Еретическое эволюционное

Исходя из написанного ниже, я могу показаться еретиком, отступающим от основ эволюционной теории. Однако, как мне кажется, нужно изложить одну мысль, которая меня терзает и изводит уже не первый месяц.
Проблема: в каждый момент времени на Земле существует множество разнообразных флор и фаун, а также множество их существовало в предшествующие эпохи. Так или иначе, но каждые из этих предшествующих флор и фаун вымерли в свое время, замещаемые и вытесняемые новыми, более прогрессивными. Так вот это меня и заинтересовало. И снова, вероятно, я не скажу ничего нового для тех, кто сведущ в биологии и экологии в ее чистом виде.
Флоры и фауны никогда отдельно друг от друга не существуют, это бессмысленно в своей сути. И те, и другие всегда и во все времена были тесно связаны и зависимы друг от друга, образуя биоценозы, сообщества со своей уникальной структурой и системой внутренних связей, направлениями потоков вещества и энергии. Это основы основ экологии. Чем разнообразнее эти связи, чем их больше, тем выше устойчивость сообщества, тем больше, так скажем, его буферность, то есть - способность сопротивляться внешним негативным воздействиям. Другими словами, чем выше биоразнообразие в сообществе, чем уже экологические ниши, занимаемые его членами, тем более высокой буферностью будет обладать это сообщество.
Однако биоразнообразие - неоднозначное понятие. Сообщество может содержать десяток видов, занимающих одну эконишу, потребляющих один и тот же ресурс, а другие оказываются мало или вовсе не востребованными. Может быть и другая ситуация: в сообществе максимально наполнены экониши и на каждую из них претендует пара-тройка видов. Каждый доступный ресурс используется с максимальной возможной эффективностью.
В первом случае сообщество окажется уязвимым ввиду низкой буферности перед негативным воздействием, во втором - наоборот, будет устойчиво и сможет более длительный период сдерживать негативное воздействие, часто, ценой выпадения некоторых звеньев. Но, так как этих звеньев достаточно, то потеря одного или двух из них не ведет к критической ситуации и не нарушает общей структуры. Для сообществ первого типа потеря одного звена может стать фатальной, так как на любом из его звеньев жестко завязано все функционирование сообщества.
Сообщества, внутри которых поддерживается идеальный или почти идеальный баланс, называются климаксными и условно могут существовать неограниченно долго даже при том, что периодически будут происходить сукцессии и смена членов сообщества. Такое сообщество можно назвать динамически устойчивым, если все изменения в нем цикличные.
А теперь - к чему такое длинное введение в экологию: если рассматривать в ретроспективе смену флор и фаун (а, следовательно, сообществ), то вполне логичным кажется вывод о существовании такой формы естественного отбора, которая работает над целыми сообществами, минуя и оставляя вне поля своей деятельности отдельные организмы и их популяции.
Вполне возможно, что это эволюционная ересь, но, как мне кажется, такие подходы существуют и никак не противоречат основам концепции естественного отбора. В самом деле, если сообщество представляет из себя систему со множеством внутренних связей, реагирующую на внешние воздействия, то на определенном уровне абстракции оно может быть представлено, как некая условная единица отбора. Разнообразие, необходимое для работы отбора, обеспечивается тем, что в разных локусах биоценоза существуют различные группировки организмов, занимающих примерно одни и те же экониши.
Можно говорить о том, что любому организму, являющемуся членом сообщества, выгодно сохранение существующего биоценоза, так как он обеспечивает этот организм условиями для существования. А мы же помним, что любое эволюционное изменение фактически никому не нужно и добровольно никогда не происходит. Эволюция - процесс вынужденный и весьма затратный, а эти самые затраты никому не нужны. Поэтому каждый член сообщества стремится минимизировать действие дестабилизирующего («шатающего») фактора. Для этого требуется сохранять и даже увеличивать буферность сообщества. А это возможно лишь увеличением количества внутренних связей и направлений потоков вещества и энергии.
Внешние для сообщества факторы, таким образом, постоянно испытывают каждый локус сообщества на устойчивость, давая возможность каждому проявить себя. Те локусы, которые при данных конкретных условиях показывают большую устойчивость (читай - буферность, так как абсолютно устойчивых сообществ нет и не будет, и каждое из них рано или поздно может быть уничтожено), получают преимущество и возможность расширить «зону покрытия». Если же локус не отвечает требованиям, он постепенно деградирует и замещается другим, более «жизнеспособным».
Пойду дальше и выскажу мысль о еще большей ереси: вся эволюция отдельных организмов в значительной степени подчинена не интересам популяции и вида, а интересам того сообщества, биоценоза, в которых он обитает. И чем дальше заходит образование внутренних связей члена с сообществом, тем более зависимым от биоценоза становится вид. Со временем вид уже невозможно отделить от сообщества и перенести в радикально отличающееся другое. Перемещения возможны лишь между отдельными локусами. В крайнем случае перемещение возможно между сходными, близкими по структуре сообществами, где находится ниша для вида, максимально сходная с прежней.
А что же сукцессии? А сукцессии - это вполне закономерные смены сообществ, что является частью их нормального состояния. Часто сукцессии даже увеличивают буферность сообщества, а в других случаях сукцессии приводят сообщество путем закономерной замены одних членов другими к состоянию климакса. Условно этот процесс можно считать одной из адаптаций на уровне биоценотического отбора.
Вот такая эволюционная ересь. Теперь можно ругать и анафемствовать.

Первые на земле

Снова неклассическая теория эволюции. И слово «земля» написано со строчной потому, что речь пойдет именно о первых сухопутных животных. В данном случае, о позвоночных. У них, кажется, судьба сложнее. Если беспозвоночные пришли на сушу раньше, возможно, через стадию почвенных обитателей и после этого обосновались на поверхности (скорпионы, кстати, изначально были водными обитателями), то с позвоночными история оказалась более запутанной. Правда, в начале и середине 20 века так не казалось.
Сначала была всем очевидной и очень привлекательной мысль, что сухопутные позвоночные произошли от двоякодышащих рыб, кои до сих пор встречаются и демонстрируют чудеса своего образа жизни (илистый прыгун в помощь). Позже пришлось от этой версии отказаться. Не было никаких явных или косвенных доказательств, кроме исключительно функционального сходства.
Следующими и теперь уже прочно укрепившимися на этой роли (в качестве предков наземных позвоночных) стали кистеперые рыбы из которых до наших дней дожили целаканты (они же — латимерия). Тут стоит сказать, что целаканты сами по себе не были предками земноводных, но являются родственной группой этих самых предков.
Помните, я рассказывал о каменно-угольном периоде? Так вот в конце девона (предшествующий карбону период) начали складываться условия, способствовавшие началу «гонки вооружений» среди нескольких групп кистеперых. Вряд ли это сделала только одна группа. Скорее всего, разные варианты адаптаций выработали разные группы. Сильная эфтрофизация (обогащение органикой и снижение количества доступного в воде кислорода) однозначно потребовала от рыб выработать возможность дыхания атмосферным кислородом. Для этого потребовался новый орган, который мог бы вмещать воздух. Рыбы обзавелись особым выростом в передней части пищеварительного тракта. Сейчас это образование называется плавательным пузырем. Но таковым оно стало позже. Для рыб, обитавших в условиях недостатка кислорода возможность дышать атмосферным воздухом стала спасением.
Но и тут не все столь однозначно. Вполне возможно, что к земноводности рыб привел не только недостаток кислорода, но и недостаток питания. Рипидистии, которые, вероятнее всего, являлись предками земноводных, были хищниками. А на суше к тому моменту уже имелась развитая фауна членистоногих, которые освоили эту среду гораздо раньше. Разнообразить свою диету новым видом пищи — хороший повод для того, чтобы совершить эволюционный рывок. Вот тут школьный учебник тоже делает рывок и описывает идиллическую картину выползающих на берега водоемов рыб, которые через некоторое время чудесно превращаются в первых земноводных, уже бодро ползающих среди корней огромных плаунов.
Помню хорошо вот эти рисунки:






Ихтиостега, которую с давних пор прочили в первые сухопутные позвоночные, принадлежала к лабиринтодонтам и преподнесла палеонтологам сюрприз. Дело в том, что останки ихтиостеги и родственного ей вида — акантостеги находили вместе с останками пресноводных рыб (руководящей тут может быть пресноводная акула ксенакант), что никак не вяжется с гипотезой о сухопутности этих двух видов. Несколько позже вдруг стало ясно, что у ихтиостеги и ее родственника имелись внутренние жабры. Да, именно такие, какие имеются у рыб, а еще позже, при тщательном изучении найденных останков (полных скелетов с передними конечностями не найдено) было установлено, что конечности этих лабиринтодонтов просто не в состоянии были поддерживать тело на суше, да и сочленение этих конечностей с телом оказалось типично рыбье, то есть, конечность была плавательной. Вот такой оказалась ихтиостега после основательной работы по изучению скелета: Можно с натяжкой сказать, что это была очень, очень и очень крутая рыба.





В данном случае приведено сравнение со скелетом кистеперой рыбы.

Все вместе это позволило сделать обоснованный вывод, что первые земноводные (если их так можно назвать) были водными жителями (точнее — пресноводными), были покрыты чешуей, как рыбы и имели развитые жабры и примитивные легкие. Охотились на мелководье на небольших рыб. По-видимому, конечности у таких животных появились не для того, чтобы выползать на сушу, а для того, чтобы перемещаться по дну, когда, например, водоем сильно мелел. Чуть позже обнаружилось, что с помощью конечностей такого типа можно худо-бедно переползти по суше в другой водоем. В общем, появление четырех конечностей и выход на сушу между собой оказались не связаны никак.
Масла в огонь подлил найденный в 2004 году Тиктаалик (он же Tiktaalik roseae). Сначала его посчитали очень примитивным земноводным. Но, как всегда, после тщательного изучения (помните, «...наш спектральный анализ показал...») все же установили, что это очень продвинутое существо. Еще не земноводное, но уже и не рыба. Вот это была крупная победа эволюционной теории. Тиктаалик обладал смешанными признаками и рипидистий, и следующих за ним лабиринтодонтов, как и полагается переходной форме в самом лучшем ее виде. И все же, чтобы навести порядок, тиктаалика считают рыбой. Тогда же, в девоне, на арене появились несколько групп стегоцефалоподобных кистеперых. Все они предложили очень сходные варианты решения проблемы. Вот один из интересных обитателей того времени — пандерихт — очень продвинутая рыба с многими признаками земноводных и они еще долго существовали вместе с настоящими тероподами.


