Эволюция. От Дарвина до современных теорий
Но что же говорится в официальных записях? Почти ничего. В отчете ассоциации за 1860 год вообще отсутствуют упоминания о дебатах. «Британская ассоциация придерживалась этических принципов джентльменства. А в тех дебатах не было ничего джентльменского», – подытоживает Джеймс.
В результате джентльмены из Британской ассоциации скрыли слишком много информации о тех дебатах, не осознав последствий подобного решения. История о победе Гексли была придумана двадцатью годами позже – когда это стало соответствовать культурному климату. «В 1880-х годах произошел раскол между религией и наукой», – рассказывает Джеймс. – «Но в 1860-х годах этого еще не было». Однако ввиду отсутствия каких-либо официальных записей, способных опровергнуть эти заявления, ученые, стремящиеся поднять свой авторитет, ссылаются на дебаты как на знаменательный момент, когда наука победила религию. Это сражение, говорят они, уже было выиграно. «Как вы видите, сейчас эта встреча считается событием чрезвычайной важности. Однако в то время в ней не было ничего выдающегося», – объясняет Джеймс. Превратив локальные дебаты во всемирную выдумку, мужчины и женщины конца XIX века поспособствовали отделению науки от христианской веры.
Интервью. Писать «Происхождение видов» было «сродни признанию в убийстве»
Через 150 лет после публикации «Происхождения видов» журнал New Scientist опубликовал интервью с автором[1].
– Каково это – придумать идею, изменившую весь мир?
– Сродни признанию в убийстве.
– На вас, должно быть, сильно сказывалась эмоциональная и физическая борьба, через которую вы проходили?
– Целых девять месяцев я страдал от непрерывной рвоты, и это настолько ослабило мой мозг, что любое волнение вызывало головокружение и обмороки.
– Вы бы явно предпочли, чтобы я оставил вас в покое. Но должен признаться, что осознание вашей идеи о том, что жизнь менялась и эволюционировала миллиарды лет, стало для меня настоящим открытием.
– Вы даже не представляете себе, насколько приятно знать, что понятие естественного отбора подействовало как слабительное на вашу систему застойной непреложности. Как только натуралисты признают изменение видов подтвержденным фактом, откроется бескрайнее поле для исследований.
– Именно так. Теперь я должен задать вам вопрос, который обязательно задают всем авторам: как вы пришли к своим идеям?
– Мне казалось весьма вероятным, что родственные виды произошли от общего предка. Но в течение нескольких лет я не мог понять, как именно каждая форма так хорошо приспосабливалась к своей среде обитания. Затем я занялся систематическим изучением домашнего производства и в какой-то момент четко увидел, что основной составляющей являлась селекция со стороны человека. За годы изучения поведения животных я оценил важность борьбы за выживание. А моя работа в области геологии дала мне некоторое представление о прошлом. Поэтому после прочтения «Мальтуса о популяции» идея естественного отбора возникла сама собой.
– «Величайшая идея всех времен и народов» возникла сама по себе! Ваша скромность и скрупулезный экспериментальный подход являются источником вдохновения для всех нас. Что бы вы сказали сегодняшним молодым ученым, делающим первые шаги в науке?
– Когда я очутился на «Бигле» в качестве натуралиста, то очень мало знал о естествознании. Но я усердно трудился.
– Вы стали одним из самых влиятельных ученых всех времен, но ваша работа продолжает вызывать противоречивые чувства, особенно среди религиозных людей. Как известно, вы говорили о том, что в эволюции есть величие. Помогает ли вам в жизни атеистический подход?
– Мне было легче смотреть на всю ту боль и страдания в мире как на неизбежный результат естественной последовательности событий, то есть общих законов, а не прямого вмешательства Бога.
– Считаете ли вы себя атеистом?
– Даже в периоды своих крайностей я никогда не был атеистом в смысле отрицания существования бога. Довольно часто (а по мере моего взросления – все чаще и чаще), но не всегда, я считаю, что агностицизм был бы наиболее точным описанием моего образа мышления.
