Не только гены

В человеческом геноме лишь 2% суммарной длины ДНК приходится на нуклеотидные последовательности, кодирующие структуру бел­ков организма. Остальные 98% приходится на интроны (некодирующие последовательности внутри генов) и межгенные сегменты. > До недавнего времени считалось, что некодирующие нуклеотид­ные последовательности в ДНК в лучшем случае играют роль пробе­лов в генетическом тексте, а в худшем — представляют собой просто «генетический хлам», отходы эволюционного процесса.

4.3. Биологический эволюционизм 135

Правда, генетиков смущал целый ряд обстоятельств.

Во-первых, 98% длины ДНК, пожалуй, слишком много для про­сто «хлама». Природа обычно довольно экономна и не позволяет себе такой расточительности.

Во-вторых, многие некодирующие последовательности нуклеоти­дов не претерпели никаких изменений за миллионы лет эволюции. С учетом постоянного давления мутаций это могло означать только то, что природа следит за неизменностью этих участков ДНК, а это, в свою очередь, значит, что они зачем-то нужны организму. О том же говорили и результаты энтропийного анализа генетических текстов (п. 4.4.6).

В-третьих, длина некодирующих последовательностей гораздо лучше соответствует сложности организма, чем число генов. В ходе реализации международной программы «Геном человека» было уста­новлено, что у нас около 27 000 генов — это меньше, чем число коди­рующих последовательностей в геноме риса. Аналогично геном пло­довой мушки, если считать только кодирующие участки, оказывается меньше, чем геном круглого червя — гораздо более примитивного животного. А вот содержание в геноме некодирующих областей зако­номерно растет от низших форм жизни к высшим. Почему?

Ответ на все эти вопросы стал вырисовываться лишь в самые по­следние годы¹. Заключается он в том, что, во-первых, некоторые неко­дирующие участки ДНК на самом деле кодируют молекулы, необхо­димые для жизнедеятельности клетки, — только молекулы не белков, а рибонуклеиновых кислот (РНК). РНК похожи по своему строению на ДНК², но играют в организме другие, более разнообразные роли, в основном связанные с регуляцией биохимических процессов. Нук­леотидные последовательности, кодирующие РНК, получили назва­ние псевдогенов. Но и те области ДНК, которые не относятся ни к ге­нам, ни к псевдогенам, как выясняется, тоже очень важны, так как они определяют, какие гены будут работать, а какие останутся «вы­ключенными». Эта часть генома получила название эпигенетической (т. е. «надгенетической»). Она играет существенную роль в развитии живых организмов, в процессах старения и возникновения рака. Изучать эпигенетические элементы ДНК весьма сложно, поскольку

¹ Гиббс У. «Теневая» часть генома: сокровища на свалке // В мире науки. 2004. № 2. С. 20-27; Он же. «Теневая» часть генома: за пределами ДНК // В мире науки. 2004. № 3. С. 64-71.

² В частности, как и ДНК, представляют собой полимеры, составленные из четырех
типов нуклеотидов.

136 Глава 4. Эволюционная концепция

4.3. Биологический эволюционизм 137

их свойства и функционирование зависят не только от последовательности нуклеотидов в цепочке, но и от взаимодействия с белками и другими молекулами, окружающими хромосомную ДНК и взаимо­действующими с ней. Однако ввиду очевидной научной и практиче- ской значимости эпигенетики, она сейчас стала одной из самых быст-^; роразвивающихся отраслей молекулярной генетики.

4.3.3.5. Молекулярная археология

Развитие молекулярно-генетических исследований привело к осо-1 знанию того, что наиболее полным и хорошо сохранившимся свидетелем эволюционной истории является генетическая информация, имеющаяся в каждой клетке каждого живого существа. Степень эволюционной близости организмов объективнее всего| можно оценить по размеру совпадающей части их геномов. Например, близкородственность человека и шимпанзе очевидно вытекает из того факта, что геномы этих двух видов различаются всего на 1 %¹.

Сравнительная молекулярная генетика позволяет не только установить степень родства между видами, но и оценить, как давно разошлись их эволюционные пути. Дело в том, что скорость эволюции данного гена или белка примерно постоянна в течение длительных, промежутков времени и примерно одинакова у разных видов. Таким образом, эволюционные изменения на молекулярном уровне играют роль «молекулярных часов» эволюции.

