Название: Концепции современного естествознания

Жанр: Культурология

Рейтинг:

Просмотров: 2464

7.9. эволюция жизни

История возникновения теории эволюции Дарвина

В 1831 году, отправляясь в кругосветное плавание, молодой англичанин Чарлз Дарвин прихватил с собой только что вышедший первый том «Основ геологии» Лайеля, а через пять лет привез из плавания огромное количество материалов, подтверждающих правоту его основополагающей идеи. Но это не все: Дарвин привез и нечто большее – убежденность в том, что виды живого изменчивы, что то животное и растительное царство, каким мы его знаем сегодня, – результат постепенного, очень длительного развития сложного органического мира.

Проблемой эволюции Ч. Дарвин начал вплотную заниматься в 1836 г. после возвращения из кругосветного путешествия на корабле «Бигль». Он обсуждал ее с немногими своими коллегами, в том числе и в переписке. Поэтому многим казалось, что он целиком погрузился в изучение и классификацию усоногих раков и исполняет обязанности секретаря Геологического общества. Коллеги советовали ему опубликовать свою гипотезу, но он не последовал их совету. И вот 14 июня 1858 г. Дарвин получил письмо от Альфреда Рассела Уоллеса (1823–1913)из Тернате на Молуккских островах. В письме находилась статья, которую Уоллес просил передать сэру Чарлзу Лайелю, известному геологу и другу Дарвина. В ней кратко излагалась сущность теории эволюции путем естественного отбора.

Предположение о том, что виды могут изменятся, Уоллес опубликовал в одной из своих работ раньше – в 1855 г. Такая идея получила развитие после прочтения им в 1858 г. труда английского ученого Томаса Мальтуса (1766–1834) «Опыт о законе населения». Мальтус полагал, что каждая популяция стремится максимально размножиться без учета средств к существованию, и когда она достигает некой предельной численности, зависящей от условий жизни, дальнейшему росту начинает препятствовать нищета: излишняя численность популяции должна гибнуть. Это может происходить трагически и внезапно или в результате возрастания смертности с приближением к пределу возможного роста. Мальтус специально не занимался вопросом, кто выживет, а кто погибнет. Догадка Уоллеса состояла в том, что выживать будет не случайная выборка из популяции, а особи, которые лучше приспособлены к условиям существования. Если их приспособленность выше среднего уровня для всей популяции и она хотя бы частично наследуется, то вид в целом будет изменятся в направлении большей приспособленности, т. е. более высокой адаптации к среде обитания. Интересно, что Дарвин пришел к таким же выводам, прочитав труд Мальтуса.

Уоллес, в то время малоизвестный натуралист, занимался сбором тропических насекомых. Однако в сложившейся ситуации его сообщение нельзя было игнорировать. Посоветовавшись со своими друзьями, прежде всего с Ч. Лайелем и Джозефом Гукером (1817– 1911), известным ботаником, Дарвин решил, что нужно объединить выдержки из письма, которое он незадолго до этого отослал американскому ботанику А. Гресо, резюме неопубликованной статьи, написанной еще в 1844 г., и сообщение Уоллеса. Все это было оформлено в виде доклада, представленного 1 июля 1858 г. Линнеевскому обществу. Книга Дарвина «Происхождение видов» вышла в свет в ноябре 1859 г., и все 1250 экземпляров ее были распроданы в первый же день.

Большой интерес к идее естественного отбора был обусловлен вовсе не тем, что Дарвин и Уоллес постулировали превращение одних видов в другие, т. е. сам факт эволюции. Об этом и раньше говорили многие, и прежде всего Ламарк во Франции, Эразм Дарвин – дед Ч. Дарвина и, наконец, Анаксимандр в Древней Греции. Интерес определялся в основном тем, что был предложен механизм «конструирования» живых существ без участия Творца. Такой механизм вполне устраивал противников утверждения: если что-то сотворено, то должен быть и Творец.

