1.1.1. Дарвиновская эволюция и прогресс в живой природе.

д.б.н. А.Ф. Топунов

Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва

ВВЕДЕНИЕ

При изучении проблемы поиска жизни (и разума) во Вселенной естественно встаёт вопрос о том, насколько широко может быть эта жизнь распространена. В формулу Дрейка, показывающую количество возможных цивилизаций во Вселенной, могут входить коэффициенты, говорящие как о вероятности возникновения жизни на планете, так и о вероятности, что жизнь дойдёт до стадии разумной. Такие расчёты пока носят достаточно условный характер и включают большое количество неизвестных параметров. Для решения задачи поиска жизни во Вселенной надо, чтобы жизнь не только возникла, но и развивалась, при этом необходимо знать закономерности этого развития. Есть ли такие закономерности вообще, и каковы они? Закономерно ли возникновение сложных (и, возможно, разумных) её форм? На что мы можем надеяться в наших поисках жизни во Вселенной?

Попробуем кратко рассмотреть современное состояние эволюционной теории в биологии. Автор заранее предупреждает, что он является дарвинистом, хотя не секрет, что в околонаучной литературе в последнее время появился крен в сторону антидарвинистских теорий. Более того, у многих возникает представление, что сейчас большинство биологов не поддерживает дарвинизм. На самом деле это не так. Как правило, биологи работают в русле дарвиновской теории, даже если они не декларируют этого (хотя, конечно, среди биологов есть и недарвинисты или люди, считающие себя таковыми). Более того, автор убеждён, что каждое новое достижение биологии укрепляет позиции дарвинизма.

Сделаем несколько вступительных замечаний. Во-первых, современный дарвинизм очень сильно отличается от дарвинизма времён Дарвина и даже от дарвинизма начала ХХ века, а его противники часто вспоминают сложности 150-летней давности, не зная (или не желая знать), что эти проблемы уже решены. Во-вторых, противники дарвинизма часто спорят с положениями, которые, по их мнению, дарвинизму присущи, хотя, на самом деле, они не являются для него обязательными, а часто приписываются просто по ошибке. Не забудем и о дискредитировавших это учение недоброй памяти Лысенко и его приспешниках, называвших своё учение "творческим дарвинизмом", будучи чистой воды ламаркистами.

Второе замечание, которое хотелось бы сделать. Тремя китами дарвинизма являются: наследственность, изменчивость и отбор. Большинство даже антидарвинистов не отрицает существование этих принципов и признаёт, что эти явления существуют в природе. Отличие их позиции заключается либо в утверждении, что этих принципов недостаточно, либо в неоправданном гипертрофировании тех или иных позиций.

Вначале скажем несколько слов о проблеме происхождения жизни, тем более, что некоторые принципы дарвинизма начали действовать ещё в "предбиологический" период.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Для многих именно проблема происхождения жизни кажется наиболее сложной. Они считают, что наука не может объяснить, каким образом жизнь могла возникнуть на Земле. Обычные возражения: вероятность естественного возникновения сложных биологических систем слишком мала, а времени от возникновения Земли до появления первых живых организмов недостаточно для осуществления этого процесса. Альтернативы: панспермия - перемещение живых организмов из космоса или воздействие какого-то внешнего фактора (чаще всего - сознательного). Однако панспермия вообще не является альтернативой, поскольку просто переносит процесс происхождения жизни с Земли на другую планету. Для принятия же второго предположения надо убедиться в невозможности происхождения жизни естественным путём. А такая невозможность далеко не является доказанной.

Теперь об упомянутых возражениях. Что касается вероятности, то здесь происходит заведомо неправильная её оценка. Разумеется, вероятность сборки даже простейшей клетки из молекул практически равна нулю. Но ведь никто и не утверждает, что клетка возникла с нуля. Этому предшествовало много этапов.

Мы пока не знаем вероятностей всех этапов, но чем на меньшие стадии мы их разбиваем, тем, как правило, более вероятным становится процесс при его рассмотрении, а вероятность некоторых этапов просто равна единице. Мнение же о том, что времени для возникновения жизни на Земле было недостаточно, является эмоциональным и ничем не подкреплённым. А почему не считать, что его было даже слишком много? Во всяком случае, о сроках можно будет говорить лишь тогда, как будут выяснены механизмы всех этапов происхождения жизни.