– А как вы относитесь к очевидному конфликту между вашими теориями и религиозными убеждениями?
– Мне кажется абсурдным тот факт, что человек не может быть одновременно и страстным теистом, и эволюционистом.
– Некоторые ваши «бульдоги» готовы с этим поспорить. Иногда их обвиняют в чрезмерной категоричности по отношению к противникам эволюции.
– Я уверен, что наш хороший друг Гексли, несмотря на уже имеющееся у него влияние, достиг бы большего, будь он чуточку поскромнее и не так част в своих нападках.
– Ваша дочь Энни умерла в возрасте десяти лет, и это трагическое событие сильно на вас повлияло. Могли бы вы описать свои чувства?
– Слава богу, она почти не страдала и покинула нас так же спокойно, как и маленький ангел. Наше единственное утешение в том, что она прожила короткую, но радостную жизнь. Из всех детей я любил Энни сильнее всех за ее сердечность, открытость, жизнерадостность и сильную привязанность ко мне. Мой бедный маленький ангел. Ну, теперь уже все кончено.
– Вас иногда обвиняют – на мой взгляд, беспочвенно – в расизме. Как вы относитесь к рабству, которое все еще процветало во времена работы на «Бигле»?
– Я видел достаточно рабства и определенного отношения к неграм, чтобы испытывать отвращение к той лжи и бессмыслице, которую каждый слышит в Англии… Видит Бог [стиль автора сохранен], как бы я хотел, чтобы это величайшее зло на земле – рабство – было отменено.
– Повлияли ли эти взгляды на вашу политику?
– Я не стал бы консерватором, если бы их сердца остались холодны к скандалу с христианскими нациями и рабством.
– Большое спасибо за ваше согласие побеседовать с нами.
– Смею сказать, что вы сочли меня гнусной чумой.
– Напротив, это была честь для меня.
Что если бы Дарвин не поплыл на «Бигле»?
Насколько сильно изменилась бы история, если бы Чарльз Дарвин не отправился в пятилетнее путешествие по Южной Америке?
Большинство дарвиновских последователей сходятся как минимум в одном: если бы Дарвин не поплыл на борту «Бигля», то он бы не пришел к своей эволюционной теории о естественном отборе. Потребовалось бы огромное количество экспедиций в чужеродные страны, чтобы пошатнуть его представления о природе как о гармоничной, безобидной и статичной системе. Слишком большое количество аспектов дикой природы ставило молодого человека в тупик и заставляло задавать неловкие и даже смущающие вопросы. И вот, через несколько месяцев после возвращения из экспедиции, он посмел усомниться в неоспоримом – неизменности видов.
Вдохновленный от увиденного на «Бигле», Дарвин втайне стал эволюционистом. А затем, зимой 1838 года, он вывел правдоподобное объяснение изменчивости – естественный отбор. Сложно представить себе, чтобы Дарвин смог совершить те же когнитивные скачки, окажись он викарием в английской деревушке – именно эту стезю готовил для него отец.
Но имеет ли это историческое значение? В конце концов, Альфред Рассел Уоллес пришел к той же теории. Не окажись Чарльз Дарвин на «Бигле», мы бы просто называли эту теорию «Уоллесизмом».
Возможно, но Уоллесу пришлось бы очень непросто. Во-первых, в 1858 году у него была лишь небольшая часть данных, доступных Дарвину. А скромное происхождение Уоллеса усложнило бы процесс принятия опасной эволюционной идеи.
Большинство из нас все равно бы верило в эволюцию путем естественного отбора даже и без Дарвина. Считать иначе – значит игнорировать колоссальные достижения в области биологии первой половины XX века, которые и сделали эту теорию настолько привлекательной. И хотя мы не можем точно сказать, сколько времени потребовалось бы биологам для изобретения эволюционной теории, одно можно утверждать наверняка: в 1859 году Чарльз Дарвин дал ту самую поддержку и защиту все еще шаткой теории эволюции, позволившую ей укрепить свои корни и стать, пожалуй, самой значимой идеей современной науки.
