Происхождение жизни. Наука и вера (Science, Evolution, and Creationism)

Свидетельства биологической эволюции получены во многих областях науки.

Научные представления об эволюции сформировались на основании множества разнообразных данных, полученных в различных областях науки. Некоторые из этих данных, например ископаемые остатки давно вымерших животных и характер географического распространения видов, были известны ученым с XIX века или даже раньше. Другие, такие как сравнения последовательностей нуклеотидов в ДНК, стали доступны ученым лишь в XX и XXI веках.

Свидетельства в пользу эволюции получены не только в биологии, но и в других областях исследования прошлого и настоящего: в антропологии, астрофизике, химии, геологии, физике, математике и в других научных дисциплинах, в том числе в науке о поведении и в социологии. Астрофизика и геология продемонстрировали, что Земля возникла достаточно давно, чтобы биологическая эволюция привела к возникновению всех живущих в наши дни видов. Физика и химия предоставили науке методы датировки, позволившие установить время, когда произошли основные эволюционные события. Исследования древних видов позволили выявить не только особенности строения, но и особенности поведения, образующие непрерывные последовательности в эволюционных рядах видов. Антропология позволила получить новые сведения о происхождении человека и о возникновении особенностей человеческого поведения и общественного устройства в ходе исторического взаимодействия биологических и культурных факторов.

Как и в любой другой области науки, многие вопросы пока остаются без ответа. Биологи по-прежнему исследуют степень и характер эволюционного родства разных видов, генетические изменения, влияющие на строение и работу организмов, действие живых существ на климат Земли и на другие свойства окружающей среды, эволюцию интеллекта и социального поведения, а также многие другие интереснейшие проблемы. Но в каждом случае они задают конкретные вопросы и стараются узнать больше о том, как происходила и происходит эволюция, а не происходила ли она вообще. Они изучают механизмы, вызывающие эволюционные изменения, и последствия этих изменений, продолжая проливать свет на все эти вопросы.

Биологическая эволюция составляет часть той убедительной исторической картины, которую ученые создали за последние несколько веков. Картина эта начинается с образования Вселенной, Солнечной системы и Земли. Эти события привели к возникновению условий, необходимых для эволюции жизни. Мы по-прежнему не имеем ответов на многие вопросы, касающиеся возникновения жизни на нашей планете, но мы можем быть уверены, что ее возникновение запустило процесс биологической эволюции, продолжающийся по сей день. Новые элементы и штрихи добавляются сегодня к этой картине, в частности в ходе изучения наследственных механизмов, ответственных за эволюционные изменения.

Возникновение Вселенной, нашей галактики и Солнечной системы привело к образованию условий, необходимых для эволюции жизни на Земле.

Представления о месте Земли во Вселенной изменились в XX веке не в меньшей степени, чем в XVI и XVII веках, вслед за предположением Коперника, что Солнце, а не Земля находится в центре известного людям мироздания. В двадцатые годы XX века новый телескоп, установленный в обсерватории на горе Уилсон в окрестностях Лос-Анджелеса, позволил выяснить, что многие неясные пятнышки света, наблюдаемые на ночном небе, являются не туманностями в пределах нашей галактики (Млечного Пути), а отдельными галактиками, каждая из которых состоит из многих миллиардов звезд. Исследуя свет, испускаемый этими звездами, астрофизики пришли к еще одному важному выводу: галактики удаляются друг от друга по всем направлениям, то есть Вселенная расширяется.

Космический телескоп «Хаббл» в течение десяти дней был сфокусирован на небольшом участке звездного неба в районе Большой Медведицы. Этот сеанс наблюдений позволил обнаружить сотни ранее неизвестных науке галактик.

Это наблюдение привело к возникновению гипотезы, которую впервые сформулировал бельгийский астроном и католический священник Жорж Леметр. Согласно этой гипотезе Вселенная возникла в результате события, впоследствии получившего название Большой взрыв. Согласно этой идее вся энергия и вся материя во Вселенной первоначально были так сжаты, что представляли собой бесконечно малый, бесконечно плотный и бесконечно горячий объект, получивший название космологической сингулярности. Ученым по-прежнему известно о ней очень мало. Затем Вселенная начала расширяться. По ходу расширения она охладилась до такой степени, что элементарные частицы, которые сегодня образуют материю Вселенной, достигли устойчивого состояния. Из предположения о Большом взрыве и представлений о времени, которое должно было пройти с тех пор, следовало предсказание, согласно которому можно было ожидать, что материя в дальнем космосе обладает определенной рассчитанной температурой. Это предсказание впоследствии подтвердилось в результате исследований, проведенных с помощью расположенных на Земле микроволновых радиотелескопов. Последующие наблюдения, проведенные со спутников, показали, что фоновое излучение Вселенной имеет в точности те характеристики, которые предсказывает концепция Большого взрыва.

По мере расширения Вселенной материя собиралась, под действием тяготения и других сил, природа которых пока не вполне выяснена, в огромные образования, ставшие галактиками. В пределах этих образований сгустки материи намного меньшего размера сжались до вертящихся облаков газа и пыли. Когда материя в центре каждого облака становилась под действием тяготения достаточно плотной, атомы водорода в этих облаках начинали объединяться, образуя атомы гелия, испуская свет и другие формы излучения. Так возникли звезды.

