Теория эволюции: от Дарвина до «нейлоновых» бактерий

Чарльз Дарвин родился в 1809 году в Шрусбери в Англии. Его отец Роберт был врачом, мать Сюзанна финансистом. В 16 лет Дарвин помогал отцу, работая в больнице для бедных. Затем он обучался медицине в Университете Эдинбурга, но вскоре бросил медицину, и отец отправил его в Колледж Христа в Кембридже. Там он готовился стать англиканским священником. В те годы Дарвин не сомневался в буквальной правдивости Библии. Вплоть до своего путешествия вокруг света на корабле «Бигль» Дарвин был ортодоксальным верующим и цитировал священный текст в вопросах морали. В Кембридже он увлекся коллекционированием жуков, а позднее стал близким другом Джона Хенслоу, ученого, который рассматривал натурализм как природную теологию: изучение Бога через Творение. Именно Хенслоу познакомил молодого ученого с капитаном Фитцроем, с которым он отправился в знаменитое путешествие, изменившее представления о развитии жизни.

Дарвин исследовал разнообразие живых организмов, и его тщательные наблюдения в итоге перевернули картину мира. Вернувшись из путешествия, ученый уже не мог относиться к Библии, как к историческому документу. Тогда же его волновал вопрос: «Почему не считать все религии верными в равной степени?». И хотя Дарвин все еще продолжал верить, что Бог — творец законов природы, он понимал, что именно естественный отбор является причиной адаптации организмов к окружающей среде. Он не мог представить, что всесильный и милостивый Творец умышленно создал столь чудовищное явление — наездника, насекомое, парализующее гусеницу, с тем чтобы отложить в нее свои яйца. Личинки наездника вылуплялись внутри гусеницы и пожирали ее живьем изнутри. Естественный отбор это легко объяснял. В 40 лет Дарвин перестал ходить в церковь, а в 70 считал себя агностиком.

Один из классических примеров эволюции — знаменитые «вьюрки Дарвина». На Галапагосских островах Дарвин обнаружил огромное разнообразие видов вьюрков, которые были похожи между собой, однако разительно отличались формой клюва. У одних вьюрков клюв был приспособлен для поедания более крупной пищи, а у других — более мелкой или промежуточной. Создавалось впечатление, что когда-то на острова залетел один вид вьюрка, который дал начало остальным видам.

Дарвин пришел к заключению об эволюции вьюрков, не имея таких современных научных средств, как методы генетического анализа. Ему было достаточно внимательных наблюдений за природой и закономерностями в ней. Сегодня его гипотезы подтверждаются новыми исследованиями. Две статьи в ведущих мировых научных журналах Nature и Science говорят об обнаружении генов, связанных с изменением размеров клюва у вьюрков. Это молекулярно-генетическая основа того разнообразия, которое наблюдал Дарвин. Другое исследование, опубликованное в журнале Science, подтвердило его гипотезу о естественном отборе. Когда во время современных наблюдений на Галапагосских островах поселился новый крупный вид вьюрка, размер клюва у уже имевшихся обитателей острова стал уменьшаться из поколения в поколение: вьюрки с малыми размерами клюва могли избежать конкуренции с новым видом, что давало им преимущество.

Вот как выглядят эволюция и отбор в современном представлении. Мы наблюдаем в природе и в лаборатории случайные мутации в разных генах. Эти мутации передаются от родителей их потомкам. Представим себе, что мутация испортила важный ген и организм стал хуже прятаться или убегать от хищника, стал легкой добычей. С большой вероятностью такой организм съедят до того, как он оставит потомков, и мутация не сохранится. Это называется отрицательный отбор — процесс устранения вредных мутаций за счет вероятной гибели их носителей. Представим себе, что есть бактерия, живущая на берегу лужи, полной побочных продуктов синтеза нейлона (далее просто «нейлон»), которые сливает туда химическая фабрика. Вокруг лужи хватает еды, но полно конкурентов — других бактерий, которые пытаются нашу бактерию отравить, съесть или просто отобрать у нее крошку хлеба. Если в одном из потомков нашей бактерии произойдет мутация, которая не мешает жить и бороться с конкурентами, то эта мутация, возможно, будет передана в следующие поколения — отрицательный отбор этому не мешает. Таким образом, хотя вредные мутации устраняются отрицательным отбором, безвредные мутации постепенно накапливаются. Вот в одной из миллиардов бактерий происходит полезная мутация: бактерия получает возможность расщеплять нейлон на съедобные вещества, пусть даже неэффективно. Новая бактерия-мутант начинает питаться нейлоном из лужи и больше не конкурирует с прежними врагами за пищу. Мутации продолжают накапливаться, создавая разнообразие бактерий. Те бактерии, которые расщепляют нейлон лучше других, размножаются быстрее. Полезная мутация, случившаяся один раз, уже через пару недель обнаруживается у миллионов, а может, и миллиардов ее успешных потомков — происходит положительный отбор.

