Теория Дарвина
Решение великой головоломки
В 1831 году молодой натуралист по имени Чарльз Дарвин (рис. 1.1) отправился в путешествие на паруснике «Бигль» (Darwin, 1887). В течение пяти лет «Бигль» носил Дарвина по дальним странам и морям, что дало ему возможность наблюдать множество удивительных природных явлений. Хотя другие образованные и ученые мужи уже располагали подобными сведениями, Чарльз Дарвин был первым, кто осознал всю глубину значения увиденного. Первым чудом природы на его пути стали странные создания, обитавшие на Галапагосских островах — архипелаге вулканического происхождения близ побережья Эквадора. Среди изученных Дарвином животных были гигантские черепахи (исп. galapagos — черепаха), по массе в сотни раз превосходящие черепах, населяющих близлежащий Южноамериканский континент. Еще один загадочный факт, отмеченный Дарвином, заключался в том, что на каждом острове обитали свои, уникальные виды гигантских черепах.
Рис. 1.1. Чарльз Дарвин
Острова служили домом и морским игуанам — огромным рептилиям с необычной внешностью, питавшимся тихоокеанскими водорослями, а на пустынных просторах засушливых вулканических земель сухопутные игуаны жили тем, что обгрызали кактусы. Оба вида галапагосских игуан напоминали обычных игуан, живущих в Южной Америке, однако каждый вид имел свою неповторимую морфологию, физиологию и поведение. То же относилось и ко многим другим представителям животного мира, населявшим острова. Дарвин обнаружил большое количество птиц, сходных с материковыми видами, но со своими, присущими лишь им особенностями. Один из видов вьюрков своим поведением напоминал дятла, хотя и не имел длинного острого клюва, позволяющего долбить дерево. Этот вьюрок сохранил общую для его семейства внешность, но изменил свой «репертуар» поведения. Чтобы извлечь личинку насекомого, спрятавшуюся в толще дерева, он тщательно выбирает длинную колючку кактуса или щепку и использует ее как инструмент, проверяя в деревьях все щели до тех пор, пока лакомство не будет насажено на иглу.
Необычные формы жизни Галапагоссов, несмотря на всю их магическую притягательность, были лишь малой частью значительно большей мозаики-головоломки (Darwin, 1968). В Аргентине Дарвин обнаружил кости ископаемого животного — мегатерия. Эти великаны, ростом не уступавшие слонам, не сохранились ни в Южной Америке, ни где-либо еще, но в лесах этого континента все еще можно встретить очень похожих зверушек размерами с игрушечного плюшевого медвежонка — древесных ленивцев. Такой же принцип внешнего подобия существует и между множеством других вымерших ископаемых форм и современными животными. Иногда это сходство очень велико. Фактически некоторые ископаемые были внешне идентичны нынешним животным. В других случаях различия столь огромны, что только эксперт в области скелетной морфологии может найти общие признаки ископаемых и современных видов.
Во время своего пятилетнего плавания «Бигль» доставил Дарвина в Австралию, где все местные млекопитающие принадлежат к сумчатым. В отличие от высших (плацентарных) млекопитающих, у которых питание будущего потомства происходит внутриутробно через специальный гестационный орган — плаценту (Darwin, 1871), сумчатые рождают своих детенышей, когда те еще находятся на ранней стадии развития. Эти малыши, напоминающие эмбрионов, ползут по родительскому животу в поисках тепла и безопасности. Из всего многочисленного приплода лишь немногим счастливчикам удается достичь убежища-сумки, где они могут прикрепиться к соску. Большинство новорожденных сумчатых не добираются до сумки и быстро гибнут. Вне Австралии сумчатые — большая редкость. Самый известный их представитель, живущий рядом с плацентарными млекопитающими, — опоссум.
В Австралии Дарвин обнаружил, что местные плацентарные млекопитающие очень немногочисленны, а сумчатые занимают многие экологические ниши, которые в остальном мире заняты плацентарными (Darwin, 1968). Например, кенгуру занимает нишу, которая в Америке, Африке или Евразии принадлежит антилопам. Тасманский дьявол занимает нишу хищника средних размеров. Огромная вариабельность сумчатых форм в Австралии и резкая ограниченность их видов в других частях планеты подарили Дарвину еще один кусок гигантской мозаики.
