1. Биологическая эволюция
1.1. ОТ НАЧАЛА ВСЕГО ДО ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
О ЭВОЛЮЦИИ
ЭВОЛЮЦИЯ – (от лат. evolutio развёртывание), в широком смысле синоним развития; процессы изменения, протекающие в живой и неживой природе, а также в социальных системах. Этим термином называют весь процесс развития, который состоит из достаточно плавных периодов и резких революционных периодов. Иногда этот термин употребляют для названия только плавных периодов развития. Но это особенности устройства языка – не всё в нем достаточно логично, как и в самой эволюции. Она есть ненаправленный процесс.
Многообразие и единство жизни – в равной степени поразительные и очень много значащие особенности живого мира. Существует ли вразумительное объяснение причины такого колоссального многообразия живых организмов на Земле?
Идею эволюции нельзя считать только одной из гипотез, объясняющей мироустройство. Это единственная разумная теория, позволяющая объединить, имеющиеся сведения о жизни разных существ в разные времена. Чтобы создать мир таким, каким мы его видим, нужно время. Эволюция не развивается в трёхмерном пространстве, а только в четырехмерном пространстве-времени.
Незанятая экологическая ниша, неиспользованная возможность для жизни – это вызов. Естественный отбор может заставить живые организмы ответить на вызов с помощью адаптивных генетических изменений. Эти изменения могут позволить виду занять пустующую экологическую нишу или благополучно перенести неблагоприятные изменения окружающей среды. Но ответ может оказаться успешным, а может и нет.
Недостаточно успешный ответ может привести к вымиранию вида. Ископаемые останки ясно свидетельствует о том, что обычный конец для большинства эволюционных линий – вымирание. Ныне живущие организмы – удачливые потомки лишь относительно небольшого числа видов, живших в прошлом.
Крупный мыслитель Пьер Тейяр де Шарден французский католический философ, теолог, биолог, геолог говорил: «Что есть эволюция – теория, система или гипотеза? Это нечто большее – это общий постулат, перед которым все теории, гипотезы и системы впредь должны склониться, и с которым они должны согласовываться, чтобы быть разумными и достоверными. Эволюция – это свет, озаряющий все факты, траектория, за которой должны следовать все линии, – вот что такое эволюция».
Один из создателей теории синтетической эволюции американский генетик русского происхождения Ф. Добжанский писал: Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции.
(Феодосий Григорьевич Добржанский – американский биолог русского происхождения. (Родился 12.01, 1900, Немиров, Подольская губерния. Умер – 18.12 1975, Калифорния, США) – советский и американский генетик русского происхождения, энтомолог, один из основателей синтетической теории эволюции, дальний правнук русского писателя Ф. М. Достоевского.)
Папа Иоанн Павел II об эволюции.
В обращении к католической церкви папа Иоанн Павел II объявил о согласии Ватикана перевести эволюционное учение Дарвина из разряда гипотез в ранг научной теории. В своем выступлении папа признал приемлемым верить в то, что тело человека —результат эволюции.
А вот выдержки из резолюции 1580 (2007)
Парламентской Ассамблеи Совета Европы (ПАСЕ)
2. Некоторым людям идея Творения как предмет религиозной веры даёт смысл существования.
Тем не менее, Парламентская Ассамблея обеспокоена возможностью нездоровых последствий распространения идей креационизма в рамках наших образовательных систем, и тем, как это отразится на наших демократических государствах. Если мы не примем необходимые меры, креационизм может стать угрозой правам человека, имеющим для Совета Европы ключевое значение.
5. Креационисты ставят под сомнение научный характер определённых областей знания и утверждают, что эволюционная теория является лишь одной из интерпретаций наряду с другими. Они обвиняют учёных в том, что те не предъявляют достаточно очевидных доказательств обоснования научности эволюционной теории. Напротив, креационисты отстаивают в качестве научных свои утверждения, ни одно из которых не выдерживает объективного анализа.
Казалось бы, ну что ещё надо, чтобы прекратить внедрение теологических представлений в образование, но таких попыток меньше не становится. Наоборот. Антинаучные креационистские теории в РФ получают одобрение. Здесь уже действуют политические причины, которые поощряются правящей элитой. Причины эти ясны и легко объясняются социобиологией. Но об этих причинах мы поговорим позже.
КОГДА ВСЁ НАЧАЛОСЬ?
Астрофизики утверждают, что возраст вселенной 13,8 млрд. лет. Вот тогда в результате большого взрыва и появилась наша Вселенная. Она расширялась, охлаждалась, пространство растягивалось, из плазмы возникало вещество, образовались Галактики (звёздные скопления).
Этот процесс назван эволюцией Вселенной. В результате этой эволюции Вселенная пришла к виду, который она имеет сегодня.
Мы много знаем об этом процессе эволюции, ещё больше не знаем, но имеется надежда узнать, потому, что наука развивается в последнее время огромными шагами. Причем движение это не просто быстрое, оно еще и ускоренное, потому, что на развитие науки в мире тратится всё больше ресурсов.
Время при этом как бы сжимается. Ведь за 5 лет 21 века сделано много больше научных открытий, чем за те же пять лет сто лет тому назад. Это и ощущается как сжатие времени. Длина временного промежутка для человека определяется наполненностью его событиями.
Наше солнце это звезда второго поколения, которая образовалось 5 млрд. лет назад и еще столько же будет нам светить, обеспечивая зелёный мир энергией для фотосинтеза, т.е для жизни. Потом оно сбросит внешнюю оболочку, которая расширяясь, достигнет орбиты Земли. При этом жизнь на Земле прекратится, поскольку температуру в 1000 градусов никакое живое существо не перенесёт. Океаны испарятся. Для человечества на этот случай (если оно к тому времени выживет) нужен запасной аэродром.
Хотя Земле порядка 5 млрд. лет, но жизнь на ней документально обнаружена 3,8 млрд. лет. Из простых неорганических молекул первоначального бульона, появились в результате эволюции органические молекулы, а затем возникла жизнь. Есть гипотеза, что жизнь занесена из космоса. Но это только даёт больше времени для возникновения жизни. Если это так, то жизнь могла возникнуть на планете у звезды первого поколения и затем распространиться по космосу.
ЖИВАЯ И НЕЖИВАЯ ПРИРОДА
Между живой и неживой природой нет высокой стены. Одна плавно перетекает во вторую. И та и другая эволюционируют. Но всё же есть существенные различия. Неживая природа в процессе эволюции не приспосабливается к меняющимся внешним условиям, но она реагирует на них, она меняется. Сливаются элементарные частицы, образуются атомы, затем молекулы, галактики и другие объекты вселенной по мере её охлаждения и растягивании пространства в результате «инфляции».
Например, вода. Если температура понижается, она замерзает, превращаясь в лёд, совершая фазовый переход и меняя свои физические свойства. Если температура повышается, вода превращается в пар. Также и все другие вещества изменяют свои свойства под действием изменений среды.
Живая природа не просто реагирует на изменение внешней среды. Она реагирует так, чтобы остаться живой по возможности. Жизнь стремится сохранить себя. Для этого она поддерживает некоторые параметры внутри себя.
Жизнь имеет свойство, которого нет у неживого вещества – способность адаптироваться в некоторых пределах, сохраняя себя.
Жизнь упорядочивает своё вещество, но не рядами, как бы сделал человек, а именно так, как нужно для поддержания жизни.
На каком-то этапе эволюции среди множества образовавшихся органических молекул появилась одна, обладающая необыкновенным свойством. Она умела из подходящего материала строить такие же молекулы как она сама. Это очень маловероятный процесс, но не невозможный, учитывая огромное число молекул органики в первоначальном бульоне.
Но когда такая молекула появилась, то запустился процесс построения идентичных молекул (репликация), который количественно подобен геометрической прогрессии, легко побеждает по скорости процессы случайного построения.
КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ
Следующим этапом эволюции жизни было образование клетки. При этом молекула репликатор защищается оболочкой от окружающей среды. Работает в защищённом режиме. Такие простейшие клетки, называемые прокариотическими (безъядерными) и они до сих пор существуют, составляя значительную часть биомассы. Это бактерии.
На границе живой и неживой природы находятся вирусы. Когда они не в клетке они проявляют себя как неживые, а когда попадают в клетку, то вмешиваются в процесс репликации, заставляют клетку работать по их программе.
Затем в результате эволюции появляются эукариотические клетки. Они отличается тем, что внутри клетки есть ядро, отделённое от основного объёма клетки. В ядре сосредоточены хромосомы с генами (отрезки ДНК), содержащие закодированную информацию, а построение молекул идет вне ядра в области метаболизма.
Гены на хромосомах запоминают полезные адаптации, которые возникают под действием естественного отбора.
