Александр Марков «Рождение сложности»
Укорот в изложении Олега Соколенко
Александр Марков — российский биолог и популяризатор науки. Его книга «Рождение сложности» посвящена эволюции живого и эволюции самих эволюционных механизмов.
Излюбленный аргумент креационистов заключается в том, что огромное разнообразие форм жизни не могло возникнуть в результате биологической эволюции. Ведь она якобы просто перебирает варианты, возникающие в результате случайных мутаций. Марков доказывает, что такое представление об эволюции в корне неверно. При этом он опирается на множество исследований, в том числе совсем недавних, из разных направлений современной биологии. Эволюция — неслучайна. Рождение сложного — закономерно.
Начало начал
Четыре с половиной миллиарда лет назад вместе с нашей планетой возник геохимический круговорот веществ. Молекулы и атомы вступали в химические реакции, и полученные соединения постепенно усложнялись. При этом между химическими реакциями происходила своеобразная борьба за исходные элементы, которых на всех не хватало. Побеждали автокаталитические реакции, которые «умели» катализировать сами себя. То есть в процессе реакции они производили не только конечные соединения, но и сами катализаторы. Такие «самодостаточные» реакции с участием сложных органических веществ и стали источником жизни.
В основе жизни лежат три главных типа молекул: ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК — рибонуклеиновая кислота и белки, состоящие из последовательности аминокислот. ДНК хранит наследственную информацию. Белки совершают в клетке самую разную необходимую работу.
С РНК все обстоит сложнее. Их много, и они разные. Одна из главных функций РНК в клетке — передача информации от ДНК к рибосоме, которая отвечает за синтез новых белков. Но эта функция РНК — лишь одна из многих.
В 80-е годы были открыты довольно странные молекулы. Их назвали «рибозимы». По структуре это РНК, но они могут катализировать многие внутриклеточные реакции. Рибозима — это РНК, работающая как белок.
Получается, что для запуска полноценного процесса жизни достаточно только РНК. Она умеет хранить информацию, как ДНК. Она умеет запускать автокаталитическую реакцию и выполнять функции белков.
Тогда и появилась гипотеза, согласно которой сначала на Земле возник РНК-мир, где молекулы РНК отвечали за все жизненные процессы.
Колонии молекул РНК вступили в симбиоз с липидами, то есть жирами, из которых образовалась клеточная мембрана. Так возникла протоклетка. При дальнейшей эволюции протоклетки превратились в микроорганизмы — первые живые существа на Земле. И начал складываться современный живой мир.
Все сложнее и сложнее
Согласно палеонтологическим данным, первые микроорганизмы появились на Земле не позднее чем три миллиарда и семьсот миллионов лет назад. Эти микроорганизмы встраивались в геохимические циклы и получали необходимую для жизни энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. Продукты реакций, которые производили одни организмы, научились использовать другие. Так появились сообщества микроорганизмов, необходимых друг другу. Они имели вид плоских пленок или «бактериальных матов», отпечатки которых палеонтологи находят в древнейших отложениях.
Примерно три миллиарда лет назад появился фотосинтез. Это реакция, позволяющая живым существам при помощи света производить сложные органические молекулы из углекислого газа и воды. При фотосинтезе выделяется кислород. Для большинства микроорганизмов кислород — это яд. Но некоторые научились его использовать для получения энергии. Этот процесс мы называем дыханием.
Следующим шагом стало появление эукариот. Это организмы, внутри клетки которых есть ядро. В ядре аккуратно упакована и надежно защищена ДНК. Но эукариотам нужен специальный механизм для считывания наследственной информации и создания белков. «Конструкция» организма на клеточном уровне снова усложнилась.
В клетке эукариот есть и другие органеллы, кроме ядра. Одна из важнейших — это митохондрия. Вероятно, когда-то митохондрии были самостоятельными организмами. Клетка-хозяин поглотила их, но вместо того, чтобы переваривать, поставила себе на службу. И митохондрии стали работать как «энергетические станции» клетки. Все мы — потомки этого «великого симбиоза», который произошел примерно два миллиарда лет назад.
Наконец, уже из колоний эукариот возникли многоклеточные организмы. Марков с помощью простой математической модели показывает, что для этого было достаточно всего одной мутации в гене, который отвечает за деление клеток. Все клетки организма при этом делятся на две группы: генеративные клетки и все остальные.
Генеративные клетки отвечают исключительно за размножение. У человека это сперматозоиды и яйцеклетки. Та же математическая модель объясняет, почему генеративные клетки имеют одинарный набор хромосом, а все остальные — двойной.
