Шон Кэрролл - Приспособиться и выжить!
Большой барьерный риф Австралии, без сомнения, является одним из величайших чудес природы. Он простирается почти на 2 тыс. км вдоль восточного берега континента и представляет собой самую крупную на Земле структуру, созданную живыми организмами и единственную видимую с Луны.
Это великое чудо природы приводило в изумление многих великих натуралистов, которые задавались вопросом: откуда оно взялось? Как возникло такое невероятное разнообразие форм жизни?
В начале XIX в., когда геология стала бурно развиваться и искать естественные объяснения происхождения различных типов ландшафтов, все в основном сходились на том, что коралловые рифы возникают на вершинах кратеров подводных вулканов. Казалось, подобный механизм вполне логично объяснял возникновение округлых коралловых островов в южной части Тихого океана, окружающих лагуны с кристальной голубой водой. Однако в геологии и, как мы вскоре увидим, в биологии внешние проявления могут оказаться обманчивыми. Идея о вулканическом происхождении коралловых рифов была опровергнута. Догадайтесь кем.
Если вы скажете, что Дарвином, будете совершенно правы.
За 20 лет до выхода книги «О происхождении видов» в двух своих трудах (сначала в «Журнале исследований по геологии и естественной истории различных стран, посещенных в ходе кругосветного путешествия на Бигле», более известном как «Путешествие на Бигле» (1839), а затем в более развернутом виде в «Структуре и распределении коралловых рифов» (1842)) Дарвин дал новое объяснение образования всех типов коралловых рифов, включая Большой Барьерный риф. У его теории по меньшей мере два важных аспекта. Во-первых, она верная. Идею Дарвина не принимали и опровергали на протяжении многих десятилетий, но в конечном итоге он (снова!) оказался прав. Во-вторых, смелость Дарвина, его умение теоретически рассуждать о длительных процессах, которых никто не мог увидеть своими глазами, и способность делать общие выводы на основании отдельных наблюдений стали основой его подхода к возникновению всего живого.
Дарвин отверг вулканическую теорию происхождения коралловых рифов, так как сомневался в возможности существования кратеров столь большого диаметра, чтобы они могли охватить некоторые крупные атоллы, а также в том, что под водой могло возникнуть такое скопление больших вулканических кратеров, на месте которых появились протяженные цепи атоллов. Дарвин также указал на то, что вулканическая теория слишком атоллоцентрична и не объясняет происхождение двух других форм — окаймляющих рифов, окружающих океанические острова, и барьерных рифов, окружающих острова с лагунами. Дарвин предположил, что все три варианта рифов являются последовательными стадиями одного и того же процесса (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Образование кораллового рифа. Дарвин предположил, что три основные формы рифов являются последовательными стадиями одного и того же процесса. Сначала вокруг острова возникает окаймляющий риф; по мере оседания суши он превращается в барьерный риф, окружающий остров вместе с лагуной. В конечном итоге поверхность суши погружается под воду, и риф превращается в окружающий лагуну атолл. Рисунок Лианн Олдс.
В соответствии с идеей Дарвина сначала вдоль берегов нового острова возникает окаймляющий риф. Затем, по мере того как остров оседает, риф продолжает расти, превращаясь в барьерный риф и образуя лагуну вокруг острова. И наконец, когда остров скрывается под поверхностью океана, возникает атолл.
Рост большинства кораллов и погружение островов нельзя увидеть глазами: крупные кораллы растут не более чем на 5 мм в год. Однако Дарвин сумел оценить кумулятивный эффект постепенных изменений, происходящих за длительный период времени, что позволило ему выстроить свою теорию. А через 20 лет после возникновения этой теории он по-новому объяснил происхождение невероятного разнообразия обитающих здесь видов.