Но в Австралии Дарвина ожидал еще более странный феномен. Два местных вида (утконос и ехидна) были однопроходными (яйцекладущими млекопитающими). В то время как сумчатые были редкостью за пределами Австралии и окружающих ее островов, однопроходные отсутствовали вообще. Сумчатые, хотя и редко, но встречались и в других частях света, а теплокровных, покрытых мехом четвероногих, откладывающих яйца, можно было найти только в Австралии. Двуногие теплокровные яйцекладущие существуют везде и в большом количестве, но они не похожи на однопроходных (клюв утконоса лишь внешне напоминает клюв некоторых водяных птиц). По физиологии размножения однопроходные более всего схожи с холоднокровными четвероногими представителями класса рептилий. Однопроходные представляют собой совершенно особенный таксономический «мостик». Они указывают на связь между видами не просто внутри рода, семейства или отряда. Их характеристики присущи двум разным классам позвоночных — млекопитающим и рептилиям (Darwin, 1871). Для Дарвина это оказалось очень важным кусочком мозаики.
Дед Чарльза Дарвина, Эразм Дарвин, полагал, что все живое связано общим происхождением от единого предка-организма (Darwin, 1887). Одним из аргументов в пользу этой идеи могло бы стать существование переходных форм на каждом из таксономических уровней. Фауна Галапагосс, так похожая на материковые виды, но в то же время имеющая столь странные особенности, подтверждает теорию образования новых видов от общего предка. Сходство между ископаемыми гигантскими ленивцами и ныне живущими древесными ленивцами свидетельствует в пользу предположения, что многие переходные формы вымерли, оставив о себе память лишь в виде ископаемых останков. Однопроходные показывают нам, какими были переходные формы между рептилиями и млекопитающими, а сумчатые представляют собой переход от однопроходных к плацентарным млекопитающим. Очень похожие экологические ниши занимают в Южной Америке, на Галапагоссах и в Австралии совершенно разные живые существа. Все это стало подтверждением теории, начало которой положил Эразм Дарвин.
Согласно ей, для того чтобы лучше адаптироваться к среде, организмы со временем изменяются. Что не удалось сделать деду знаменитого натуралиста — это предложить механизм, объясняющий, как происходят такие адаптивные изменения. Это стало судьбой его внука Чарльза, который первым объяснил происхождение бесчисленного множества жизненных форм планеты, включая нас с вами.
Вернувшись на родину в Англию, Чарльз Дарвин нашел недостающие детали мозаики (Darwin, 1887). Прогрессирующие изменения одних организмов и их превращение в совершенно другие — феномен, не уникальный для естественной среды. Многие соотечественники Дарвина добились впечатляющих успехов в выведении разнообразных растений и домашних животных с четко определенными характеристиками. Их техника, называемая селекцией (отбором), заключалась просто-напросто в сохранении и разведении только тех экземпляров животных или растений, у которых присутствовали определенные желательные свойства. В результате многократного повторения таких действий дикий рогатый скот трансформировался в ходячие фабрики по производству молока с гигантским, раздувшимся выменем; волки превратились в пуделей и коккер-спаниелей. Механизмом, лежащим в основе этих изменений, был процесс отбора, осуществляемый человеком целенаправленно и сознательно. Дарвин увидел, что изменения организмов в природе — результат совсем другого селективного процесса.
Что это за процесс, Чарльз Дарвин понял в 1838 году, после того как прочитал «Трактат о народонаселении», написанный английским политэкономистом Томасом Мальтусом в 1798 году. Мальтус был священником, и его глубоко угнетало зрелище нищеты обитателей трущоб (Darwin, 1859). Он обнаружил, что способность людей и других существ к воспроизведению себе подобных превышает их способность добывать пропитание для потомства. Мальтус предположил, что население имеет тенденцию расти в геометрической прогрессии, а пищевые ресурсы остаются на том же уровне или, в лучшем случае, растут в арифметической прогрессии. С его точки зрения, неизбежная катастрофа в результате этого процесса может быть предотвращена лишь моральными запретами (половым воздержанием), а в случае неудачи — войнами, голодом или болезнями. «Склонность» всего живого к чрезмерной плодовитости, описанная Мальтусом, стала ключевой деталью мозаики, после которой все остальные детали встали на свои места, соединившись в единую и всеобъемлющую картину. Ее имя — Теория Естественного Отбора Дарвина, или, как она стала известна позднее, теория эволюции Дарвина.