Когда среда меняется, то вырабатываются постепенно новые адаптации, адаптации к новой среде. Адаптации фиксируются как изменения в некоторых генах, которые меняют процессы построения новых молекул внутри клеток. Клетки же это фабрики по построению молекул, из которых строится организм.
Клетки размножаются путем деления, при котором происходит точное копирование ядра клетки. Таким образом, весь набор генов (геном) в каждой новой клетке остаётся идентичным родительской клетке, хотя сами клетки меняются при строительстве многоклеточного организма (онтогенезе).
При внутриутробном развитии организма клетки специализируются, становясь клетками разных органов, а геном их остаётся неизменным. Такой способ роста организма позволяет всем клеткам в организме оставаться «самими собой» в том смысле, что ядро у них всех одинаковое, одинаковый геном. Это очень важно.
Это необходимое условие для построения многоклеточных организмов, примером которых являемся мы с вами.
Представьте себе, что на гастроли приехал театр и каждый день показывает новые спектакли, и в них всё каждый раз выглядит по другому, так как спектакли разные. Но артисты играют одни и те же. Таким образом, труппа остаётся собой, сохраняя своё лицо.
Важное практическое различие между двумя указанными типами клеток (прокариотическими и эукариотическими) заключается в том, что из вторых возможно построение многоклеточных организмов, а из первых нет.
О ТЕОЛОГИИ
Обыденный человеческий разум не может принять, что наш прекрасный зелёный окружающий мир, населенный миллионами живых существ, с нами, в том числе мог возникнуть сам по себе, без всякого замысла со стороны, что это лишь результат эволюции живой природы.
Замысел, план, смысл – вот элементы, сопровождающие деятельность человека на протяжении всего известного срока его существования. Поэтому, человеку присуще теологическое мышление. Тучи на небе затем, чтоб из них шел дождь, солнышко всходит, чтобы освещать Землю, и т. д. Вот примеры теологического мышления, когда каждому действию приписывается смысл. Каждому понятно, что солнышко всходит не затем, чтобы давать нам свет, а потому, что движется в соответствии с законами механики.
Большинство даже образованных людей до сих пор не избавилось от теологического мышления. Они могут знать, что существует эволюция, но мыслят и ведут себя так, как будто это просто ни к чему не обязывающее понятие из школьного курса. Поэтому так легко проникает в умы идея о том, что существует высший замысел. И вот именно это зафиксировано в Библии. Но «замысел» и «цель» это слова, возникшие только у человека, существа с развитым разумом. Биологическая эволюция происходит уже 3,8 млрд. лет, когда не было человека, разума и целей. Для эволюции разум не требуется.
Даже американский биолог Коллинз, который руководил программой секвентирования генома человека в США лукаво назвал свою книгу, посвященную этой работе: «Расшифровка божественных чертежей».
Ну, понятно, что книгу нужно продвигать, а Америка религиозная страна и чтобы лучше покупалась, пришлось немного пожертвовать принципами.
Само собой, как следует из нашего житейского опыта, ничего построиться не может. Поэтому кажется логичным предположить существование высшего разума, который за всем этим следит и управляет. Так естественно возникает идея Бога. Но эта идея создает еще больше проблем в понимании мироустройства, чем она решает. В чём ошибка в этой цепочке рассуждений?
Ошибка в том, что житейский опыт нельзя применять к эволюции, которая имеет другие масштабы во времени и в пространстве, чем те, которыми человек привык оперировать.
Поэтому мы будем считать, что природа обладает свойством самоорганизации, которое проявляется в некоторых условиях. Это свойство, не выдуманное новое свойство природы, оно следствие законов физики, химии, других наук.
В каждом случае проявления этого свойства, можно отыскать и найти причины его, правда, это не всегда просто. Иногда трудно понять, почему так происходит, но причины всегда есть.
Процессы самоорганизации идут медленно, если их сравнивать со временем жизни человека. Поэтому человеку это незаметно, но если посмотреть с эволюционной точки зрения, учитывая, что процессы идут миллионы лет, то всё отчетливо прослеживается.
Другая же логика – «Бог пришёл и за 6 дней создал наш мир», не выдерживает научной критики.
Когда клиент одного портного упрекнул, как он долго шьёт ему костюм, говоря, что бог за 6 дней сумел сотворить весь мир, портной еврей не растерялся и ответил: «Вы посмотрите, какой мир и какой я вам сшил костюм».
Результатом эволюции неживой и живой природы, если проследить ее с самого начала, является все большее усложнение форм вещества и его организации.
Вначале были образованы простейшие атомы водорода. Затем, в результате ядерных реакций, возникали все более массивные атомы и при достаточно низкой температуре соединились в молекулы. Молекулы в принципе не могут существовать при звездных температурах, а при достаточно низких – атомы просто не могут не образовывать связи между собой.
1.2 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
Биология в переводе означает учение о жизни. Биология это система наук, объектами изучения которой являются живые существа. Биология изучает все аспекты жизни. Биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что все живые организмы обладают некоторыми общими свойствами и признаками, в совокупности не характерными для неживой природы.
Основными составляющими Биологии являются – клеточная теория, эволюционная теория, генетика, физиологические процессы гемеостаза, обмен энергией в процессе жизни.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Когда начинаешь интересоваться вопросами жизни, то первое что приходит на ум: «Откуда такое разнообразие живого на земле? Как живые существа связаны друг с другом? Как их можно классифицировать для изучения?» Единственным разумным ответом на эти вопросы является представление, что все живые существа, имеют общего предка и появились в ходе эволюции жизни, которая длится на Земле уже 3,8 млрд. лет.
Представление о биологической эволюции берет свое начало от величайшего ученого древности Аристотеля, оставившего о себе память на 2,5 тысячелетия.
Именно он первым сформулировал теорию непрерывного развития живого из неживой материи, создав представление о «лестнице природы» применительно к миру животных.
Аристотель (384—322 до н. э.)
Важный вклад в этой области был сделан знаменитым шведским естествоиспытателем К. Линнеем (1707—1778), которого справедливо называют создателем научной систематики организмов. Он предложил систему: класс, отряд, род, вид. Под последним он понимал группу организмов, происходящих от общих предков и дающих при скрещивании плодовитое потомство.
К. Линней (1707—1778)
В 18 веке наряду с господствовавшим мировоззрением, основанным на религиозных догмах о неизменности созданного Творцом мира и получившим название «креационизм» (от лат. creatio – созидание, порождение).
Однако постепенно начали вновь формироваться представления об изменяемости мира и, в частности, о возможности исторических изменений видов организмов.
Честь создания первых эволюционных теорий принадлежит великим естествоиспытателям XIX в. Ж.Б.Ламарку (1744—1829) и Ч. Дарвину (1809—1882). Эти две теории почти во всем противоположны: и в своей общей конструкции, и в характере доказательств, и в основных выводах о причинах и механизмах эволюции, и в своей исторической судьбе.
Ж.Б.Ламарк (1744—1829)
Основы своей концепции Жан Батист Ламарк изложил в известном своем труде «Философия зоологии» (1809). Название этой книги подчеркивает важную особенность обобщений Ламарка – их умозрительный характер.
Движущей силой Ламарк считал «стремление природы к прогрессу», которое изначально присуще всем живым существам, будучи вложено в них Творцом, т. е. Богом.
Ламарковское объяснение прогрессивной эволюции, очевидно, является телеологическим (от греч. телео – цель), поскольку оно приписывает организмам стремление к совершенствованию, т.е. к определенной цели.
Теория Ламарка основанная на философии не получила признания у современников, была надолго забыта, но позднее вновь привлекла внимание ученых, и некоторые ее положения с удивительным постоянством продолжают воскресать в концепциях различных эволюционистов вплоть до нашего времени. Ведь людей пытающихся всё на свете объяснить с помощью философии хватает.
Ч. Дарвин (1809—1882).
Выход в свет гениального труда Ч. Дарвина «Происхождение видов» (1859) справедливо рассматривается как начало новой эпохи в развитии естественной истории, или биологии, в современном понимании. Дарвинизм стал основой эволюционистики 20 века.
В 1831 году по окончании университета Дарвин в качестве натуралиста, несмотря на полученное религиозное образование, по рекомендации профессора ботаники Джона Стивенса Генслоу отправился в кругосветное путешествие на экспедиционном судне королевского флота «Бигль», откуда вернулся в Англию лишь 2 октября 1836 года.
Только по возвращении из путешествия в 1837 г., он поставил перед собой вопрос о происхождении видов и решил приступить к его разработке. В 1839 г., по прочтении книги Мальтуса, у него вполне отчетливо возникла идея естественного отбора.
В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».
Свою основную книгу он готовил к печати 20 лет.
