В чем был прав, а в чем ошибался Дарвин? Что такое эволюция и по каким законам она функционирует? По какой причине особи женского пола такие привередливые и чем отличается живое от неживого? Почему благодаря развитию медицины средняя продолжительность жизни сократится до 30 лет, а детская смертность возрастет до 60%, и что с этим делать? Об этом нам рассказал известный биолог Александр Марков.
Александр Владимирович Марков – доктор биологических наук, палеонтолог, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института dnhjtРАН, руководитель кафедры биологической эволюции биофака МГУ. Лауреат главной в России премии в области научно-популярной литературы «Просветитель», лауреат премии «За верность науке» Министерства образования и науки РФ в категории «Популяризатор года».
Внес вклад в развитие общей теории биологической макроэволюции и математическое моделирование макроэволюционных процессов. Автор более 180 научных публикаций и множества научно-популярных, в том числе известных книг: «Эволюция человека: Обезьяны, кости и гены», «Эволюция человека: Обезьяны, нейтроны и душа», «Рождение сложности», «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий» (в соавторстве с Еленой Наймарк). Один из авторов сайта Элементы.ру, основатель портала «Проблемы эволюции».
Александр Марков / ©gazeta
– Александр Владимирович, все слышали об эволюции, все якобы знают, что это такое. Но если выйти на улицу и задать этот вопрос, вряд ли кто-то скажет по этому поводу хоть что-нибудь вразумительное. Так что же такое эволюция?
– Этот вопрос слишком всеобъемлющий. Дело в том, что факт эволюции лежит в основе буквально всех современных биологических исследований, теорий, направлений и т. д. Это не какая-то отдельная отрасль, которая существует сама по себе. Она существует в тесной связи со всеми гранями современной биологии. Поэтому нормальный курс теории эволюции, или, лучше сказать, эволюционной биологии, рассчитан на 30–60 лекций. К сожалению, люди предпочитают примитивизированную информацию, которая позволяет им создать иллюзию, что они что-то знают и поняли. Это несколько даже обесценивает достижения науки. Но тому, кому действительно интересна данная тема и кто хочет в ней разобраться, тот не будет ограничиваться короткой информацией. А остальным, ну что ж, попытаемся помочь создать эту иллюзию. Если говорить в двух словах, то теория эволюции – это огромный комплекс знаний о том, как происходит эволюция органического мира. Факт эволюции – это абсолютно твердо установленная истина и уже давно не нуждается ни в каких дополнительных доказательствах.
– По каким законам функционирует эволюция?
– Наверное, проще всего будет ответить на этот вопрос, дав краткий обзор в историческом ключе. Современная эволюционная биология все-таки началась с Дарвина, с его работы «Происхождение видов», которую даже сегодня очень интересно читать, – она, как тогда было принято, написана живым, понятным языком. Это довольно редкий случай в истории науки, когда ученому, жившему еще в середине XIX века (в то время очень многих важнейших фактов в данном вопросе просто не было известно; например, никто не знал, что такое наследственность и как она устроена, какова природа изменчивости, почему дети похожи на родителей), удалось правильно угадать основной важнейший принцип, лежащий в основе эволюции всех живых организмов – принцип естественного отбора, на котором все зиждется и по сей день. Хотя, конечно, к основоположным идеям Дарвина сегодня добавилось огромное количество новых знаний.
Чарлз Дарвин / ©wikipedia
– Кстати, в чем ошибался Дарвин, а в чем был прав?
– Это вопрос, может быть, даже не столь интересен, потому что с тех пор, как он написал свою книгу, прошло 157 лет. Он не знал ни генетики, ни молекулярной биологии, практически ничего из того, что знает современная биология, поэтому разбираться, в чем он был не прав, не очень корректно, конечно. Он был не прав в тех рассуждениях, которые основывались на принятых в то время в науке расплывчатых представлениях о природе, скажем, наследственности. В то время никто еще не знал про гены, хромосомы, законы Менделя, что наследственность дискретна.