И только после длительного периода почти полностью водного образа жизни, первые тероподы (четырехногие) стали несколько смелее осваивать сушу. На тот момент уже не осталось никаких других групп, способных конкурировать с ними по эффективности приобретений, либо они находились в упадке и так и остались в виде ископаемых. С этого момента началось триумфальное шествие земноводных, завершившееся появлением рептилий. А об этой истории мы уже начали говорить несколько раньше.

Против случайной сборки

Давайте вернемся к теме абиогенного синтеза. Напомню, что гипотеза абиогенеза говорит о том, что появлению жизни предшествовал длительный этап химической эволюции, что привело к появлению биогенов: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Эти биогены впоследствии и дали начало органической жизни. Не имеет в данном случае особого значения, что именно было первым - белки или нуклеиновые кислоты, например. Гораздо важнее, что существует аргумент, который призван показать несостоятельность гипотезы абиогенеза. Как правило, его формулировка такова: шансы формирования даже простой молекулы белка составляют 1 к 10¹¹³. При этом за молекулу белка принимается обычно конкретная молекула с конкретными свойствами и выполняющая определенную функцию в биологической системе. Часто сюда привлекаются ферменты со специфическим субстратом. То есть, если исследовать вероятность сборки молекулы белка инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, то получается, что даже у такого белка количество комбинаций просто огромно: 77535155627160 (если я верно применил формулу количества сочетаний из n по m). И это для простого белка. Белки, состоящие из сотен аминокислотных остатков имеют, кажется, еще больше вариантов последовательности. В органической химии есть такое правило - правило Марковникова. Визуально оно изображается так:
 
Читается так: в реакциях присоединения по двойной связи электрофильная частица присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Соответственно, нуклеофильная - к наименее гидрогенизированному (левая часть картинки). При других условиях (заместители с сильными акцепторными свойствами) присоединение идет наоборот, либо же в условиях присутствия сильного окислителя. Этому правилу следуют все без исключения соответствующие реакции в органической химии. Также существует множество других правил, которые определяют, каким образом происходят реакции. Например, замещение в бензольных кольцах при наличии заместителей. Замечу, что никому не придет в голову объяснять наличие таких закономерностей наличием сверхъестественного. В данном случае работают простые принципы. Такая же ситуация имеет место быть и вот в таком случае:

В молекуле этана (следующего за метаном углеводорода) атомы водорода у разных атомов углерода не находятся друг напротив друга, как может показаться из схемы строения молекулы (вторая часть рисунка), а вся группа СН₃ повернута на определенный угол, что соответствует минимальной потенциальной энергии системы. Сделать это вынуждает взаимодействие одноименных зарядов, которые, как мы знаем, отталкиваются. Так как атом углерода на связи С-С свободно вращаются, ничто не мешает им развернуться так, чтобы снизить внутреннюю энергию всей системы. Собственно, подвижность по связям С-С и является причиной существования конформеров - молекул одинакового химического состава, с одинаковой последовательностью атомов, но с разной формой. Если помните, белки являют собой прекрасный пример конформаций с разными свойствами, когда одна и та же молекула в разных конформациях проявляет совершенно разные функциональные особенности. Как видите, в природе, на уровне молекул существую фундаментальные законы поведения и взаимодействия. Я показал два самых простых, которые все встречали в курсе средней школы. Каждый из таких законов определяет не только характер взаимодействий, но и их результаты, а также дает ключ к понимаю такого процесса, как самоорганизация. Никакой синтез молекул не является случайным перебором комбинаций. Скорее - это подбор составных частей, как кусков мозаики. Все они отлично подходят друг к другу при правильной последовательной сборке. Скажем, взаимодействие между нуклеотидами никогда не пойдет против правила комплиментарности, а аминокислотные остатки в молекулах белка будут образовывать между собой водородные и дисульфидные мостики только при наличии такой возможности. В противном случае ничего подобного не произойдет. Если в какой-то момент в молекуле белка оказались аминокислоты, способные образовывать водородные связи между собой, молекула с большой долей вероятности перейдет ко вторичной структуре. Как только появится достаточное количество аминокислотных остатков, способных к образованию дисульфидных связей, с гидрофобно-гидрофильным и ковалентным взаимодействиям, молекула опять же с высокой вероятностью свернется и приобретет третичную структуру. И тут ключевую роль будет играть возможность образования конформеров. Одна и та же исходная молекула может свернуться несколькими способами. И взаимодействия внутри молекулы будут происходить не случайно, а по вполне определенным правилам. Как это выглядит на практике? Если мы рассматриваем появление в истории такой молекулы, как полинуклеотид или полипептид, то нужно понимать, что любая, даже случайная для нас последовательность нуклеотидов или аминокислот уже имела определенную конформацию и, вероятно, обладала какими-то свойствами. Даже если случайно собравшаяся молекула никаким свойствами не обладала, рядом могли появиться сотни других молекул, более функциональных. Нам сейчас известно, что множество белков с разными аминокислотными последовательностями выполняют сходную или одну и ту же функцию. Это как минимум странно, если мы принимаем гипотезу ID (intelligent design). В данном случае перед нами пример нерациональности, проявляющейся в том, что логично под каждую функцию создать один-два соответствующих белка (других молекул) и оснастить ими все живые организмы, но на практике этого не наблюдается. Многочисленные группы организмов вырабатывают свои, часто уникальные белки для выполнения сходных функций. Неизвестно точно, были ли белки первичны, или же первыми были полинуклеотиды. Возможно, появились они одновременно и после этого началась их совместная эволюция, либо же белки стали матрицами для формирования РНК или же РНК стала матрицей для белков. И тот, и другой варианты правдоподобны. Но, как когда-то уже мы говорили, РНК гораздо лучше соответствует критериям самостоятельной молекулы. Сейчас очень популярен метод «пробирочной эволюции», который предполагает получение множества разнообразных РНК в лабораторных условиях и отбора тех из них, которые обладают определенной функциональностью. Таким образом получены рибозимы с самыми разными свойствами, катализирующие множество процессов. А не так давно (Levy and Ellington 2003) были найдены дезоксирибозимы - молекулы ДНК с каталитическими свойствами. Логичный вопрос, если вернуться к началу: почему, находясь на уровне отдельных молекул, мы допускаем закономерность происходящих реакций и других взаимодействий, но смещаясь на уровень их функциональности, не можем сделать то же самое - допустить, что образование биополимеров (белков и полинуклеотидов) могло проходить вполне закономерно, а отбор на этой стадии был направленным в сторону оптимизации системы (молекулы и ее потенциальной энергии)? К сожалению, этим страдает вся концепция ID. Таким образом, можно подвести достаточно основательный фундамент под гипотезу абиогенеза и свести на нет очередной аргумент сторонников ID о случайной сборке «Боинга на свалке деталей самолетов или часов на свалке часовых деталей».

Человек - вирус почти наполовину

Конечно, это ради «красного словца». Но тут есть и достаточно большая капля смысла, без которой сложно обойтись в понимании того, что собой представляет геном, в данном случае - человеческий. Геном человека представлен молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая организована на самом нижнем уровне в виде двух цепочек, комплиментарных друг другу. Далее двойная молекула сворачивается в спираль, которая затем еще несколько раз упаковывается, добираясь, в конце концов, до уровня хромосом - суть плотно свернутых молекул ДНК. Таким вот образом в крошечное клеточное ядро умещаются молекулы ДНК общей длинной почти 2 метра. Хромосомы - это форма хранения ДНК. Толку от них никакого нет. Чтобы не затягивать эту часть, скажу, что для реализации своей функции - предоставления информации о белках - ДНК должна быть расплетена от хромосом до линейной молекулы. Только тогда механизм транскрипции (чтения последовательности нуклеотидов и перевода ее в последовательность нуклеотидов РНК) может обработать ДНК. А вот теперь о том, что же обрабатывает этот механизм. ДНК человека содержит примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов, которые образуют примерно 20-25 тысяч генов. Но, и это многим известно, не все нуклеотиды принадлежат генам, которые непосредственно кодируют белки или выполняют другие важные функции (например, являются участками регуляции транскрипции). Кодирование белков осуществляет примерно 1,5% всей человеческой ДНК. Причем участники проекта «Геном человека» предполагают, что с совершенствованием методик поиска генов их общее число будет уменьшаться и, скорее всего, не превысит числа генов весьма примитивных организмов. Итак, только 1,5 процента из всех 3 миллиардов пар нуклеотидов хранят информацию о белках. Плюс небольшая доля участков регуляции. А чем же занимается вся остальная ДНК? Следует сказать, что этот вопрос очень долго не давал покоя биологам. ДНК бактерий, например, весьма эффективна и некодирующая часть в ней весьма невелика. А вирусы и вовсе представляют собой практически идеал хранения наследственной информации. Эвкариоты же на этом фоне крайней непрактичны, расточительны и тяжеловесны. Проблема была так актуальна, что ей дали название «С-парадокс» или парадокс избыточности генетического кода. До сих пор С-парадокс является оружием противников эволюционной теории. Надо сказать, это оружие весьма эффективно, особенно против тех, кто не углублялся в молекулярную биологию и не знаком с продвижением науки в этой области. Да, избыточность генетического кода имеет место быть. Но все не так плохо, как кажется. Первым открытием на этом пути стало обнаружение множественных копий генов, разбросанных по всему геному. Получалось, что живые организмы и эвкариоты в том числе приобрели своеобразный механизм защиты от повреждения активных генов — возможность заменять их в случае жесткой необходимости. Как мы делаем несколько копий важного документа, чтобы застраховать себя от потери. Многие гены клонированы неоднократно, но не транскрибируются. Вторым важным шагом стало исследование механизма размножения вирусов. Теперь всем известно, что вирусу для создания собственных копий нужна клетка-хозяин, точнее — ее ДНК, в которую ДНК вируса встраивается при помощи особых ферментов — рестриктаз, которые разрезают ДНК клетки-хозяина и вшивают в нее вирусную молекулу. Таким образом вирус получает возможность размножаться, используя механизм транскрипции и трансляции клетки-хозяина. Ну, а что произойдет, если участок ДНК, куда встроится вирусный геном, окажется поврежден? Скорее всего, он перестанет транскрибироваться либо считываться смогут только некоторые гены, но цельного вируса, которому для построения капсида нужны все белки, не получится. Чем дальше от момента внедрения вирусной ДНК и повреждения этого участка, тем меньше белков будет считываться с него (вполне возможно). В результате вирусная ДНК станет «мусорной» частью генома клетки-хозяина и прибавит к нему несколько сотен или тысяч пар нуклеотидов. Зная это, ученые предприняли поиск таких вирусных вставок в геномах различных организмов. Результаты оказались весьма впечатляющими. В геноме человека обнаружилось около 30000 ретровирусных вставок. Т. е. ДНК каждого человека несет 30000 потенциальных вирусов. Опасаться, правда, не стоит. Вряд ли они вообще когда-нибудь окажутся способны «ожить». Ретровирусы — еще одна интересная группа... сущностей (вирусы назвать живыми в полном смысле нельзя). Их особенность в том, что геном представлен не ДНК, а молекулой РНК (рибонуклеиновой кислоты). И они тоже могут встраиваться в ДНК клетки-хозяина. Но непосредственно РНК в ДНК встроить нельзя. Нужно как-то превратить рибонуклеиновую кислоту в дезоксирибонуклеиновую. И тут никакие чисто химические методы не помогут. Но нашлась лазейка. Существует фермент — обратная транскриптаза (полное название — РНК-зависимая ДНК-полимераза). Она-то и выполняет функцию, совершенно, казалось бы, чуждую эвкариотной клетке — читает последовательность нуклеотидов РНК и переводит ее в последовательность нуклеотидов ДНК. Таким образом на РНК-матрице ретровируса строится обычная ДНК, которая затем и вшивается в ДНК клетки-хозяина. И снова в этом участке может произойти мутация, которая сделает часть вирусного генома или весь его полностью нечитаемым. К ретровирусам, кстати, относится и ВИЧ. Итак, в геноме человека около 30000 ретровирусных фрагментов. Но и они не решают проблемы избыточности генетического кода.