Бог знает, когда увидела бы свет его работа, если бы в 1858 г. А.Р.Уоллес, занимавшийся естественноисторическими исследованиями в Малайском архипелаге, не прислал Дарвину свою статью, содержавшую в краткой и беглой, но в отчетливой форме, ту же идею естественного отбора, с просьбой напечатать ее в журнале Линнеевского общества.
Ч. Дарвин посоветовался с друзьями, которые убедили его напечатать вместе со статьей А. Р. Уоллеса краткое извлечение из своего труда. Таким образом, два человека могут считаться авторами теории естественного отбора. Но сам А.Р.Уоллес, отдавая дань огромной работе Ч. Дарвина, назвал эту теорию дарвинизмом.
В 1871 году появился ещё один важный труд Дарвина – «Происхождение человека и половой отбор», где Дарвин привёл аргументы в пользу естественного происхождения человека от животных (обезьяноподобных предков).
Теория Чарлза Дарвина, известная под названием теории естественного отбора, является одной из вершин научной мысли 19 века.
Ее значение выходит далеко за пределы своего века и за рамки биологии: теория Дарвина стала естественно-исторической основой материалистического мировоззрения. Теория Дарвина (Дарвинизм) представляет собой образец научного исследования, основываясь на огромном количестве достоверных научных фактов, анализ которых привёл Дарвина к стройной системе выводов, подтверждающих эволюцию всего живого, т.е. биологическую эволюцию.
Любая эволюция живого, как сейчас известно, имеет 3 непременных атрибута или обязательных условия (изменчивость вида, отбор и наследственность). Ч. Дарвин открыл 2 из них: естественный отбор, который считается главным эволюционным фактором и изменчивость вида. Объяснение изменчивости вида предложил А. Вейсман в 1886г. в своих статьях о зародышевой плазме.
Теория наследственности разработана в рамках популяционной генетики, основы которой заложил Г. Мендель (1866г.)
ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР
Ч. Дарвин открыл ту творческую силу, которая движет и направляет эволюционный процесс в природе – естественный отбор.
Естественный отбор осуществляется в результате борьбы за существование, понимаемой в широком смысле слова. Это не только прямое столкновение в борьбе за жизнь, но и разные способы конкуренции за необходимые и ограниченные ресурсы, за право оставить потомство (половой отбор).
Он писал: «Так как рождается гораздо более особей каждого вида, чем сколько их может выжить, и так как, следовательно, постоянно возникает борьба за существование, то из этого вытекает, что всякое существо, которое в сложных и нередко меняющихся условиях его жизни, хотя незначительно, изменится в направлении, для него выгодном, будет иметь более шансов выжить и, таким образом, подвергнется естественному отбору. В силу строгого принципа наследственности отобранная разновидность будет стремиться размножаться в своей новой и измененной форме».
Революционность Дарвиновской формулировки главной причины эволюции в том, что он не приписывает природе никаких новых свойств, как Ламарк («стремление природы к прогрессу»), а исходит из уже имеющихся и наблюдаемых фактов. Такой подход свойственен наукам, в то время как другой подход применяют философы. Поэтому биология справедливо считается наукой, а Ч. Дарвин заложил камень в её основание.
Естественный отбор, или выживание наиболее приспособленных, представляет собой сохранение и распостранение в популяции полезных индивидуальных свойств (адаптаций) и уничтожение вредных. Изменения, нейтральные по своей ценности (неполезные и невредные), не подвергаются в популяции действию отбора, а представляют непостоянный, колеблющийся элемент изменчивости.
Отсюда следует, что естественный отбор является фактором полезным не для отдельных организмов, рассматриваемых изолированно друг от друга, но лишь для их совокупностей, т. е. популяций. Дарвиновский отбор это отбор индивидуальный, отбор индивидуумов в популяции.
Для сохранения вида жизнь данной особи важна лишь постольку, поскольку она участвует (прямо или косвенно) в процессе воспроизводства поколений.
Половой отбор, как частный случай естественного отбора, как раз и действует на признаки, связанные с различными аспектами этой важнейшей функции (взаимное обнаружение особей противоположного пола, половая стимуляция партнера, конкуренция между особями одного пола при выборе полового партнера и т. п.).
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВИДОВ
Кроме естественного отбора вторым непременным атрибутом любой биологической эволюции является изменчивость особей одного вида. Дарвин собрал многочисленные данные, свидетельствующие о том, что изменчивость самых различных видов организмов в природе очень велика, а ее формы принципиально сходны с формами изменчивости домашних животных и растений. При построении своей схемы эволюционирования видов, Ч. Дарвин исходил из наличия изменчивости, но не дал её объяснения. Объяснил наличие изменчивости А. Вейсман, выдвинув свою теорию зародышевой плазмы, близкую к современному толкованию явления.
Если бы изменчивости не было, все члены популяции были бы идентичны, то естественному отбору не за что было бы «зацепиться». Эволюция была бы невозможной. Такое наблюдается в онтогенезе, о котором в следующих главах.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ, «КОШМАР» ДЖЕНКИНА, ЛАМАРКИЗМ И ГЕНЕТИКА
Для корректного обоснования биологической эволюции, кроме изменчивости видов и естественного отбора, необходима правильная теория наследственности. Ведь одобренные отбором признаки должны передаваться потомкам. Они и передаются, но механизм этой передачи был неизвестен в то время, когда не было правильной теории наследования.
В биологии XIX века полагалось, что наследственный материал отца смешивается с наследственным материалом матери, порождая потомка (теория слитной наследственности) у которого наследственность представлялась как «среднее арифметическое» наследственного материала отца и матери. Например, растение с красным цветком и растение с белым рождают растение с розовым цветком, у высокого отца и низкорослой матери рождается ребёнок среднего роста и т. д.
Такая теория наследования не в состоянии объяснить передачу отобранных признаков в следующее поколение.
Вот на этот недостаток Дарвинизма указал не биолог, а англо-шотландский инженер, экономист, преподаватель, филолог, критик, актёр, драматург и художник Дженкин.
(Генри Чарльз Флеминг Дженкин (1833 -1885) – В июне 1867 года в журнале «North British Review» вышла в свет статья Дженкина под названием «Происхождение видов», где критиковалась идея естественного отбора как движущей силы эволюции).
Суть этой критики сводилась к тому, что при свободном скрещивании двух особей (а только так и происходит в природе) полезное свойство, выделенное отбором, быстро элиминируется, т.е. исчезает, растворяясь в массе других неполезных для популяции свойств в соответствии с принятой тогда слитной теорией наследственности.
Предположим, что в популяции появилась особь с более удачным для выживания и размножения признаком, чем у существующих особей. Но скрещиваться данная особь будет только с особями с «нормальными» признаками. Поэтому через несколько поколений удачное новоприобретение неизбежно будет разбавляться и поглотится «болотом» обычных признаков.
Ознакомившись с возражениями Дженкина, Дарвин счёл, что их правильность «едва ли может быть подвергнута сомнению» и называл их «кошмаром Дженкина». В письме своему другу ботанику Джозефу Хукеру от 7 августа 1869 года Дарвин писал о статье Дженкина: «Знаете, я почувствовал себя очень приниженным, закончив чтение статьи».
Для того, чтобы ответить на возражение Дженкина, нужно понимать внутреннюю причину изменчивости вида, и механизм наследственности. Ч. Дарвин только констатировал наличие изменчивости видов. Некоторые считают, что если бы Дарвин прочел статью Г. Менделя (возможно, он её и читал), то он смог бы ответить на критику Дженкина. Но это не так. Г. Мендель опубликовал результаты своих опытов и размышлений в 1866 г. в работе «Versuche über Pflanzen-Hybriden» («Опыты с гибридами растений») Однако в свое время статья не получила положительных отзывов и была забыта. Может быть потому, что имела такое скучное название. Если бы она называлась: «Законы наследования гороха при гибридизации», возможно, её не постигло бы забвение на 35 лет. Решение проблемы наследования в то время уже назрело. Опыты с горохом принесли Г. Менделю титул «Отца генетики», но, к сожалению, только после его смерти.
Законы Г. Менделя сами по себе не дают ответа на возражения Дженкина, потому что это только статистические закономерности. Понадобилось время, и усилия многих ученых, чтобы разработать в рамках популяционной генетики соответствующие механизмы наследственности, которые объясняют количественные закономерности наследования, выявленные Г. Менделем в опытах на горохе и формулируемые ныне в виде 3 законов.
В 1886 году А. Вейсман предложил теорию зародышевой плазмы, которая неплохо объясняла природу изменчивости. Зародышевая плазма Вейсмана это половые клетки, которые в процессе создания меняются случайным образом, уменьшая вдвое число хромосом. Так Вейсман описывал процесс возникновения половых клеток, который сейчас именуется мейозом, в котором случайным образом происходят хромосомные перестройки, определяющие наследственность половых клеток (гамет). Создаваемые в этом процессе комбинаторные различия половых клеток и создают изменчивость организмов в популяции. Число возможных комбинаций генов в зиготе теоретически превышает число атомов во вселенной.