Поэтому Дарвин исходил из предположения о слитной наследственности – взглядов, которые существовали в то время. И для него был очень и очень сложным вопрос о том, почему организмы остаются изменчивыми. Ведь если наследственные зачатки родителей в потомстве сливаются в единую неразличимую массу, все это должно приводить к тому, что все особи в популяции очень быстро станут совершенно одинаковыми. То есть если наследственность слитна, а не дискретна, изменчивость должна очень быстро исчезать. Это было непонятно. Поэтому сказать, что представление о слитной наследственности было ошибкой Дарвина, будет нечестно по отношению к нему.
Другой пример. Во времена Дарвина была общепринятой точка зрения, что приобретенные признаки, такие как результаты упражнения и неупражнения органов, всякие там натренированные или, наоборот, атрофировавшиеся от бездействия мышцы, тоже могут наследоваться. Не были еще проведены специальные эксперименты, которые опровергли эти представления. Соответственно, Дарвин использовал это для объяснения многих фактов. Но дело не в том, в чем ошибался Дарвин, а в чем он был прав. Возьмите любого натуралиста тех лет и с высоты современных познаний мы найдем у него огромное количество «ошибок». Самое удивительное, что Дарвин, даже не зная, что такое наследственность и изменчивость, правильно угадал главный принцип естественного отбора. И на нем по-прежнему основываются современные представления. То есть действительно доказано, что естественный отбор работает, что это мощнейшая из сил. И в последние десятилетия, когда мы вошли в новую эру генетики и смогли сравнивать генетические тексты, наследственный материал разных видов, оказалось, что по этим текстам можно прямо увидеть, где именно работал естественный отбор, каков был его тип, на какие гены он действовал, с какой силой и т. д.
– Каким было дальнейшее развитие биологии?
– Первый этап – это начало XX века, когда были переоткрыты законы Менделя (принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам. – NS) и появилась классическая генетика с ее хромосомной наследственностью. Сначала многим казалось, что генетика противоречит взглядам Дарвина, потому что он писал об очень маленьких, едва заметных изменениях, а генетики изначально работали с очень сильными мутациями – всевозможными уродствами. Их легче обнаружить и изучать. Но уже к 1930-м годам стало ясно, что никакого противоречия тут нет, что существует огромное количество мутаций с малыми эффектами, что практически все признаки полигенны, то есть зависят от множества генов, которые вносят в них очень небольшой вклад. И, соответственно, это делает дарвиновскую эволюцию не только возможной, но и неизбежной. Когда узнали, что наследственность не слитна, а существуют дискретные единицы – гены, разобрались в их эффектах, стало понятно, что естественный отбор обязательно должен работать и приводить к росту приспособленности с течением времени. Это то, что предсказывал Дарвин. Сформировалась так называемая синтетическая теория эволюции (синтез генетики и учения Дарвина. – NS). Некоторые ошибочно считают ее современным состоянием эволюционной теории. Нет, и этой теории тоже уже скоро исполнится сто лет. С тех пор произошло дальнейшее мощное развитие: были проведены новые исследования, появились новые факты.
В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК в живых организмах существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z (слева направо) / ©wikipedia
– Что же было дальше?
– Следующая революция происходит в 1950–1960-е годы, когда открыли структуру ДНК и раскрыли, наконец, материальную природу наследственности, расшифровали генетический код, вывели общие принципы того, как записана наследственная информация в ДНК, как она считывается и воплощается в конкретном организме. Это был величайший прорыв – люди стали понимать, как происходит эволюция на самом глубинном, базовом уровне. И, наконец, нынешняя геномная революция, которая уже позволяет нам непосредственно читать генетические тексты и сравнивать геномы разных особей, разных видов.