Идея эволюции путем естественного отбора позволяла объединить множество, казалось бы, не связанных друг с другом фактов. И Дарвин, и Уоллес сумели использовать богатейший материал палеонтологии, биогеографии и других наук, который указывал на то, что наиболее вероятной движущей силой эволюции является естественный отбор.

Некоторые видные ученые, современники Дарвина, тем не менее остались весьма активными антиэволюционистами. К их числу принадлежали английский зоолог Р. Оуэн (1804–1892), швейцарский естествоиспытатель Л. Агассис (1807–1873), работавший долгое время в Гарварде. Даже великий геолог Чарльз Лайель поверил в теорию эволюции не сразу. Основываясь на данных палеонтологии, они признавали появление новых видов, но полагали, что это – результат каких-то пока непонятных естественных процессов, а не постепенного превращения одного вида в другой. В то же время идеи Дарвина поддерживали Т. Гексли (1825–1895) в Англии, Э. Геккель (1834–1919) в Германии, К.А. Тимирязев (1843–1920) в России.

Для тех, кто требовал от теории эволюции полной , убедительности, оставалась одна серьезная непреодолимая трудность, связанная с природой наследственности. В то время ни Уоллес, ни Дарвин, ни многие другие ученые еще не знали законов наследования признаков. Правда, известно было, что иногда признаки могут проявляться не во всех поколениях подряд. Этот таинственный феномен, названный позднее атавизмом, состоит в том, что у потомков вдруг снова появляются признаки более или менее отдаленных предков. Полагали, однако, что наследственность в целом основана на принципе смешивания, за исключением отдельных случаев. Например, у какого-то растения могли быть либо белые, либо красные цветки. При механизме смешивания у гибрида цветки должны быть розовыми, а при скрещивании красного цветка с розовым – темно-розовыми и т. д. Во многих случаях так и бывает. Из этого следовал важный вывод: новый признак, появившийся у какого-то индивидуума как мутация, со временем должен исчезнуть, раствориться в популяции, несмотря на естественный отбор, как стакан молока во многих бочках воды.

Анализируя механизм усреднения признаков, британский инженер и физик Ф. Дженкин, обладая математическим складом ума, в 1867 г. на основании строгих элементарных арифметических выкладок доказал, что в случае усреднения признаков при скрещивании естественный отбор работать не будет. Дарвин так и не нашел убедительного ответа на такое доказательство. Промежуточное проявление признаков у потомков означало, что все генетические различия в популяциях должны быстро нивелироваться, и тогда вся популяция становится однородной, состоящей из весьма сходных индивидуумов.

Данное возражение против теории эволюции было снято результатами опытов по скрещиванию, проведенных австрийским естествоиспытателем Грегором Менделем (1822–1884). Все началось с того, что Грегор Мендель, монах из августинского монастыря в Брюнне (ныне это город Брно в Чехии, в те времена в Австро-Венгрии), в 1850 г., т. е. задолго до того, как Дарвин и Уоллес представили доклад по эволюции, пытался получить свидетельство на право преподавать естественные науки, но не смог сдать экзамен. Желая подготовиться к испытаниям, он поступил в университет в Вене, где в течение четырех семестров изучал математику, биологию, химию и физику. Затем он вернулся в Брюнн и стал в своем саду выращивать горох. Опыты, поставленные на горохе, с видимой легкостью и изяществом помогли установить природу наследственности. А именно в 1868 г. Грегор Мендель в опытах со скрещиванием гороха показал, что наследственность не имеет, как тогда считалось, промежуточного характера – признаки передаются дискретными частицами, которые сегодня называются генами.

В диплоидных организмах, т. е. организмах с двумя гомологичными наборами хромосом, к которым относятся и горох, и человек, каждому признаку соответствуют два гена. Они могут быть либо точными копиями, либо вариантами (аллелями) друг друга. От каждого из родителей потомок получает по одному такому гену. Гены содержатся в небольших тельцах – хромосомах, находящихся в клеточном ядре.