Изменения же в обычных клетках (соматических) не могут влиять на наследственность. Так в экспериментах Вейсмана на протяжении 22 поколений крысам отрубались хвосты, но у потомков хвосты не укорачивались и отрастали обычной длины. Потому, как отрубание хвоста не меняет состав хромосом.
Было доказано, что приобретённые организмом в течение жизни свойства не передаются по наследству.
Что и как передаётся по наследству, было выявлено позже разработкой популяционной генетики. А. Вейсман «ясно доказал несостоятельность одного из основных принципов ламаркизма» (И. И. Шмальгаузен, 1939). Однако, несмотря на отсутствие убедительной теории, ламаркизм (в виде веры в возможность передачи приобретённых признаков по наследству) продолжал и продолжает существовать, как укоренившийся предрассудок.
Предсказание Вейсмана, что зародышевая плазма сосредоточена в хромосомах (по Вейсману – идантах), также оправдалось.
Опьяненные крупными успехами, ведущие представители генетики заняли высокомерно-враждебную позицию по отношению к предшествующей эволюционной теории. Дарвинизм также оказывался излишним. Ему противопоставлялся Менделизм как «точное учение о наследственности». А дарвинизм, уже воспринимался как пережиток «романтической эпохи парусных кораблей и веры в чудесную силу естественного отбора» (W. Bateson, 1914).
Сперва это выражалось в «чудовищных претензиях гентиков» на объяснение эволюции, позднее в претензии на единственно научную основу селекции.
1.3 СИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ
Однако, в конце концов биологами было осознано, что генетика не противоречит дарвинизму, а может его дополнить, обосновав многие наблюдаемые в эволюции факты.
Сергей Сергеевич Четвериков (1880 – 1959,) – русский и советский биолог, генетик, сделал первые шаги в направлении синтеза менделевской генетики и эволюционной теории Ч. Дарвина
Он раньше других учёных организовал экспериментальное изучение наследственных свойств у естественных популяций животных. Работы С. Четверикова, особенно его основной труд «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», опубликованный в 1926 году, легли в основу синтетической теории эволюции.
В этой работе было показано, что между данными генетики и эволюционной теорией нет никакого противоречия. Напротив, данные генетики должны быть положены в основу учения об изменчивости и стать ключом к пониманию процесса эволюции. Четвериков, пользуясь теоремой Харди-Вайнберга и некоторыми логическими заключениями, доказал, что мутации в природных популяциях животных не исчезают, могут накапливаться в скрытом (гетерозиготном) состоянии и давать материал для изменчивости и естественного отбора. Таким образом, С. Четверикову удалось связать эволюционное учение Дарвина и законы наследственности, установленные генетикой. Эта статья С. С. Четверикова (1926) в настоящее время рассматривается как основополагающая работа для развития новой отрасли науки – эволюционной (и популяционной) генетики. Она считается важнейшей вехой в развитии эволюционной теории.
Естественно, что в 1929г. С. Четверикова затронул молох сталинских репрессий, особенно учитывая его непролетарское происхождение. В результате чего он после 3 месяцев Бутырки был сослан на 3 года в Свердловск с ограничением в дальнейшем его возможного места жительства.
Эволюционное учение имеет по существу трех отцов основателей.
1. Ч. Дарвина как человека, первым выдвинувшим теорию естественного отбора, как главную действующую силу эволюции. Надо понимать, что какие бы манипуляции не совершались с генами, если они не будут одобрены отбором, эволюции не будет.
2. А. Вейсмана, который в 1886 году предложил теорию зародышевой плазмы, объяснившей причины разнообразия свойств индивидуумов внутри популяции (изменчивость вида по Дарвину).
3. Г. Менделя, открывшего общие количественные статистические закономерности наследования в популяциях, изучая процессы гибридизации на горохе. На своём огороде размером в 2 сотки, он не думал, видимо, об эволюции в целом, а просто хотел вывести некоторые количественные законы для использования их в целях селекции. Тем более, что у него были предшественники. Ему повезло с выбором подходящих объектов для экспериментов. Однако, при продолжении экспериментов, он выбрал объекты, которые, как оказалось, не соответствовали его представлениям о его постулатах наследования, результаты экспериментов перестали укладываться в его схемы и он опыты прекратил. Но, те эксперименты, которые удались, были сделаны тщательно и скурпулёзно статистически обработаны.
Мендель опубликовал результаты своих опытов в 1866 г. в работе «Опыты с гибридами растений». Однако статья не получила положительных отзывов и была забыта на 35 лет. В 1900г. результаты его работы были переоткрыты сразу 3 исследователями.
ТРИ КРАЕУГОЛЬНЫХ КАМНЯ В ОСНОВЕ СОВРЕМЕННОГО УЧЕНИЯ О ЭВОЛЮЦИИ
1. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР
Это основная, но не единственная движущая сила биологической эволюции. Без одобрения отбора никакие генетические изменения не имеют шансов закрепится, т.е. участвовать в жизненном процессе.
Важнейшее место в теории естественного отбора занимает концепция борьбы за существование. Именно результаты этой борьбы и позволяют осуществляться отбору. Дарвин писал:
«Так как производится более особей, чем может выжить, в каждом случае должна возникать борьба за существование либо между особями того же вида, либо между особями различных видов, либо с физическими условиями жизни».
Дарвин включал в понятие «существование» не только жизнь данной особи, но и успех ее в оставлении потомства.
Словом «борьба» обозначалась не столько борьба как таковая (т.е. как прямое столкновение), сколько конкуренция, часто происходящая в пассивной форме. В сущности, Дарвин понимал под борьбой за существование совокупность всех сложных взаимодействий между организмом и внешней средой, определяющих успех или неудачу данной особи, в ее выживании и оставлении потомства. Если, например, рассматривать модель взаимоотношений между видом-хищником и видом-жертвой (скажем, лисы и зайцы), то, по Дарвину, важнейшим фактором, определяющим отбор, будет для лис конкуренция между разными лисами, а для зайцев – между самими зайцами.
Борьба за сосуществование имеет 3 вектора – конкуренция с особями своего вида, конкуренция за выживание с хищниками и другими видами, борьба с внешними климатическими условиями.
Дарвин подчеркивал, что естественный отбор должен действовать с гораздо большей эффективностью, чем искусственный, поскольку:
во-первых, природа располагает неизмеримо большим временем, чем человек;
во-вторых, человек, ведущий искусственный отбор, обращает внимание главным образом на внешние признаки животных и растений, тогда как для естественного отбора важна любая особенность организмов;
в-третьих, искусственный отбор ведется для нужд человека, а естественный отбирает признаки, важные для самого организма;
в-четвертых, естественный отбор действует гораздо более жестко, так как человек обычно не истребляет всех менее пригодных домашних животных, сохраняя их для различных нужд.
Все это в совокупности подчеркивает огромные творческие возможности естественного отбора.
По Дарвину, естественный отбор представляет собой важнейшую творческую силу, которая направляет эволюционный процесс и закономерно обусловливает возникновение приспособлений организмов, прогрессивную эволюцию и увеличение разнообразия видов.
Идея естественного отбора состоит в том, что в природе происходит отбор наиболее «удачных», «лучших» организмов, в роли «оценщика» выступает среда обитания.
Естественный отбор – основной эволюционный процесс, в результате действия которого в популяции постепенно увеличивается число особей, обладающих максимальной приспособленностью к условиям среды (наиболее благоприятными признаками), в то время, как количество особей с неблагоприятными признаками уменьшается.
Здесь важно слово популяция, поскольку отбор начинает действовать на уровне популяции, а не индивидуального существа. Отбор нельзя перенести на уровень клеток, рассматривая многоклеточный организм, как результат отбора клеток.
На уровне органов или клеток в организме отсутствует конкуренция и отбор во время онтогенеза не работает (выключен).
Субъектами отбора являются фенотипы (т.е. живые организмы). Но адаптации запоминаются в генах, отбираются те варианты генов (аллели), которые находятся у наиболее приспособленного к жизни и оставлению потомства организма. Поэтому можно сказать, что отбор это косвенная конкуренция между аллелями (вариантами) генов, хотя сами гены впрямую не конкурируют. Они неживые и конкурировать просто не могут. Так и предложил считать Р. Доккинз в книге «Эгоистичный ген». Изд-во: АСТ, Corpus, 2013г.
2. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВИДОВ
возникает вследствие 3 причин.