Активно развиваются поиски ДНК, содержащейся в останках древних организмов («молекулярная археология»). Ее исследование позволяет точнее, чем по строению костей, зубов и другим внешним признакам, определить степень родства с другими организмами, вымершими и современными. Кроме того, такие находки позволяют проградуировать «молекулярные часы». Основная сложность заключается в том, что молекулы ДНК достаточно хрупки и способны химически разлагаться. Поэтому их сохранение в течение длительного времени возможно только в особых условиях, например, если после смерти организм был погребен в бескислородных условиях или во льду. Тем не менее в распоряжении ученых уже находятся образцы ДНК человека, утонувшего во флоридском болоте 7 тысяч лет назад, мумии египетского жреца возрастом 4000 лет, 40-тысячелетнего мамонта, двух неандертальцев... Сообщалось и о более древних наход-

¹ Николов Т. Долгий путь жизни. М., 1986. С. 129; Животовский Л., Хуснутдинова Э. Генетическая история человечества // В мире науки. 2003. № 7. С. 82-89.

ках (например, ДНК из листа магнолии, упавшего с дерева в болото 20 млн лет назад), но при проверке выяснилось, что за древнюю ДНК принимались загрязнения микроколичествами ДНК современных организмов.

4.3.4. Проблема направленности эволюции

Существуют реальные трудности понимания того, как из ненаправ­ленных и обратимых микроэволюционных процессов вырастают на­правленные и необратимые процессы макроэволюции. С середины XIX в. известна аналогичная проблема в физике, по поводу которой сломан не один десяток копий, — соотношение между обратимостью движения каждой отдельно взятой молекулы и необратимостью по­ведения их больших совокупностей. В биологии эти трудности часто трансформируются в попытку доказать математическую невероят­ность возникновения упорядоченного макроскопического организма путем случайного перебора возможных комбинаций его микроскопи­ческих составляющих (генов, молекул).

Например, выдающийся отечественный эколог Н. Ф. Реймерс указывал, что геном человека является лишь одной из 10¹⁰⁰⁰ возмож­ных (с учетом некоторых физико-химических ограничений) комби­наций входящих в него нуклеотидов (п. 4.3.3.1)¹. Если это число раз­делить на число всех особей всех видов, когда-либо живших на Земле, то получается, что для отыскания данного человеческого ге­нома каждый ранее существовавший организм, начиная с первых од­ноклеточных, должен был бы в течение своей жизни перебрать 10⁹⁰⁰ (единица с девятьюстами нулями!) вариантов генома, что, конечно, абсурдно. Отсюда делается вывод, что эволюционный процесс в це­лом является предельно узконаправленным и, если развивать эту ло­гику до конца, по-иному идти не мог.

Слабое место таких рассуждений заключается в фактическом навязывании эволюции — задним числом — предельно узкой цели: создать именно человека с его уникальным геномом. Вероятность случайного попадания в такую крохотную мишень с расстояния в че­тыре миллиарда лет и в самом деле ничтожно мала. Однако челове­ческий геном не является единственной комбинацией нуклеотидов, соответствующей целесообразно устроенному организму сравнимого уровня сложности. Поэтому задача эволюционного процесса, если бы кто-то мог задать ее Природе, заключается не в том, чтобы попасть

' Реймерс Н. Ф. Популярный биологический словарь. М.: Наука, 1991. С. 285.

138 Глава 4. Эволюционная концепция

4.3. Биологический эволюционизм

именно в эту мишень, а в том, чтобы попасть в любую из большого множества мишеней, что уже существенно проще. Впрочем, посколь-, ку все равно нет разумного способа определить долю «целесообраз­ных» геномов среди возможных, все рассуждения такого рода оста- ются чисто спекулятивными и не обладают убедительной силой.

4.3.4.1. Станислав Лем. «О невозможности жизни»

Остроумная пародия на описанный выше способ рассуждений «зад-, ним числом» содержится в рассказе Станислава Лема «О невозмож- ности жизни»¹. Герой рассказа обсуждает вероятность своего появления на свет.

Некий военный врач во время Первой мировой войны вышвырнул за' дверь сестру милосердия, по ошибке вошедшую в палату, где он оперировал. Будь сестра лучше знакома с госпиталем, она бы не перепутала опе­рационную и перевязочную палаты, а не войди она в операционную, хи­рург бы ее не вышвырнул; не вышвырни он ее, его начальник, полковой; врач, не сделал бы ему замечание за неподобающее обращение с дамой… а не сделай начальник ему замечание, молодой хирург не счел бы нуж­ным извиниться перед сестрой милосердия, не пригласил бы ее в конди­терскую, не влюбился, не женился, так что не было бы на свете и профес­сора Бенедикта Коуски — ребенка именно этой супружеской пары.

