Синтетическая теория эволюции
Гипотезы о возникновении и развитии жизни высказывались еще древнегреческими натурфилософами (например, Анаксимандром), однако первым систематическим исследованием разнообразных форм живых организмов явился труд французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка «Философия зоологии», опубликованный в 1809 г. Теория Ламарка основывалась на ряде метафизических допущений, характерных для механистической парадигмы науки XVIII в. Общий смысл его концепции видообразования сводился к утверждению, что изменение «обстоятельств жизни» (среды обитания) посредством привычки и упражнения приводят к фиксации полезных изменений органов отдельных особей в их потомстве.
Новый этап в развитии эволюционной теории в XIX в. начался с публикации работы Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (1859 г.). Концепцию происхождения видов Дарвин начал формулировать задолго до этого во время своего пятилетнего кругосветного путешествия на военном бриге «Бигль».[81] Окончательный вариант эволюционной теории сложился у Дарвина после прочтения им рукописи английского зоолога и биогеографа Альфреда Уоллеса, в которой был подробно изложен принцип естественного отбора.
Согласно Дарвину основной движущей силой эволюции является естественный отбор, позволяющий выживать и оставлять потомство тем особям, которые лучше приспособлены для жизни в данной среде. Действие отбора приводит к распадению видов на части — производные виды, которые, в свою очередь, со временем расходятся до родов, семейств и более крупных таксонов. Однако, после открытия законов генетики, в эволюционной теории Дарвина обнаружились противоречия, связанные с не вполне адекватным мнением Дарвина о механизмах наследования признаков.
Синтетическая теория эволюции формировалась в процессе переосмысления ряда положений классического дарвинизма с учетом достижений генетики начала XX века. Наибольшее влияние оказали труды создателей теоретической популяционной генетики Рональда Фишера, Джона Холдейна-младшего, Сьюэлла Райта, благодаря которым учение Дарвина получило генетическое обоснование.
Возможность объединения двух фундаментальных для современной биологии теорий дарвинизма и генетики впервые была продемонстрирована в статье Сергея Сергеевича Четверикова «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» (1926 г.). На совместимость принципов генетики с теорией естественного отбора в 1920-х гг. указывалось в работах Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского и Феодосия Григорьевича Добржанского.
Основная идея генетиков-эволюционистов состояла в том, что рекомбинация генов, порождая всё новые генные сочетания, в конце концов, создает для данной мутации такое генное окружение, которое позволяет мутации проявиться в фенотипе[82] особи-носителя. Естественный отбор уничтожает сочетания генов, препятствующие жизни и размножению организмов в данной среде, и сохраняет нейтральные и выгодные сочетания, которые подвергаются дальнейшему размножению, рекомбинации и тестированию отбором. Причем отбираются, прежде всего, такие генные комбинации, которые способствуют благоприятному и одновременно устойчивому фенотипическому выражению изначально мало заметных мутаций, за счет чего эти мутантные гены постепенно становятся доминантными. Такова основная идея работы Рональда Фишера «Генетическая теория нейтрального отбора» (1930 г.).
Основные положения синтетической теории эволюции[83] впервые были систематически изложены книге русско-американского генетика и энтомолога-систематика Ф.Г. Добржанского «Генетика и происхождение видов», опубликованная в издательстве Колумбийского университета в1937 г. Эта работа была воспринята генетиками-эволюционистами как достойное продолжение труда Дарвина «Происхождение видов». Добржанский предложил доступную экспериментальной проверке теорию эволюции, в которой дарвинизм сочетался с методами генетики. Книга Добржанского явилась переломным моментом в развитии эволюционной мысли ХХ в. и послужила программой изучения эволюционных проблем для следующих поколений исследователей. Главной задачей этой программы было изучение генетической структуры популяций под воздействием различных эволюционных факторов. Книга придала новый импульс процессу системной организации эволюционных исследований, в результате которого в 1946 г. в США было создано общество по изучению эволюции и основан журнал «Evolution». Синтез генетики и дарвинизма в 1930-40-е способствовал проникновению генетические идеи в различные дисциплинарные области биологии: систематику, палеонтологию, эмбриологию, биогеографию.
Фундаментальным трудом по синтетической теории эволюции явилась книга британского натуралиста Джулиана Хаксли «Эволюция: Современный синтез» (1942 г.). Сформулированные в ней идеи явились концептуальной основой современной теории эволюции. По мнению Дж. Хаксли, мутации и естественный отбор являются комплементарными процессами, каждый из которых в отдельности не может спровоцировать направленные эволюционные изменения. Отбор в природных популяциях чаще всего действует не на отдельные гены, а на комплексы генов, причем механизм действия отбора зависит от внешней и генотипической среды. Репродуктивная изоляция является главным критерием, свидетельствующим о завершении видообразования. В природных популяциях широко распространены потенциально преадаптивные мутации, которые играют важнейшую роль в макроэволюции, особенно в периоды резких средовых перемен.
Синтетическая теория эволюции является основополагающей концепцией (возможно, даже идеологемой) современной биологии. Предполагается, что главным результатом эволюции было появление человека, с возникновением которого биологическая эволюция переходит в эволюцию психосоциальную. Таким образом, влияние эволюционизма распространяется на сферу гуманитарного знания, расширяя методологические возможности исследования природы человека и истории цивилизации, позволяя оценить дальнейшие перспективы развития человеческой культуры.