Путь к успеху
1795
Эразм Дарвин, дедушка Чарльза, опередил Дарвина, написав: «Будет ли слишком большой дерзостью предположить, что все теплокровные животные произошли от одного живого волокна… способного приобретать новые части».
1798
Предостерегающий труд Томаса Мальтуса «Опыт закона о народонаселении» предупреждает о страшных последствиях неограниченного роста населения. Книга оказала ключевое влияние на Чарльза Дарвина.
1809
Французский натуралист Жан-Батист Ламарк публикует «Философию зоологии», схематически объясняя собственную идею эволюции в соответствии с «прогрессивным совершенствованием».
В Шрусбери (Великобритания) рождается Чарльз Роберт Дарвин, пятый из шести детей в состоятельной семье.
1813
Французский зоолог Жорж Кювье публикует «Эссе о теории Земли», излагая свою теорию о том, что появление новых видов обусловлено происходящими катастрофами (например, наводнениями).
1823
В деревне Лланбадок, на границе Англии и Уэльса, рождается Альфред Рассел Уоллес, седьмой из девяти детей.
1831
Дарвин отправляется в плавание на корабле «Бигль» в Южную Америку. Путешествие длится пять лет.
1837
Дарвин делает набросок первого «дерева жизни», пытаясь объяснить в своем журнале эволюционные отношения между видами.
1848
Уоллес отправляется в экспедицию в Бразилию. На обратном пути четырьмя годами позже пожар уничтожает множество его образцов.
1858
Уоллес формулирует свою теорию о приспособляемости видов к изменяющемуся миру. 1 июля идеи Уоллеса и Дарвина были представлены в Лондонском Линнеевском обществе.
1859
Публикация «Происхождения видов» Дарвина. Книга становится объектом насмешек и оскорблений.
1860
В разгар Оксфордских дебатов епископ Сэмюэль Уилберфорс спрашивает Томаса Гексли, защитника идей Дарвина, с чьей стороны – бабушки или дедушки – предки Гексли были обезьянами.
1870
Большая часть международного научного сообщества признает эволюцию как факт.
2
Что же такое эволюция?
В современной биологии эволюция стала связующим звеном. Она объединяет в себе такие разные области, как генетика, микробиология и палеонтология. Эволюция представляет собой элегантное и убедительное объяснение невероятного разнообразия животных – порядка 9 миллионов видов на Земле. И вот из чего она складывается.
Существует несколько направлений эволюции. Первое – это теория о том, что все живые виды являются видоизмененными потомками более древних видов, и что все мы в далеком прошлом произошли от общего предка. Таким образом, все виды связаны между собой на одном огромном древе жизни. Второе направление эволюции характеризуется естественным отбором, или «выживанием наиболее приспособленных».
Дарвин утверждал, что все особи ведут борьбу за выживание на ограниченных ресурсах. Однако некоторые из них обладают небольшими наследственными отличиями, повышающими их шансы на выживание и размножение. Такие особи обладают более высокой эволюционной приспособляемостью, а их полезные признаки распространяются внутри популяции, поскольку выживает большее количество потомков.
В конечном счете, эти благоприятные признаки становятся нормой. Неблагоприятные признаки, наоборот, быстро искореняются, поскольку их обладатели менее успешны в размножении. Следовательно, естественный отбор способствует созданию популяции, идеально подходящей для своей среды обитания и способной адаптироваться к изменениям.
Война половОсоби подвергаются экологическому отбору, конкурируя за ограниченные ресурсы своей среды обитания. Причем к полезным признакам относятся не только черты, повышающие выживаемость, но и те, которые увеличивают вероятность размножения растения или животного. Данные признаки регулируются половым отбором.
Признаки, выделяемые в процессе полового отбора, могут повышать привлекательность мужской особи для женской. Например, павлиний хвост. Иногда эти признаки связаны со здоровьем особи, следовательно, являются наглядным подтверждением ее приспособляемости. Другой разновидностью половых признаков является физическое превосходство одного самца над другим. Например, рога оленя. Половой отбор может проявляться и на молекулярном уровне.
