Естественный отбор: абсолютная необходимость
Я начал эту книгу с рассказа об удивительных ледяных рыбах, для которых необходимость снизить вязкость крови в холодной воде перевесила нужду в эритроцитах и гемоглобине. А в этой главе мы увидели, как то же самое происходит у людей: необходимость победить малярию, вызванную к жизни нашей же культурной эволюцией, ускорила модификацию нашего гемоглобина и других белков эритроцитов.
Эволюция ледяных рыб и людей показывает, что естественный отбор работает с тем исходным материалом, который есть в наличии. Возможно, решения, принятые природой для защиты организмов от малярии или холодной воды, были не самыми рациональными, но они были лучшими из доступных решений. В определенных условиях действие естественного отбора благоприятствует распространению таких «плохих» мутаций, как мутации в серповидных эритроцитах или мутации гена G6PD, а также необратимому превращению некоторых генов в ископаемые гены. И в каждом случае речь идет о том, что немедленные преимущества перевешивают немедленные потери, пусть даже совсем ненамного.
Эти примеры замечательны тем, что они переворачивают наши представления о «прогрессе» и «планировании» в формировании организмов. Создание самых приспособленных – это импровизация, а не реализация заготовленного сценария. Природа работала над этим непрерывно на протяжении трех с лишним миллиардов лет.
В пяти последних главах я привел некоторые из самых ярких свидетельств эволюции путем естественного отбора на самом фундаментальном уровне, то есть на уровне ДНК. В данной главе я выбрал такие примеры, которые позволяют увидеть, что процесс отбора происходит повсеместно. Где бы ни происходили изменения – у тритонов или змей, у паразитов, комаров или человека или в делящихся опухолевых клетках, – возникающее соревнование между хищником и жертвой, патогеном и хозяином или устойчивыми и чувствительными к лекарству клетками приводит к изменениям генофонда популяции. В этом и состоит суть эволюции.
|
|
|
Нет никаких сомнений в том, что естественный отбор может действовать на уровне мельчайших различий между особями: небольшие изменения в бессмертных генах на протяжении 3 млрд лет удалялись из геномов миллиардов видов, а единственная замена в гене гемоглобина позволила представителям нашего вида противостоять малярии. Однако до сих пор я ничего не сказал еще об одном аспекте долгосрочного влияния естественного отбора – о его кумулятивной (накопительной) способности к созиданию. Могли естественный отбор незначительных вариаций внести реальный вклад в формирование столь глубоких различий по степени сложности, какие мы наблюдаем у живых организмов?
|
|
|
За ответом на этот вопрос мы вновь обратимся к летописи ДНК и посвятим этой теме следующую главу.
Большой Барьерный риф Австралии создан и заселен многими видами животных. Фотография Антонии Валентин.
Глава 8
Создание и эволюция сложного
Простоту природы нельзя измерить нашими мерками. Бесконечно разнообразная природа проста лишь в своих мотивах, а ее суть состоит в создании огромного числа явлений, часто очень сложных, с помощью небольшого набора общих законов.
Пьер Симон Лаплас. «Изложение системы мира» (1796)
Хотя через трубку поступает достаточно кислорода, дух все равно захватывает.
Пышная процессия животных кораллового рифа, дрейфующая над желтым, пурпурным и бурым лесом кораллов являет собой настоящее буйство цветов, форм и размеров: косяки неоновых рыб, великолепные морские звезды, пятнистые осьминоги, колючие морские ежи, зеленые водяные черепахи, черноперые акулы, гигантские кальмары с бирюзовыми или пурпурными мантиями, полосатые крабы, пятнистые скаты и кремовые анемоны.
Большой барьерный риф Австралии, без сомнения, является одним из величайших чудес природы. Он простирается почти на 2 тыс. км вдоль восточного берега континента и представляет собой самую крупную на Земле структуру, созданную живыми организмами и единственную видимую с Луны.
|
|
|
Это великое чудо природы приводило в изумление многих великих натуралистов, которые задавались вопросом: откуда оно взялось? Как возникло такое невероятное разнообразие форм жизни?
В начале XIX в., когда геология стала бурно развиваться и искать естественные объяснения происхождения различных типов ландшафтов, все в основном сходились на том, что коралловые рифы возникают на вершинах кратеров подводных вулканов. Казалось, подобный механизм вполне логично объяснял возникновение округлых коралловых островов в южной части Тихого океана, окружающих лагуны с кристальной голубой водой. Однако в геологии и, как мы вскоре увидим, в биологии внешние проявления могут оказаться обманчивыми. Идея о вулканическом происхождении коралловых рифов была опровергнута. Догадайтесь кем.
Если вы скажете, что Дарвином, будете совершенно правы.