Молекулярная генетика
Основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены в середине XIX века. В 1865 г. монах Грегор Мендель, занимавшийся изучением растений в монастыре в Брно, обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха.[84] Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Сформулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя, но при жизни его работы воспринимались критически и были малоизвестны.
В начале XX века работы Менделя вновь привлекли внимание в связи с исследованиями Карла Корренса, Эриха фон Чермака и Гуго де Фриза по гибридизации растений, в которых были подтверждены основные выводы о независимом наследовании признаков и о численных соотношениях при «расщеплении» признаков в потомстве. Важным этапом в развитии генетики стала хромосомная теория наследственности, разработанная, прежде всего, благодаря усилиям американского генетика Томаса Ханта Моргана и его учеников и сотрудников, избравших объектом своих исследований плодовую мушку Drosophila melanogaster.
Эпоха молекулярной генетики началась с исследований, доказавших ведущую роль ДНК (дезоксирибонукнлииновой кислоты) в передаче наследственной информации. Согласно так называемой «центральной догме молекулярной биологии», основная программа химических процессов, происходящих в любом организме, записана в последовательности пар оснований молекулы ДНК. В начале 1950-х годов стали известны два новых факта, пролившие свет на природу ДНК. Американский химик Лайнус Полинг показал, что в сложных органических молекулах, например белках, могут образовываться связи, закручивающие молекулу в спираль, а в лондонской лаборатории Морис Уилкинс и Розалинда Франклин получили данные рентгеноструктурного анализа, позволившие предположить, что ДНК имеет спиральную структуру.
В то же время американский биохимик Джеймс Уотсон отправился в Кембриджский университет, где вместе с Фрэнсисом Криком занялся моделированием возможных молекулярных связей. Крик и Уотсон смогли объединить различные компоненты молекулы в трехмерную модель ДНК. Открытие двуспиральной структуры ДНК, позволило им найти простой объяснение воспроизводства молекулы ДНК: предполагаемая парность азотистых оснований непосредственно указывала на механизм копирования генетического материала. Когда клетка приступает к делению и необходима дополнительная ДНК для дочерних клеток, ферменты начинают разделять ДНК, отделяя друг от друга парные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к освободившимся основаниям. В результате на каждой из двух разошедшихся цепей ДНК достраивается соответствующая ей цепь из компонентов окружающей среды, и исходная молекула дает начало двум двойным спиралям.
В 1986 году группа ученых в США начала работу над проектом, позднее названным «Геном человека». Цель этого проекта заключалась в том, чтобы составить карту полной последовательности человеческой ДНК. Однако в 1980-е годы для решения этой задачи не было технологических средств. Предполагалось, что стоимость проекта составит миллионы долларов и что задача будет решена не ранее 2005 года.
Только в 1995 г. Институтом изучения генома в Роквилле была опубликована первая полная последовательность ДНК живого организма — бактерии Haemophilus influenzae. Вскоре последовала расшифровка геномов других организмов. В 1996 году был определен первый геном эукариотической клетки (т. е. сложноорганизованной клетки, ДНК которой заключена в ядре) — клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Этим открытием увенчались совместные усилия шестисот ученых из Европы, Северной Америки и Японии. В 1998 году была опубликована первая последовательность ДНК многоклеточного организма — плоского червя Caenorhabditis elegans.
Метод определения последовательности ДНК (так называемый «метод беспорядочной стрельбы») был внедрен Крейгом Вентером. Эта технология предполагает разбиение определяемой ДНК организма на множество небольших фрагментов, в каждом из которых определяется последовательность аминокислот в молекуле ДНК. После определения последовательностей в каждом фрагменте, в компьютерные программы, собирают исходную последовательность.
В июне 2000 года Крейг Вентер и Фрэнсис Коллин, сообщили о получении ими первой реконструкции полного генома человека, полученной методом беспорядочной стрельбы. Несколькими месяцами позже, в феврале 2001 года, был опубликован первый предварительный вариант генома человека. Оказалось, что в отличие от известных на тот момент геномов простейших организмов, у которых гены составляют около 80-90% всей ДНК, у человека на гены приходится, по-видимому, не более 5% нуклеотидных последовательностей. «Избыточная» часть ДНК содержит информацию о том, как, в каком порядке должны активироваться гены. Гены человеческой ДНК не организованы в одну длинную последовательность, но состоят из кодирующих участков, называемых экзонами, с вкраплениями случайных последовательностей — интронов. Наличие дополнительного молекулярного комплекса, ответственного за синтез белка, закодированного последовательностью нуклеотидов определенного типа, позволяет осуществить несколько вариантов сборки белка. Таким образом, каждый ген человека кодирует несколько различных белков, а не один, как можно было предполагать, основываясь на центральной догме молекулярной биологии.
Успехи молекулярной генетики последних десятилетий позволяют ученым активно влиять на процессы видообразования. Генная инженерия ставит своей целью получение желаемых качеств изменяемых или генетически модифицированных организмов. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат, применяя технику молекулярного клонирования. Примерами применения генной инженерии являются получение новых генетически модифицированных сортов зерновых культур, производство человеческого инсулина путем использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований. Развитие генетических технологии потребовало объединения усилий специалистов в различных областях естественных и гуманитарных наук, с целью разработки нового кодекса этических императивов (биоэтики), регламентирующих порядок проведения научных исследований, непосредственно затрагивающих живую ткань биосферы, фундаментальные основы существования которой еще не достаточно осмысленны современной наукой.
Лекция 15