А. Изменчивость генотипа
В основе воспроизведения биологических систем лежит деление клеток. Существует два основных способа деления эукариотических клеток: митоз и мейоз.
В ходе митоза из одной соматической (не половой) клетки образуется две с идентичными хромосомными наборами и, значит, с одинаковыми генами на них. Хромосомы это отрезки молекулы ДНК.
При митозе полностью сохраняется объем и качество исходной наследственной информации. При каждом делении клетки, точно копируются и передаются, в делящиеся клетки практически без ошибок.
Мейоз – это особый способ деления эукариотических клеток, при котором число хромосом в клетке уменьшается в два раза (от древнегреч. «мейон» – меньше – и от «мейозис» – уменьшение). В процессе мейоза происходит расхождение гомологичных хромосом в разные половые клетки. В этом процессе обычные (соматические) клетки с двойным набором хромосом превращаются в клетки половые (гаметы) с одинарным набором хромосом.
В этом процессе в случайном порядке гомологичные хромосомы обмениваются частями (кроссинговер). Таким образом каждая половая клетка (гамета) набором генов (генотипом) отличается от другой. Возникает комбинаторная изменчивость генотипов. Изменчивость оплодотворённой клетки (зиготы) еще увеличивается фактом неустранимой случайности при её создании из двух гамет. Ведь процесс оплодотворения (встречи двух половых клеток) случаен. Зигота может быть создана любой парой половых клеток родителей. Случайный процесс образования генотипа зиготы и является причиной неодинаковости индивидуумов в популяции.
Но вся эта комбинаторная изменчивость возникает только из генетического фонда родителей, а рассматривая в более продолжительном периоде из генофонда популяции, ведь у родителей происходил в прошлом подобный процесс.
Б. Изменением фенотипа по сравнению с генотипом вследствие изменения внешних условий развития. Представьте себе, что генотип это набор инструкций, а фенотип полученный результат.
Фенотип – совокупность внешних и внутренних признаков организма, приобретённых в результате онтогенеза (индивидуального развития). Фенотипическая изменчивость это результат воздействия среды в процессе развития. Даже у ребенка, делающего из песка куличи, не все они оказываются одинаково удачными, так как не весь песок имеет одинаковую влажность.
В. Мутациями (СЛУЧАЙНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ) генов, которые редко (примерно 1случай на миллион), но происходят в процессе митоза при копировании хромосом, т.е. отрезков ДНК с генами. Это редкий процесс дает весьма малый вклад в изменчивость. Тем более, что отбором большинство мутаций выбраковывается, как неполезные для вида, и сохраняется в скрытом состоянии нейтральные и полезные мутации, обычно в виде рецессивных аллелей генов.
Но на длинных, эволюционных промежутках времени, его действие существенно, так как он пополняет генофонд популяции, тем самым, увеличивая возможности адаптирования вида.
Г. Поток и дрейф генов
Поток генов – это изменение частот генов в генофонде популяции под влиянием миграции особей, кочевок, перелетов, переноса пыльцы и семян ветром, насекомыми. Популяция может приобрести новый аллель не в результате мутации, а в результате иммиграции – вселения в данную популяцию из соседней носителя нового гена. Значение этого процесса отметил еще Дарвин: «Скрещивание играет важную роль в природе, так как поддерживает однообразие и постоянство признаков у особей одного и того же вида».
Дрейф генов – это сдвиг частот генов при уменьшении численности популяции. Это фильтр бутылочного горлышка. Сдвиг частот происходит автоматически в случайную сторону. Некоторые аллели могут вообще пропадать из популяции. Это делает популяцию более однородной. Гетерозиготную по какому нибудь аллелю популяцию «бутылочное горлышко» может сделать гомозиготной.
3. РЕПЛИКАТОРЫ
Это структуры способные к самовоспроизведению, делают возможным передачу отобранных признаков другим особям. В них закодирована наследственная информация, которая записана дискретным кодом и потому не может разбавляться и смешиваться.
В частности, репликатором биологической эволюции является молекула ДНК, свернутая в двойную спираль, которая обладает необыкновенным свойством – способностью создавать копии самой себя.
Репликатор выступает в качестве матрицы для образования почти идентичной копии, точнее некоего «негатива», который в свою очередь вновь создает копию исходного позитива. Нуклеотидные строительные блоки из которых построена ДНК бывают только четырех типов, сокращенно обозначаемых буквами А, Т, Ц и Г. Они одинаковы у всех животных и растений. Различна лишь их последовательность. Но последовательность строительных блоков у данного человека отличается не только от их последовательности у улитки. Она отличается также, хотя и в меньшей степени, от последовательности блоков у любого другого человека.
Тело человека состоит в среднем из 10 в 15 степени клеток и каждая из этих клеток содержит полную копию ДНК, свойственной данному телу. Эту ДНК, упакованную в ядре, в виде набора хромосом можно рассматривать как набор инструкций, записанных с помощью нуклеотидного А, Т, Ц, Г – алфавита и указывающих, как должно строиться тело. Это не чертёж. «Инструкции» для человеческого тела составляют 46 томов. 23тома от мамы и столько же от папы. Эти «тома» называются хромосомами. Каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК и множества вспомогательных белков, которые помогают правильно упаковывать ДНК, «считывать» с нее информацию, размножать и т. д. Под микроскопом они имеют вид длинных нитей, в которых в определенном порядке расположены гены (участки хромосом).
ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ ГЕНОВ
Если хромосомы в ядре клетки считать за тома книги, то гены – отдельные страницы её. В ядре клетки есть два «собрания сочинений» от каждого родителя. Одинаковые тома это гомологичные хромосомы. Одинаковые по номеру страницы в каждом томе это аллели генов.
Мендель полагал, что каждый ген определяет какой то один признак. Так бывает. Но редко. Для реализации некоторого свойства организма обычно требуется включение в работу сразу нескольких генов.
Каждый ген в клетке представлен двумя экземплярами, выполняющими в клетке одинаковые функции в процессе работы, находящимися на гомологичных хромосомах. Эти гены могут быть одинаковыми, а могут и нет. Если они одинаковые, то говорят о гомозиготности по данному гену, а если они отличаются, т.е. являются некоторыми вариантами (аллелями), то имеет место гетерозиготность по данному гену.
В этом случае один из двух аллелей иногда бывает доминантным, другой рецессивным. Участвует в производстве белков только один доминантный ген.
Во многих случаев полного доминирования одного аллеля не наблюдается, и оба аллеля участвуют в строительстве белка. Г. Меделю повезло, что горох с которым он проводил опыты, имеет полное доминирование по изучаемому им признаку (гладкость и морщинистость семян). При дальнейших опытах Г. Менделю повезло меньше в этом смысле и он не смог так четко интерпретировать результаты опытов. Поэтому он дальнейшее изучение наследственности прекратил.
При неполном доминировании результат был бы не такой, как было в опытах Г. Менделя при полном доминировании. Семена гороха были бы во многих случаях и не гладкими и не полностью морщинистыми.
При кодоминировании, в отличие от неполного доминирования, у гетерозигот признаки, за которые отвечает каждый из аллелей, проявляются одновременно и в полной мере. Т.е. работают по мере сил оба аллеля.
Фенотипическое проявление кодоминирования на примере цветка родендрона
Окраска каждого лепестка результат действия сразу двух гомологичных аллелей. Один из них окрашивает в белый цвет, другой в розовый.
Сверхдоминирование – более сильное проявление признака у гетерозиготной особи, чем у любой гомозиготной. На этом типе аллельного взаимодействия основано явление гетерозиса (превосходство над родителями по жизнеспособности, энергии роста, плодовитости, продуктивности).
Законы генетики
Законы генетики устанавливают некоторые количественные закономерности наследования при принятых постулатах. Постулаты эти основаны на наблюдении. Законы генетики на основе этих постулатов позволяют объяснить многое из наблюдаемого в эволюционном процессе, устанавливать степень генетического родства таксонов, использовать потенциал генетических знаний для целей здравоохранения и селекции.
Но генетика не объясняет и не может объяснить, почему некоторые гены являются доминантными, а другие рецессивными. Она это положение, обнаруженное экспериментально, просто использует. Генетика это модель, использующая некий математический аппарат при принятых допущениях. Этот аппарат включает комбинаторику, теорию вероятностей, статистику и прочие известные в математике инструменты.
Объяснение генетических догм (постулатов) должно быть дано на уровне химических реакций, ведь ДНК это просто молекула и, значит, её поведение может объясняться законами химии. Т.е получается, что объяснение и уточнение области применения догм генетики задача молекулярной биологии. Наверняка принятые догмы не абсолютны и, значит, в биологическую науку будут вноситься дополнения и изменения. Может вполне оказаться, что генетика не сможет объяснить все повороты биологической эволюции. Уже известны негенетические факторы (эпигенетика) воздействия на наследственность. И возможно, когда-нибудь будут вспоминать о генетике, «Как о добром старом времени романтических парусных судов», примерно так, как народившаяся генетика отзывалась о дарвинизме в начале 20 века.