Что же это за этапы? Автор считает, что наиболее логичным было бы следующее деление, хотя вариантов их классификации может быть много.

1) Возникновение мономеров основных биополимеров (аминокислот, азотистых оснований и т.д.). Этот этап не только объяснён, но и неоднократно экспериментально осуществлён. По-видимому, он просто обязателен для химической эволюции.

2) Полимеризация мономеров. Здесь ситуация несколько сложнее. Этап осуществлён экспериментально, но в условиях, по мнению многих, не типичных для первобытной Земли. Однако и здесь уже выдвинуты предположения, позволяющие разрешить это противоречие.

3) Возникновение оптической изомерии биомолекул. Процесс пока не ясен до конца, однако показано, что в некоторых случаях оптическая изомерия возникает обязательно, а в других случаях известно, какие трудности надо преодолеть, чтобы объяснить этот этап.

4) Возникновение ферментативного катализа и основанной на нём системы биологического обмена веществ. Вероятно, оно является результатом естественного развития системы химических реакций. В соответствии с концепцией А.П.Руденко именно эволюция каталитических систем являлась той стержневой линией, на которую "нарастали" другие составные части предбиологических, а затем и биологических объектов.

5) Возникновение фазовой обособленности. Легко достигается экспериментально, часто происходит самопроизвольно, и похоже, что также является обязательным.

6) Возникновение аппарата наследственности (генетического кода и матричного синтеза). Самый сложный этап для объяснения. Хотя выдвигались различные гипотезы, ни одну из них нельзя пока считать достаточно убедительной.

Как видно, многие этапы уже объяснены, а если какая-то стадия нам не ясна (например, возникновение аппарата наследственности), то это не значит, что мы должны опускать руки и бросать попытки её объяснения. Кстати, добавим, что указанные стадии могли идти не одна после другой, а параллельно, более того, возможно, что в разных частях Земли один и тот же этап мог начинаться и осуществляться в разное время и по-разному. Может быть, такое предположение позволит разрешить некоторые сложности.

В заключение этого раздела отметим, что такие принципы дарвинизма, как изменчивость и отбор, действовали уже на ранних этапах предбиологической эволюции, и лишь наследственность, по-видимому, возникла позднее. И среди биополимеров, и среди систем наследственности, которых могло быть несколько, оставались лучшие, сохранившиеся у живых организмов, к эволюции которых мы и переходим.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ДАРВИНИЗМА

Полтора века существования дарвинизма можно условно разделить на три этапа, примерно по 50 лет каждый. На каждом из них дарвинизм, как творческое учение, впитывал в себя все новые достижения биологии и благодаря такому обогащению удавалось объяснить проблемы, которые ранее казались трудно -, а иногда и вообще необъяснимыми.

Первый этап связан с именем самого Дарвина и его первых последователей. Дарвиновская теория была создана для объяснения огромного фактического материала, который к тому времени накопился в биологии. Было известно потрясающее разнообразие живых организмов с разными уровнями сложности, да и сама эволюционная идея уже не была для биологов чем-то абсолютно чуждым. Была необходима теория, которая привела бы действительно огромный материал в порядок, в первую очередь, смогла бы убедительно объяснить причины возникновения разнообразия живых организмов. Дарвину это удалось.

Если кратко, то классический дарвинизм объяснял эволюцию так: в любой популяции в результате изменчивости появляются организмы, различающиеся по своим признакам, а благодаря отбору выживают и дают потомство лишь те из них, которые являются наиболее приспособленными к данным условиям, причём признаки, благодаря которым они имеют преимущество, передаются потомкам. Отметим позиции, на которых настаивал Дарвин и которые до сих пор оспариваются его противниками. Это, во-первых, случайная ненаправленная изменчивость и, во-вторых, ненаследуемость признаков, приобретённых организмами при жизни (мышцы культуристов не передаются детям и им нужно "раздувать" их заново). Здесь Дарвин разошёлся с Ламарком, и именно ламаркистские взгляды были возрождены школой Т.Д.Лысенко. Однако классический дарвинизм не смог объяснить всех вопросов (например, механизм возникновения наследственных изменений). Остаётся удивляться, как в то время Дарвин смог предвидеть многое, что было объяснено лишь в последние годы.