Работа Менделя была написана исключительно ясно и с научной точки зрения представляла настоящий шедевр, но долгое время оставалась невостребованной. Только в 1900 г. три неизвестных исследователя одновременно своими опытами подтвердили полученные им результаты.

Можно привести еще один подобный пример. В 1902 г. лондонский врач А. Геррод показал, что действие, по крайней мере некоторых генов состоит в контроле активности ферментов. Данная работа также оказалась незамеченной. Представление о том, что гены содержат информацию для построения белка (один ген – один фермент) утвердилось лишь после 1945 г. Приведенные примеры и история становления теории эволюции показывают, насколько сложен и трудоемок путь постижения естественно-научной истины.

Российский ботаник С.И. Коржинский (1861– 1900) и независимо нидерландский ученый Хуго Де Фриз (1848–1935) предложили теорию мутаций – внезапных изменений наследственности. Эта теория, проливая свет на процесс изменчивости, подтверждала дарвиновское учение. Чем резче мутация, чем крупнее скачок, тем меньше шансов для новой формы организма выжить в данных условиях. Иное дело – мутации небольшие. Чаще всего они тоже вредны для организма, но в редких случаях небольшое изменение может быть полезным. Организм совершенствуется, оказывается лучше приспособленным, чем его неизменившиеся сородичи, и естественный отбор закрепляет новую форму. Так теория мутаций навела мост между менделевскими законами о наследственности и дарвинизмом.

Вместе с тем, теория мутаций породила новые проблемы, связанные в частности, с причинами мутационных изменений. В самом деле, почему одни особи данного вида изменяются, а другие, живущие в таких же условиях, нет? Не видя никаких внешних причин, которые вызывали бы эти изменения, многие ученые склонялись к тому, что мутации носят спонтанный, т. е. самопроизвольный, характер. Но вот в 1927 году появилась коротенькая заметка американского генетика Г. Меллера. Он облучал плодовых мушек дрозофил рентгеновскими лучами и получил небывалую вспышку изменчивости. Вскоре было доказано, что мутации могут вызываться не только рентгеновскими лучами, но и другими видами излучений, а также многими химическими соединениями, резким изменением температуры и т. д.

Таково одно направление исследований, обусловленное результатами опытов Менделя. Другое, не менее важное направление, связанное с выяснением природы самого гена, развивалось под руководством американского генетика Т.Г. Моргана (1866–1945). К настоящему времени многие вопросы о природе гена и генетической информации уже выяснены.

Искусственный и естественный отбор

Решая главный вопрос о движущих силах развития, Дарвин пришел к тому рубежу, перед которым прежде остановился Ламарк. Однако в отличие от Ламарка Дарвин решительно исключил из рассмотрения таинственное «стремление к совершенствованию», обратив собое внимание на человеческую деятельность.

В самом деле, не слишком ли мы недооцениваем самих себя, когда говорим, что не способны создавать новые формы органической жизни? А как же наши культурные растения и домашние животные – разве они не созданы человеком? Остановимся на пшенице. Некогда человек бросил в землю горсть зернышек невзрачного дичка. Зернышки были мелкие, а колосья при малейшем дуновении ветра осыпались. Нелегко было собрать урожай первому земледельцу! Тысячелетия вначале бессознательного, а потом и сознательного отбора лучших экземпляров привели к тому, что зерно стало полновесным, а колос неосыпающимся. И еще десятки других свойств придал пшенице человек: увеличил количество белка в зерне, сделал ее стойкой ко многим болезням, вывел сорта, отзывчивые к удобрениям, неполегаемые, скороспелые... Сейчас культурная пшеница занимает на земном шаре свыше 200 млн га, но если перестать за ней ухаживать, то через несколько лет не отыщется ни одного зернышка культурного злака. Предоставленная самой себе, культурная пшеница погибнет! То же можно сказать почти о любом культурном виде растений или животных.