Темный диск из пыли и газа разрезает пополам светящуюся звезду, запечатленную на этой фотографии, сделанной с космического телескопа «Хаббл». Такие диски, по-видимому, служат источником сырого материала для образования протопланет, которые, объединяясь, образуют планеты и другие вращающиеся вокруг звезд тела.

Астрофизики также выяснили, что некоторые звезды образуются в центре уплощенных дисковидных скоплений материи. Газ и пыль в пределах таких скоплений могут объединяться в небольшие тела, называемые протопланетами. Компьютерные модели позволили установить, что протопланеты могут срастаться в планеты и другие объекты (такие как спутники планет и астероиды), вращающиеся вокруг звезды. По-видимому, именно так и возникла наша Солнечная система. Точные измерения и расчеты позволили обнаружить большие планеты, вращающиеся вокруг звезд и в других частях нашей галактики. Из этих открытий следует, что вокруг входящих в галактику миллиардов звезд вращаются, в свою очередь, миллиарды планет.

Астрофизики и геологи разработали множество методик, позволяющих оценить возраст Вселенной, нашей Галактики, Солнечной системы и Земли. Измеряя расстояния между галактиками и скорости их расхождения, астрономы могут рассчитать, сколько времени прошло с тех пор, как произошел Большой взрыв. Согласно современным данным, Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад. Другой метод, позволяющий оценить возраст Вселенной, основан на измерении фонового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Этот метод дает сходные результаты. Другие наблюдения и расчеты свидетельствуют о том, что наша галактика начала образовываться через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть Млечный Путь немногим моложе, чем сама Вселенная.

Солнечная система возникла в пределах Млечного Пути намного позже. Измерения свойств радиоактивных элементов, содержащихся в метеоритах, указывают на то, что наша планета сформировалась от 4,5 до 4,6 миллиарда лет назад. После того как возникла Земля, ее бомбардировали многие астероиды и кометы, неоднократно расплавляя ее поверхность. Новейшие расчеты показывают, что одно из тел, столкнувшихся с Землей, было столь большим (приблизительно размером с Марс), что от столкновения часть материала Земли выплеснулась на орбиту и образовала Луну. Самые древние из горных пород, доставленных с Луны, имеют, согласно измерениям и расчетам, возраст между 4,4 и 4,5 миллиарда лет. Древнейшие минералы, обнаруженные на Земле, — цирконовые кристаллы, образовавшиеся 4,4 миллиарда лет назад. Породы, возраст которых превышает 3,5 миллиарда лет, были обнаружены в Гренландии, Африке и Австралии.

Радиометрическое датирование

Согласно данным современной космологии, частицы, образующие обычную материю (протоны, нейтроны и электроны), сформировались в те времена, когда Вселенная охлаждалась после Большого взрыва. Затем эти частицы объединялись вместе, образуя атомы водорода, гелия и, в небольших количествах, следующего, более тяжелого, элемента периодической системы — лития.

Все остальные элементы во Вселенной возникли внутри звезд, подобных Солнцу, или взрывающихся звезд, называемых сверхновыми. Сверхновые разбрасывали эти элементы по межзвездному пространству. Смешиваясь с водородом, гелием и литием, эти элементы сформировали бесчисленные звездные системы, в том числе и нашу Солнечную систему.

[Нуклид — атом, обладающий некото- рым числом протонов и нейтронов в своем ядре. Химический эле- мент определяется числом протонов в ядре. Нуклиды, обла- дающие одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, являются разными изотопами одного элемента.]

Некоторые атомы обладают радиоактивностью. Это означает, что они подвержены естественному процессу распада, в результате которого они образуют другие радиоактивные и нерадиоактивные атомы и испускают энергию. Каждый радиоактивный нуклид (радионуклид) характеризуется определенным периодом полураспада, то есть временем, за которое половина атомов в образце распадается. Таким образом, радиоактивные атомы работают как внутренние часы, встроенные в материал, в состав которого они входят. Сравнивая долю определенного радиоактивного элемента в некоем материале с долей продуктов его распада в этом материале, исследователи могут определить время формирования этого материала. Подобные измерения и расчеты позволили установить возраст Земли и Луны, различных метеоритов и всей Солнечной системы. Все результаты этих измерений и расчетов свидетельствуют о том, что данным объектам миллиарды лет.

Некоторые люди, выступающие против изучения эволюции, пытаются подвергнуть сомнению данные радиометрических анализов. Но на самом деле этот метод, выработанный благодаря прекрасно продуманным исследованиям, занявшим более века, представляет собой одно из наиболее прочно обоснованных достижений современной науки.

Живые организмы появились на Земле в течение первого миллиарда лет ее существования.

Древнейшие ископаемые свидетельствуют о том, что жизнь на Земле существовала на протяжении большей части истории нашей планеты. На западе Австралии палеонтологи обнаружили особые минеральные образования, называемые строматолитами, которые, по-видимому, сформировались в результате деятельности бактерий не менее 3,4 миллиарда лет назад, и ископаемые бактериальные остатки, возраст которых, по радиометрическим датировкам, составляет около 3,5 миллиарда лет. Другие свидетельства говорят о том, что жизнь могла возникнуть намного раньше, в течение первых нескольких сотен миллионов лет после того, как поверхность Земли остыла и затвердела.