Мы можем вычислить, что в последние, допустим, сто тысяч лет естественный отбор в человеческих популяциях действовал на тот или иной ген. То есть поддерживал какие‑то мутации в конкретных генах, потому что они были полезны, повышали репродуктивный успех. А в других генах, к примеру, все мутации оказывались вредными и отбраковывались. Такие вещи очень хорошо видны и можно сравнивать эволюцию в разных линиях и условиях. А еще в общую канву было сделано много очень важных дополнений. Как, например, теория нейтральной эволюции. Ведь Дарвин рассматривал прежде всего полезные случайные изменения и лишь отчасти вредные, те что должны отбраковываться отбором. Но уже в середине прошлого века стало ясно, что огромную роль в эволюции играют нейтральные мутации, которые не полезны и не вредны, но все равно что-то меняют.
Они возникают и накапливаются в популяциях и позже, как выяснилось, могут играть важную роль в эволюции. Далеко не все различия между видами имеют какой-то адаптивный смысл. Многие представляют собой просто результат свободного накопления нейтральных мутаций. Но эта случайность подчиняется очень строгим статистическим закономерностям. И, в частности, благодаря этим закономерностям, мы можем рассчитать время жизни последних общих предков. Накопление нейтральных мутаций идет постоянно. Конечно, скорость этого процесса не совсем постоянна, там есть ряд усложняющих факторов, но в первом приближении ее можно назвать одинаковой. На этом основан принцип молекулярных часов. С его помощью, сравнивая нейтральные изменения в геномах двух видов, можно сказать, когда примерно жил их последний общий предок.
– Расскажите об основных законах эволюции.
– Основной закон – это сочетание наследственности, изменчивости и дифференциального размножения. Почему происходит эволюция? Объекты, которые способны к дарвиновской эволюции, называют репликаторами. Репликатор – это такой объект, который обладает четырьмя свойствами. Первое – способность к размножению. То есть репликатор должен любыми путями способствовать производству собственных копий – других объектов, похожих на него самого. Второе свойство – изменчивость. Это значит, что копии не должны быть стопроцентно точно похожи на родительский объект. Хотя бы иногда должны возникать какие-то случайные изменения. Третье – наследственность. Это означает, что хотя бы некоторые из этих случайно возникающих отклонений должны быть наследственными, то есть передаваться по наследству следующему поколению.
Причем, чтобы репликатор мог эффективно эволюционировать, количественные показатели изменений должны быть в определенных рамках. То есть изменчивость не должна быть слишком большой, а должна обеспечивать устойчивое воспроизведение каких-то основных свойств репликаторов в ходе поколений. Если мутаций будет слишком много, то наследственная информация будет утрачиваться. И, наконец, четвертое свойство – зависимость эффективности размножения от наследственных особенностей организма. Это означает, что хотя бы некоторые из наследственных отклонений должны влиять – положительно или отрицательно – на эффективность размножения, то есть на то, сколько своих копий создаст и передаст следующему поколению данный объект. И, кстати, эффективность размножения – это не значит скорость такового, не просто плодовитость – миллион икринок наметал и все.
Надо понимать, что имеется в виду количество потомков, которых вы произвели и которые успешно дожили до собственного размножения. Эффективность размножения правильнее будет оценивать не в количестве детей, а в количестве внуков. Хотя и это тоже не идеальная оценка. Так вот, если все четыре условия выполняются, такой объект не может не эволюционировать по Дарвину, он просто обречен это делать. И окончательным доказательством этого стала расшифровка структуры ДНК. Репликатор и четыре его свойства – и есть основной принцип, лежащий в основе эволюции. А зависимость размножения от наследственных особенностей – и есть естественный отбор. Простыми словами это означает, что особи с одними наследственными особенностями размножаются эффективнее, чем особи с другими особенностями. И, соответственно, в популяции становится больше тех признаков, которые обеспечивают более эффективное размножение.
Гоминиды произошли от общего предка / ©Tim Vickers
А что такое половой отбор?
– Половой отбор – это очень интересная, специфическая форма естественного отбора, характерная для тех организмов, у которых есть разделение на самцов и самок. Половой отбор – очень яркий механизм, приводящий к весьма впечатляющим результатам. Часто признаки, которые вырабатывались в ходе эволюции для того, чтобы выглядеть привлекательно в глазах какой-нибудь бабочки, например, выглядят привлекательными и в наших глазах тоже.