За 20 лет до выхода книги «О происхождении видов» в двух своих трудах (сначала в «Журнале исследований по геологии и естественной истории различных стран, посещенных в ходе кругосветного путешествия на Бигле», более известном как «Путешествие на Бигле» (1839), а затем в более развернутом виде в «Структуре и распределении коралловых рифов» (1842)) Дарвин дал новое объяснение образования всех типов коралловых рифов, включая Большой Барьерный риф. У его теории по меньшей мере два важных аспекта. Во‑первых, она верная. Идею Дарвина не принимали и опровергали на протяжении многих десятилетий, но в конечном итоге он (снова!) оказался прав. Во‑вторых, смелость Дарвина, его умение теоретически рассуждать о длительных процессах, которых никто не мог увидеть своими глазами, и способность делать общие выводы на основании отдельных наблюдений стали основой его подхода к возникновению всего живого.
|
|
|
Дарвин отверг вулканическую теорию происхождения коралловых рифов, так как сомневался в возможности существования кратеров столь большого диаметра, чтобы они могли охватить некоторые крупные атоллы, а также в том, что под водой могло возникнуть такое скопление больших вулканических кратеров, на месте которых появились протяженные цепи атоллов. Дарвин также указал на то, что вулканическая теория слишком атоллоцентрична и не объясняет происхождение двух других форм – окаймляющих рифов, окружающих океанические острова, и барьерных рифов, окружающих острова с лагунами. Дарвин предположил, что все три варианта рифов являются последовательными стадиями одного и того же процесса (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Образование кораллового рифа. Дарвин предположил, что три основные формы рифов являются последовательными стадиями одного и того же процесса. Сначала вокруг острова возникает окаймляющий риф; по мере оседания суши он превращается в барьерный риф, окружающий остров вместе с лагуной. В конечном итоге поверхность суши погружается под воду, и риф превращается в окружающий лагуну атолл. Рисунок Лианн Олдс.
В соответствии с идеей Дарвина сначала вдоль берегов нового острова возникает окаймляющий риф. Затем, по мере того как остров оседает, риф продолжает расти, превращаясь в барьерный риф и образуя лагуну вокруг острова. И наконец, когда остров скрывается под поверхностью океана, возникает атолл.
Рост большинства кораллов и погружение островов нельзя увидеть глазами: крупные кораллы растут не более чем на 5 мм в год. Однако Дарвин сумел оценить кумулятивный эффект постепенных изменений, происходящих за длительный период времени, что позволило ему выстроить свою теорию. А через 20 лет после возникновения этой теории он по‑новому объяснил происхождение невероятного разнообразия обитающих здесь видов.
Геологическая и биологическая теории Дарвина основаны на широкой экстраполяции – от едва заметных постепенных изменений до крупных превращений, от настоящего в прошлое и от простых форм к более сложным. В значительной степени несогласие с теорией Дарвина связанно именно с сомнениями в обоснованности подобных экстраполяций (в частности, с неприятием идеи «сложения» эффектов на протяжении длительного отрезка времени). Я в своей книге тоже нередко прибегаю к экстраполяциям. Например, я рассказывал о том, что незначительные изменения зрительных пигментов позволяют организмам адаптироваться к изменению освещенности в их среде обитания. Я надеюсь, что после прочтения предыдущих пяти глав у вас не осталось сомнений относительно реальности естественного отбора. В этом и состоит главная задача этой книги – устранить все сомнения. Но вы, возможно, все еще захотите мне возразить: допустим, все это верно в отношении небольших изменений уже существующих сложных структур, но как и из чего этот самый глаз впервые возник?
Это нужный и важный вопрос.
Эволюция сложных структур долгое время была в центре внимания биологов и оставалась прибежищем противников эволюции. Довольно часто случается, что люди признают вариабельность и эволюцию внутри существующих видов (то есть «микроэволюцию»), но отказываются экстраполировать этот процесс на происхождение новых видов и эволюцию сложных признаков, выходящих за пределы вариаций внутри вида («макроэволюция»). В некоторых штатах США дело доходит до того, что в учебниках по биологии заклеивают соответствующие страницы (см. главу 9).
Чтобы объяснить, каким образом естественный отбор создает органы «чрезвычайного совершенства и сложности», Дарвину пришлось оперировать очень большими временными интервалами. Объяснение Дарвина было блестящим, но оно основывалось на экстраполяции от простого к сложному, а не на эмпирических знаниях об истории формирования глаза. Подробности образования и эволюции таких сложных структур в то время не были известны и продолжали оставаться тайной на протяжении большей части следующего столетия.
Но сегодня ситуация изменилась.
За последние 20 лет были получены прямые доказательства того, как возникли и развивались сложные структуры, в частности в организме животных. Это новое понимание появилось в основном благодаря успехам биологии развития, науки, которая изучает процесс превращения единственной клетки (яйца) в сложный организм, состоящий из миллиардов или триллионов клеток. Развитие организма теснейшим образом связано с эволюцией формы, поскольку все вариации и изменения формы сопровождаются изменением развития. Исследования в области эволюционной биологии развития (сокращенно эво‑дево, от англ. evolution of development) привели ко многим неожиданным и важным открытиям, касающимся эволюции сложных организмов и их частей, и эти открытия лишают противников эволюции последних аргументов[18].
В этой главе я расскажу о некоторых наиболее важных открытиях в области эволюционной биологии развития, относящихся к эволюции сложных структур у животных. Я объясню, каким образом понимание процесса развития позволяет установить происхождение сложных структур, а сравнение путей развития разных организмов помогает понять эволюцию сложных признаков. Я сконцентрируюсь на описании особой группы генов, ответственных за построение тела и органов, а также на той части заключенной в ДНК информации, о которой я пока еще не рассказывал, но которая играет ключевую роль в понимании эволюции формы.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 242; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!