Современные строматолиты, образованные одноклеточными организмами (врезка) довольно похожи на структуры, которые возникали в результате деятельности некоторых древнейших живых организмов, обитавших на Земле.

Вопрос о том, как зародилась жизнь, — одна из интереснейших и сложнейших научных проблем. Мы пока не располагаем никакими ископаемыми свидетельствами существования жизни раньше 3,9 миллиарда лет назад, поскольку не обнаружены более древние осадочные отложения. Воссоздать условия, при которых зародились древнейшие организмы, очень трудно, потому что наши знания о химических и физических условиях на Земле в древнейшие времена далеко не полны. Тем не менее исследователи выдвинули ряд гипотез о том, как самовоспроизводящиеся организмы могли появиться и начать эволюционировать. Хотя ни одна из гипотез пока не стала общепринятой, науке удалось пролить некоторый свет на эти фундаментальные вопросы.

Сотни лабораторных опытов, проводившихся с пятидесятых годов XX века, показали, что простейшие из химических соединений, имеющихся на Земле, в том числе вода и вулканические газы, могли в результате реакций образовывать многие из молекул, составляющих строительные блоки живых клеток, в том числе молекулы веществ, из которых состоят белки, ДНК и клеточные мембраны. Метеориты, прилетающие из космоса, тоже содержат некоторые из этих строительных блоков, а астрономы с помощью радиотелескопов нашли много таких молекул в межзвездном пространстве.

Для того чтобы возникла жизнь, должны были выполняться три условия. Во-первых, должны были образоваться группы молекул, способные к самовоспроизведению. Во-вторых, копии этих молекулярных комплексов должны были обладать изменчивостью, так чтобы одни из них могли эффективнее пользоваться ресурсами и успешнее противостоять действию среды, чем другие. В-третьих, эта изменчивость должна была наследоваться, позволяя некоторым формам численно увеличиваться при благоприятных условиях среды.

Никто пока не знает, какая комбинация молекул впервые удовлетворила перечисленным условиям, но ученые показали возможный принцип работы этих процессов, изучая молекулы вещества, называемого РНК. Недавно удалось выяснить, что некоторые молекулы РНК могут во много раз ускорять скорости химических реакций, в том числе реакции воспроизведения элементов других молекул РНК. Если молекулы вроде РНК были способны к самовоспроизведению (возможно, при содействии других молекул), они могли создать основы для возникновения очень простого живого организма. Если такие самовоспроизводящиеся комплексы оказывались заключены в пузырьки, образованные мембранами из определенных химических веществ, они могли сформировать протоклетки — древнейшие формы самых простых клеток. Изменения, происходящие с молекулами, могли привести к возникновению форм, которые, к примеру, воспроизводились в определенной среде эффективнее. Тем самым, началось бы действие естественного отбора, который дал бы возможность протоклеткам, обладающим выгодными особенностями молекулярного строения, размножаться успешнее и становиться все сложнее.

Для того чтобы выдвинуть правдоподобную гипотезу происхождения жизни, нужно ответить еще на многие вопросы. Исследователи, изучающие происхождение жизни, пока не знают даже, какие комплексы химических соединений могли начать самовоспроизводиться. Даже если мы сможем создать живую клетку в лаборатории на основе простых химических соединений, это еще не будет свидетельствовать о том, что в природе, на молодой Земле, миллиарды лет назад произошло то же самое. Но принципы, лежащие в основе химических истоков жизни, а также возможные подробности процесса ее возникновения являются, как и другие природные явления, объектом научных исследований. История науки показывает, что даже такие сложные вопросы, как вопрос о том, каким образом возникла жизнь, могут стать доступны для научного решения в результате развития теорий, разработки нового оборудования и открытия новых фактов.

Палеонтологическая летопись содержит бесчисленные свидетельства эволюции, отражающие многие подробности ее течения.

В начале XIX века естествоиспытатели открыли, что ископаемые остатки располагаются в разных слоях осадочных горных пород в определенном порядке. Более древние материалы залегают глубже, ближе к основанию осадочной породы, чем вещества, образовавшиеся в результате более позднего осадконакопления.

Ископаемые остатки организмов, очень сходных с современными, встречаются в сравнительно молодых отложениях, в то время как ископаемые, которые лишь отдаленно напоминают современные организмы, залегают в более древних пластах осадочных пород. Исходя из этих наблюдений, многие естествоиспытатели, в том числе Эразм Дарвин, дед Чарльза, полагали, что живые организмы меняются со временем. Но Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес первыми установили, что движущей силой эволюции служит естественный отбор, который Чарльз Дарвин также называл «происхождением в результате модификаций».

Когда в 1859 году была опубликована книга Дарвина «Происхождение видов», палеонтология как наука еще находилась в зачаточном состоянии. Осадочные породы из многих районов Земли были по-прежнему неизвестны или малоизучены.

Почти полный скелет переходной формы, организма, похожего на птицу. Данные об этой находке в Китае были опубликованы в 2006 году.

Дарвин в течение почти двадцати лет собирал свидетельства, подтверждающие его теорию, прежде чем опубликовать ее положения. Кроме того, он подробно обсудил в книге и возможные трудности своей теории, связанные, в частности, с неполнотой палеонтологической летописи и с недостатком (среди известных на тот момент ископаемых) переходных форм, промежуточных между большими группами живых организмов.