Генетическая гетерогенность (неодинаковость генотипов представителей популяции) является основой для ее эволюционных преобразований, поскольку обеспечивает изменчивость.
Эволюционировать может только популяция, но не сам индивидуальный её представитель. Сам представитель может развиваться в течение жизни, но результаты его развития не могут быть переданы по наследству. Это постулат генетики, отличающей её от Ламаркизма. Это слово (Ламаркизм) стало ругательным поневоле, хотя сам Ламарк, первым предложивший своё обоснование эволюции не заслужил этого.
Популяционная генетика обосновала своё представление об эволюции:
В свете популяционной генетики эволюция представляет собой изменение частоты аллелей в популяции с течением времени.
ЗАКОН ХАРДИ – ВАЙНБЕРГА
Лишь на рубеже XIX и XX вв. в изучении наследственности организмов были достигнуты первые существенные успехи. Сложились представления о дискретном характере наследственности. Были открыты гены, контролирующие наследование различных признаков.
Гены сотрудничают и взаимодействуют как между собой, так и с внешней средой неимоверно сложными способами. Такие выражения, как «ген длинных ног» или «ген альтруистичного поведения» – удобные обороты речи, однако важно понимать, что они означают. Нет такого гена, который сам по себе создает длинную или короткую ногу. Построение ноги требует совместного действия множества генов.
Новые признаки не могут раствориться в прежнем состоянии, потому, что их возникновение обусловлено изменениями отдельных генов, которые хотя и взаимодействуют друг с другом, но не сливаются и не разбавляют друг друга из за дискретного строения генов.
Всякое изменение гена (мутация), раз появившись и выдержав «проверку отбором на жизнеспособность», сохраняется и постепенно распространяется в популяциях данного вида, если изменение одобряется отбором. Большая часть мутаций не поддерживается отбором, но нейтральные к отбору аллели сохраняются обычно в рецессивном виде. Не проявляются в фенотипе. Новый признак (новый вариант гена – аллель) входит в генофонд вида – сумму всей наследственной информации всех особей данного вида.
В 1906 г. Д. Харди и В. Вайнберг математически доказали, что при свободном скрещивании особей в бесконечно большой популяции организмов данного вида частота встречаемости различных генов остается из поколения в поколение постоянной при отсутствии влияния каких-либо внешних факторов (действия отбора, возникновения мутаций, потока генов из вне).
Следствием этого правила Харди – Вайнберга является невозможность бесследной потери каких бы то ни было новых мутаций из генофонда БОЛЬШОЙ популяции.
Достаточно крупные популяции со случайным скрещиванием составляющих их особей вполне обычны, и в таких популяциях проявляется тенденция к сохранению генетического равновесия в соответствии с правилом Харди-Вайнберга.
Но когда, в силу каких то причин, численность популяции резко уменьшается, то при этом теряются некоторые аллели, генофонд популяции становится более однородным. Этот фильтр называют прохождением через «бутылочное горлышко». Далее численность популяции этого вида может снова возрасти, но она окажется более однородной. Так происходило и с видом HOMO SAPIENS, когда его численность уменьшалась по некоторым оценкам до десяти тысяч.
СТЭ это строящееся здание, она ответила на множество вопросов эволюции, и постоянно развивается. Есть вопросы, на которые она пока не может ответить. Её рано списывать. Возможно, со временем она подвергнется существенной перестройке. Но подобное положение можно отметить в любой науке.
1.4 АЛГОРИТМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
Ричард Эрнст Беллман (1920—1984)
Эволюция не создает новых конструкций «с чистого листа», она меняет старые конструкции так, чтобы каждый этап этих изменений был приспособительным. Эволюция действует «Шаг за шагом» и любой шаг должен повышать приспособленность её носителей или, хотя бы, не снижать её.
Представим себе поверхность с множеством впадин и возвышенностей.
Начав поиск наиболее высокого места на этой поверхности, мы выберем такой алгоритм – перемещаемся по поверхности за каждый шаг на небольшое расстояние в любую сторону, но только так, чтобы в результате этого шага оказаться в месте, которое, по крайней мере не ниже предыдущего. Если двигаться достаточно долго придерживаясь этого нехитрого правила, то, в конце концов, придем в некоторое высокое место, из которого любой шаг в любую сторону приведет в более низкое место. Это означает, что найден локальный максимум.
Это своеобразный тупик, если пользоваться дальше этим алгоритмом. А отбор построен на этом алгоритме. Этот максимум не географический. Это максимум какого то важного свойства для живого существа. Например, максимум съедобной пищи.
Так как виду, попавшему в эту позицию, через какое то время может стать некомфортно, то он вымрет, так как выйти, чтобы адаптироваться, он по понятным причинам не может.
Эволюция же не останавливается, движет другие виды таким же путём из других точек. Так постепенно заполняются экологические ниши весьма причудливыми способами.
Никакой справедливости в эволюции нет. Никому не жалко вымерших видов. Никто не подбирает «раненых на поле боя бойцов». Так устроена природа. Но из этого вовсе не следует, что и мы в социальной эволюции должны поступать подобным образом.
Эволюция не умеет по-другому, а у человека есть разум и есть
возможности поступать по-другому. Но куда это приведёт, в конечном счете, тоже неизвестно. У человека есть совесть, ему будет стыдно, если его недостаточно продуманные действия заведут всех в тупик. А эволюция безжалостна. Ей легче.
Эта идея поиска, двигаясь «шаг за шагом» использована американским математиком Р. Беллманом, работавшим по заказу ВВС США в созданном им разделе математики (Беллман Р. Динамическое программирование. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1960)
Но он оказался не первым, открывшим этот алгоритм, природа нашла его раньше. Правда, Р. Белман сформулировал эту оптимизационную задачу в более общей форме в виде последовательности рекурсивных вычислений. Решая сначала простую задачу, а затем всё более сложные, но однотипные, в которые включены уже оптимизированные простые, т.е., выполняя рекурсивную процедуру, находится решение по оптимизации некоторой задачи.
Таким образом, отбор не есть случайное блуждание, а весьма эффективный алгоритм движения.
Такой сложный орган как зрение, как показало компьютерное моделирование, может быть сформирован отбором, использующим этот алгоритм за полмиллиона лет, при среднем давлении отбора. Простым блужданием это невозможно сделать и за всё время существования вселенной.
Эта особенность эволюции ведет к неуклонному совершенствованию различных структур, что отмечал ещё Ч. Дарвин. Она же является причиной несовершенства многих адаптаций, странных несообразностей в строении живых организмов, связанных с зигзагами эволюционного пути.
1.5 САМООРГАНИЗАЦИЯ
Появление в результате эволюции эукариотических клеток (клеток с ядром) позволило эволюции пойти по пути формирования многоклеточных организмов. Тут у теологов (приписывающих всякому движению цель) и креационистов (считающих, что всё сотворено Творцом), а также людей считающих, что само собой ничего не может построиться, возникают большие сомнения, что естественные причины (отбор в данном случае) смогли сформировать наш прекрасный зелёный мир.
Почему собственно появились многоклеточные организмы? Они появились потому, что есть экологические ниши, которые одноклеточные занять не могут. А природа не терпит пустоты. (Это философский постулат, но он работает.)
Она стремится все пустоты, чем-нибудь заполнить. Если есть ниша, то эволюция пытается адаптировать некоторые организмы так, чтобы нишу заполнить. Если это удаётся, то появляется новый вид, в противном случае вид недостаточно адаптированный исчезает.
Происходит действительно всё не совсем само, происходит только с определёнными объектами и в определённых условиях. Это свойство материи называют самоорганизацией. Для самосборки и самоорганизации нужны условия.
Мозг Homo sapiens плохо приспособлен для понимания процессов самоорганизации и самосборки. Наше мышление специализировано для целеполагания, мы привыкли планировать свои действия, ориентируясь на ожидаемый результат. Поэтому нам и кажется, что если чего-то не предусмотришь, не проконтролируешь, то ничего хорошего и не выйдет – только разруха и хаос.
Нам кажется, если мы планируем свои действия для достижения поставленной цели, то видимо есть кто-то всемогущий, который придумывает и потом творит по своим великим планам, создавая весь этот мир. Его и назвали Богом и он настолько велик и могуч, что ему 6 дней хватило, чтобы все эти планы выполнить.
А кто создал его самого? Такой сразу возникает вопрос?
А кто это видел, как всё создавалось? Никто.