К слову о том, как определяются такие фрагменты: последовательности нуклеотидов, кодирующих белки (особенно жизненно важные), меняются редко и если в геноме обнаружена последовательность, один в один повторяющая таковую в геноме, например, вируса (пусть даже с заменой нескольких нуклеотидов) — такое совпадение случайным не бывает. Ведь сложно предположить, что несколько тысяч или даже десятков тысяч пар оснований выстроились точно также, как они выстроены в сравниваемом образце ДНК или РНК (в случае РНК просто учитывается правило комплиментарности ДНК-РНК).

Следующим откровением для исследователей стало обнаружение в геноме подвижных участков, которым дали название мобильных генетических элементов (МГЭ). Наследственный материал теперь сложно было назвать стабильным. В нем постоянно происходят перемещения участков ДНК. В частности особый интерес представляют так называемые транспозоны — фрагменты ДНК, способные путем cut-paste (вырезать-вставить) перемещаться внутри генома. Обнаружены транспозоны были в 1951 году, но долгое время они практически не принимались во внимание. Их считали скорее исключением, чем правилом. Но позже, как обычно бывает, оказалось, что транспозоны имеют куда больший вес, чем думали ранее. Чтобы переместиться по геному, транспозону необходим особый фермент — транспозаза, который (и это еще более удивительно) кодируется самим транспозоном. Таким образом, транспозон содержит практически все, что необходимо ему для прыжков по геному. Ничего не напоминает? Вскоре были найдены и особые транспозоны, которые не умели перемещаться методом cut-paste. Для них имеется другой метод — copy-paste (копировать-вставить). Копирование такого транспозона происходит следующим образом: с участка ДНК транспозона считывается последовательность нуклеотидов и переводится в последовательность нуклеотидов РНК. А далее — путем обратной транскрипции с РНК снова читается ДНК и уже она встраивается обратно в геном. Потому такие транспозоны назвали ретротранспозонами. Сделаем паузу. Механизм обратной транскрипции выше мы уже видели у ретровирусов. В отношении молекулярных механизмов вообще сложно говорить о случайных совпадениях. Не тот случай. И получается, что ретротранспозоны — ближайшие аналоги ретровирусов. Аналоги потому, что не ясно, кто от кого произошел. То ли ретротранспозоны — это упрощенные ретровирусы, то ли ретровирусы — это ретротранспозоны, которые смогли обрести некоторую самостоятельность. Вторая гипотеза привлекательнее, т. к. объясняет не только происхождение вирусов, но и многие их свойства. В любом случае — это в данном контексте не столь важно. Куда важнее объем, занимаемый транспозонами обоих типов в геноме (в данном случае — человека). Итак, на ретротранспозоны и их фрагменты в геноме человека приходится... 42% и еще примерно 3% занимают транспозоны. Как вам нравится почти на половину являться вирусом? Точнее — кучей вирусов и недовирусов? Конечно, как я и говорил, это сильное упрощение, сделанное ради красивого названия. На самом деле — никакими вирусными свойствами транспозоны не обладают. Даже наоборот, играют весьма важную роль в геноме организмов. В частности, они могут использоваться при горизонтальном переносе, о котором мы уже говорили. Многие транспозоны выполняют регуляторную функцию, управляя считыванием с генов, тем самым обеспечивая определенные качественные реакции организмов на изменения в окружающей среде. Конечно, не только положительную роль играют МГЭ, но отрицательное их влияние перекрывается положительным. Например, не стоит думать, что МГЭ не подконтрольны эвкариотной клетке. Наоборот, все перемещения по геному в значительной степени управляемы, а регуляция активности МГЭ замкнута в сложные контуры обратной связи, что немедленно отражается на характере их поведения. Но механизмы эти, скорее всего, являются своеобразным ответом эвкариот на «замусоривание» своих геномов. Одна из гипотез (и она вполне хороша) определяет появление МГЭ, как следствие отсутствия у первых ядерных организмов каких-либо механизмов управления собственными геномами или их малой эффективностью. Поэтому в первый период существования эвкариот в их геномах творилась настоящая каша и МГЭ чувствовали себя вполне вольготно. Особенно хорошо было именно ретротранспозонам, ведь они копируют себя, а потому, в отсутствии контроля, расползлись по всему геному. Однако эвкариоты «придумали» им применение и превратили многие транспозоны из вредителей в помощников, «наделив» их полезным функционалом или, скорее, пристроив уже имеющийся у них функционал. Ведь для эволюции не характерно обдумывание. Она хватает полезную находку и далее тиражирует ее до тех пор, пока не найдет лучшую и даже после этого старая еще может функционировать длительное время. Обнаружение МГЭ поставило больше вопросов, чем дало ответов. Но самым важным ответом был следующий — в геноме ничего не лежит без дела. Каждый участок для чего-то нужен, чем-то заведует или что-то хранит. Именно поэтому нельзя говорить, что такой организм, как человек, определяется всего лишь 1,5 процентами своей ДНК. Нет, он определен всей своей наследственной информацией, даже той ее частью, которая, вроде бы, при первом взгляде никакого смысла не несет. Ну, а «родителей» не выбирают. Что досталось нам от наших предков, тем и располагаем. А досталась нам «избыточная» ДНК, наполненная вирусами и прочим мусором, который, как теперь становится понятно, вовсе не такой уж и бесполезный.

Неклассическая эволюция

Школа - рассадник стереотипов. Причем, таких крепких, что вышибание их из голов может превратиться в стрельбу тяжелыми снарядами. Впрочем, школа-то и не виновата. Повинны, скорее всего, те, кто ответственнен за выпуск школьных учебников по биологии. И не только школьных, но и университетских. Возраст в десяток лет уже ставит на учебнике печать «хлам» и «архивные материалы». Такие книги актуально использовать для «расширения кругозора». Актуальной информации с каждым годом в них становится все меньше. На мой взгляд замена учебников должна производиться не реже, чем раз в 3-4 года. А их подготовку поручит ведущим ученым, причем сразу нескольким, из разных школ и с разными взглядами. Пусть они найдут общий знаменатель и выпустят хороший учебник. Преамбула закончена.
Из школьного учебника мы все усваиваем понятие эволюции. Каждый в своей степени и каждый на разном уровне его понимает. Но всем известна картинка, иллюстрирующая этот феномен. Обычно рисуется что-то подобное:



Приживается эта картинка моментально. Ведь все логично, красиво и древовидно. И из этой картинки прочно усваивается следующий вывод: ветви, разошедшись однажды, уже никогда не сходятся. Но я, например, закончил школу почти 11 лет назад. Наш учебник, даже если бы был новым на тот момент, уже получил бы гриф «архивный материал». Но учебнику был уже десяток лет. А потому уже тогда он явно не являлся актуальным. И такое явление, как горизонтальный перенос генов в нем, как помню, совсем не освещался. О переносе генов мы узнали только в институте.
Суть такова: кусочки генома одних организмов могут переноситься и встраиваться в геномы других, где с них начинается транскрипция и далее - трансляция. Таким образом в геном организма могут быть занесены весьма полезные гены (впрочем, и бесполезные и опасные тоже могут попасть). Организм, таким образом, приобретает важные в эволюционном плане свойства «даром». Не всегда, конечно, полученные таким образом гены дают выигрыш, но бывают и такие случаи. Так, например, есть вполне обоснованное мнение, что эвкариоты появились во многом благодаря такому переносу.
В природе горизонтальным переносом особенно любять баловаться прокариоты. Есть даже точка зрения, что в определенном смысле всех прокариот можно считать одним супервидом с высокой степенью вариативности. В такой степени у них развит горизонтальный обмен генами. Оно и понятно, ведь настоящего полового процесса, который разнообразит генотип потомства, у бактерий нет. Вот они и нашли себе способ обойти это ограничение. После открытия горизонтального переноса генов встал вопрос, а могут ли эвкариоты использовать этот способ обмена генетической информацией? Принципиального ограничения на это не существует. Генотип организован в общем одинаково. ДНК прокариот практически ничем не отличается от ДНК эвкариот, кроме, разве что, способов компактизации (у прокариот нет хоромосом, а существует одна большая молекула ДНК - нуклеосома, которая не отделена от внутренней среды клетки ничем.
Однако, как показывает практика, эвкариоты выработали куда более сложные механизмы работы со своим генетическим материалом, намного более совершенные способы его хранения и использования. Среди этих приспособлений есть и такие, которые контролируют внедрение чужеродных фрагментов ДНК в собственный геном. Существует также и много способов контроля уже встроенных генов. У каждого из них существует множество регуляторов экспрессии и считывания, а сам процесс транскрипции строго детерминирован. Потому перенос генов от организма к организму весьма затруднен.
Однако на практике все оказывается не так, как в теории и эвкариоты все же позволяют горизонтальный перенос. В геноме многих эвкариот найдены гены, которые присутствуют у бактерий (при этом исключены гены, контролирующие работу органелл). Пути их попадания в общем ясны. Потому и никаких критических ограничений на обмен генетической информацией между эвкариотами, равно как и между прокариотами и ядерными нет. После этого открытия ученых занитересовал вопрос о том, как в таком свете будет выглядеть дерево эволюции живых организмов. После анализа многочисленных геномов было построено несколько вариантов таких деревьев. Одно из них выглядит так:



Теперь изолированные ветви оказались соединены между собой многочисленными связями и даже крупные таксоны, получается, не столь изолированы друг от друга, как казалось раньше. С такой позиции вся эволюция предстает несколько иначе. Ведь теперь нет особых ограничений на своеобразный «обмен опытом» между разошедшимися группами. Т. е. существует возможность передачи успешных эволюционных приобретений между ветвями дерева. А это значительно упрощает и ускоряет эволюционный процесс. Нет необходимости в многократном повторении путей эволюции для достижения тех же результатов, что и в другой ветви.
Конечно, процесс массированного обмена генетической информацией в мире эвкариот уже давно закончился, но успел сыграть свою значительную роль в формировании основных групп эвкариот. Кроме того, в настоящий момент до конца не ясен масштаб такого обмена у современных ядерных, но при этом есть все основания полагать, что он играет весьма существенную роль и нет никаких причин сбрасывать его со счетов.
В любом случае горизонтальный перенос сильно изменил взгляды на историю жизни на Земле. А сами живые организмы теперь уже не кажутся столь обособленными. Между ними будто местами убрали барьеры, которые расставляли биологи прошлого. Многое в этом вопросе еще не ясно, но уже сделаны первые наброски будущей картины, которая, как и многие другие, позволит прояснить не только пути эволюции жизни, но и ее современную систему и, в значительной степени, ее дальнейшую судьбу.

Великий симбиоз - Великая неизбежность

Мы уже говорили о том, что симбиоз в природе распространен гораздо шире, чем можно было бы предположить, исходя из школьной программы. Что он принимает самые неожиданные формы и что вряд ли найдется существо, которое можно было без натяжки и допущения назвать индивидуальным. Даже если существо, пусть и одноклеточное, не имеет прямых симбионтов, оно живет в тесном взаимодействии с другими существами. Но есть одно обстоятельство, о котором в школе не говорят. Нет, это не тайна, не секрет биологов, тем более — не священная корова всей биологической науки. Это просто материал «вне школьной программы». Почему-то даже в институте об этом говорят скудно и совсем мимоходом. Мы все знаем, чем прокариотная клетка отличается от эвкариотной (название «эукариоты» более привычно для слуха просто потому, что это позвучное прочтение eucariotes, пришедшее из английского языка, но мы не говорим Еугений, Еуклид, Еуропа и т. д. — и тут снова спасибо Александру Маркову). Если забыли, то у эвкариот есть оформленное клеточное ядро (прежде всего). Другие отличия касаются устройства мембран органойдов и самой клетки. Мембраны многих органойдов двойные, а клетка таким образом разделена на отдельные части — компартменты — которые позволяют изолировать различные процессы внутри одной клетки друг от друга. Среди наиболее известных органелл можно упомянуть аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум (ЭПР), вакуоли, рибосомы, центриоли, везикулы, митохондрии, хлоропласты и, конечно же, само ядро. Вот эти три последние органеллы (митохондрии, хлоропласты и ядро) и не дают покоя. Прежде всего нет ясности, с чего бы это вдруг клетка прокариотного организма обзавеласть ядром, в которое спрятала свою ДНК. Потом возникает вопрос: митохондрии и хлоропласты по уровню своей организации куда сложнее, чем остальные органеллы и, что уж совсем удивительно, содержат собственные кольцевые ДНК. Об этом упоминают в школе, но забывают акцентировать здесь внимание и в дальнейшем связать с другими знаниями, получаемыми в курсе общей биологии. Так и повисают митохондрии, как подводные лодки или туфельки в сознании ученика, производящие энергию для клетки, а хлоропласты — вообще чем-то непонятным, служащим для фотосинтеза. Клеточное ядро же изначально подается, как центр всей клетки, руководящий ее жизнедеятельностью. Потом изучается механизм транскрипции и трансляции и всё, все довольны. Вроде бы все ясно. А суть вопроса осталась за бортом. А мы с вами давайте разберемся чуть подробнее, чем это нужно. И начнем с того, что заберемся в глубины клетки и вскроем эти самые митохондрии, хлоропласты и ядро. Каждый следующий из трех постов будет посвящен одной из трех «проблемных» органелл, а здесь я по мере готовности этих отдельных «лирических отступлений» поставлю ссылки на соответствующие темы.

Великий симбиоз

По мотивам одноименной главы в книге «Рождение сложности» Александра Маркова.


Мы все со школьной скамьи привыкли к тому, что весь процесс развития живого, его движения к сложности — это борьба за существование, конкуренция и отбор. Так было написано в учебнике биологии 10-11 классов. И все прочно усвоили, что без конкуренции и борьбы никакой эволюции не будет. Мысль эта столь прочно сидит в голове, что ее даже экстраполируют на многие другие области деятельности. Что стоит одно «вечное»: жизнь — это борьба. Осталось понять — борьба с кем или с чем. Ну, да это и не важно. Если жизнь, значит — борьба, значит — конкуренция и отбор. В институте приходится отучать студентов от этой мысли.
Вне всяких сомнений, что конкуренция и борьба в природе имеется. Без этого никуда. Но масштабы этой конкуренции несоизмеримы с масштабами другого, полностью противоположного явления. Называется оно симбиозом. И снова стоит обратиться к школьному учебнику, в котором дано, в общем-то, вполне сносное определение этого явления, как взаимовыгодного сосуществования организмов. И в пример тут же приводятся опять же вполне сносные лишайники и микориза. «Вполне сносные» здесь значит, что для первичного понимания сути симбиоза этого достаточно. На этих примерах показывается, как два совершенно различных организма (из разных царств) сосуществуют вместе и приносят друг другу определенную пользу. Иногда можно встретить пример жвачных животных, у которых в кишечнике живут бактерии, способные к перевариванию клетчатки. Собственно, этим все и заканчивается. Этими примерами и формируется представление о симбиозе. К сожалению, крайне скудное. В полном объеме оно дается только в курсе биологических дисциплин университетов, да и там всей широты не показывается.
Симбиоз — явление куда более распространенное, чем можно представить. Александр Марков справедливо указывает, что в природе вряд ли можно найти организм, который без натяжек можно было бы назвать индивидуальным. Т. е. таким, который сам справляется с обеспечением своей жизнедеятельности, без помощи симбионтов. Даже там, где мы привыкли видеть таких индивидуалов, скорее всего, на самом деле, мы имеем дело с системами симбиотических организмов. Далеко ходить не надо, достаточно посмотреть в зеркало. Человек тоже не может жить полноценно без микрофлоры кишечника.
Удивительно, но наиболее успешные организмы как раз и являются симбиотическими системами с высокой степенью симбиоза. Возьмите, хотя бы, тлей, которые так докучают садоводам. Питаются они исключительно соками растений и больше ничем. Строгая диета из водички с углеводами. Других питательных веществ в соке особо-то и нет. В любом случае их крайне недостаточно для полноценной жизнедеятельности. Но тли быстро растут и размножаются. Равно и клопы, которые тоже питаются соком растений. И те, и другие имеют в своей пищеварительной системе симбиотических бактерий. У тлей это зашло дальше и теперь бактерии (Buchnera) живут не просто в пищеварительной системе, а в специализированных клетках. Как и многие другие симбиотические организмы, бухнера может жить только в организме хозяина. Она потеряла независимостьи ее геном резко сократился и потерял пластичность. Но это по-прежнему симбиот, т. к. он производит для организма хозяина аминокислоты, витамины и много другое, что из сока растений тли получить никак не могут. А тли дают бухнере убежище и создают для нее благоприятные условия проживания. Симбиоз в этом случае достиг такой степени, что симбиотическая бактерия стала едва ли не органойдом клетки... Но тут я сделаю паузу и эту тему вынесу в отдельный пост. Слишком уж она обширна.
Термиты, муравьи, черви (особенно те, которые обитают в глубинах океанов), даже высшие млекопитающие — в природе везде мы найдем примеры симбиоза, который, вроде бы, не укладывается в «школьное» понимание эволюции, как прцесса борьбы и конкуренции. Повсюду мы видим обратное — стремление к организации сложных связей между совершенно различными организмами. И не удивительно, что биологи полагают, что даже растения смогли выйти на сушу только благодаря симбиозу с грибами, который и сейчас имеет место быть и распространен гораздо шире, чем мы можем узнать из школьной программы. К примеру, орхидеи, которые нам столь хорошо знакомы и столь любимы многими за свои необычные цветы. Семена орхидей настолько малы, что больше похожи на пыль, а запас питательных веществ в них крайне скуден. Чтобы преодолеть это препятствие, семена орхидей после попадания в почву обзаводятся спутником в виде мицелия грибов, различных для разных видов орхидей. Грибы и снабжают молодое растение всем, что ему необходимо, пока оно не сможет самостоятельно добывать питательные вещества из почвы. А про клубеньковые бактерии-азотфиксаторы у бобовых мы все слышали.