За прошедшие с тех пор полтора века палеонтологи открыли множество переходных форм, неизвестных во времена Дарвина. Залегающие во многих районах Земли осадочные породы, образовавшиеся от 520 до 550 миллионов лет назад, содержат ископаемые остатки многоклеточных животных, представляющих собой переходные формы между весьма удаленными друг от друга типами — такими, как, например, моллюски и кольчатые черви — и сочетающих в себе их признаки. В более древних отложениях, возрастом около 1,5 миллиарда лет, встречаются ископаемые следы, которые могли оставить организмы, промежуточные между одноклеточными и многоклеточными животными.

Описанный в начале этой книги тиктаалик представляет собой примечательную переходную форму между рыбами и древнейшими наземными позвоночными (так называемыми четвероногими). Ископаемые остатки возрастом около 330 миллионов лет отражают основные этапы эволюции крупных земноводных, которые произошли от древнейших четвероногих. Многие хорошо сохранившиеся скелеты из осадочных пород возрастом около 230 миллионов лет принадлежат динозаврам, произошедшим от одной из ветвей пресмыкающихся. Известный пример переходной формы — археоптерикс, ископаемое, жившее 155 миллионов лет назад, обладавшее скелетом небольшого динозавра, но также крыльями и перьями. Другие похожие на птиц ископаемые организмы были обнаружены в Китае. Их возраст составляет около 110 миллионов лет. Хвосты у них довольно короткие, а на крыльях есть снабженные когтями придатки. По открытым в результате раскопок более поздним ископаемым можно проследить эволюцию многих современных групп организмов, таких как киты, слоны, броненосцы, лошади и люди.

Сходство строения и поведения часто свидетельствует о происхождении от общего предка.

Современные шимпанзе, другие человекообразные обезьяны и люди происходят от общего предка, давно вымершего.

Все виды, обитающие на Земле в наши дни, происходят от других видов, живших раньше, которые, в свою очередь, происходят от других, и так далее. Такие последовательности видов образуют ветви эволюционного древа. Для любых двух современных видов можно проследить историю их возникновения до того момента, где ветви, давшие им начало, разделились. В месте разделения этих ветвей находится последний общий предковый вид этих двух современных видов. (Иногда такой предковый вид называют просто общим предком, но при этом имеют в виду не один организм, а группу организмов.) Например, общим предком человека и шимпанзе был вид, живший от 6 до 7 миллионов лет назад, в то время как общий предок человека и рыбы фугу был рыбой, жившей в океанах Земли более 400 миллионов лет назад.

Таким образом, люди не происходят ни от шимпанзе, ни от каких-либо других современных обезьян, а происходят от вида, который вымер много лет назад. Не происходят люди и от современных рыб, но происходят от древнего вида рыб, давшего начало наземным позвоночным.

Если общий предок двух видов жил сравнительно недавно, то эти два вида, скорее всего, будут иметь больше сходных черт поведения и строения, чем два вида, общий предок которых жил значительно раньше. Поэтому люди больше похожи на шимпанзе, чем на рыб. Тем не менее любые организмы обладают общими признаками, потому что происходят от общих предков, живших на Земле в более или менее далеком прошлом. Например, исходя из накопленных к настоящему времени палеонтологических и молекулярно-биологических свидетельств, общий предок человека, коровы, кита и летучей мыши был, по-видимому, небольшим млекопитающим, жившим около 100 миллионов лет назад. Потомки этого общего предка претерпели в ходе эволюции существенные изменения, но строение их скелетов по-прежнему довольно сходно. Органы, с помощью которых люди, например, пишут, коровы ходят по земле, киты плавают, а летучие мыши летают, отличаются деталями устройства скелетной основы, но составляющие ее кости сходны по общему строению и порядку соединения друг с другом.

Последний общий предок всех обезьян жил около 40 миллионов лет назад. Проконсул — вид, существовавший около 17 миллионов лет назад. Самый поздний из видов, предковых для человека и шимпанзе, жил в промежутке от 6 до 7 миллионов лет назад.

Биологи называют сходные структуры, унаследованные от общих предков, гомологичными. Гомологию различных структур — не только костей, но и многих других деталей строения организмов — изучают в ходе сравнительно-анатомических исследований, задача которых состоит в том, чтобы выявить, исходя из степеней сходства, характер эволюционного родства. Другие биологические исследования позволяют, пользуясь той же логикой, изучать сходство, наблюдаемое в функциях органов, в развитии зародышей или в поведении организмов. Таким образом ученые исследуют возможные пути эволюционного развития, связывающие современные организмы с их древними предками. Палеонтологическая летопись, в свою очередь, позволяет проверять гипотезы, выдвигаемые в ходе таких исследований.

Хотя дельфины (слева) эволюционно ближе к людям, чем к акулам, форма тела у них, как и у акул, приспособлена к жизни в воде. Это пример аналогичных признаков.

Иногда в двух разных эволюционных ветвях независимо возникают сходные признаки. Такие признаки называют аналогичными. Они напоминают гомологичные, но являются результатом действия общих условий среды, а не происхождения от общего предка. К примеру, дельфины — это морские млекопитающие, которые произошли от наземных млекопитающих в течение последних 50 миллионов лет. Эволюционно дельфины так же далеки от рыб, как мыши или люди. Но они обладают обтекаемой формой тела, очень схожей с формой тела многих рыб, в том числе акул, и даже вымерших древних пресмыкающихся — ихтиозавров. Ученые исследуют такого рода случаи, известные во многих разных группах живых организмов, и разбираются в том, являются ли сходные черты строения и поведения результатом происхождения от общих предков или независимыми эволюционными ответами на действие похожих факторов окружающей среды.