Комбинации ярких красок привлекают не только у бабочек, но и у людей – в силу неких фундаментальных принципов работы нервной системы всех животных. Но перейдем непосредственно к половому отбору. Во многих случаях главная задача самца – привлечь внимание самки. Ведь чтобы эффективно размножиться нужно не только выживать, спасаться от хищников и хорошо питаться, но и найти полового партнера. Причем желательно качественного, с хорошими генами. В противном случае у вас будет слабое потомство.
Если у вас есть возможность оставить потомство от многих партнеров, то выгодно, соответственно, найти много партнеров. Но это в большинстве случаев работает только для самцов. Потому что самцы производят маленькие и дешевые половые клетки, но в огромном количестве. Тогда как самки производят крупные яйцеклетки, которых ограниченное количество. У разных видов все, конечно, очень по-разному, но базовая ситуация такова, что мужские возможности к размножению в избытке, а женские в дефиците. Поэтому самцу выгодно спариться с большим количеством самок: чем больше самок он оплодотворит, тем больше у него будет детей. А самке, наоборот, невыгодно – ей достаточно одного самца, который оплодотворит все ее яйцеклетки. От того, что она спарится с тысячей самцов, больше детей у нее не будет.
Поэтому самцы часто начинают конкурировать между собой за женское внимание, и у них вырабатываются различные адаптации, помогающие побеждать в этой конкурентной борьбе. Например, оружие – рога у оленей или жуков-оленей. Или всевозможные яркие украшения – пятна на крыльях или хвостах. А у самок, наоборот, развивается привередливость. Ведь если за нее так активно конкурируют, ей нужно быть разборчивой, чтобы не ошибиться в выборе самого лучшего партнера. Поэтому, чтобы овладеть такой самкой, самцу приходится прикладывать совершенно невероятные усилия. Особенно ярко это видно у райских птиц или таких замечательных птичек, как шалашники, которые строят настоящие дворцы из веточек, и всячески их украшают цветами, ягодами, ракушками. Подбирают для своих шалашей предметы по цвету, по размеру. Для одного из видов даже показано использование оптических иллюзий, которые используют иногда и в архитектуре, чтобы здание казалось больше, чем оно есть. Эти птицы так раскладывают камушки на площадке, чтобы самке, которая стоит в середине беседки, казалось, глядя на самца, что он крупнее, чем есть на самом деле.
Райская птица / ©SciencePop
– Тут действительно задумаешься, что интеллект – это результат не только адаптации к внешним условиям среды, но и полового отбора…
– Да, есть такая вполне уважаемая гипотеза, что скачок в развитии человеческого мозга связан в том числе или даже, возможно, в первую очередь с половым отбором. Потому что высокоразвитый интеллект – это хороший индикатор приспособленности. И самкам, быть может, выгодно использовать признаки интеллекта самца, когда она делает выбор. Так как отлично работающий мозг – хорошее окно в геном. Ведь для хорошего развития мозга нужна слаженная работа сотен и даже тысяч генов.
Если какие-то из них подпорчены, то это с большой вероятностью скажется и на интеллекте. Демонстрируя свое остроумие, красноречие и творческие способности, самец тем самым показывает самке, что у него очень хорошие гены и потомство от него будет здоровым. А еще половой отбор способен порождать положительные обратные связи. Какой-то признак может раздуваться до невероятных размеров, потому что сам факт того, что части самок нравится этот признак, делает его выгодным для самца. Соответственно, отбор поддерживает этот признак у самца.
Но выбирать этот признак становится выгодным и для других самок, потому что его унаследуют их сыновья, а значит, в свою очередь, будут нравиться большему количеству самок. Поэтому сама мода на признак делает его полезным. Получается цепная реакция и признак может разрастись до гигантских масштабов. А в эволюции человека объем мозга быстро – за 2 млн лет – увеличился в целых три раза. Поэтому не исключено, что в этом участвовал половой отбор.