Из вышеизложенного, казалось бы, следует, что вероятность появле­ния на свет профессора Бенедикта Коуски... определялась вероятностью того, что сестра милосердия в такой-то месяц, день и час ошибется две­рью. Но это отнюдь не так. В тот день молодой хирург Коуска вовсе не должен был оперировать; но его коллега, доктор Попихал, относил тетке белье из прачечной, света на лестнице не было, так как пробка перегоре­ла, в результате чего он свалился с третьей ступеньки и вывихнул ногу в лодыжке; Коуске пришлось его заменить. Если бы пробка не перегорела, Попихал не вывихнул бы ногу, и тогда оперировал бы он, а не Коуска; Попихал, известный своей галантностью, не употребил бы соленых сло­вечек для выдворения из операционной сестры, вошедшей туда по ошиб­ке, а не обидев ее, не счел бы нужным уславливаться о свидании; впро­чем, совершенно независимо от всяких свиданий, совершенно ясно, что из гипотетической связи Попихала с сестрой милосердия получился бы не Бенедикт Коуска, но, самое большее, некто совершенно другой, чьи шансы появиться на свет в работе не рассматриваются...

Надо принять в расчет не одно, но множество случайных совпадений: и то, что сестру милосердия направили в этот, а не другой госпиталь; и то, что ее улыбка в тени, отбрасываемой чепцом, издалека напоминала улыбку Джоконды; а также то, что в Сараеве застрелили эрцгерцога Фердинанда;

Лем С. Собрание сочинений В 10 т. М.: Текст. Т. 10. С. 252-271.

ведь не будь он застрелен, война бы не вспыхнула, а не вспыхни война, на­ша барышня не стала бы сестрой милосердия; поскольку же родом она бы­ла из Оломоуца, а хирург — из Остравы, они, вернее всего, никогда бы не встретились... Но все это справедливо также по отношению к тем предкам рода Коуски и рода сестры милосердия, которые, еще не ставши людьми, вели четверорукий образ жизни в раннем палеолите, и так далее, вплоть до расстройства желудка у мамонтов, которые пили влтавскую воду, ко­торая приобрела слабительные свойства из-за сульфатов, которые вытес­нялись из нижнеюрских пластов благодаря землетрясению, вызванному падением метеорита из потока Леонид точно на Динарское нагорье-Априорная (то есть вычисляемая до начала событий) вероятность то­го, что каждое из этих неисчислимых совпадений случится, причем в нужное время и в нужном месте (иначе не родится профессор Коуска), очевидно, равна нулю с любой разумной точки зрения. Следует ли отсю­да, что профессор Коуска (и любой другой человек, животное или расте­ние) не может существовать или что весь ход мировых событий стремил­ся к появлению на свет именно данной личности?

4.3.4.2. Случайность и закономерность в эволюционных процессах

Правильное понимание проблемы направленности эволюции заклю­чается в отказе от крайних точек зрения. Безусловно, эволюция на­правленна в том смысле, что уже сформировавшаяся конструкция организма не позволяет ему изменяться в произвольную сторону. Чем лучше приспособлен организм к данным конкретным условиям среды, чем специализированнее инструмент, которым снабдила его природа для выживания, тем уже спектр возможностей его развития. Безусловно, эволюция направленна и в том смысле, что организмы зависят от окружающей среды и вынуждены адаптироваться, под­страиваться под нее — а это диктует определенные решения, взятые из не слишком богатого арсенала. Свидетельством того, что эволю­ция «канализируется» условиями жизни, служат многочисленные примеры параллельного развития разных видов. Но направленность эволюции не абсолютна. Она все-таки предоставляет выбор на каж­дом распутье, и выбор этот делается во многом благодаря случайным факторам.

Одна из тенденций развития эволюционных представлений в по­следнее время заключается в том, что случайным факторам эволю­ции придается возрастающее значение. В качестве таковых в послед­нее время широко рассматриваются нерегулярные изменения окру­жающей среды, вызванные разнообразными причинами.

140 Глава 4. Эволюционная концепция

4.3. Биологический эволюционизм

4.3.4.3. Отчего вымерли динозавры?

Рассмотрим проблему соотношения между случайными вариациями] условий среды и закономерностями эволюционного процесса на при-i мере загадки вымирания динозавров. Около 65 млн лет назад эта раз­нообразная и процветающая группа пресмыкающихся внезапно и; полностью вымерла (п. 5.6.8). О причинах специалисты спорят уже, долгое время. Одно время наиболее приемлемой считалась гипотеза, что вымирание динозавров связано с резкими колебаниями климата и уменьшением растительной пищи в меловом периоде. Климатаческие изменения (не катастрофические) в ту эпоху действительно; имели место, но проследить причинно-следственную связь между) ними и исчезновением с лица Земли великолепных ящеров (или доказать отсутствие такой связи) очень и очень трудно. Однако в настоящее время более обоснованной представляется другая гипотеза, ] связывающая вымирание динозавров с падением на Землю гигантского астероида (около 10 км в поперечнике).