Второй этап дарвинизма, характерный для первой половины ХХ века, ознаменовался союзом с генетикой, чьё возникновение как науки совпало с началом века, когда были переоткрыты законы Менделя. В начале развития генетики многие полагали, что она даёт серьёзные возражения против дарвинизма. Была создана так называемая "мутационная теория", по которой все изменения в живых организмах происходят резко благодаря мутациям, а постепенные медленные изменения уже не столь важны. (Потом стало ясно, что мутации дают дополнительный генетический материал, который отбирается в случае необходимости.) Однако уже в 20-е годы возникает синтез генетики и дарвинизма - "синтетическая теория эволюции", с определёнными изменениями действующая и сейчас. Создание же школой Моргана хромосомной теории наследственности превратило ген из абстрактной единицы наследственности в реальную структуру (хотя пока ещё и неизвестной природы), находящуюся в реальных образованиях - хромосомах.

Существование генов как единиц наследственности позволило объяснить явление "неразбавления" признаков, когда признак передаётся через поколения, несмотря на смешивание с особями, у которых этот признак отсутствует. Этот факт волновал и Дарвина, который не смог дать ему хорошего объяснения. Теперь стало ясно, что признаки не разбавляются, а либо передаются потомству, либо нет, и не проявляющийся в течение многих поколений признак может всплыть у отдалённых потомков.

"Синтетическая теория эволюции" использовала и достижения так называемой популяционной генетики. Было показано, как взаимосвязь четырёх факторов эволюции (сформулированных С.С.Четвериковым): мутации, изменения численности популяции, изоляция и отбор, - позволяет объяснить такие факты, как сохранение нейтральных мутаций (до сих пор некоторыми рассматриваемое как противоречащее дарвинизму, хотя его неизбежность вытекает из правильно применённой математики) или распространение рецессивных признаков на границах ареала. Иногда сохраняются и признаки, кажущиеся просто вредными. Например, в Африке распространено такое заболевание, как серповидно-клеточная анемия. Из-за замены всего одной аминокислоты в гемоглобине эритроциты изменяют форму и слипаются, что приводит к резкому ухудшению функции крови. Казалось бы, такая мутация давно должна быть уничтожена естественным отбором. Однако всё не так просто. Оказывается, если организм гетерозиготен (то есть получил от одного из родителей нормальный, а от другого - мутантный ген), то он более устойчив к малярии, и поэтому на популяционном уровне выгодно сохранять эту мутацию в зонах распространения болезни.

В первой половине ХХ века появились и работы о размерах генов. Ещё не зная химической природы гена, было показано, что размер его части, которая может измениться в результате мутации, составляет всего порядка 10 атомов. А поскольку причиной мутаций могут быть различные типы излучений, то стало ясно, что здесь мы имеем место с квантово-механическими размерами и должны учитывать законы квантовой механики. Именно это явилось объяснением случайной ненаправленной изменчивости в дарвинизме, которая противостоит целенаправленным изменениям в некоторых других эволюционных теориях. Более того, когда биологи научились получать искусственные мутации, удалось показать, что их возникновение - действительно случайный процесс, который может быть просчитан. Удалось рассчитать, каким образом изменение интенсивности излучения будет влиять на частоту мутаций. При этом меняется частота, а не направленность мутаций, что ещё раз подчёркивает правильность идеи о ненаправленности таких изменений у живых организмов.

Кстати, возражения против случайности используемых в эволюции изменений генома и сейчас встречаются достаточно часто. Для многих неприемлемо само признание факта вероятностной, непредсказуемой изменчивости (а, значит, и эволюции). Здесь можно лишь сказать, что в природе есть очень много вероятностных процессов. Можно сокрушаться по тому поводу, что мы не можем точно предсказать результат бросания монетки или вращения рулетки, однако мы можем рассчитать вероятность того или иного результата. Здесь то же самое. Мы не можем с абсолютной точностью предсказать, какие изменения произойдут у разных организмов, но мы можем попытаться рассчитать вероятность таких изменений и предположить, при каких условиях среды эти изменения окажутся выгодными. И это не так уж мало. Как говорится, истинное незнание намного лучше ложного знания.