Птицы известны своей яркой окраской для привлечения партнеров. Но данный признак повышает их шансы быть замеченными хищниками. Другие признаки, регулируемые половым отбором, включают в себя: гриву львов, оперение синиц или волнистых попугаев, брачные игры тетеревов, ритуалы спаривания насекомых, высокий рост мужчин, человеческие волосы, интеллект и черты лица. Но естественный и половой отбор – это не единственное, что вызывает биологические изменения. Другим фактором является случайный генетический дрейф. Его можно охарактеризовать как «выживание счастливчиков» (см. рис. 6.1).
Рис. 2.1. Павлин – отличная иллюстрация полового отбора. Яркий хвост развивается благодаря тому, что их обладатели привлекают больше самок, чем конкуренты.
Видовой нерестНесмотря на то что Дарвин назвал свою книгу «Происхождение видов», объяснить видообразование он все-таки не смог. Сам Дарвин называл видообразование «тайной за семью печатями». И по сей день, полтора столетия спустя, механизм возникновения генетической несовместимости двух групп животных так и остается одной из величайших загадок в биологии.
Мы понимаем, каким образом дарвиновские галапагосские вьюрки смогли эволюционировать от одного вида: разные популяции изолировались, и со временем настолько адаптировались к различным условиям среды, что перестали скрещиваться друг с другом.
Такое аллопатрическое видообразование наблюдается в случаях, когда некое географическое изменение (например, изменение русла реки или образование нового горного хребта) разделяет вид на две части. После разделения вида популяции продолжают развиваться обособленно, пока в конечном счете не трансформируются в отдельную и репродуктивно изолированную разновидность. Наглядный пример тому – антилоповые суслики по обе стороны Большого каньона в США.
Однако видообразование может происходить быстро и без какой-либо физической изоляции популяций. Такие случаи сложнее объяснить, и исследователи все еще пытаются понять точные биологические механизмы, лежащие в его основе. Примерами такого симпатрического видообразования являются 13 видов галапагосских вьюрков или африканских цихлид. Данные виды адаптируются к различным условиям окружающей среды, а затем перестают скрещиваться между собой. Возможно, это происходит из-за какого-то изолирующего механизма. К тому же новые виды могут образовываться в результате гибридизации (например, подсолнухи). (Подробнее об этом см. «Как образуются новые виды» в главе 7.)
Виды, как и особи в популяции, борются за выживание, и большинство из них со временем вымирает. Виды могут исчезать в процессе массового вымирания (например, того, который повлек за собой гибель динозавров). Сегодня мы можем сталкиваться с другой формой массового вымирания, вызванного чрезмерной эксплуатацией естественной среды обитания животных со стороны человека.
Сценарии эволюцииНачиная с путешествия на «Бигле», Дарвин посвятил свою жизнь сбору доказательств теории естественного отбора. В «Происхождении видов» он показал, как его теория подтверждалась в эмбриологии, географии, палеонтологии и сравнительной анатомии. Доказательства своей теории Дарвин обнаружил и на примерах конвергентной эволюции, коэволюции и адаптивной радиации.
Конвергентной эволюцией называется явление, когда при равном давлении отбора в различных линиях видов возникают одинаковые адаптации. В наши дни конвергентная эволюция прослеживается в таких не похожих друг на друга видах, как акулы и верблюды; креветки и кузнечики; фламинго и колпицы; сумчатые, плацентарные млекопитающие и биолюминесцентные морские обитатели. Другим наглядным примером служат уши и зубы млекопитающих.
В процессе коэволюции эволюционная история двух видов или групп видов тесно взаимосвязана. Среди примеров можно выделить: коэволюцию цветковых растений и опылителей (пчелы, ящерицы и мотыльки); гоферовые и их вши; люди и кишечные микробы; а также война, которую наша иммунная система ведет с атакующими ее болезнетворными микроорганизмами.