Как говорил известный наш биолог Тимофеев Ресовский, «я этого не помню, потому что был тогда маленький». Рассказы из старых религиозных книг не выдерживают критики, но им и не надо. Религия основана на вере, а наука на фактах.
В повседневной деятельности человек сталкивается с проявлением энтропии, т.е. с возникновением со временем из созданного порядка хаоса. Построенное нами здание воспринимается как порядок, а для природы это что то чужеродное, она его и стремится разрушить, превратить в свой порядок, который мы называем хаосом.
Возведенные объекты, оставленные без технического обслуживания, разрушаются и приходят в негодность. Так что, каждому отдельному объекту можно приписать стремление к хаосу. Это ещё более усиливает мотивацию человека приписать все действия по строительству нашего мира всемогущему Богу, чтобы побыстрее покончить с этим вопросом и пойти обедать.
Рабочий строитель точно знает, что если вы находитесь на стройке, среди кирпича, цемента и др. строительных материалов, то вы никогда не сможете увидеть, как под действием каких-то сил, материалы сами сложатся в готовое здание. Если над авиационной свалкой проносится ураган, то невозможно, чтобы в результате этого из обломков самолётов возник собранный Боинг.
Зато легко представить обратное. Как под действием мощных сил взрыва здание превращается в груду строительного мусора. Ну и как тут с самосборкой?
Ясно, что бог заехал к нам (так нас не было тогда?) и создал. Ну, на Землю залетел. А Земля тогда откуда? Или он её тоже предварительно сотворил? Из чего? Запутался. Стоит один раз соврать, а затем всю жизнь будешь путаться.
Примеры самоорганизации.
Вода состоит из молекул водорода и кислорода. При нагревании сначала превращается в пар, когда молекулы теряют между собой связь. При дальнейшем нагревании молекулы распадутся на атомы водорода и кислорода, а если нагреть еще сильнее, то и атомы распадутся. Мы видим, что при изменении температуры происходят сами собой определённые групповые перестройки.
Понизим температуру ниже нуля и вода, которая всегда есть в воздухе, конденсируется в виде снежинок, имеющих сложную, замысловатую структуру. Кто её придумал? Эту структуру снежинок? Никто. Просто эта структура для молекул воды оказалась энергетически выгодной. В такой структуре у молекул минимальная энергия. Поэтому при нагревании надо сначала затратить некоторую энергию на компенсацию образовавшегося дефицита энергии (теплота плавления), а затем уже эта масса становится обычной водой. Никакого чуда.
После Большого взрыва, из элементарных частиц, возникли атомы, молекулы, галактики, и жизнь. Всё это возникло само в результате самосборки. Чуда тут нет – имеются в каждом случае силы, приводящие к процессу упорядочивания.
Рост кристаллов это процесс самоупорядочивания, когда из пересыщенного раствора вытягивается (строится) кристалл.
Вообще, при определенных условиях микрочастицы сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур, когда на них оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако данное воздействие направлено не на конкретную частицу, как происходит при ручной сборке «сверху вниз», а на все сразу. При самосборке процессы идут «снизу вверх».
Эти процессы играют важную и всё возрастающую роль в современных технологиях, использующих наночастицы (т.е. частицы размером в миллиардную долю метра).
В процессе самосборки отсутствует управляющий элемент (иными словами нет привычного нам плана или чертежа), то есть ни в какой форме не присутствует система, описывающая порядок следования монтажных актов или порядок расположения элементов в структуре продуктов самосборки. План и чертёж всегда являются продуктом разума, а значит, упорядочивание вполне возможно без наличия разума.
Специфика феномена самосборки заключается в том, что процесс несомненно детерминирован, хотя механизм детерминации не всегда полностью понятен. Нынешний век можно назвать веком нанотехнологий. Мы начали осваивать то, что в природе давно и успешно работает. Нанотехнологии позволяют создавать материалы с необычными свойствами.
Однако, если бы мы смотрели на процесс самосборки не сверху, а с точки зрения самой частицы (представьте, что мы уменьшились в миллиард раз) то процессы выглядели бы естественно – под действием известной силы частицы бы занимали свои естественные позиции. Молекулы воды в водоёме под действием гравитации образуют ровную горизонтальную поверхность и это никому не кажется чудом. Если бы вода была достаточно вязкая, этого бы не произошло. Асфальт из за высокой вязкости приходится разглаживать катком.
Но перейдем на другой уровень. С точки зрения строительной компании она создаёт условия для самосборки, финансирую данный проект. При этом нанимаются строительные рабочие, завозятся материалы и начинается строительство. Руководство строительной компании не упорядочивает кирпичи в ряды на стройке, это делают рабочие (они как силы, вызванные актом финансирования). С точки зрения компании это есть процесс самосборки, поскольку подпадает под определение этого процесса. Таким образом, процесс самосборки кажется невозможным только с некоторых точек зрения, но это как раз те точки, с которых мы привыкли смотреть на мир.
Я привел этот пример, чтобы показать – ничего фантастического нет, не нужно и разума для протекания процессов самосборки и самоорганизации.
В процессах самосборки формируются такие сложные объекты как вирусы, которые стоят между живыми и неживыми объектами. Онтогенез (развитие живого организма) использует еще и генетический код, направляющий в каждый момент процессы самосборки молекул внутри клетки и осуществляющий необходимые процессы самоорганизации строительства. Ведь гены то сами своими руками ничего не строят, они только информацию кодируют.
Тогда получается, что клетка это автоматизированный завод. Она получает инструкции (гены), материалы (органические молекулы) и строит по инструкциям, но с обратными связями, канализирующими процесс строительства. Какой бы сложной ни была записанная программа в геноме, она все возникающие в онтогенезе обстоятельства учесть не сможет и вот поэтому нужны отрицательные (стабилизирующие) обратные связи. Когда их нет, а есть одна вертикаль, то это катастрофа – это рак. Раковые клетки отличаются тем, что они не воспринимают информацию от других клеток организма (они стали суверенны в организме в результате одной мутации). В результате раковые клетки прорастают во все окружающие ткани, приводя весь организм в состояние несовместимое с жизнью.
Эволюционный процесс в биологии можно рассматривать как сочетание процессов самосборки и самоорганизации с действием естественного отбора и сопутствующих механизмов эволюционного развития, порожденных действием отбора.
Здесь были приведены примеры самосборки материи в неживой природе. Далее рассмотрим пример самоорганизации в живой природе – Онтогенез.
1.6 ОНТОГЕНЕЗ (БИОЛОГИЧЕСКАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ)
Согласно А. Маркову (http://evolbiol.ru/nes05.htm) спермий и яйцеклетка сливаются образуя оплодотворенное яйцо (зигота). Зигота человека содержит двойной набор хромосом (23 от папы и 23 от мамы). Этот набор называется геномом. Хромосомы это отрезки ДНК на которых располагаются гены. Зигота делится несколько раз, при этом делении (митоз) каждая клетка получает полный идентичный геном.
Образующиеся при метозе клетки не растут, но объеденены в комочек (морула). Затем морула прикрепляется к стенке матки, где и начинается развитие.
Сложный процесс митоза начал активно изучаться только в 1970 году. При митозе происходит копирование хромосом, расхождение копий к полюсам клетки и затем клетка делится на две. Процесс занимает 1—2часа. Только благодаря тому, что все клетки после деления обладают одинаковыми геномами, оказывается возможным построение из них сложного организма. Процесс построения организма напоминает процесс честного кооперативного развития. Здесь нет конкуренции, потому что естественному отбору не за что зацепиться – все клетки имеют одинаковый набор генов.
Для действия отбора нужны различия, чтобы было из чего выбирать. В живой природе такие различия даёт изменчивость организмов, принадлежащих одному виду. Дело в том, что в генофонде вида имеется варианты (аллели) одного гена. Процесс образования половых клеток (мейоз) содержит в себе случайный процесс выбора аллелей, на гомологичных хромосомах, правда только из родительского набора. Это и даёт основной поток изменчивости, а не мутации, которые сравнительно редки.
Кроме того, ещё одним источником изменчивости является процесс порождения одним генотипом под влиянием внешних условий различных фенотипов (результатов), что тоже позволяет работать отбору.
Например. Вы делаете куличи из песка с помощью одной формы (аналог генотипа), но не все куличи получаются одинаково хорошими (куличи здесь аналог фенотипа). Поэтому вы можете отобрать самые удачные. Если бы все куличи были одинаково хороши, то отбирать было бы невозможно. Возвратимся к клеткам.
Клетку можно представить в виде завода по производству разного рода молекул – гормонов, нейромедиаторов, цитокинов, ферментов и других молекул.
Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2013 год была присуждена работающим в США Джеймсу Ротману, Ренди Шекману и Томасу Зюдофу за открытие механизма, перемещения молекул с помощью мембранных пузырьков- везикул в которые они упаковываются и снабжаются «адресом» для перемещения.