Передние конечности всех наземных и многих водных позвоночных обнаруживают примечательное сходство строения скелетной основы. Это связано с тем, что все они развились из передних конечностей общего предка. Это пример гомологичных структур.

Эволюция позволяет объяснять особенности географического распространения растений и животных.

Гавайские острова поднялись из Тихого океана на расстоянии около 3000 км от ближайшего материка в результате вулканической активности. Рождение островов сделало возможным попадание на них одной или нескольких мушек-дрозофил, принесенных ветром, похожих на изображенную на рисунке. В результате эволюции из этих мушек на Гавайских островах развились более 500 видов, обитающих сегодня. Такое бурное видообразование стало возможным во многом благодаря тому, что многие из ниш, где развивались мушки, не были заняты насекомыми-конкурентами и были свободны от хищников.

Разнообразие живых организмов почти невообразимо. Многие миллионы видов обитают на земле, в земле и над землей, и каждый из них занимает свое собственное место в природе (экологическую нишу). Некоторые виды, например люди, собаки и крысы, могут жить в очень широком диапазоне условий. Другие, напротив, крайне специализированы. Например, один из видов грибов растет исключительно на передней части надкрыльев единственного вида жуков, который обитает в единственной пещере на юге Франции. Личинки одного из видов мушки-дрозофилы, Drosophila carcinophila, могут развиваться только в особых бороздках под выростами третьей пары ротовых придатков сухопутного краба, обитающего лишь на нескольких островах в Карибском море.

Биологическая эволюция объясняет не только происхождение этого разнообразия, но и распространение видов по нашей планете. Рассмотрим, к примеру, мушек из семейства Drosophilidae (дрозофилиды), живущих на Гавайских островах. Более 500 видов мушек этого семейства, относящихся к роду Drosophila и к близкому к нему роду Scaptomyza, встречаются исключительно на Гавайях. Эти виды составляют около четверти всех известных науке видов из этих двух родов. На Гавайях живет больше видов этих родов, чем на какой-либо другой сравнимой по площади территории Земли. Почему так много разных видов этих мушек обитают на Гавайях, и только на Гавайях?

Ответ на этот вопрос следует из геологической и биологической истории Гавайских островов. Эти острова представляют собой вершины стоящих посреди океана вулканов. Они никогда не были соединены ни с каким материком. Эти острова возникли из-за наползания Тихоокеанской тектонической плиты на «горячую точку», где поднимающиеся вверх из глубины Земли расплавленные породы нагревают земную кору. Самые новые острова — самые высокие, а более старые постепенно разрушаются и в конечном итоге погружаются под воду. Самый старый из современных Гавайских островов, атолл Куре, поднялся со дна океана около 30 миллионов лет назад, в то время как самый молодой, Большой остров (о. Гавайи), возник лишь около 500 000 лет назад и по-прежнему обладает довольно сильной вулканической активностью.

Все туземные (то есть существовавшие до людей, которые пришли от 1200 до 1600 лет назад) растения и животные Гавайского архипелага происходят от организмов, которые по воздуху или по воде с окружающих материков и с других островов попали на Гавайи, первоначально почти безжизненные. Что касается мушек-дрозофилид, то ряд данных, особенно полученных с помощью изучения ДНК, говорит о том, что все современные гавайские виды родов Drosophila и Scaptomyza происходят от единственного предкового вида, попавшего на острова миллионы лет назад.

Когда тектонические силы привели к воссоединению Северной и Южной Америки, то некоторые млекопитающие, возникшие в Южной Америке, такие как этот броненосец, расселились на север.

Первые «поселенцы» столкнулись с условиями, весьма благоприятными для стремительного видообразования. Каждый вид неоднократно становился предковым для множества новых видов по мере заселения мушками новых местообитаний — на разной высоте, с разным количеством осадков, с разной почвой и разными растениями. Кроме того, небольшие группы мушек, а в некоторых случаях, возможно, и единичные оплодотворенные самки, время от времени перелетали или переносились ветром на другие острова, где от них происходили новые виды. Например, многие гавайские дрозофилы откладывают яйца в гниющие на земле листья. На материках эта ниша занята другими группами насекомых и иных беспозвоночных, но на Гавайях она оставалась почти незанятой.

Млекопитающие, населявшие Северную и Южную Америку, представляют собой еще один хороший пример того, как особенности распространения видов объясняются их эволюцией. Около 60 миллионов лет назад Северная Америка примыкала к Евразии, и там развивались парнокопытные, непарнокопытные, хоботные и хищные млекопитающие. Южная Америка в те времена лишь недавно отделилась от Австралии с Антарктидой, и на этом материке эволюционировали сумчатые, а также свои группы копытных, гигантские грызуны, ленивцы и броненосцы. Примерно 3 миллиона лет назад тектонические силы сблизили Северную и Южную Америку, а падение уровня моря привело к образованию Панамского перешейка. По нему обитатели Северной Америки — ламы, еноты, пумы, медведи и собаки — двинулись на юг, а броненосцы, ленивцы, дикобразы и опоссумы проследовали в обратном направлении, однако прижиться там смогли лишь немногие мелкие виды. А в Южной Америке почти вся самобытная фауна млекопитающих, сухопутных крокодилов и гигантских бегающих птиц была вытеснена пришельцами с Севера.