Третий этап дарвинизма начался во второй половине ХХ века с возникновением и развитием молекулярной биологии. Всё началось с определения в 1954 г. структуры ДНК - знаменитой "двойной спирали" Уотсона и Крика, что позволило объяснить механизм копирования генов в живых организмах. В последующие годы биология достигла потрясающих успехов: был расшифрован генетический код, показана его универсальность, выяснено, как кодируется структура белков, синтезируемых в организме. Совсем недавно удалось прочитать уже весь геном человека. Отметим, что и выяснение того, что именно ДНК является "веществом наследственности" - также сравнительно недавнее открытие. Это было установлено только в 1944 г. работами американского биолога Эвери. Поэтому неудивительно, что и Н.К.Кольцов при выдвижении гипотезы матричного синтеза гена (1929 г.), и А.И.Опарин при создании теории происхождения жизни (1924 г.) на первое место ставили белок. Ведь и то, и другое событие произошло задолго до работ Эвери.

Переход биологии (и дарвинизма) на молекулярный уровень позволил решить ещё несколько проблем. В 20-е годы Н.И.Вавиловым был открыт закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, который говорит о том, что у близких видов (а иногда и более крупных групп) можно найти сходные формы. Для многих это стало доводом против дарвинизма, так как они увидели здесь признак направленной изменчивости. Выяснение молекулярной природы гена показало, что у близких видов и строение генома должно быть сходным, поэтому возникновение похожих изменений у них является очень вероятным.

Важным положением современной науки является так называемая "центральная догма молекулярной биологии", говорящая о том, что наследственная информация может передаваться лишь от нуклеиновых кислот к белкам, а не наоборот. Это доказывает правильность другого важного положения дарвинизма --- о невозможности наследственной передачи приобретенных признаков. Ведь если признак отразился лишь в структуре белков живого организма и не закрепился в геноме, то он не будет передан потомству. Открытие в 1982 г. прионов (инфекционных агентов, не содержащих нуклеиновых кислот) в этом плане ничего не изменило. Прионы не переносят информацию с белка на ДНК, а лишь изменяют свойства одного из белков зараженного организма, превращая его в инфекционный, ген же, кодирующий этот белок, имеется в геноме и здорового организма.

ЕЩЁ О ВОЗРАЖЕНИЯХ АНТИДАРВИНИСТОВ

Одно из часто выдвигаемых возражений состоит в следующем. Многие не верят, что маленькие изменения у организмов могут иметь реальные преимущества для естественного отбора. Однако это возражение неубедительно. Во-первых, что такое маленькое изменение? Мутация всего одного гена может вызвать резкое изменение окраски (например, с чёрной на белую). Таким же "небольшим" является изменение, приводящее к упоминавшейся выше серповидноклеточной анемии. Во-вторых, естественно, что любой признак даёт не абсолютное, а статистическое преимущество. Так, было экспериментально доказано, что бабочки даже с небольшими различиями в окраске по-разному поедаются птицами.

Ещё одно из "возражений". Почему на Земле существуют одновременно и развитые и примитивные виды? При этом забывают о двух видах прогресса в живой природе, которые называют: биологическим - способность вида успешно размножаться даже при низкой организации и морфо-физиологическим, связанным со сложностью строения организма. В любой "экологической нише" живёт организм, который к ней лучше всего приспособлен, а это может быть и таракан и шимпанзе. Добавим, что и с точки зрения морфо-физиологического прогресса на Земле есть несколько вершин эволюции, а вовсе не одна (млекопитающие), как полагают многие. В связи с этим упомянем работу современного российского биолога Б.М.Медникова по компьютерному моделированию эволюции. В его работе, как и в природе, имела место прогрессивная эволюция, то есть из примитивных возникали более развитые организмы. При этом в программу не нужно было вводить какие-то дополнительные факторы, отсутствующие в современной дарвиновской теории.