Судя по ископаемым остаткам, многоклеточное организмы возникли примерно полтора миллиарда лет назад. Примерно шестьсот миллионов лет назад закончился самый суровый в истории Земли ледниковый период, и многоклеточные начали бурно развиваться.
Генетическое наследство
Люди — это эукариоты, относящиеся к царству животных. В него входят подвижные многоклеточные существа, которые не производят органику сами, а поедают то, что создали с помощью фотосинтеза растения. Считается, что самыми первыми животными были губки. Но есть и другой кандидат. Это трихоплакс — «плоское создание, похожее на медленно ползающую кляксу». Сейчас ученые пытаются разобраться, кто из них древнее.
Все животные, кроме губок, относятся к подцарству эументазоев, что переводится с латыни как «настоящие многоклеточные». Как выглядел общий предок всех эументазоев, установить пока не удалось. Генетический анализ позволяет предположить, что его тело имело двустороннюю симметрию, как у современных животных.
Человек унаследовал от этого загадочного общего предка две трети всех своих генов, точно так же как, например, коралловый полип — актиния. Учитывая, насколько человек не похож на актинию, в это трудно поверить. Но по сути в этом нет ничего удивительного.
Понять, как это получилось, поможет такой пример. Сначала все животные были мягкотелыми. Но примерно 540 миллионов лет назад многие группы животных, например моллюски и членистоногие, стали обзаводиться твердыми минерализованными скелетами. Предпосылкой к этому могло стать резкое уменьшение кислотности морской воды. Из-за этого карбонат кальция стал хуже растворяться, и животным стало легче его из воды усваивать. Для этого нужны специальные ферменты, и, как ни странно, эти ферменты уже были готовы. Это карбогидразы. Они есть у одноклеточных эукариот и выполняют множество функций, например, регулируют уровень кислотности цитоплазмы. Когда в морской воде появилось много «сырья» для построения скелета, разные животные независимо друг от друга приспособили эти карбогидразы для решения новой задачи.
Этот пример показывает, что в ДНК животных с самого начала были заложены предпосылки к созданию многих сложных органов и систем. Развитие этих предпосылок позволило природе создать множество форм жизни, вплоть до человека. Для этого эволюции не требовалось все собирать с нуля. Достаточно было сделать «тонкую настройку» базовой программы развития организма, зашифрованной в ДНК. А ключевую роль каждый раз играли мутации сравнительно небольшого числа генов-регуляторов.
Небогатый выбор
К концу XX века биологи поняли, что эволюция на самом деле отнюдь не хаотический процесс. Напротив, у нее есть свои закономерности, а иногда и явная направленность. Например, крупные животные, попадая на изолированные небольшие острова, часто мельчают. И наоборот, мелкие достигают больших размеров. Тут можно вспомнить, например, карликовых мамонтов с островов Сибири или гигантскую землеройку, живущую на Сардинии.
Другая важнейшая закономерность заключается в «склонности» эволюции идти в разных группах животных параллельными путями. Мы уже приводили пример с появлением минеральных скелетов, но что-то подобное происходило и во множестве других случаев. Например, около 150 миллионов лет назад у разных групп динозавров независимо друг от друга появлялись «птичьи» черты. Поэтому понять по палеонтологическим данным, какая именно группа в итоге дала начало птицам, ученым не удалось до сих пор. Аналогично, 500-600 миллионов лет назад признаки членистоногих появлялись у разных групп червей, пока одна из них не «совершила» решающий прорыв.
По таким параллельным сценариям происходили многие эволюционные переходы от одних животных к другим. Такое ощущение, пишет Марков, что в определенные периоды «в воздухе витала», например, «идея птицы». И разные группы динозавров на нее откликались, идя параллельными курсами. Почему? На образование новых видов влияют внешние условия, которые для всех одинаковы. При этом удачных вариантов развития для каждого вида совсем немного, а неудачные варианты отбор безжалостно отсекает. Поэтому неудивительно, что среди немногих победителей встречаются похожие. Наконец, как уже говорилось, ключевых регуляторных генов совсем немного. Именно их мутации меняют строение организма. Так что мутация в одном и том же гене у разных групп — нередкое явление, а результатом оказывается быстрое появление одних и тех же признаков.
Все это, конечно, не означает, что пути эволюции жестко детерминированы. Предсказать ее ход можно лишь в самых общих чертах. Марков выделяет тут три главных правила эволюции.