– Чем живое отличается от неживого, свойствами репликаторов?
– Вы правы. Многие философы пытались ответить на этот вопрос, но сложность в том, что мы знаем только одну форму жизни, которая вся, как нам теперь известно, имеет единое происхождение, единый генетический код. Поэтому мы не знаем, какие особенности нашей земной жизни являются обязательными для жизни вообще. А поскольку NASA ищет жизнь на других планетах, и им нужно понимать, что, собственно, они должны искать – эти парни всерьез задались вопросом отличия живого от неживого. И пришли к выводу, что живой следует считать любую химическую систему, способную к дарвиновской эволюции. То есть любой химический репликатор. Под это определение не подходят компьютерные вирусы, которые тоже могли бы считаться живыми, особенно, если бы им дали возможность свободно мутировать. Но есть загвоздка – они не химического происхождения.
Внеземная форма жизни. Марка Почты СССР / ©Внеземная жизнь
– Развитие медицины привело к тому, что естественный отбор снизился. С точки зрения этики, – это прекрасно, а вот с точки зрения биологии?
– Естественный отбор – это замечательная творческая сила, которая и создала все разнообразие вокруг нас. Но с человеческой точки зрения, естественный отбор – штука крайне неприятная. И подвергаться ему никто из нас не захочет. Как когда-то, в Средние века, когда детская смертность была на уровне 60%, а средняя продолжительность жизни составляла 30 лет.
Можно предположить, что тогда выживали самые здоровые, крепкие, сильные, способные и т. д. Действовал естественный отбор и отбраковывал всякие вредные мутации. Но благодаря развитию цивилизации, действие его слабеет. Выживают люди с такими наследственными мутациями, которые бы раньше погибли. С одной стороны, это плохо для нашего генофонда – эти мутации ослабляют здоровье человечества, снижают его интеллект, более свободно копятся в генофонде.
И если ничего этому не противопоставить, они так и будут свободно копиться, люди будут все менее здоровы и более глупы. Ведь в современной цивилизации человек даже с очень низким интеллектом все равно прекрасно размножается и оставляет потомство. В некоторых обществах на некоторых этапах истории, даже в наших социумах, возникает в том числе обратная зависимость – люди с низким интеллектом размножаются лучше, чем люди с высоким. Это прямой отбор на поглупение. Что, конечно, совсем нехорошо. Потому что общество, в котором численно преобладают глупые люди, – это деградировавшее общество, в котором будут процветать насилие и жестокость, уродские социальные институты. Потому что генетическая деградация обязательно сопряжена с социальной.
– Что же можно противопоставить этому?
– Не совсем понятно, но, в принципе, в перспективе только два пути. Либо мы ничего не делаем и ситуация продолжает нарастать – наше здоровье слабеет и мы все больше зависим от врачей. Но из-за накопления вредных мутаций даже самая высокоразвитая медицина быстро перестанет справляться с возросшей нагрузкой.
И даже, несмотря на наличие колоссально развитой медицины, каждый будет всю жизнь работать только на лекарства, и все равно все будут больные и чахлые, и все равно будут умирать в 30 лет, и все равно будет детская смертность, как в Средние века. Мы вернемся к тому, что снова заработает естественный отбор. Это пессимистичный сценарий. Оптимистичный состоит в том, что наука успеет придумать эффективные методы сознательной коррекции наших геномов, чтобы взять эволюцию в свои руки, чтобы вместо естественного отбора работали высокие биотехнологии и исправляли вредные мутации в генах эмбрионов.
А в дальнейшем даже подбирали какой-то дизайн, улучшали наследственные качества будущих детей. Конечно, тут возникнет масса всяких этических, социальных и юридических проблем, но дело в том, что у нас нет другого пути. Либо возврат к средневековому кошмару, либо путь развития биотехнологий. Третьего не дано. Я очень надеюсь, что человечество выберет второй путь.