Адаптивная радиация – это быстрое видообразование одного родственного вида для заполнения нескольких пустых экологических ниш. Наиболее часто адаптивная радиация отмечается в случаях, когда растения и животные оказываются на ранее необитаемых островах. Примеры адаптивной радиации: галапагосские вьюрки, австралийские сумчатые, гавайские цветочницы и дрозофилы, мадагаскарские хищники и другие млекопитающие, новозеландские птицы и доисторические летающие птерозавры.
Как жираф отрастил свою шею?
Многие верят в то, что длинные шеи жирафам нужны для пропитания. Если у вас длинная шея, считают люди, вы сможете дотянуться до таких высоких деревьев, до которых не дотянутся ваши конкуренты. Но есть и другое объяснение. Появление столь необычной шеи имеет мало общего с пропитанием и напрямую связано с размножением.
Доказательства в поддержку теории о пропитании весьма неоднозначны. Южноафриканские жирафы проводят много времени в поисках пищи высоко на деревьях. Однако исследования в Кении показали, что даже при отсутствии пищи жирафы не проявляют беспокойства.
Длинные шеи имеют свою цену. Мозг жирафа расположен в 2 метрах над сердцем, поэтому оно должно быть большим и мощным. Получается, что для того, чтобы кровь достигла мозга, ее необходимо перекачивать с самым высоким давлением среди всех животных. Так что должна быть какая-то другая веская причина.
Другая теория гласит, что длинные шеи жирафа являются результатом полового отбора. То есть шеи самцов развивались для привлечения самок.
Для жирафов-самцов характерна «борьба шеями», чтобы привлечь самок. Самцы подходят друг к другу и начинают раскачивать затылками, нанося друг другу удары в ребра и ноги. В этой борьбе жирафам помогают их чрезвычайно толстые черепа, а также роговидные отростки на макушке, называемые оссиконами. То есть жирафы как бы таранят друг друга головами. И в таких дуэлях длинные и мощные шеи служат явным преимуществом. Было замечено, что самцы с длинными шеями чаще одерживают победу, а также их охотнее предпочитают самки.
Идея «шеи для секса» тоже весьма спорна, однако она объясняет, почему в процессе эволюции шеи жирафов вытянулись больше, чем ноги. Если бы жирафы развивались для того, чтобы дотягиваться до более высоких ветвей, то логичнее было бы предположить, что будут стремительно удлиняться и ноги. Однако этого не произошло.
В теории о сексуальной составляющей есть другая проблема: по идее, у самок жирафов не должно быть длинных шей. Однако они есть. И одно из предположений заключается в том, что, возможно, шеи жирафов, начинали расти как способ добывать труднодоступную пищу, а затем «переключились» на спаривание. Как только шеи достигают определенной длины, самцы начинают пользоваться ими для борьбы шеями, и здесь вступает в силу половой отбор, доводя длину шеи до экстремальных размеров.
Секретный кодДарвин смог открыть естественный отбор без какого-либо понимания генетических механизмов наследования или источника новых вариаций в популяции. Но его собственная теория о передаче признаков под названием «пангенезис» оказалась в корне неверной.
Генетический механизм наследования был открыт лишь в начале XX века (подробнее см. главу 3).
Интервью. Чудеса природы стали моим утешением в жизни
Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) открыл эволюционную теорию естественного отбора независимо от Чарльза Дарвина и основал науку об эволюционной биогеографии. Переписка Уоллеса, из которой подбирались ответы на данные интервью, доступна в открытых источниках. В своих письмах Уоллес рассказывает о собственных исследованиях, экспедициях и стойком увлечении тайнами природы.
– Вы стали всемирно известны благодаря своей работе, опубликованной в 1858 году в соавторстве с Дарвином и описывающей происхождение видов и естественный отбор. Как у вас впервые зародилась эта идея?
– [В 1847 году] Я стал сильно разочаровываться в скудной местной коллекции – из нее мало что можно было узнать. Мне захотелось собрать и досконально изучить представителей какого-то одного семейства, главным образом с точки зрения происхождения видов. Я твердо уверен, что таким образом были бы достигнуты определенные результаты.
– Это желание привело вас в Бразилию, где вы собрали коллекцию птиц, бабочек и жуков, пытаясь понять, что движет эволюцией новых видов. Произошли ли какие-то значимые события в путешествии?