Так что стоит переосмыслить свои взгляды на эволюцию и отказаться от «школьного» понимания этого процесса, на чем часто играют разнообразные любители покритиковать современную науку, ставя в качестве аргумента такой: терия эволюции оправдывает расизм, говоря, что процветание возможно только для сильных, а слабые и неполноценные должны вымирать. А в природе все оказывается, как всегда, совсем иначе. И борьба слабого с сильным тоже имеет место, но не совсем ясно, кто же сильный, а кто слабый. Потому нам стоило бы поучиться у природы, где при любой возможности организмы образуют между собой связи, плотно сплетающие их обоих, даже не смотря на то, что каждому из них приходится чем-то жертвовать для общего блага. Ну, и не только политикам стоит присмотреться к этому процессу, но и каждому есть, что почерпнуть, научиться понимать природу несколько иначе, с другой стороны, с изнанки. А через это научиться понимать себя. Ведь Великий симбиоз — одна из основ жизни на Земле.

Эволюция функций или почему не бывает переходных видов

Одним из любимых вопросов антиэволюционистов (сюда собираем всех, кто против теории эволюции, креационистов в том числе) к биологам является такой: где переходные формы между видами? Где промежуточные формы между рыбой и земноводными, между пресмыкающимися и млекопитающими? Между бабочкой и бескрылыми насекомыми? Где это огромное множество переходных форм, которые должны были бы просто заполнять осадочные слои? В свое время сам автор "Происхождения видов..." ввел такое понятие, как неполнота геологической летописи. Он прекрасно понимал, что ничего иного предложить не мог. Да и многое говорило в его пользу. Например, редко какие останки сохраняются длительное время. Необходимо некоторое стечение обстоятельств, чтобы останки были законсервированы и сохранены в виде фоссилий (ископаемых). Есть, например, хорошая иллюстрация этого явления: на Земле ежедневно умирает огромное количество животных и растений. В идеальном случае уже через короткое время поверхность была бы усыпана костями и высохшими покровами животных и высохшими частями растений. В свою очередь дно океанов было бы усеяно костями рыб, водных млекопитающих, раковинами моллюсков и т. д. Но нам-то ясно, что дело обстоит иначе.
Чтобы сохраниться, останкам или организмам нужно попасть в особые условия, например, быть засыпанными грунтом, попасть в нефтяную яму (как, например, множество останков в Ла Бреа, США, Калифорния) или другим образом пройти консервацию (суть - защиту от кислорода и микроорганизмов). В противном случае труп будет быстро оприходован разнообразными редуцентами, а твердые части (кости, раковины, карапаксы) разрушатся в результате эрозии. Разрушение останков различными путями - отличный способ оборота элементов.
Проблема определения переходных форм имеет и другой аспект, который я бы назвал половинчатостью признаков. В самом деле, кто в здравом уме и доброй памяти будет утверждать, что у бабочки крапивницы крылья были изначально меньше в два раза. Но при этом она уже была крапивницей. У млекопитающих было изначально восемь пальцев, потом по одному исчезало. У бактерий сначала был полужгутик, у рыб - полужабры, у насекомых - полулапки, у млекопитающих - полушерсть. И вот таких полупримеров можно привести огромное множество. Сами по себе они уже достаточно парадоксальны. А ведь именно этого и требуют антиэволюционисты - предоставить химеру, у которой признаки находятся в стадии "перехода". Т. е. нужно найти позвоночных с 8, 7, 6 пальцами и, что еще круче, найти останки с 7,5 пальцами, с 6,5, с 5,5. Найти рыбу с полужабрами, насекомого с полукрыльями. Но это требование подается, как абсолютно научное и обоснованное. На что всегда хотелось ответить своему собеседнику, задавшему такой же вопрос: вот, передо мной пример переходной формы человека с полумозгом.
Суть дела такова, что каждая функциональ (пусть будет так называться орган или образование, выполняющее определенную функцию) присутсвует у организма в завершенном виде. Выполняет конкретную функцию и делает это наиболее эффективным образом. И совершенно не обязательно, что предковая функциональ будет выполнять ту же функцию, что и потомок. Если мы рассматриваем органы движения, то у бактерий базальная часть жгутика имеет своим предком простой транспортный белок, а сам жгутик является потомком выроста для прикрепления к субстрату, который мог немного поворачиваться. Но это был не полужгутик, который половинчатую возможность движения. Это было вполне определенное образование, с вполне конкретной функцией. А иначе и быть не может. Нет никакого смысла в нефункционирующем образовании. Нет никакого смысла в полуглазе, который полувидит. Но есть смысл в светочувствительном органе, который может отличать свет от темноты. И у него будет совершенно иное устройство. Некоторые части не появятся вовсе, а некоторые, если уже появились, редуцируются. Потому нет никаких химер с полуруками-полуплавниками. Есть вполне определенная форма - жесткие ласты, которые необходимы для передвижения по прибрежной территории, вероятно, простым способом гребли, как сейчас передвигаются, например, илистые прыгуны.
Как никогда не было птиц с полужестким клювом, а весь он был роговым, так никогда не было у человека и его предков пальцев, которые были в половину короче, чем те, которые есть. Нет никаких промежуточных форм, которые стояли бы "между" одним и другим значением признака. Есть конкретный признак, с конкретным назначением. Он завершен и максимально приспособлен к выполнению функции. Не может быть самки комара, у которой хоботок не выполняет своих функций, а выполняет какие-то смежные или выполняет, но на половину. Крупные ароморфозы (появление позвоночных, глаза, теплокровность) не были постепенными с плавным переходом. Представление о процессе эволюции, как о бесконечном множестве плавных взаимопревращений сформировал сам автор "Происхождения видов", но это было полтора столетия назад. С тех пор уже стало совершенно ясно, что Дарвин тут ошибался. Не принципиально, но ошибался. Эволюция - не плавный процесс, не медленные и постоянные перемены. Бывают времена стазиса, бывают времена активного видообразования. Но в любом случае каждый следующий вид формируется с полноценным набором функционалей, благодаря которым он получает некоторое, пусть самое небольшое, но преимущество. Переходный вид - это не форма с полупризнаками (уж все-таки простите меня за ненаучные термины, приходится), а форма, которая по некоторым признакам (иногда по всем) древнее одной и моложе другой. Какие-то признаки находятся в примитивном состоянии, какие-то - в более продвинутом. Так или иначе, чем ближе к нашему времени, тем больше продвинутых признаков, молодых, которые мы можем наблюдать у ныне живущих форм. Чем дальше от нашего времени, тем таких признаков меньше, тем сильнее выражены признаки примитивные. Но, повторюсь в десятый раз, все эти признаки полностью сформированы, функциональны и половинчатыми не являются.
Другое дело - вариации признаков и, соответственно, различная степерь функциональности. Вот тут могут быть "дробные" значения. Но только в отношении эффективности. Например, относительно коротких пальцев длинные выполняют манипуляции лучше. Это "лучше", например, можно каким-то образом измерить. Но и у длинных, и у коротких пальцев одинаковое строение, одинаковая функция. Кто окажется впереди - другой вопрос. У динозавров перья выполняли функцию термоизоляции. Но это были уже настоящие перья, почти как у современных птиц. Но были и более ранние перья, больше похожие на пуховые. Более примитивные, но такие же функциональные.
Потому нет никаких "переходных химер". Есть виды, формы, которые существовали между предком и потомком. Нет никаких полупризнаков. Есть функциональ, которая отлично выполняет свою работу. И потому требовать такие химеры столь же глупо, как требовать показать получеловека-полуобезьяну. А вот тому. кто задаст этот вопрос мне и будет требовать "химеры", я смогу уверенно сказать: Вот она, химера, передо мной. Химера с на половину развитым мозгом, который умеет думать только одной своей половиной и только до середины мысли. Мир не так прост, как кажется, и не так сложен, как представляется...

Жизнь появилась только однажды (часть 3)

Последняя, самая короткая часть моего полунаучного рассказа об истории жизни на Земле. Почему получнаучного? Потому, что я сознательно иду на некоторые упрощения и допущения, чтобы не перегружать текст терминологией, разъяснениями и не делать его чрезвычайно длинным с огромными лирическими отступлениями, без которых тогда ничего не было бы понятно. Без этого текст становится "публицистикой", т. е. является популяризаторским. А как иначе? Ведь не все, кто его читает - биологи, физики и химики, которые, несомненно, найдут в нем множество неточностей. Но эти неточности имеют значение только для них. И для меня. Все-таки достаточно тяжело убрать из повествования ту часть, которая, по сути, и должна придавать тексту полноту. Это вот та самая терминология, свой язык и стилистика. Ну да ладно. Продолжим, а, точнее, закончим.
В предыдущей части мы остановились на том, что при всех широких возможностях, которые давали гиперциклы и самореплицирующеся молекулы, которые были основами гиперциклов, сроки, отведенные химической эволюции, непомерно малы. Полмиллиарда лет, в которые должны была уложиться поистине грандиозная эпопея. Но факт не перестанет быть фактом в зависимости от нашего желания. Прошло меньше миллиарда лет с момента отвердения земной коры, а по дну первых морей уже ползли комочки протоплазмы, которые через много миллионов лет назовут себя человеком и будут ломать головы над проблемой своего появления. Эх, если бы те первые комочки могли записать свою историю...
Что же происходило в тот "темный" миллиард лет, откуда неизвестно никаких прямых следов жизни? Картину "места преступления" можно восстановить по результатам исследования самых первых отложений в геологической летописи и наших знаний о формировании планет. Итак, что мы нарисуем:
Земная кора отвердела, но была еще достаточно горячей. Атмосфера сразу после своего формирования не содержала кислорода, а была наполнена ядовитыми для нас газами - метаном, аммиаком, углекислым газом, парами воды. Тут же присутствовали, вероятно, сернистый ангидрид, сероводород и другие соединения. Общий характер той атмосферы был восстановительным, т. е. в ней не было никаких окислителей, коим является кислород. Это хорошо определяется по наличию пиритовой гальки в древних отложениях. Она красноречиво говорит о том, что вода уже тогда собиралась в потоки, которые были достаточно сильными и существовали длительное время (камни до состояния гальки нужно обкатать), но в ней не было кислорода, иначе пирит окислился бы.
А если нет кислорода, нет и озонового слоя, который сейчас защищает нас от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Это самое излучение само по себе обладает достаточной энергией, чтобы разрывать молекулы. В этом случае получаются свободные радикалы, очень химически активные частицы.
В первичной атмосфере обычным явлением были грозы. Вероятно, они были не только обычным, но и постоянным явлением. Грозы - еще один фактор, который способствовал преодолению термодинамического барьера многих реакций. Как, например, сейчас во время гроз происходит образование оксидов азота, которые в обычных условиях никогда не образовались бы.
Постоянная вулканическая деятельность тоже была частью земного пейзажа 4 миллиарда лет назад. Вообще, наверное лучшее представление о тогдашней Земле может дать, с некоторыми поправками, современная Венера. Высокие температуры, отсутствие кислорода, наличие активных молекул, огромные пространства, покрытые мелкодисперсными минералами, уже соленая вода (океаны, скорее всего, изначально были солеными, а не накапливали соли в течение истории). Что еще нужно для химической эволюции...
Помните правило Вант-Гоффа из курса химии? Напомню: при повышении температуры на 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза. Конечно, работает этот принцип в небольшом интервале температур, но это и не важно. Посчитайте, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 100 градусов, если температурный коэффициент равен 2? В 1024 раза! А при коэффициенте 4? В 1048576 раз! В миллион раз быстрее, чем изначально. Но, даже если мы примем, что химические реакции на Земле 4,3 миллиарда лет назад имели коэффициент 2, (вполне допустимо, что температура тогда была на 100 градусов выше), то получим совсем другие сроки химической эволюции - 512 миллиардов лет. Т. е. эквивалентное время химической эволюции даже больше срока существования Вселенной. Удивительно, да?
Но я не зря упомянул о мелкодисперсных минералах... На развитой поверхности химические реакции имеют свойство ускоряться в разы. Это и есть каталитической свойство мелкодисперсных материалов. Не зря в большинстве случаев (если не во всех) катализатор стараются сделать мелкопористым или нанести поверх мелкопористого материала. Если допустить, что скорость химической реакции на катализаторе возросла всего в 2 раза, то даже тогда мы получаем огромное время в эквиваленте.
Что это значит? Это значит, что химическая эволюция была не просто быстрой. Она была стремительной, практически мгновенной. Это время было временем чудес, невероятным каскадом химических реакций и "концептуальных находок" Природы. В самые короткие сроки тут испытывались, отвергались и принимались сотни тысяч решений. На смену одним, неудачным, приходили многие сотни новых. Здесь каждая новая находка не обладала никаким преимуществом, как это стало позже, в период биологической эволюции. Здесь работал один принцип - "дожить" до "спокойных времен". И доживали только самые "концептуальные", которые могли не только устоять перед разрушающим действием среды, но и "дать потомство". Бандитский разгул эволюции... наверное так можно охарактеризовать это время. Химическая Спарта, только куда более жестокая и беспринципная... И тем не менее, это было время самых настоящих чудес. Самое удивительное время в истории Земли, когда решалась судьба всей будущей жизни. Когда буквально "в капле воды" мог быть вынесен вердикт - быть или не быть жизни на Земле. Чем все закончилось, мы с вами знаем. И после этого жизнь больше никогда не зарождалась на Земле. Не было условий. А если и были, то уже существующая жизнь наверняка "подъедала" все зачатки новой жизни, которая уже навсегда осталась на правах "серебряного призера".
На этой лирической ноте позвольте закончить повествование...