Дарвин так долго медлил с представлением своей работы научному сообществу, что теория эволюции чуть было не пришла в мир с именем другого англичанина-натуралиста (Milner, 1990). В 1858 году Дарвин получил письмо от Альфреда Рассела Уолласа, жившего на Молуккских островах. В письме были обрисованы общие принципы естественного отбора — почти так же, как в более длинной, но незаконченной рукописи Дарвина. На Уолласа, как и на Дарвина, повлияли работа Мальтуса и труды геолога сэра Чарльза Лайелла, утверждавшего, что постепенные изменения в течение длительного времени приводят к драматическим переменам. В отличие от Дарвина, пришедшего к идее эволюции через наблюдения за разведением домашних животных, Уоллас развил эту мысль на основе изучения естественного распределения современных народов и их «состязания» за ресурсы.
Когда Дарвин прочитал рукопись Уолласа, он был крайне обеспокоен тем, что его почти обошел другой исследователь, и обратился к своим друзьям, сэру Чарльзу Лайеллу и сэру Джозефу Хукеру, ботанику. Эти видные ученые использовали свое влияние и сделали так, чтобы теория естественного отбора была связана с именем Дарвина. Выдержки из рукописей Дарвина и Уолласа были опубликованы в одном издании в 1858 году. Статья Уолласа называлась «К тенденции независимого возникновения вариаций из оригинальной формы». Дарвин ускорил темпы работы над своей книгой, и она вышла в 1859 году под названием «Происхождение видов». Согласно современным правилам, принятым в науке, честь открытия теории естественного отбора должна была бы принадлежать Уолласу, так как его рукопись, содержащая доказательства этой теории, была закончена первой. Однако без Дарвина, приложившего немало усилий на борьбу с критиками, и его таланта заключать альянсы и коалиции в научном обществе теория естественного отбора могла бы быть отвергнута или забыта на десятилетия. Благодаря же своим стараниям, Дарвин сумел за короткое время добиться кардинального изменения западной научной мысли.
Основные положения теории Дарвина
1. Организмы дают многочисленное потомство, намного превосходящее по численности популяцию родителей.
2. Особи в пределах популяции обладают широкой вариабельностью по физиологическим и поведенческим качествам.
3. Вследствие этого некоторые из них окажутся более приспособленными к выживанию и размножению, тогда как у других эти способности будут снижены.
4. Из-за преимуществ в выживании и размножении особей с определенными характеристиками эти адаптивные черты будут проявляться в каждом следующем поколении все чаще и чаще.
5. Очевидно, что в результате естественного отбора определенное количество изменений в популяции может привести к ее изолированному (от других популяций) размножению. Это и есть образование новых видов.
Простая, но красивая теория естественного отбора, сформулированная Чарльзом Дарвином и Альфредом Расселом Уолласом 150 лет назад, была, по сути своей, правильной (Milner, 1990). К сожалению, в XIX веке не существовало такой науки, как генетика, а теория генов — ключ к объяснению теории естественного отбора. Во времена Дарвина большинство биологов верили в «смешанное наследование», которое предполагало, что родительские черты «перемешаны» в их потомках, подобно тому, как плавно переходят друг в друга два мазка краски разных цветов. Если бы так происходило в действительности, это означало бы, что новые адаптивные черты в популяции не смогли распространяться, поскольку смешивание признаков привело бы к их «растворению». Эти ошибочные убеждения мешали Дарвину отстаивать идею естественного отбора как ведущую силу эволюции. К счастью для теории Дарвина, один из его современников, Грегор Мендель, показал, что наследственные черты передаются как отдельные, не смешивающиеся признаки (раздельное наследование). Но, к несчастью для Дарвина лично, наблюдения Менделя были оставлены без внимания наукой до тех пор, пока эти явления не были открыты повторно через несколько лет после смерти Дарвина.