Геологическая и биологическая теории Дарвина основаны на широкой экстраполяции — от едва заметных постепенных изменений до крупных превращений, от настоящего в прошлое и от простых форм к более сложным. В значительной степени несогласие с теорией Дарвина связанно именно с сомнениями в обоснованности подобных экстраполяций (в частности, с неприятием идеи «сложения» эффектов на протяжении длительного отрезка времени). Я в своей книге тоже нередко прибегаю к экстраполяциям. Например, я рассказывал о том, что незначительные изменения зрительных пигментов позволяют организмам адаптироваться к изменению освещенности в их среде обитания. Я надеюсь, что после прочтения предыдущих пяти глав у вас не осталось сомнений относительно реальности естественного отбора. В этом и состоит главная задача этой книги — устранить все сомнения. Но вы, возможно, все еще захотите мне возразить: допустим, все это верно в отношении небольших изменений уже существующих сложных структур, но как и из чего этот самый глаз впервые возник?
Это нужный и важный вопрос.
Эволюция сложных структур долгое время была в центре внимания биологов и оставалась прибежищем противников эволюции. Довольно часто случается, что люди признают вариабельность и эволюцию внутри существующих видов (то есть «микроэволюцию»), но отказываются экстраполировать этот процесс на происхождение новых видов и эволюцию сложных признаков, выходящих за пределы вариаций внутри вида («макроэволюция»). В некоторых штатах США дело доходит до того, что в учебниках по биологии заклеивают соответствующие страницы (см. главу 9).
Чтобы объяснить, каким образом естественный отбор создает органы «чрезвычайного совершенства и сложности», Дарвину пришлось оперировать очень большими временными интервалами. Объяснение Дарвина было блестящим, но оно основывалось на экстраполяции от простого к сложному, а не на эмпирических знаниях об истории формирования глаза. Подробности образования и эволюции таких сложных структур в то время не были известны и продолжали оставаться тайной на протяжении большей части следующего столетия.
Но сегодня ситуация изменилась.
За последние 20 лет были получены прямые доказательства того, как возникли и развивались сложные структуры, в частности в организме животных. Это новое понимание появилось в основном благодаря успехам биологии развития, науки, которая изучает процесс превращения единственной клетки (яйца) в сложный организм, состоящий из миллиардов или триллионов клеток. Развитие организма теснейшим образом связано с эволюцией формы, поскольку все вариации и изменения формы сопровождаются изменением развития. Исследования в области эволюционной биологии развития (сокращенно эво-дево, от англ. evolution of development) привели ко многим неожиданным и важным открытиям, касающимся эволюции сложных организмов и их частей, и эти открытия лишают противников эволюции последних аргументов[18].
В этой главе я расскажу о некоторых наиболее важных открытиях в области эволюционной биологии развития, относящихся к эволюции сложных структур у животных. Я объясню, каким образом понимание процесса развития позволяет установить происхождение сложных структур, а сравнение путей развития разных организмов помогает понять эволюцию сложных признаков. Я сконцентрируюсь на описании особой группы генов, ответственных за построение тела и органов, а также на той части заключенной в ДНК информации, о которой я пока еще не рассказывал, но которая играет ключевую роль в понимании эволюции формы.
Внешность обманчива: у всех животных один и тот же набор генов для построения тела и органов
Животные, которых я увидел на Большом барьерном рифе, были представителями многих ветвей эволюционного древа. Из 35 основных групп, или типов, животных здесь встречаются кишечнополостные (кораллы, морские анемоны), губки, моллюски (кальмары, осьминоги), членистоногие (крабы), иглокожие (морские звезды и ежи), а также позвоночные (акулы, костные рыбы, морские черепахи и киты). Многие из этих животных характеризуются какими-то уникальными особенностями (панцири черепах, щупальца осьминогов, раковины моллюсков, клешни крабов и т. д.), однако у всех есть органы, необходимые для одних и тех же целей, например, глаза.
Нет сомнений в том, что глаза приносят пользу своим владельцам. Однако многих биологов со времен Дарвина удивляло разнообразие устройства глаз в царстве животных. Человек и другие позвоночные обладают глазами камерного типа с единственным хрусталиком. Крабы и другие членистоногие имеют сложные (фасеточные) глаза, в которых зрительную информацию независимым образом собирает множество отдельных зрительных ячеек. Осьминоги и кальмары, хотя и не являются нашими родственниками, тоже имеют камерные глаза, а вот у их более близких родственников, двустворчатых моллюсков, глаза бывают трех типов: камерные глаза с единственным хрусталиком, зеркальные глаза с хрусталиком и отражателем, а также сложные глаза, составленные из 10–80 ячеек.