Жизнь появилась только однажды (часть 2)

Итак, с условием, что обсуждаем только углеродную жизнь, едем дальше. Как уже упоминалось, этапу собственно биологической эволюции предшествовал длительный этап эволюции химической. А вы спросите меня, правомерно ли говорить об эволюции в отношении химических соединений? В какой-то степени вы правы. Какая эволюция может идти в растворе поваренной соли? Никакой, очевидно. То же применимо ко многим другим соединениям. Смесь веществ никуда не движется, кроме как в сторону термодинамического равновесия, а эволюция идет против второго закона термодинамики. Тут нужен какой-то качественный переход. И вот тут возникает парадокс, который является следствием определения понятия "эволюция". Сам эволюционный процесс имеет место при одном условии - наличие конкуренции. А конкуренция подразумевает выбраковку тех, кто "не успел". И вот в чем парадокс: чтобы химические соединения эволюционировали, они должны были "гибнуть".
До сих пор нет единого мнения о том, какой была предбиологическая стадия, что происходило в это время, но одно известно точно: в какой-то момент произошел столь ожидаемый качественный скачок - появились соединения, способные к саморепликации. Т. е. такие, которые могли создавать свои копии. Это обеспечило им подавляющее превосходство над другими соединениями, пусть и органическими, но весьма далекими от живого. Каким путем появились эти самореплицирующиеся соединения - другой вопрос. Кто-то считает, что матрицей им были простейшие полипептиды (предшественники белков), другие полагают, что сборка таких молекул происходила на развитой поверхности алюмосиликатов (да, на глине), а кто-то полагает, что свойство к соединению имеется у нуклеотидов заочно, как у магнитов есть свойство притягиваться друг к другу.
В последнее время идея о первичности белков отходит на второй план по простой причине - а как реплицировались до этого полипептиды? Хотя, им репликация ни к чему. Но на вопрос о том, как природа пришла от простой органики к протобионтам, эта модель не дает. Масла в огонь подливает еще один факт, от которого в свое время было не по-себе многим учены.
Возраст земной коры, как известно, составляет примерно 4,5 миллиарда лет. А вот первые находки микрофоссилий датированы 3,5 миллиардами лет. Т. е. собственно на подготовку у жизни был всего-то миллиард лет. И это по самым оптимистичным оценкам. Есть все основания полагать, что на всю химическую эволюцию было затрачено всего 500 миллионов лет. Вроде бы достаточно времени (за 500 миллионов лет на Земле был пройден путь от трилобитов до высших млекопитающих). Но стоит учесть, что речь идет о появлении жизни, а не о ее эволюции. Пропасть между первым органическим соединением и простейшей прокариотической клеткой куда больше, чем между этой клеткой и человеком. Т. е. за 500 миллионов лет "бульон" должен был родить бактерию. Препятствий на этом пути была масса. Как частных, так и принципиальных, которые до сих пор обсуждаются.
Главное препятствие мы уже обсудили - это возникновение молекул, способных к саморепликации. Но даже тут есть выходы, как мы увидели. Второе препятствие, которое нужно было преодолеть (точнее, хронологически оно первое) - это приобретение термодинамической устойчивости. Второе начало термодинамики запрещает образование более сложных систем. Энтропия в системе всегда растет. Следовательно, путь к макромолекулам закрыт. Тем более - к системам высшего порядка, которые образуют клетку. И здесь барьер кажется непреодолимым. Но этот барьер строит классическая термодинамика, которая рассматривает закрытые системы. Ранее мы уже говорили о самоорганизации, как о фундаментальном свойстве материи. Теперь можно применить этот же принцип в отношении первичных систем, которые могли образоваться на промежуточных стадиях химической эволюции.
Немецкий ученый (физическая химия) Манфред Эйген занимался этой проблемой и разработал теорию гиперцикла - системы самореплицирующийхся соединений, которые объединены в автокаталитические циклы. Что это значит? Это значит, что внутри такого цикла возникает интересное явление - цикл поддерживает сам себя за счет того, что каждая следующая стадия становится возможной, благодаря продукту предыдущей. Такой цикл весьма устойчив, т. к. каталитический процесс протекает с огромной скоростью, что позволяет перепрыгнуть через термодинамический барьер многих реакций, которые без катализа не могли бы протекать. Автокаталитический цикл - это уже почти самостоятельная система, которая обладает набором качеств, признаков, если угодно. Это открытая система, которая уже умеет ассимилировать вещество и энергию, поступающую извне. Вариантов таких циклов множество и все они могли существовать. Но это - лишь "верхушка айсберга". Другим поразительным явлением, которое имело место в мире гиперциклов, была конкуренция.
Да, самая настоящая конкуренция, о которой речь шла в самом начале. Модель гиперцикла сделала возможным следующий качественный скачок - переход к эволюции сложных систем. Если до этого момента "выживали" те соединения, которые были просто устойчивы, то теперь "выживали" те, кто наиболее эффективно ассимилировал вещество и энергию. Ведь второй закон никуда не делся и система должна деградировать, если не "научится" "пропускать" сквозь себя избыточную энергию, рассеивать излишек, чтобы он не разрушил систему. Этот процесс называется диссипацией. А системы - диссипативными.
В мире гиперциклов, по всей вероятности, "выживали" те циклы, которые сумели организовать эффективную ассимилияцию и стали "самыми диссипативными системами". Теперь такие системы могли позволить себе усложнение.
Но даже теперь 500 миллионов лет, отведенные химической эволюции, представляются слишком коротким промежутком, чтобы дать возможность простейшим системам вырасти в простейшие организмы. Осталась самая простая часть, которую нужно вынести в следующий пост, чтобы не перемешалось все в голове.

