем наследственной информации и организатором ее передачи по назначению. Условно говоря, ДНК это казначей и управляющий. А молекула РНК в таком случае – помощник казначея.
ДНК включает в себя четыре вида азотистых оснований – аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C), то есть вся информация о любом организме закодирована при помощи всего четырех «букв». Лишь у некоторых организмов в составе ДНК может встречаться пятый тип азотистого основания – урацил (U). В человеческой ДНК урацила нет.
Комбинация из четырех элементов дает десять тысяч вариантов. Представили? А теперь давайте представим, что эти четырехэлементные комбинации еще и комбинируются друг с другом. При таком подходе количество вариантов уходит прямиком в бесконечность… Все организмы на нашей планете разные (за исключением клонов) и ДНК у всех тоже разные. Двух полностью схожих молекул ДНК в природе не существует (за исключением ДНК тех же клонов). На этой индивидуальности, к слову будь сказано, и основана генетическая криминалистика и судебно-медицинская генетика – любого человека можно со стопроцентной точностью идентифицировать по его ДНК. Точно так же, как и по отпечаткам пальцев, но с отпечатками еще возможны оплошности, а вот с ДНК никаких оплошностей быть не может, это личный уникальный и неповторимый код организма.
Молекула ДНК не просто огромная, она гигантская, число нуклеотидов в ней может доходить до нескольких сотен миллионов. Природа стремится к некоторой компактности, поэтому гигантская молекула ДНК состоит не из одной, а из двух нуклеотидных цепочек, которые для пущей компактности еще и закручены вокруг своей оси в спираль. Получается этакая двойная пружина.
В отличие от молекулы ДНК, молекула РНК короче (меньше) и состоит из одной цепочки. Вместо тимина (Т) в РНК присутствует урацил (U). Молекулы РНК синтезируются на матрицах – молекулах ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. По матрице-молекуле ползет фермент РНК-полимераза и по считываемому коду синтезирует молекулу РНК. Молекулы РНК, в свою очередь, служат матрицами для синтеза молекул различных белков, а также выполняют в клетке транспортные и некоторые другие функции. У многих вирусов РНК играет роль ДНК, то есть является хранителем наследственной информации.
Геном называется участок молекулы ДНК, кодирующий синтез одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Проще говоря, ген – это участок молекулы ДНК, ответственный за наличие одного отдельного признака. Например – ген голубых глаз или ген врожденной косолапости.
Классическая концепция генетики гласит: «один ген – один белок – один признак»[3].
С точки зрения генетики эволюцию можно представить как игру генов. Гены появляются и исчезают, гены состязаются между собой, гены составляют комбинации, которые могут оказаться выигрышными или проигрышными… Этакое природное мегасуперказино.
Сильно углубляться в генетику и биологическую химию мы не станем, но иметь общее представление о предмете нужно.
Ген обладает набором свойств, которые мы с вами сейчас рассмотрим.
Главным свойством гена является его дискретность, или, если можно так выразиться, «отдельность».
Каждый ген существует сам по себе. Гены не могут смешиваться или каким-то образом соединяться друг с другом и в результате этого образовывать новый ген. Гены могут подавлять своих конкурентов, но соединяться с ними не могут. Дискретность – очень важное свойство. Это главное свойство гена, которое делает каждый ген геном – структурной и функциональной единицей наследственности.
Давайте представим, что было бы, если бы гены не обладали бы дискретностью… А ничего не было бы! Систематическое размножение организмов при отсутствии дискретности у генов невозможно, а стало быть, невозможна и сама жизнь в глобальном смысле этого слова. Получит дочерняя клетка от материнской вместо четкого набора генов некую условную «генную кашу» и погибнет, не успев дать потомства.
Из дискретности логически вытекает другое свойство генов – их стабильность. Гены способны функционировать, не изменяя собственной структуры. Короче говоря, каким ген был, таким он и остается после считывания с него наследственной информации.
Но в то же время стабильность генов сочетается с их лабильностью – способностью изменяться.
Вы удивлены? Да, тут есть чему удивляться. Как один и тот же ген одновременно может быть и стабильным, и лабильным?! Это же взаимоисключающие понятия!
Взаимоисключающие, спору нет. Но, тем не менее, гену присущи и стабильность и лабильность. Сам по себе, как структурная единица, как фрагмент молекулы ДНК, ген стабилен. В процессе исполнения своих функций ген никак не изменяется. Изменяется он при копировании ДНК или же при повреждении ДНК. Гены способны изменяться в результате каких-то «глобальных» (с точки зрения генов) процессов, происходящих со всей молекулой ДНК. Но сам по себе ген стабилен.
Одни и те же гены, то есть гены, отвечающие за развитие одного признака, могут существовать в различных формах, которые называются аллелями (не путайте, пожалуйста, аллели с аллеями). Обычно аллельных генов два, один получен от матери, а другой – от отца.
Аллельные гены могут подавлять друг друга. Так, например, ген карих глаз подавляет ген голубых глаз. Если у отца глаза карие, а у матери – голубые, то у ребенка, скорее всего, будут карие глаза. Более сильный ген (а также и признак) называется доминантным, а слабый, подавляемый – рецессивным. Рецессивный признак может проявиться только в том случае, если в аллельной паре сойдутся два рецессивных гена (вспомните об этом, когда станете читать про кобылу лорда Мортона).