А если так, то следует присмотреться к методам, какими человек создавал новые сорта растений и породы скота. Дарвин часто встречался со скотоводами и выспрашивал, как они создают и сохраняют свои стада. И ответ слышал почти всегда один: «Мы оставляем на племя лучших животных».

Вот и все! Ларчик открывался на удивление просто. Скотоводы не подозревали, что, забивая слабых и низкопродуктивных животных (с низким надоем молока, если это коровы, с худшей шерстью, если это овцы; слабосильных, если это лошади, предназначенные для перевозки грузов, и недостаточно быстроногих, если это скаковые лошади), они проводили огромную созидательную, творческую работу. Искусственный отбор – так назвал этот метод Дарвин. Путем искусственного отбора человек создал формы, ранее не существовавшие в дикой природе (рис. 7.10). Дарвин решил посмотреть, не происходит ли чего-либо подобного и среди диких животных.

Человеку с давних пор было ясно, что пищевые ресурсы для какого-либо вида животных (или растений) в определенной местности ограничены. А способность к размножению? Она ведь не имеет границ! Цифры здесь столь же просты, сколь и поразительны. Если бы из всех яиц, отложенных одной птицей, вылупились птенцы, выросли и сами дали потомство, а потомство этого потомства тоже сохранилось бы полностью и так продолжалось бы, скажем, 15 лет, то общее число потомков одной пары достигло бы десяти миллионов!

Однако практически так никогда не происходит. Количество птиц, животных, растений остается неизменным (или меняется в небольших пределах как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) нередко на протяжении многих столетий. Это значит, что далеко не из всех яиц вылупляются птенцы, не все птенцы становятся взрослыми птицами и, наконец, не все взрослые особи оставляют потомство. Кому же везет, кому выпадает счастливый жребий? Очевидно, тем, кому удается захватить нужное количество пищи, уберечься от врагов – словом, тем, кому удается победить в борьбе за существование.

В борьбе за существование побеждают, таким образом, лучше приспособленные к жизни в условиях окружающей среды. Например, часть деревьев в лесу угнетена: им не хватает места под солнцем (рис. 7.11), а если это так, то в природе, как и на животноводческой ферме, тоже происходит отбор. Однако отбирает здесь уже не человек, а сама природа. Именно условия природной среды ведут отбор наиболее приспособленных – естественный отбор, как назвал это Дарвин. Вот чем объясняется целесообразность органических форм! Устройство животного или растения не потому целесообразно, что кто-то приспособил данный организм для определенной цели, а потому, что из всего многообразия форм выживали и могли оставлять потомство особи, лучше других приспособленные к данным условиям!

Двое молодых русских ученых, А.О. Ковалевский (1840–1901) и И.И. Мечников (1845–1916), взяв на вооружение эволюционную теорию, стали создавать новую науку – сравнительную эволюционную эмбриологию (эмбрион – греч. зародыш). Ковалевский при этом открыл переходные формы между позвоночными и беспозвоночными, заполнив тем самым наиболее важный пробел в общей системе развития животного царства.

Целенаправленное поведение и естественный отбор

Созданные человеком устройства и машины (например, управляемая ракета, персональный компьютер) доказывают, что и неживые системы способны к целенаправленному действию. Однако для их создания необходим осознающий поставленную цель конструктор. В этой связи возникает вопрос: не нужен ли был подобного рода конструктор при создании живой системы? Один из возможных ответов на данный извечный вопрос содержится в идее Дарвина и Уоллеса, суть которой в том, что живые существа могут самосовершенствоваться (эволюционировать) в сторону все большей адаптации, т. е. приспособленности к среде обитания. Оба ученых предположили наличие механизма естественного отбора.  Живые существа способны изменяться (мутировать) случайным образом, и такие мутации наследуются. Если мутации оказываются полезными для выживания, то их доля в последующих поколениях будет возрастать. В результате происходит эволюция популяций в направлении большей адаптации к окружающей среде.