Пример про «нейлоновую» бактерию не является выдуманной историей. Это событие, которое действительно произошло на глазах у современных ученых: с момента появления нейлоновой промышленности прошло всего 70 лет, а с открытия «нейлоновых» бактерий, эволюционировавших из флавобактерий, чуть более тридцати. Ученые из Университета Осаки попытались воспроизвести похожую эволюцию в лаборатории. Взяв другой вид бактерий и поместив его в условия, обедненные питательными веществами, но богатые продуктами промышленности нейлона, они со временем вывели еще один вид «нейлоновых» бактерий. Не удивительно, что у этих бактерий обнаружили совершенно другой фермент с другим набором мутаций, ведь мутации по большому счету происходят случайно и эволюция редко идет дважды по одному и тому же пути.

Существует огромное количество доказательств эволюции и естественного отбора. Кроме упомянутой «нейлоновой» бактерии и вьюрков ученые наблюдали возникновение в ходе эволюции новых видов комаров, чаек, саламандр, пеночек и других организмов. Об эволюции свидетельствуют так называемые переходные формы. Например, ихтиостега, ископаемое животное длиной около полутора метров, жившее примерно 360—370 миллионов лет назад, с легкими и жабрами, перепончатыми лапами — одна из многих переходных форм от рыб к амфибиям. Хвостовая косточка человека — остаток прежнего хвоста, или глаза у некоторых слепых животных — рудименты, также свидетельствующие об эволюции. Есть «молекулярные рудименты» — почти все животные, кроме морских свинок и приматов (людей и обезьян), умеют производить витамин C. В 1992 году ученые сделали предсказание на основе теории эволюции, что неработающие варианты генов, ранее отвечавших за синтез витамина C, найдутся у приматов и морских свинок. Эти рудиментарные гены (псевдогены) были найдены.

Есть атавизмы — у организма иногда проявляется признак, который был у предков, но впоследствии исчез. Например, волосы по всему лицу или даже небольшой хвост (до 5 позвонков!) у человека (даже известен случай, когда такой хвост наследовался от матери к дочери), задние конечности у китов и дельфинов. C помощью мутаций можно включить у курицы гены, отвечающие за рост зубов, и получить «зубатую» птицу — гены, связанные с ростом зубов, оставшиеся у птиц со времен их предков, в целом сохранились, но не работают, как раньше.

Возможно, вы видели фильм креационистов про «банан, который идеально создан для человека, так как хорошо ложится в его руку, а значит, создан разумным Творцом». Современный банан не имеет ничего общего с дикими бананами, которые росли до появления сельского хозяйства. Дикий банан, который мог расти в «райском саду» 6 тысяч лет назад, — маленький, черный, сморщенный, с косточками и едва съедобный. А современный желтый банан — продукт искусственного отбора, который аналогичен естественному отбору и служит доказательством эволюции, а не опровержением.

На перечисление всех известных фактов, свидетельствующих об эволюции, не хватит и целого учебника, не говоря уж о статье. Возможно, если когда-нибудь найдут останки человека времен тираннозавров, теорию эволюции придется радикально пересмотреть, но сегодня она соответствует всем имеющимся данным. Остается лишь снова восхититься умом и эрудированностью человека, который смог взглянуть на мир под новым углом, сложить воедино огромное количество фактов и создать теорию, которая опровергла взгляды его времени и все еще остается актуальной.