Алхимизм

Помню, еще в детстве бабушка всегда озадачивала меня вопросом: восемь тысяч лет человечество пользовалось едва ли не камнями и палками. Т. е. вся деятельность была ручной и крайне примитивной. А вот за какие-то 100 лет рвануло так далеко, что это кажется абсолютно невероятным. Тепловые двигатели, радио, электроэнергия, телевидение, компьютеры, интернет, полеты в космос. 100 лет назад большей части этого и представить было нельзя. Ну вот как бы вы объяснили 100 лет назад, что такое - интернет. Никак. Не поняли бы. Знания просто не позволили бы понять. А для нас сейчас просто и понятно: протоколы, серверы, клиенты, каналы, гигабайты и т. д. и т. п.
Это меня тогда озадачивало. Я тоже не находил ответа. Конечно, были весьма и весьма соблазнительные варианты типа всяких чудес и прочего "нереального". И, как я замечаю, некоторые люди на этой ступени и остались. Есть те, кто верит в магические свойства кристаллов. Занимается всякими "практиками", астральными проекциями и гаданиями на таро. Т. е. полный набор человека с менталитетом средневековья. Не умещается в одной голове весь научно-технический прогресс.
Но меня такой вариант не устроил бы в любом случае. У всего, у каждого явления, даже у социального, есть свое нормальное объяснение. И сегодня, по дороге болтая с камрадом оформилось текстовое выражение того, о чем я все никак не мог ясно выразиться. Начали с алхимии.
Знаете, было такое увлечение в средние века. Алхимики видели своей целью получение "философского камня" и способа получения золота из неблагородных металлов. А как можно было достигать своей цели в те времена? Конечно, экспериментом. Эмпирическим путем. Ни о какой теоретической основе речи быть не могло. Вот таким путем были найдены и отработаны способы получения многих веществ. Например, серной и азотной кислот. Соляной кислоты, селитры, многих солей, металлов и т. д. Но все это было результатом длительной шлифовки методики проведения эксперимента. По ходу дела были разработаны методы очистки веществ (перегонка, кристаллизация, фильтрация), была разработана химическая посуда, реакторы, холодильники, колбы и многое другое. Т. е. выступили в роли строителей, заливающих фундамент. Ну, а что потом было - все знают. Потом были Авогадро, Канниццаро, Дальтон, Менделеев, Бутлеров... И вот химия за какие-то сто лет вышла из детского состояния, перестала быть алхимией. Появилась наука, у которой на экспериментальном фундаменте, залитом алхимией, выросло целое здание стройной теории, которая обеспечила множество открытий. Все-таки наука должна не только открывать, но искать эффективные способы производства. Так вот алхимия этого не умела.
К чему опус? К тому, что ничего не появляется из ничего. Для любого прорыва нужен фундамент. Знания и опыт могут накапливаться очень долго. Годами, веками, тысячелетиями. Но как только общий объем знаний подходит к некоему пределу, случается то, что в предыдущих своих постах я называл бифуркацией. И тут, если знания были ложными (что весьма редко бывает ввиду их изначальной эмпиричности), наука откатывается назад. А если знания были верными, происходит прорыв. Точка бифуркации пройдена. Напряженность, порожденная огромным количеством информации, снята. Теперь вся эта информация расставлена по местам, систематизирована в рамказ новых теорий и парадигм.
Вот это и произошло на границе 19 и 20 веков. Человечество накопило огромный объем знаний. И уже кое-что начало использовать. Электричество, магнетизм, деление ядер, паровые двигатели, исследования в области аэродинамики... и прочее, прочее, прочее. Пружина развернулась. Начался неудержимый прогресс, каскад новых открытий. Потому что одно открытие открывало дорого к новым и новым. Одно изобретение давало возможность делать следующее. Новый материал предоставлял новые возможности в построении конструкций. Вспомнить хотя бы полупроводники. Кристалл германия, у которого обнаружились необычные для проводников свойства, стал причиной гигантского скачка вперед в области вычислительной техники.
А каждое предстоящее открытие требует обеспечения. Т. е. новой техники, новых материалов, новых программ, новых подходов в конце концов. Т. е. научно-технический прогресс - это такая самоподдерживающаяся цепная реакция, которая сама себе готовит субстрат. А в самом начале нужно было только спустить пружину.
В итоге мы снова придем к тому, что пружина полностью развернется. И начнется новый период накопления информации. Но он будет уже куда более коротким.
И снова - прыжки в длину.

А почему бы и нет?

Давно уже собираю мысли для поста о начале начал. Точнее - о простейших механизмах этого самого начала начал.
Что именно имеется ввиду? Появление первых структур, которые впоследствии дали начало функциональным биополимерам (белкам, нуклеиновым кислотам) и далее - структурным компонентам клетки.
Я часто слышу, особенно от людей, далеких от какой-бы то ни было науки, фразы следующего плана:
- посмотрите на цветок. Он настолько сложен, что не мог образоваться сам по себе.
- глаз человека - это сложнейшая конструкция, образование которой в процессе эволюции совершенно невероятно.
И так далее, и тому подобное. Список приводимых примеров можно продолжать достаточно долго. Спорить в таких случаях совершенно бессмысленно просто потому, что элементарные процессы остаются за рамками понимания. В то же самое время эти процессы достаточно просты, чтобы существовать на всех уровнях организации материи.
Для начала вот такая картинка (попробуйте, не заглядывая дальше по тексту, предположить, что это такое и каким образом это могло появиться)



Это фрагмент микроснимка магнитных доменов в тонкой поверхностной пленке железо-иттриевого граната, выращенного искусственно. И даже не суть, как он выращен. Суть в форме организации доменов. Вообще, сами по себе магнитные домены демонстрируют интересное поведение.



Вот так выглядит картина взаимодействия магнитных доменов. Достаточно сложные структуры, не так ли? Магнитный домен - субструктура в ферромагнитном материале, в пределах которой все элементарные магниты (электронные спины) выравнены в одном направлении межатомными силами. Изолированный домен можно считать постоянным магнитом. Ну, и все мы знаем, благодаря чему магнит обладает своими свойствами. Это, по сути, наличие дипольного момента. Вот и всё. Но это элементарное свойство порождает сложнейшие структуры магнитных доменов. На последок:



Эта сотоподобная структура тоже образована магнитными доменами. На всякий случай напомню, что сотоподобная упаковка наиболее выгодна и рациональна при заполнении поверхности или объема. Домены, ничего об этом не зная, не обладая разумом и не направляемые ничьей рукой выстраиваются в соты, которые сами по себе уже являются достаточно сложным уровнем организации, на поддержание которого требуется энергия. Если помните, то ранее в одном из постов мы уже говорили об эксперименте Ильи Пригожина, когда металлические опилки в кипящем масле выявляли ячеистую структуру конвекционных потоков. Это тоже пример сложной организации без участия разумной силы.
Теперь, отойдя от магнитных доменов (вообще - не они являются объектом внимания), приведу вот такой пример:



Всем знакомые песчаные дюны. Рисунок ничего не напоминает? Выше мы его уже видели (опять не получилось просто так отойти от доменов, ну да ладно). В процессе формирования дюн и узора на них самую существенную роль играет всего одна сила - ветер. Она же, при всей ее хаотичности, является организующим фактором. Я могу вполне справедливо полагать, что если бы на нашей планете дюн не было, то, обнаружив их на другой планете, мы вполне могли бы предположить, что они - дело рук разумных существ, ну, или вообще - существ, но никак не природное образование.. Конечно, до тех пор, пока не изучили бы механизмы их формирования.
В природе можно найти огромное количество примеров сложной самоорганизации, которая в первом приближении кажется искусственной. Только при ближайшем рассмотрении оказывается, что разум тут ни при чем.
Итак, мы определились, что факторов, вызывающих упорядочивание, множество. Любой из них, или их комбинация, может выступать в качестве "хаотичных организаторов" (наверное, следующим постом нужно будет рассказать про модели Вольтерра-Лотки. В свете этого поста было бы интересно, мне кажется). Но вот основная проблема - функциональность - остается нерешенной.
Сейчас некоторым из тех, кто все-таки набрался сил и прочитал до этого места, может показаться, что я противоречу сам себе. И тем не менее...
Глаз изначально не был глазом, а цветок - цветком. Любая функциональность любой структуры - вторичное явление. Никак не первичное. Изначально ни одна функциональ (пусть так будет называться структура, выполняющая определенную функцию) не предназначалась для конкретной работы. Это вполне очевидно. Но почему-то постоянно ускользает от многих. Глаз в своем изначальном виде был просто пигментным пятном, простым слегка окрашенным участком клетки. И всего лишь. Цветок изначально не был ни большим, ни ярким. А был просто небольшой модификацией листочков, призванной защитить завязь. Крыло не было крылом, легкие - легкими, а сердце - сердцем. Любая функциональность приобретается структурой, а не дается ей изначально.
Теперь легко перенести выше сказанное на молекулярную эволюцию. Полипептиды оказались удобным материальным выражением собственно функциональности, ибо имели множество вариантов строения и конформаций. Фермент изначально не был предназначен для выполнения ферментативной функции. Он просто оказался подходящей структурой. Первичными катализаторами могли быть даже не органические соединения, а кристаллы алюмосиликатов. По сути - глина. Они же и послужили матрицей для построения случайных полипептидов, которые мы теперь знаем, как белки-ферменты. Та же история, до мелочей, повторится и в случае с нуклеиновыми кислотами. Нашелся удобный эквивалент "памяти" о структуре, который, ко всему прочему, обладал еще и весьма полезной особенностью - репликацией.
Тут надо остановиться и определиться со следующим: обычно биологической эволюции приписывают огромные сроки на реализацию "задумки". Это является одним из наиболее распространенных аргументов "против". И в самом деле, сложная структура, к тому же еще и с функциональностью, должна формироваться весьма долго. А если учесть количество вариантов такой структуры, то время перебора становится в разы больше времени существования Вселенной. Этот постулат "антиэволюции" часто представляют в виде "невозможности самосборки самолета на свалке авиадеталей".
Что ж, вот лес, вот залежи руды и угля. Из этого изначального набора невозможно построить корабль. Но стоит из руды выплавить топор, сделать из дерева топорище, как уже можно валить деревья. Сделать гвозди, рубанок, пилу. Уже можно строить корабль. И чем сложнее будет инструмент, тем быстрее будет достигаться результат. Что это значит? Это значит, что эволюции не нужны нереальные сроки. Ей некогда перебирать варианты (топор побольше, поменьше, полегче, потяжелее, острее, тупее, топорище длиннее, короче и т. д. и т. п.). Есть исходный материал (матрица с каталитическим действием, кристалл, на развитой поверхности которого реакции идут в десятки и сотни раз быстрее) и этого достаточно. Следующий этап - появление первых пептидов - не заставит себя долго ждать. Несколько миллионов лет. Не десятки миллионов, а единицы. И чем сложнее предыдущая ступень, чем выше уровень ее организации, тем быстрее реализуется следующая. В итоге скорость образования новых структур становится просто феноменальной, приходя к той самой взрывной эволюции, которой был посвящен пост "Прыжки в длинну". В итоге даже на образование весьма сложных биополимеров не потребовались миллиарды миллиардов лет. Природа схватилась за один из первых удачных вариантов и до сих пор от него не отказывается.
Вот так, от факторов, вызывающих хаотическое упорядочивание, через простейшие структуры, которые это упорядочивание порождает, мы переходим к сложным формам организации, узкоспециализированным компонентам живого организма. Тут интересно следующее: изначально не было ферментов, отвечающих за гликолиз сахаров, не было белка гемоглобина, не было ферментов, работающих с перекисью водорода в клетках. Все они появились непосредственно тогда, когда появилась необходимость в них. Т. е. опять же, изначально в белки и ДНК не было заложено никакой функциональности. Им, как новобранцам в армии, подбирают форму, оружие и место службы. Такая вот не функциональная функциональность.