Для формирования, например, таких сложных органов, как глаз, требуется множество согласованных между собой мутаций. Их одновременное возникновение маловероятно, поэтому естественно предположить, что эволюция идет путем накопления малых сдвигов.

Все промежуточные стадии в эволюции органа должны быть функционально полезными и приводить к его постепенному совершенствованию. Даже с учетом всевозможных ограничений в результате естественного отбора могут возникнуть удивительно сложные структуры. Предположение о том, что та или иная структура служит определенной цели, оказалось весьма плодотворным для экспериментальной биологии.

Важность целенаправленности действий можно пояснить на примере конструирования самовоспроизводящейся машины. Идею такого конструирования впервые предложил известный математик фон Нейман. Он показал, что логически вполне возможно построить универсальную машину, которая по данным ей инструкциям способна создать любую другую машину заданной конструкции. Такую машину можно запрограммировать и на воспроизведение самой себя.

Подобные машины должны включать три взаимосвязанные функциональные части:

А – рабочий механизм, обеспечивающий физическое построение машины (в инженерном представлении это линия с программным управлением);

I – инструкции (команды), записанные на носителе информации, которые задают алгоритм действий рабочим органам (носитель, содержащий необходимую для построения А информацию);

В – устройство для копирования инструкций.

В целом данную систему можно представить в виде

S = A+B+I.

Такая самовоспроизводящаяся машина прекрасно моделирует живой организм, для которого А – тело, I – гены, В – механизм копирования генов для передачи их следующему поколению. В данной машине можно запрограммировать не только воспроизведение, но и другие функции. На биологическом языке это означает, что такие машины способны мутировать и претерпевать эволюцию, т. е. их потомки будут отличаться от предков. Если самовоспроизводящиеся машины будут изменяться случайным образом, то это не приведет к их направленной эволюции. Чтобы появилась устрица как самовоспроизводящийся организм, должны сформироваться сложнейшие органы: жабры, кишечник и др., – а также должно появиться целенаправленное поведение и т. п., что вместе взятое кажется просто невероятным.

Одна из особенностей естественного обора – мутации, благоприятные или неблагоприятные для организма, возникают случайно. Изменение какого-либо адаптивного признака – результат единичной мутации: случившись, она попадает под естественный отбор. Однако против такого представления может быть выдвинуто одно весьма серьезное возражение, которое удобно пояснить на примере эволюции глаза. Вероятность одновременного возникновения ряда мутаций, приводящих к образованию сетчатки (слоя светочувствительных клеток), хрусталика и т. д., ничтожно мала. Представить себе, что такие одновременные изменения могут произойти в результате случайных мутаций – все равно, что бросить в коробку полный набор часовых деталей, встряхнуть их и ожидать, что они сами сложатся в целые часы. Если мутации произойдут не одновременно и в результате не будет хватать хотя бы одного компонента глаза, такой глаз окажется бесполезным и отбор по всем прочим мутациям будет невозможен.

Сложные биологические структуры могут создаваться в результате естественного отбора, если в принципе их можно получить путем постоянного усложнения, так, чтобы каждый новый этап давал какое-то новое преимущество. Поскольку естественный отбор не обладает даром предвидения, он иногда не может способствовать появлению некой промежуточной структуры, не приносящей сразу определенной выгоды, даже если бы эта структура и могла оказаться полезной в отдаленном будущем.

Некоторые адаптации весьма совершенны, и кажется, что их появление было бы невозможно без предвидения и изобретательности. Поэтому многим трудно поверить, что это произошло путем простого накопления отдельных сдвигов к лучшему. Поверить, может быть, и можно, но тогда возникает вполне логичный вопрос: чем же такое представление отличается от того, в котором отстаивается роль Творца? Ведь оба представления в данном случае основаны на вере. Кроме того, в природе существуют адаптации, которые невозможно объяснить естественным отбором. Например, физические и химические свойства веществ и фундаментальные постоянные как будто специально подобраны так, чтобы могла возникнуть жизнь. Такое утверждение иногда называют приспособленностью окружающей среды. Имеется другая формулировка: если бы фундаментальные постоянные были чуть-чуть иными, жизнь была бы невозможна. Данный принцип, распространенный на развитие Вселенной, носит название тонкой подстройки Вселенной.