Заблуждением является точка зрения, что дарвинизм выступает лишь за внутривидовую борьбу и не признаёт внутривидового сотрудничества. Совсем наоборот! Дарвинизм постулирует важность выживания не отдельного организма, а популяции, поэтому группы, содержащие помогающие друг другу организмы, часто имеют серьёзные преимущества. Полезным может быть и межвидовое сотрудничество, в том числе и такая его форма, как симбиоз. Есть достаточно убедительная гипотеза, что сами клетки высших организмов (растений и животных) возникли в результате симбиоза, а входящие в их состав органеллы (митохондрии и хлоропласты) когда-то были самостоятельными организмами.

Кстати, и человек возник в группе коллективных животных - приматов. В связи с этим выскажу мысль, которая из обсуждаемых ближе всего к теме поиска внеземных цивилизаций. Автору кажется, что если бы разумное существо по какой-либо причине не возникло среди приматов, то на Земле есть ещё несколько претендентов, которые вплотную подошли к рубежу разумности (а, может быть, частично и перешли его). Это должны быть организмы, во-первых, достаточно умные индивидуально, а, во-вторых, коллективные. Таковыми, по мнению автора, являются: дельфины, слоны, псовые и врановые.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автор достаточно много говорил о возражениях против дарвинизма, выдвигаемых его противниками. Какие же позитивные альтернативы выдвигаются ими? По мнению автора, таких альтернатив нет. Всё, что предлагается, является по сути перефразировкой взглядов, высказывавшихся много лет назад. Почти всегда эти авторы считают необходимым добавление к эволюционной теории чего-то, что называется то "стремлением к прогрессу", то некоей "дополнительной программой", необходимой для развития живых организмов. При этом, как правило, предлагающие их авторы не могут ни сформулировать, что такое "стремление к прогрессу", ни объяснить, как действует "дополнительная программа", ведь для этого нужно связать туманные формулировки с конкретными данными, полученными современной наукой, а этого сделать и не удается.

Хочу сказать несколько слов о гипотетической "надпрограмме", которая, по мнению некоторых, задаёт направление биологической эволюции. Я не буду говорить о супер-программе, определяющей развитие Вселенной (неважно, что это за программа). Ведь когда мы говорим о биологической эволюции, то имеется в виду локальная "надпрограмма", или её локальная биологическая функция, осуществляющаяся через управление генетическими программами конкретных организмов. А здесь есть уже конкретные вопросы. Генетическая программа любого организма представляет собой комплекс, состоящий из больших, но молекул с определёнными свойствами, то есть наша гипотетическая "суперпрограмма" должна воздействовать на эти молекулы. Оказать же воздействие на молекулы могут вполне определённые факторы: другие молекулы или атомы, различные излучения, изменение температуры и давления и т.д. Возникает вопрос: через какие из этих воздействий происходит управление геномом живых организмов и где, соответственно, находятся источники излучения, резервуары химических реагентов и всё остальное, что может воздействовать на геном. Если всё это находится в клетке, то незачем говорить о всеобщей "надпрограмме", это просто управляющий комплекс, являющийся составной частью самого генома. К тому же в этом случае вообще непонятно, чем эта "надпрограмма" лучше известной нам генетической, поскольку ни по размерам, ни по сложности она не может её принципиально превосходить. Если же действующие факторы "надпрограммы" находятся вне организма, то возникает вопрос о том, как они переносятся на большие расстояния, как обеспечивается избирательность их воздействия и т.д. В противном случае факторы "надпрограммы" ничем не отличаются от обычных природных факторов, действующих на геном, и мы возвращаемся к ненаправленной изменчивости дарвинизма.

Автор вовсе не хочет сказать, что старания антидарвинистов бесполезны. Они нужны для выявления слабых мест эволюционной теории и активизации исследований в этих направлениях, а иногда и для получения новых доводов в пользу дарвинизма. Причем автор не отрицает наличия проблем в современной биологии. Он просто говорит о том, что эти проблемы решаются и у него есть уверенность, что этот процесс будет продолжаться.

Противники дарвинизма часто утверждают, что дарвинизм не объясняет прогресса в живой природе. Нам кажется, что всё сказанное выше доказывает обратное. Для объяснения видового разнообразия не нужно придумывать какие-то дополнительные факторы, требующие эволюции идти по определённому маршруту. Живая природа сама находит путь, по которому ей идти. После возникновения на планете жизни её дальнейшая эволюции практически неизбежна, а вероятность дойти до высокоразвитых организмов очень высока.