Астероидная версия была выдвинута в 1979 г. отцом и сыном Аль­варесами из Калифорнийского университета (США). Толчком к ней послужило обнаруженное Альваресом-младшим (геологом по специ­альности) аномально высокое, с превышением нормы в десятки раз, содержание иридия и других металлов платиновой группы в тонком слое — всего несколько сантиметров — на границе меловых и третич­ных отложений. Последующие изыскания подтвердили, что ириди­евая аномалия встречается повсеместно на земном шаре.

Откуда на всей планете мог появиться элемент, который редко встречается в земной коре, но которого довольно много в метеори­тах? Естественно, из астероида, упавшего на Землю. При его ударе о Землю в атмосферу было выброшено огромное количество пыли и пепла, что существенно уменьшило прозрачность атмосферы и про­дуктивность фотосинтеза в зеленых растениях (эффект «ядерной зи­мы»). В конечном счете это привело к гибели многих организмов, находившихся на верхних ярусах экологической пирамиды, в том числе и динозавров.

Первое время споры в основном шли о том, был ли астероид. По­степенно сам факт события получал дополнительные подтвержде­ния. Выяснилось, что в тех же слоях, в которых был обнаружен ири­дий, и также по всей Земле содержатся характерные следы мощного

¹ Альварес У., Азаро Ф. Удар из космоса // В мире науки. 1990. № 12. С. 32-39; Крит Д., Дурда Д. День, когда мир был сожжен // В мире науки. 2004. № 3. С. 56-63.

ударного воздействия — зерна переплавленного кварца¹. Необычно крупные их размеры, до 0,1 мм в длину, говорят о колоссальной силе удара. Наконец, в 1991 г. был обнаружен кратер Чикулуб, образовав­шийся при падении астероида. Он имеет около 180 км в диаметре, ле­жит частично на Юкатанском полуострове (Мексика), а частично — на дне Мексиканского залива и не был найден ранее именно из-за своих огромных размеров².

Дискуссия переместилась в иную плоскость. Да, падение астерои­да со всеми его последствиями имело место. Но с геологической точ­ки зрения это мгновенное событие. Между тем вымирание дино­завров продолжалось, как минимум, 2-3 млн лет, а по некоторым данным — и дольше. Значит, среди ящеров были и такие, которые пережили падение астероида, но потом все равно вымерли.

Если попытаться взглянуть на проблему шире, то выяснится, что в истории жизни на Земле массовые глобальные вымирания не ред­кость. Первое из них произошло еще в конце кембрия (п. 5.6.5), пол­миллиарда лет назад, когда вымер целый тип животных — археоциат. В каменноугольном периоде (п. 5.6.7) вымирают завоеватели суши — псилофиты. К концу пермского периода (п. 5.6.8) полностью исчеза­ют с лица Земли трилобиты, гигантские ракоскорпионы, древние иг­локожие; из растений — гигантские лепидодендроны и папоротники. Изменение земной флоры и фауны на этом рубеже столь значитель­но, что он рассматривается как граница между геологическими эра­ми — палеозоем (эрой древней жизни) и мезозоем (эрой средней жиз­ни). Известны и менее масштабные вымирания, которые, однако, так­же затрагивали довольно много крупных и разнообразных таксонов. Рассматривать в качестве единственной причины каждого такого печального события ту или иную катастрофу, будь то падение асте­роида, извержение вулкана или наступление ледникового периода, означало бы возвращение к концепции катастрофизма Кювье двух­сотлетней давности (п. 4.2), отвергнутой всем последующим разви­тием биологии. Такая точка зрения не может объяснить не только длительность вымираний, но и тот факт, что исчезают не экологиче­ские группы, а систематические. Например, после падения астероида вымерли не все наземные животные, а именно все динозавры, круп­ные и мелкие, травоядные и хищные. Этот факт можно объяснить, только приняв, что биосфера Земли, развиваясь, к началу вымирания

¹ Последствия удара // В мире науки. 1988. № 3. С. 87.

² Следы ведут в Карибский бассейн // В мире науки. 1991. № 10. С. 77.