Ренди Шекман выделил три класса генов, регулирующих движение внутри клетки. Эти гены, выявленные на предках всего живого- дрожжах, работают и у млекопетающих. В клетках есть транспортная инфраструктура, которой указанные гены управляют.
Джеймс Ротман, обнаружил как везикулы снабжаются «адресом», благодаря которому гарантируется, что «груз» будет доставлен точно по назначению.
Томас Зюдхоф выявил механизм, отвечающий за пунктуальность доставки везикул в нервных клетках и позволяющий «пузырькам» высвобождать своё содержимое по команде.
Таким образом, производимые молекулы в клетке попадают в нужный пункт точно по расписанию. В случае нарушения этого порядка неизбежно возникают заболевания – неврологическимие, диабет, расстройства иммунной системы и т. д. Так обстоит дело внутри клетки и в частности в процессе первоначального роста. Эти процессы отрабатывались миллиарды лет.
Геном человека в своем составе содержит около 3млрд генов. Но принимает участие в построении организма человека (синтезе белков) порядка 40тыс генов. Остальные условно называют мусорными. Их назначение пока обсуждается. Геном почти полностью определяет строение индивидуума (морфологию) и другие его свойства. Это почти портрет.
Впрочем сами гены ДНК не работают. В процессах трансляции, транскрипции и сплайсинга они преобразуются в рабочую молекулу РНК, которая и участвует в строительстве белков.
Сначала полагали, что геном содержит что то вроде чертежа индивидуума. Чертёж и объект созданный по нему должны иметь взаимно однозначное соответствие. Но в природе не совсем так происходит. Результат (фенотип) отличается от генотипа из- за влияния на его развитие внешних условий.
Более правдоподобное сравнение получим, если представим генотип в виде рецепта из поваренной книги. Пусть два повара готовят по одному рецепту. Результат часто весьма отличается. Потому, что бывают хорошие повара, а бывают не очень.
Но и рецепты бывают разными. В одном написано – положить продукт 1, варить 10 мин., затем добавить 100 г продукта 2, перемешать и варить еще 5 мин. Такой рецепт подобен чертежу. В нем отсутствуют обратные связи.
При приготовлении более сложных блюд, в рецепте должны быть представлены условные операторы типа – «Если увидишь в процессе готовки это, то сделай действие 1, а если обнаружишь это, то выполняй действие 2».
По существу второй рецепт это интерактивная программа действий, которая больше похожа на геном. Но конечно при таком количестве генов, которое есть в геноме, программа получается очень сложной.
Вернемся к комочку клеток – зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном. Геном определяет все свойства клетки, это её «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие – в клетки кишечника, и так далее.
Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией – посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.
Основные действия, которые делают клетки, – это включение или выключение определенных генов. Это меняет свойства клетки, она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.
Правила поведения клетки «сделаны» из рецепторов, транскрипционных факторов, энхансеров, сигнальных молекул и белков, осуществляющих синтез этих молекул. Например, правило «если получен сигнал А, начни выделять вещество Б», может быть сделано из рецептора в-ва А, который активирует транскрипционный фактор В, который прикрепляется к энхансеру Г, расположенному около гена Д, который кодирует фермент, отвечающий за синтез вещества Б.
Как же получается, что одинаковые клетки зародыша, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что они на самом деле находятся в разных условиях – это получается само собой в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества «А» высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества «А» мало.
Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества, запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.
Итак, основной принцип, лежащий в основе онтогенеза многоклеточных, состоит в том, что онтогенез – это процесс самосборки упорядоченных многоклеточных структур, формирующихся за счет согласованного поведения множества индивидуальных модулей (клеток), причем все эти модули изначально следуют одному и тому же набору «правил поведения», закодированному в геноме, причем в поведении этих клеток присутствует неустранимый элемент случайности.
Согласованное поведение не подразумевает, что модули между собой общаются и согласовывают свое поведение. Представьте себе, что по летнему городу гуляют люди, некоторые по делам, другие просто отдыхают. Но вот вдруг пошел дождь, и люди все попрятались – кто под близ расположенные крыши, кто в магазин, кто достал зонт. Не договариваясь, но, учитывая поведение друг друга, люди выполнили однотипные действия по защите себя от дождя. Такое поведение и называем самосогласованным. Все люди не побежали прятаться под одну крышу – каждый сам нашёл себе убежище.
Геном зиготы не содержит ничего похожего на «чертеж» организма. Между элементами чертежа и элементами изделия, как правило, существует соответствие «один к одному» (изоморфизм). Каждый элемент чертежа соответствует определенному элементу изделия и наоборот. В геноме зиготы ничего такого нет. Между частями (признаками) организма и частями генома (генами, локусами) нет соотношения «один к одному»: большинство признаков зависит от множества генов и наоборот. Это только во времена Г. Менделя полагали один ген – один признак. Но это ошибочное представление и помогло Г. Менделю открыть законы наследственности.
Если бы развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы труднее эволюционировать. Лет сто назад, когда мы еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось непонятным. Например, некоторые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно – ведь для этого нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.
Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. Ведь организм (фенотип) получается в результате самосборки.
Ход онтогенеза определяется генно-регуляторными сетями (каскадами). В них участвуют сигнальные белки и др. вещества («морфогены» выделяются клеткой в окружающее межклеточное пространство), рецепторы, транскрипционные факторы, малые регуляторные РНК. Энхансеры (сайты связывания ТФ) в регуляторных областях генов-регуляторов – важный компонент «генетической программы развития». От энхасеров зависит, какими переключателями (а значит, где и когда) будет включаться данный ген.
У всех животных за разметку эмбриона вдоль передне-задней оси отвечает особое семейство генов – HOX-гены. Сначала их нашли у дрозофилы, затем у всех животных.
Открытие сходных Hox-генов у разных типов животных заставило по-новому взглянуть на морфогенез животных и его преобразования в ходе эволюции. Стало ясно, что, изменив один ген или время (или место) его включения, можно трансформировать, создать, удалить или перенести в другое место сразу целый орган, сохранив при этом общий план строения.
Hox-гены у дрозофилы, человека и многих других животных располагаются в хромосоме в строгом порядке, в том самом, в котором происходит дифференцировка основных частей тела двусторонне симметричного животного. Сначала у раннего эмбриона начинают работать гены, отвечающие за строение органов на голове, затем на груди, затем гены начинают оформлять и хвостовую часть.
Кроме НОХ-генов, существует много других регуляторов развития. Для большинства характерна плейотропность. Плейотропность – множественность функций и фенотипических проявлений. Один и тот же ген-регулятор (ТФ) может регулировать несколько совершенно разных процессов на разных стадиях эмбрионального развития. Это «профессиональные переключатели», которым в принципе все равно, что переключать (был бы у регулируемого гена нужный энхансер). Поэтому в ходе эволюции под их управление легко могут попасть новые «подпрограммы». Так возникают новые признаки.
Итак, онтогенез – это процесс самоорганизации, в ходе которого из согласованных действий множества одинаково запрограммированных клеток, следующих сравнительно простому набору правил поведения, «самозарождаются» сложные многоклеточные структуры.
Наличие в программе развития отрицательных обратных связей (ООС) является необходимым условием для формирования сколько-нибудь сложного, упорядоченного фенотипа.
Для стабилизации признака, нестабильно воспроизводящегося в онтогенезе, часто нельзя обойтись без усложнения генетической программы развития, без добавления в нее дополнительных регуляторных контуров с ООС.
Отбор на стабильность должен вести к усложнению программы развития. То есть отбор, просто отсеивающий «уродцев», в перспективе способствует развитию новых генно-регуляторных контуров, повышающих стабильность воспроизведения «нормального» фенотипа.
Эти неизбежно возникающие отрицательные обратные связи и специальные стабилизирующие механизмы придают онтогенезу помехоустойчивость (или эквифинальность – т.е. одинаковый конечный результат при разных нарушениях в ходе развития). ООС позволяют онтогенезу компенсировать разные непредвиденные помехи и приходить, невзирая на них, к более или менее «нормальному» итоговому фенотипу.
Фокус тут, в том, что регуляторный контур, развившийся для компенсации каких-то помех, возникающих по некоторой одной причине, будет с тем же успехом компенсировать такие же помехи, возникающие по любым другим причинам. В том числе – по причинам, которые не были изначально предусмотрены программистом (адаптациями генома).
В результате морфологическое разнообразие, порождаемое мутациями, оказывается в целом гораздо меньше, чем разнообразие самих мутаций. Это позволяет говорить о «канализированности» эволюционных преобразований онтогенеза, о наличии в нем ограниченного числа альтернативных путей.