– В пятницу, 6 августа [1852 года]… капитан (который был владельцем судна) вошел в каюту и сказал: «Боюсь, корабль загорелся. Идите посмотрите сами».
– Несмотря на столь печальный опыт, вы все-таки отправились в восьмилетнюю экспедицию на Малайский архипелаг, где и обнаружили невидимую границу между животными Азии и австралийского региона. Затем эту границу назовут линией Уоллеса в вашу честь. Что вас больше всего заинтересовало в этой поездке?
– Птицы интересовали меня куда больше, чем насекомые. Они более многочисленны и проливают свет на законы географического распределения животных на Востоке… В качестве примера я могу назвать какаду – группу птиц, живущих в Австралии и Молуккских островах, но совершенно не известную на Яве, Борнео, Суматре и Малакке… Многие другие виды подтверждают эту же тенденцию.
– Как известно, вы проявили великодушие, поделившись своим открытием естественного отбора с Дарвином…
– Удачным стечением обстоятельств лично я считаю тот факт, что не так давно начал переписку с г-ном Дарвином на тему «Разновидностей». Это привело к более скорой публикации части его исследований и позволило ему претендовать на приоритет, которому могла бы нанести вред любая независимая публикация под моим или чьим-либо другим авторством.
– Что общего у вас с Дарвином?
– В молодости мы оба – и Дарвин, и я – были страстными охотниками за жуками. У нас обоих было то, что Дарвин называет «простой страстью к коллекционированию»… И именно этот поверхностный, почти детский интерес к внешним формам живых существ, часто презираемый как лженаучный, оказался тем самым ответом, который приведет нас к разгадке проблематики видов.
– Считаете ли вы, что ваш вклад был преуменьшен?
– Идея эволюции пришла ко мне, как и к Дарвину, внезапной вспышкой озарения; она была осмыслена за несколько часов… записана с набросками различных применений и развитий… а затем перенесена на тонкую почтовую бумагу и отправлена Дарвину. На все это ушло не более одной недели.
У меня не должно быть оснований для недовольства. Наш обоюдный вклад в объяснение естественного метода органического развития мог бы оцениваться пропорционально количеству времени, которое каждый из нас посвятил исследованию, представленному миру. Другими словами, пропорционально 20 годам к одной неделе.
– Как вы себя чувствуете, оглядываясь на работу всей своей жизни, длиною в 89 лет?
– Чудеса природы были радостью и утешением… моей жизни. Природа подарила мне… нескончаемое восхищение, а попытка решить некоторые из ее бесчисленных проблем – все возрастающее ощущение таинственности и благоговения.
3
Дарвин и ДНК: как генетика подстегнула эволюционную теорию
Как известно, в теории эволюции Дарвина и Уоллеса не объяснялась механика процесса. Затем, в начале XX века, появилась новая научная область – генетика. Несмотря на то что генетика произвела настоящую революцию в представлениях о наследовании, поначалу мало кто понимал, что она имеет непосредственное отношение к эволюции. Так как же ДНК вписалась в наше современное понимание эволюции?
Генетическая революция в эволюции
Современное понимание эволюции базируется на сочетании двух совершенно разных концепций. Одна из них была выдвинута монахом, изучавшим семена гороха в Моравском монастыре в 1850-х годах. Другая же пришла к нам от Дарвина и Уоллеса.
Грегор Мендель и Чарльз Дарвин жили в одно время, но они так и не встретились при жизни, а сам Дарвин не узнал о работе Менделя. Оглядываясь назад, можно сказать, что тандем этих двух фундаментальных работ был как брак, заключенный на небесах (или в аду, если вы креационист). На протяжении многих лет никто и не задумывался о том, что исследования наследственности Менделя имели какое-либо отношение к эволюционной теории Дарвина о естественном отборе. Потребовалось порядка 60 лет для того, чтобы собрать частички головоломки воедино и положить начало «современной трактовке» эволюции, которая формулировала идеи Дарвина через призму генетики.