Геологические эры и эволюция жизни

Под влиянием эволюционной теории и геологам пришлось пересмотреть свои представления об истории нашей планеты. Органический мир развивался в течение миллиардов лет вместе с той средой, в которой ему приходилось существовать, т. е. вместе с Землей. Поэтому эволюцию жизни невозможно понять без эволюции Земли, и наоборот. Брат А.О. Ковалевского Владимир Ковалевский (1842–1883) положил эволюционную теорию в основу палеонтологии – науки об ископаемых организмах.

Первые следы органических остатков геологи обнаруживают уже в древнейших отложениях, относящихся к протерозойской геологической эре, охватывающей огромный промежуток времени – 700 млн лет. Земля в тот период была почти сплошь покрыта океаном. В нем обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла настолько медленно, что проходили десятки миллионов лет, пока органический мир сколько-нибудь заметно изменялся (рис. 7.12).

В палеозойскую эру (продолжительностью около 365 млн лет) эволюция всего живого шла уже более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которой появились наземные растения. Особенно бурно развивались папоротники: они образовали гигантские дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. В каменноугольном (карбоновом) периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, уже появились земноводные. А в пермский период, завершавший палеозойскую эру и начинавший мезозойскую (она удалена от нас на 185 млн лет), – пресмыкающиеся.

Еще быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру. Уже в самом ее начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились и первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, возникли разнообразные птицы и млекопитающие.

Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра. Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. В растительном мире главенствующая роль перешла к цветковым. Сформировались виды  животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас.

С возникновением человека около 2 млн лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры – четвертичный, или антропоген. Человек – в геологическом масштабе времени – совершенный младенец. Что такое 2 млн лет для природы! Это чрезвычайно малый срок. Наиболее значительным событием в кайнозойской эре – стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они – результат творческой деятельности человека – разумного существа, способного к целенаправленной деятельности.

Если Дарвин, разрабатывая теорию эволюции, изучал опыт селекционеров, то вооруженные научной теорией селекционеры научились выводить новые сорта значительно быстрее и целенаправленнее. Здесь особая роль принадлежит российскому ученому Н.И. Вавилову (1887–1943), разработавшему учение о происхождении культурных растений. Эволюция живого продолжается, но уже под влиянием человека.

Мы знаем теперь, что целесообразность органических форм – это не нечто наперед данное, а результат долгого и сложного процесса развития материи, и, следовательно, целесообразность органических форм относительна. Человек теперь активно изменяет живую природу. Возрастающее вмешательство человека в природные процессы порождает новые серьезные проблемы, которые могут быть решены лишь при условии, что сам человек возьмет на себя заботу об окружающей природе, о сохранении тех тонких соотношений в биосфере, которые сложились в ней за миллионы лет эволюции жизни на Земле.

Учение о биосфере было создано замечательным ученым В. И. Вернадским (1863–1945). Под биосферой ученый понимал ту тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера объединяет верхние оболочки Земли – литосферу, гидросферу и атмосферу – и играет важнейшую роль в обмене веществ между ними. Огромные количества кислорода, углерода, азота, водорода и многих других элементов постоянно проходят через живые организмы Земли. В. И. Вернадский показал, что нет практически ни одного элемента в таблице Менделеева, который не включался бы в живое вещество планеты и не выделялся из него при его распаде. Поэтому лик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью. Вернадский впервые показал, какую решающую геологическую роль играло на нашей планете живое вещество.

Вернадский акцентировал внимание и на огромной геологической роли человека. Он показал, что будущее биосферы – это ноосфера, т. е сфера разума. Ученый верил в силу человеческого разума, верил в то, что, все активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, человек сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать нашу планету еще прекраснее и богаче.