Правило первое — организмы развиваются от простого к сложному. В процессе эволюции появляются все более сложные и разнообразные формы живых существ.
Правило второе — устойчивость и приспособленность растут. Неустойчивые формы вымирают во время катаклизмов, которых немало в истории биосферы.
Правило третье — эффективность биогеохимического круговорота растет. Например, современный тропический лес использует солнечную энергию эффективнее, чем леса каменноугольного периода. В отличие от них современный лес не оставляет после себя отходов, то есть, собственно, каменного угля.
Ручное управление
В последние 10-20 лет выяснилось, что и мутации, представляющие собой главный «двигатель» эволюции, не так случайны, как считалось еще недавно. Выяснилось, что живая клетка располагает большим набором инструментов, позволяющих ей контролировать изменения своего генома.
Делать это умеют даже бактерии. Например, у кишечной палочки обнаружен ген, который «включается» в неблагоприятных условиях и приводит к синтезу дефектной ДНК-полимеразы. Это — фермент, удваивающий ДНК при делении клетки. Дефектная полимераза часто «ошибается» и при синтезе ДНК для новых клеток вносит много случайных мутаций. Среди этих мутаций могут встречаться полезные, которые в результате помогают бактериям приспособиться к новым условиям.
У позвоночных животных клетки иммунной системы — лимфоциты — «специально» вносят мутации в свои гены, отвечающие за выработку антител. Это происходит в случае попадания в организм болезнетворных вирусов или бактерий, с которыми борются антитела. Мутации, которые дают эффективные против инфекции антитела, закрепляются, и лимфоциты с этими мутациями размножаются. При этом некоторые бактерии, например гонококки, «научились» обманывать этот механизм. Они тоже изменяют свой геном. Эти мутации позволяют бактерии изменить поверхностные белки, чтобы антитела ее не «узнали».
Таким образом, «случайные» мутации оказываются не такими уж случайными, а даже отчасти целенаправленными. Такая целенаправленность появилась в результате эволюции самих эволюционных механизмов. Эти механизмы тоже развивались. От медленного и неэффективного перебора случайных мутаций эволюция пришла к эффективным и быстрым механизмам адаптации.
Передай дальше
Закрепление в наследственности таких мутаций, которые дают преимущество в борьбе за существование, — давно известный механизм. А вот может ли организм передавать по наследству не только врожденные признаки, но и те, которые он приобрел в течение жизни? Иными словами, может ли его опыт отразиться в его ДНК? Последние исследования показывают, что да, может. Хотя это происходит редко и не так, как представлял себе Ламарк. Он полагал, что шея жирафа стала длинной, потому что его предки постоянно ее вытягивали, доставая листья с высоких веток деревьев.
Бактерии умеют поглощать фрагменты ДНК из окружающей среды и встраивать их в свой геном. Новые признаки, безусловно, являются приобретенными, а не врожденными. Но они передаются по наследству.
Вирусы, заражая разные живые существа, способны переносить фрагменты ДНК от одних животных к другим и тоже встраивать их в геном клетки-хозяина. Такой горизонтальный перенос генов может приводить к важным эволюционным прорывам. Например, судя по всему, именно так наши предки получили гены, отвечающие за формирование плаценты.
Горизонтальный перенос генов между разными группами животных может привести к тому, что у представителей одной из групп собираются вместе все признаки, необходимые для образования нового вида. Так случилось, например, при возникновении членистоногих или птиц.
Передача приобретенных признаков по наследству все же возможна. Правда, природа использует такой путь нечасто. Видимо, стимулировать мутации в генах все-таки эффективнее.
Заглянуть в будущее
Марков пишет, что, несмотря на все успехи биологии, загадок и тайн сегодня больше, чем когда-либо. Это естественно: чем больше мы разрешаем научных проблем, тем больше перед нами встает новых, еще более сложных.
Например, до сих пор непонятны механизмы взаимного «узнавания» на уровне молекул и клеток. Как одна молекула находит другую в сложнейшей биохимической круговерти цитоплазмы? Откуда растущие нервные клетки узнают, в какую сторону выпускать отростки и с какими нейронами соединяться? Как самцу насекомого удается безошибочно найти по запаху самку своего вида, если концентрация химического сигнала в воздухе близка к нулю?
Все это и многое другое еще предстоит выяснить. Но уже сейчас понятно, что удивительная сложность биосферы возникла не случайно. Эволюция следует глубоким закономерностям и использует эффективные механизмы.
Заинтересовались книгой и хотите прочесть целиком? Скачайте бесплатно на Всенауке.