Фотография политенной хромосомы личинки мушки-дрозофилы. Штрихами отмечен участок хромосомы, развернутый в обратную сторону по отношению к его исходному положению, сохранившемуся у других родственных видов. Такой поворот участка хромосомы называют инверсией.

Мушки с пятнистыми крыльями

Гавайские мушки-дрозофилы представляют собой прекрасный пример так называемой «адаптивной радиации» (т. е. как бы приспособительного расхождения из одной точки), процесса, при котором предковый вид дает начало очень большому числу новых видов за сравнительно небольшой промежуток времени. Исследователи биологической эволюции сосредоточили особое внимание на группе, включающей приблизительно 100 видов дрозофил, обладающих характерными пигментными пятнами на довольно крупных крыльях. Эти виды — носители весьма любопытных сведений об эволюционной истории данной группы.

[Хромосома — дву- цепочечная молекула ДНК, содержащая линейную последова- тельность генов. У большинства организ- мов, размножающих- ся половым путем, хромосомы в клетках представлены пара- ми. Одна хромосома в паре унаследована от одного из родителей, другая — от другого.]

Клетки в слюнных железах личинок всех мушек из рода Drosophila содержат особые хромосомы, получившие название политенных. Эти хромосомы легко увидеть под микроскопом. Окрашенные определенным образом, они становятся полосатыми, покрываясь поперечными темными и светлыми полосами разной ширины. Благодаря этим полоскам в хромосомах несложно выявить такую разновидность хромосомных перестроек, как инверсии. Иногда фрагмент хромосомы переворачивается задом наперед в результате ошибок, происходящих при удвоении ДНК. В результате получается видоизмененная хромосома, часть которой, заметная благодаря порядку светлых и темных полос, развернута на 180 градусов. Многие инверсии такого типа происходили в разных участках хромосом в ходе образования разных видов дрозофил.

Принимая во внимание, что все гавайские виды мушек семейства Drosophilidae произошли от единственного вида, ученые исследовали политенные хромосомы разных видов на предмет изменений в расположении полос, чтобы восстановить последовательность, в соответствии с которой виды мушек переселялись со старых островов на новые и давали начало новым видам. Например, на Большом острове, самом молодом во всем архипелаге, в настоящее время обитает 26 видов дрозофил с пятнистыми крыльями. Исследуя инверсии, происходившие в хромосомах этих видов, и сравнивая эти данные с данными о видах, населяющих более старые острова, ученые установили, что дрозофилы Большого острова являются потомками 19 оплодотворенных самок или небольших групп мушек, проникших на этот остров с соседних, более старых островов.

Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки.

Чарльз Дарвин и другие биологи XIX века пришли к своим выводам об эволюции несмотря на то, что им почти ничего не было известно о молекулярных основах жизни. Открытые с тех пор возможности детального исследования биологических молекул предоставили науке данные совершенно нового рода, свидетельствующие о механизмах и путях эволюции. Новые данные полностью подтвердили общие выводы, сделанные на основании изучения ископаемых, географического распространения видов и других наблюдений. Кроме того, молекулярные данные стали источником множества новых сведений об эволюционных отношениях видов и о механизмах эволюции.

ДНК передается из поколения в поколения либо напрямую от родительской особи к детям (у организмов, размножающихся бесполым путем), либо в результате слияния содержащих ДНК сперматозоида и яйцеклетки (у организмов, размножающихся половым путем). Последовательность нуклеотидов в ДНК, как уже было сказано, может меняться при передаче от одного поколения другому в ходе мутаций. Если эти изменения приводят к появлению полезных признаков, то новая последовательность нуклеотидов получает повышенные шансы распространиться в пределах популяции на протяжении ряда поколений. В результате в молекулах ДНК оказываются «записаны» последствия происходивших в прошлом наследственных изменений, в том числе ответственных за возникающие в ходе эволюции приспособления.

Человеческий ген, мутации в котором вызывают болезнь муковисцидоз, очень похож на соответствующий ген шимпанзе, но сильнее отличается от соответствующих генов у видов, которые состоят в более далеком эволюционном родстве с человеком. Высота столбцов на приведенной схеме показывает степень сходства последовательности нуклеотидов в этом гене у разных организмов и человека на определенном участке из 10 000 нуклеотидов.