142 Глава 4. Эволюционная кониепиия

4.3. Биологический эволюционизм 143

приходит в неустойчивое состояние, в котором достаточно небольшого воздействия для начала цепной реакции событий в том или ином направлении.

На примере проблемы массовых вымираний мы убедились, что представление о роли случайных факторов в макроэволюции можно уточнить. Эта роль особенно возрастает в периоды, когда, подчиняясь своим достаточно строгим закономерностям, развитие жизни ходит к точке, в которой теряют устойчивость те или иные формы организации. Можно предположить, что из каждой такой точки имеют ся несколько направлений выхода, несколько способов разрешений ситуации (п. 4.8.3.2). Какой из них будет реализован и определит на правление дальнейшей эволюции, решает случай (п. 4.8.3.5), например, медленное изменение климата или геологического облика планеты, внезапные катастрофические события.

4.3.5. Проблема происхождения жизни

Если столько споров и драматических историй было связано со становлением и уточнением представлений о развитии жизни, то на-сколько более волнующим и загадочным является вопрос о том, как жизнь возникла! Известны следующие основные концепции проис- хождения жизни.

4.3.5.1. Концепция божественного сотворения

Поскольку само представление о Боге как о субъекте, не подвласт-i ном законам природы, лежит за пределами науки, эта концепция мо-1 жет быть лишь предметом веры, но не рационального знания. Часть! ее сторонников пытается представить свою деятельность как науч-i ный креационизм (от лат. creatio — сотворение). На деле она сводится! к попыткам отыскать уязвимые места в научных представлениях о| механизмах эволюции и истории Вселенной. То, что такие места есть,! сомнений не вызывает. Более того, по современным представлениям,! их не может не быть (см. о «принципе фальсифицируемости» К. Поп- j пера как отличительном признаке научного знания, п. 1.7.1). Именно] вопросы, остающиеся неясными, служат потенциальными точка-; ми дальнейшего роста научных знаний. Креационисты же из име­ющихся проблем, значение которых они старательно преувеличива­ют, делают вывод о неприемлемости научных представлений вообще ' и обоснованности своих собственных. Все это похоже на рассужде­ния человека, который из того, что абсолютно белых предметов не бывает, делает вывод, что все вещи в мире совершенно черные.

4.3.5.2. Концепция вечности жизни, во Вселенной

Согласно этой концепции, которой придерживался, например, В. И. Вернадский (п. 4.5), между живым и неживым имеется непре­одолимая пропасть, так что жизнь не могла возникнуть из неживого. Отсюда логически вытекает, что жизнь не имеет начала и должна бы­ла существовать всегда.

В настоящее время концепция вечности жизни.научного интереса не представляет, поскольку, во-первых, доказано, что никакой непрео­долимой пропасти между живой и неживой природой нет. Живое подчиняется тем же законам физики и химии, что и неживое, а вся его специфика обусловлена биологическими законами, вступающи­ми в действие при достижении определенного уровня сложности ор­ганизации материи (п. 1.9). Во-вторых, выяснилось, что сама Вселен­ная существует не вечно, а условия на ранних стадиях ее развития (чудовищные температуры, отсутствие стабильных атомов, см. п. 5.1.4) полностью исключали возможность жизни в какой бы то ни было форме. Таким образом, жизнь когда-то должна была возникнуть.

4.3.5.3. Концепция непрерывного самозарождения
живого из неживого

Согласно этим древним представлениям (их придерживался еще Ари­стотель), между живым и неживым вообще нет большого различия. Поэтому образование того или иного организма из веществ, присутст­вующих в окружающей среде, есть событие достаточно заурядное и частое. Теория о возможности самозарождения «на наших глазах» бы­ла отвергнута только после двухсотлетней дискуссии, точку в которой поставил Луи Пастер. В 60-х гг. XIX в. он показал, что при надлежа­щей очистке и изоляции питательной среды от микроорганизмов, спор, яиц насекомых и т. д. никакого «самозарождения» не происходит. Од­нако и в XX в. были попытки воскресить эту архаичную концепцию.

4.3.5.4. Концепция панспермии

Согласно этой концепции, жизнь на Земле возникла из спор, зане­сенных из космического пространства. Прообраз идеи панспермии (от греческого «пан» — всё — и «спер­ма» — семя) имеется еще в учении древнегреческого философа Анак­сагора, учившего, что жизнь возникла из семени, которое существует «всегда и везде». В 1865 г. немецкий медик Г. Рихтер высказал гипо­тезу о «космическом посеве» в современной форме, а спустя двадцать лет ее уже более подробно разработал выдающийся шведский физи-

U м iy u и^ i'J