Сравнение последовательностей ДНК двух организмов разных видов позволяет биологам выявить наследственные изменения, произошедшие с тех пор, как эволюционные ветви, ведущие к этим видам, отделились от их единого общего предка. Если общий предок этих двух видов существовал сравнительно недавно, то последовательности их ДНК будут больше похожи друг на друга, чем если их последний общий предок жил очень давно. Например, последовательность нуклеотидов в ДНК человека, в небольшой степени изменчивая в пределах нашего вида в зависимости от популяции и индивидуума, в среднем отличается от последовательности нуклеотидов в ДНК шимпанзе лишь на несколько процентов, что отражает наше сравнительно близкое эволюционное родство с шимпанзе. Но ДНК человека уже больше отличается от ДНК павиана, еще больше — от ДНК мыши, еще больше — от ДНК курицы, еще больше — от ДНК рыбы фугу. Этот ряд отражает степень нашего эволюционного родства со всеми этими видами. Еще большая разница наблюдается, если сравнивать ДНК человека с ДНК мух, червей, растений. Но у всех живых организмов можно выявить сходные черты в последовательности нуклеотидов в ДНК, несмотря на то что с тех пор, как жил последний общий предок всего живого, прошло уже очень много времени. Даже у людей и бактерий последовательности ДНК обладают некоторыми чертами сходства в пределах отдельных генов, причем сходные участки последовательностей отвечают за синтез молекулярных систем, имеющих сходные функции. Так представления о биологической эволюции дают ответ на вопрос, почему для успешного изучения важнейших для жизнедеятельности человека биологических процессов во многих случаях можно исследовать другие организмы. В связи с этим значительная часть современных биомедицинских исследований основана на изучении общих биологических свойств разных живых организмов.

Эволюция конечностей у древнейших наземных позвоночных

Молекулярно-биологические исследования позволили выявить участки ДНК, отвечающие за образование различных частей тела в ходе развития зародыша. Некоторые из наиболее важных таких участков называют гомеотическими генами (или хокс-генами).

У людей и других млекопитающих гомеотических генов 39. Каждый гомеотический ген управляет функциями других генов, причем в разных частях организма один и тот же гомеотический ген может управлять разными наборами других генов.

Гомеотические гены принимают участие в развитии многих черт строения, в том числе конечностей, позвоночника, пищеварительной и половой систем у самых разных видов беспозвоночных и позвоночных животных. К примеру, как показано на иллюстрации (справа), те же гены, что управляют развитием определенных частей тела у мушки-дрозофилы, управляют развитием соответствующих частей тела и у мышей и других млекопитающих. Каждый цвет соответствует участкам работы определенного гомеотического гена у зародышей дрозофилы и мыши.

Гомеотические гены также непосредственно управляют развитием плавников у рыб и конечностей у наземных позвоночных. Характер работы этих генов определяет черты строения конечностей, в частности обеспечивает образование пальцев. Изменения характера их работы, по всей видимости, играли заметную роль в эволюции древнейших наземных позвоночных, в частности в происхождении тиктаалика.

Сравнение гена человека и шимпанзе, управляющего синтезом лептина (гормона, принимающего участие в обмене жиров), позволяет обнаружить только пять отличий на участке из 250 нуклеотидов. В тех местах, где последовательности человека и шимпанзе отличаются, можно определить вероятную последовательность нуклеотидов общего предка человека, шимпанзе и гориллы, сравнивая ген человека и шимпанзе с геном гориллы. В двух случаях нуклеотиды, занимающие определенное место, разные у человека и шимпанзе, совпадают у человека и гориллы, а в остальных трех случаях — совпадают у гориллы и шимпанзе. Общий предок гориллы, шимпанзе и человека, скорее всего, имел на этом месте тот нуклеотид, который совпадает у двух из трех рассматриваемых современных видов, потому что такое отличие могло возникнуть в результате единственного изменения нуклеотида, находящегося в данной точке, а другие возможные случаи требовали бы по крайней мере двух изменений.

Изучение биологических молекул позволяет выявлять не только характер и степень эволюционного родства организмов, но также и характер изменений признаков, происходящих в ходе эволюции в результате изменений генов. В частности, молекулярно-биологические исследования позволили изучить функции белков-регуляторов, которые включают и выключают гены в клетках в процессе развития организма из оплодотворенной яйцеклетки. Небольшие изменения в этих белках, в участках ДНК, к которым эти белки прикрепляются, осуществляя регуляцию, а также, как недавно выяснилось, в небольших молекулах РНК могут оказывать сильнейший эффект на черты строения и функций организма. Такого рода изменения, видимо, играли большую роль во многих возникших в ходе эволюции новшествах, в частности в формировании конечностей наземных позвоночных из плавников рыб. Кроме того, биологи выяснили, что очень похожие наборы регуляторных белков имеются у таких разных организмов, как мухи, мыши и люди, несмотря на то что от общего предка их отделяют многие миллионы лет. Данные исследований ДНК говорят о том, что фундаментальные механизмы, лежащие в основе формирования особенностей строения организмов, возникли раньше, чем многоклеточность, или на заре эволюции многоклеточных организмов и с тех пор изменялись лишь очень слабо.

Ископаемые остатки древнего китообразного из рода дорудон (Dorudon), обнаруженные в Египте и относящиеся ко времени около 40 миллионов лет назад, являют собой пример важного переходного звена в эволюции китообразных. Предками этого животного были наземные млекопитающие, и оно еще сохраняло остатки скелетной основы задних ног со ступнями и пальцами (маленькие косточки у основания хвоста), несмотря на то что уже обитало в воде и плавало при помощи длинного и мощного хвоста.

Эволюция китов и дельфинов

Объединение результатов палеонтологических и молекулярно-биологических исследований позволяет биологам создавать намного более подробные схемы эволюционной истории живых организмов, чем было возможно до внедрения молекулярных методов. К примеру, недавние палеонтологические открытия, сделанные в Азии и Северной Африке, демонстрируют начавшийся около 50 миллионов лет назад ряд организмов, первоначально копытных хищников, живущих на суше, затем наземных хищников, охотящихся в воде, затем превратившихся в постоянных обитателей водной среды. Эти палеонтологические данные соответствуют недавним открытиям, сделанным генетиками, говорящим о происхождении китов и дельфинов от парнокопытных наземных млекопитающих, представленных в наши дни такими животными, как свиньи, овцы, козы и жирафы. Новейшие исследования регуляторных систем генов у современной морской свиньи (китообразного, близкого к дельфинам) позволили выявить те молекулярные изменения, благодаря которым предки этих животных утратили задние конечности и приобрели обтекаемую форму тела. Все эти данные согласуются друг с другом и добавляют интереснейшие подробности к нашим представлениям об эволюции.

Биологическая эволюция объясняет происхождение и историю нашего вида.

Изучение разного рода свидетельств, о которых мы говорили выше, привело ученых к выводу, что человек произошел в ходе эволюции от приматов. Для людей XIX века идея, что у человека и современных обезьян общие предки, была внове, и она стала предметом бурных обсуждений среди ученых при жизни Дарвина и в последующие годы.

Более 3,5 миллиона лет назад двое гоминид (представителей семейства Hominidae, или людей) прошли на двух ногах по полю недавно выпавшего вулканического пепла в восточной части Африки. Эти следы впоследствии покрывались новыми слоями пепла, пока в 1978 году не были раскопаны палеонтологами. Следы из Летоли (называемые так по месту, где они были обнаружены) представляют собой одно из ранних свидетельств прямохождения, важнейшего приобретения эволюционной ветви, которая привела к возникновению современного человека.

Но в наши дни у ученых уже нет сомнений в близком эволюционном родстве человека и всех остальных приматов. Используя те же данные и методы, что применяются для изучения эволюции других видов, исследователи накопили множество палеонтологических данных об эволюции человека, а в последнее время получили также убедительнейшие молекулярно-биологические данные, однозначно свидетельствующие о том, что биологическая эволюция человеческого вида протекала сходным образом и под действием тех же факторов, что и эволюция всех остальных форм жизни на Земле.

Согласно данным подробнейшего сравнения ДНК, общий предок человека и шимпанзе жил приблизительно 6–7 миллионов лет назад в Африке. Ветвь эволюционного древа, ведущая от этого древнего вида к современным людям, дала начало нескольким боковым ветвям, соответствующих популяциям и видам, которые в конечном итоге вымерли. В разные периоды прошлого на Земле могли сосуществовать несколько человекоподобных видов.

Около 4,1 миллиона лет назад в Африке возник вид, который палеонтологи относят к роду австралопитеков. (Название Australopithecus означает «южная обезьяна»: ископаемые остатки первого известного науке вида этого рода были обнаружены на юге Африки, хотя другие находки, в том числе почти полный скелет трехлетней самки, были впоследствии сделаны в восточной части Африки.) Мозг взрослого представителя этого рода, судя по ископаемым черепам, был сравним по размеру с мозгом современных человекообразных обезьян. По-видимому, австралопитеки проводили часть жизни на деревьях, о чем свидетельствуют их короткие ноги и черты строения рук. Но австралопитеки умели также ходить на двух ногах, как люди. Известны прекрасно сохранившиеся окаменевшие следы ног одного из древнейших видов австралопитека, отпечатанные на вулканическом пепле.

Около 2,3 миллиона лет назад в Африке возник древнейший вид рода Homo, к которому принадлежат все современные люди. Этот вид получил научное название Homo habilis, что означает «человек умелый». Средний размер его мозга, судя по ископаемым черепам, был, по-видимому, примерно на 50% больше, чем размер мозга ранних австралопитеков. Первые каменные орудия, изготовленные древними гоминидами, появились уже 2,6 миллиона лет назад.

Около 1,8 миллиона лет назад возник более продвинутый вид, Homo erectus («человек прямоходящий»). Этот вид проник из Африки в Евразию. Более поздние находки свидетельствуют и о существовании нескольких других видов рода Homo.

Скелет (справа) взрослой представительницы вида Australopithecus afarensis (австралопитек афарский), получивший имя Люси. (Закрашенные кости соответствуют раскопанным, остальные реконструированы.) Этот скелет относится к тому же геологическому времени, что и следы из Летоли. Для сравнения рядом показан скелет современного человека.

Мозг более поздних видов в среднем превосходил по размерам мозг их предшественников.

Ряд данных свидетельствует о том, что первые современные по строению тела люди, представители вида Homo sapiens («человек разумный»), возникли в Африке из более ранних форм рода Homo. Древнейшим известным ископаемым остаткам современного человека немногим менее 200 000 лет. Современные люди распространились по всей Африке, а позже проникли в Азию, Австралию, Европу и Америку, вытеснив при этом обитавших в некоторых частях света древних людей.

Современные люди связаны с общим предком человека и шимпанзе (обыкновенного и карликового, или бонобо) эволюционной ветвью, из предполагаемых промежуточных звеньев которой на схеме показаны австралопитек афарский, человек умелый и человек прямоходящий. По ископаемым остаткам известны и другие виды, отделившиеся от человеческой ветви эволюционного древа. Парантропы и неандертальцы представляют собой вымершие формы гоминид, сохранившиеся в наши дни только в виде ископаемых.