Понимание эволюции

Весьма просто и без особых усилий можно понять то, что наглядно представляемо. Даже такой сложный агрегат, как двигатель внутреннего сгорания перестает казаться сложным, если есть наглядное пособие, которое, кстати, в школе видели практически все. Да что там, если уж такие сложные вещи, как устройство атома, Солнечной системы, человеческого организма понимаются достаточно легко, если имеются соответствующие модели.
Сложнее дело обстоит с абстрактными понятиями, продемонстрировать которые более или менее убедительно за короткий промежуток времени сложно. Вот такой абстракцией можно назвать и эволюционную теорию. Нет единственно верного способа наглядно изобразить это явление, чтобы сразу стало ясно, как это работает. То, что сейчас применяют в учебном процессе - это отдельные фрагменты, отрывки, которые вряд ли репрезентативны относительно глобального процесса.
Убедительно и понятно ли выглядит серия картинок, на которых изображены "стадии эволюции лошади"? Совершенно не убедительно. Аналогично выглядят и картинки, изображающие не только эволюцию птиц, насекомых, но даже человека. Почему? На таких картинках никогда не получится отобразить в полной мере сам процесс развития как отдельного отряда, так и жизни вообще. А все попытки сделать это обречены быть всего лишь бесконечным приближением.

Наверное, только некоторые моменты могут быть поняты однозначно. Например, теория Вегинера о дрейфе континентов. Ну да и в самом деле, процесс это достаточно линейный, даже не смотря на те флуктуации, о которых мы уже знаем. Грубо и крайне приближенно это можно представить в виде мыльного пузыря, по поверхности которого скользят цветные разводы. Кстати, и относительные размеры будут примерно такими же. Т. е. перетекания линий разводов будут демонстрировать дрейф континентов, а толщина мыльной пленки будет где-то близко к толщине если уж не континентальной коры, то океанической точно. И, пожалуй, еще из области наглядного - это наслоения осадочных пород, которые можно встретить практически везде, где есть обрывы. Любое глубокое русло реки окружено этими своеобразными "учетными книгами" истории Земли. Но даже тут может возникнуть проблема: слои, как правило, очень четко отделены друг от друга. В большинстве случаев граница хорошо прослеживается, а чередование слоев повторяется и в других местах района и даже может распространяться на континент. А может и по всему миру. На этом принципе и основана сама геологическая летопись и принципы построения стратиграфической шкалы. Т. е. в принципе, имея на руках данные о порядке залегания пород, можно с некоторым приближением и даже очень подробно описать не только их возраст, но и процессы, приведшие к их образованию. Всеми этими особенностями не обладают ископаемые останки. Еще Чарльз Дарвин, не имея на руках исчерпывающих свидетельств того, что различные формы жизни эволюционировали с давних пор, говорил, что это следует относить на счет неполноты палеонтологических данных. И в самом деле, горная порода, какой бы она ни была, гораздо устойчивее к эррозивному действию окружающей среды, нежели останки живых организмов. Да что и говорить, если многие горные породы (пески, глины, например) сами являются следствием эррозии. Тело живого организма не в пример нежнее. Даже такие прочные образования, как раковины, хитиновые покровы и костный скелет могут быть легко уничтожены. Раздроблены, размыты, выветрены и т. д. Уж на что прочный материал - кость. Но даже недавние захоронения людей показывают, к чему может приводить длительное нахождение костей в земле: черепа людей могут быть раздроблены под весом почвы над ней. А ведь первые живые организмы вообще не имели никаких оболочек, которые по своей прочности хотя бы близко подходили к прочности костей. Одноклеточным такое положение дел совсем не оставляло надежды на сохранение. Именно поэтому первы период в истории жизни на Земле называют криптозоем, т. е. эрой "скрытой жизни". Наличие живых в полном смысле этого слова организмов в этот период обнаруживается исключительно косвенными методами: наличие органических веществ явно биогенного происхождения, отпечатков твердых образований, созданных отмирающими организмами. К последним, к слову, относится крайне интересный вид организации жизни в ту эпоху, т. н. цианобактериальный мат или строматолит, который представлял из себя колонию сине-зеленых водорослей, постоянно отмирающую в нижней части, и нарастающую сверху.   Накопление и отложение солей кальция с переслоениями мертвыми водорослями и сделало возможным сохранение строматолитов в осадочных породах до наших дней.

И это практически все, что осталось с криптозоя. Не в счет следы биогенов, которые уже упоминались. Бактерии производили органические кислоты в огромных количествах как отходы жизнедеятельности. А эти кислоты разрушали субстрат гораздо быстрее, чем простая воды и ветер. Да и вообще сам субстрат совершенно иным. В то время кислорода в атмосфере было так мало, что он не способен был не то, чтобы поддерживать аэробные организмы, его не хватало даже на полное окисление восстановленных минералов типа пирита. Пиритовую гальку, кстати, в горизонте криптозоя и ниже находят в огромных количествах. Именно гальку, окатаную водой. А это лишний раз говорит о том, что в воде кислорода тогда было очень-очень мало.
Собственно, вот такие скудные "с криптозоя". Ничего такого, что могло бы говорить о том, что в то время существовала богатая жизнь. И все бы ничего, это бы укладывалось в голове даже в том виде, в котором есть, если бы не один факт. Началась эра под названием фанерозой. Т. е. эра явной жизни, когда обнаруживаются богатые останками слои, да еще и с хорошо сформированными организмами. В это время начинается буквально рассвет разнообразных мягкотелых. Небывалый взрыв жизни. Если бегло рассматривать вопрос эволюции, то может создаться впечатления, что всю эту жизнь на Землю скинули, будто и впрям сотворили.
И чем дальше, тем больше различных нестыковок. В истории Земли появляются и исчезают флоры и фауны, аналогов которым больше никогда не будет. Появляются стихийно, казалось бы, мимолетно, из ниоткуда. Если ухватить только верхушки, то совершенно никакого объяснения таким вспышкам нет. Ранее, в постах, посвященных эволюции, мы уже обсуждали, почему эволюционный процесс позволяет себе разнообразные зигзаги, развороты, повороты и т. д. Но то повороты. А сейчас речь заходит о появлении новой господствующей фауны и о ее ПОЛНОМ исчезновении. Равно и флоры (хотя флористические комплексы являли такие фокусы гораздо реже и вымирали не полностью, по крайней мере - не моментально). Соответственно, первое недоразумение, которое мне встречалось - это полное непонимание собственно путей эволюции. Но с этим более или менее разобрались. Второе, более глубокое недоумение, вызывающее фундаментальное противоречие, это как раз "перезагрузка" жизни на Земле.
Но, собственно, никакой загадки в этом нет. Следующий эволюционный пост будет посвящен как раз одному из таких моментов в истории жизни. А пока откланиваюсь. Надеюсь, что вызвал у вас некоторые вопросы. Спасибо за внимательное чтение.

Эволюция не делает исключений

Наверное, всех в детском возрасте завораживали динозавры. Наверняка у многих дух захватывало, когда вам рассказывали о гигантских диплдоках длинной в 30 метров, кровожадных ти-рексах, которые одним своим видом уже наводили ужас не только на вас, но и на тогдашнюю фауну. Хотя, наверное, вот этим все и ограничивалось. Редко кто уже в сознательном возрасте мог назвать еще каких-то динозавров, кроме означенных выше.
Мимо проходят замечательные цератопсы, по-настоящему кровожадные велоцирапторы, водные ихтиозавры и их соседи мезозавры. Совсем ничего обычно не расскажут об утконосых динозаврах, звероящерах, которые уже тогда были далеко впереди своего времени. О том, что ти-рекс на самом деле не был хищником, вообще сейчас ничего не известно, а мне не раз крутили пальцем у виска, тыкая в страшную картину, на которой ти-рекс рвал в клочья какого-то утконосого динозавра.
Но вне зависимости от этого все мы слышали и помним о летающих ящерах - птерозавров. Короли воздуха всего мелового периода, а еще раньше юрского и даже части триаса. Асы воздушного пилотажа. Сейчас их место заняли птицы, которые, тем не менее, сами являются далекими потомками пресмыкающихся, хотя с птерозаврами ничего общего не имеют. И тем интереснее становится эта тема. Два класса, освоившие воздух. Две изначально совершенно разные физиологические системы. Но между ними гораздо больше общего, чем между птицами и их непосредственными предками - наземными мелкими динозаврами, которые никогда до этого не поднимались в воздух.
Что важно в полете? Легкость и маневренность. Скорость - это уже вторичное явление, результат дальнейшей адаптации. А что дает птицам лекгость? Помните из школьного курса биологии? У птиц полые и весьма тонкие кости, во многие из которые заходят воздушные мешки. Эти мешки позволяют птице дышать постоянно, и на вдохе, и на выдохе. В мешках образуется запас богатого кислородом воздуха, который, выходя из них, дополнительно насыщает кровь кислородом.
Интересный факт: странствующий альбатрос (Diomedea exulans) имеет размах крыльев в три метра. При этом вес его скелета составляет всего 150 грамм. Для сравнения вес скелета человека - около 8-10 килограмм. Т. е. примерно 1/9 веса тела. Взрослый самец Странствующего альбатроса весит около 8-9 килограмм. Т. е. скелет составляет 1/60 часть общей массы. Разница впечатляет. У птиц облегчено все, максимально снижен вес любой части тела, любого органа. Даже физиология птиц подчинена этому. Пища в пищеварительном тракте редко задерживается больше 15 минут. Многие птицы вообще не отягощают себя полным перевариванием и отрыгивают остатки пищи. Но при этом эффективность пищеварения такова, что позволяет полностью компенсировать энергетические затраты на активный машущий полет.
У птиц нет хвоста, который был бы лишней помехой. Но есть хвостовое оперение, которое жизненно необходимо для стабилизации и торможения. Без хвостовых перьев птица летает крайне неуверенно. У птиц образуется большой киль (бескилевые птицы не летают), к которому прикрепляются мощные махательные мышцы крыльев. Им нужна большая площадь приклепления, чтобы обеспечить хороший взмах.
Зрение у птиц очень острое, прекрасно развит вестибулярный аппарат. Но зато у них слабое обоняние, которе в полете практически не требуется. Зрение монокулярное, но с огромными правой и левой полусферами - в 180 градусов. Бинокулярное зрение имеют только совы. Глаза не мигают. Эту функцию выполняет мигательная перепонка.
Тело птицы максимально сглажено, чтобы создать идеальный обтекаемый контур. В этом особенно помогают перья, которые, к тому же (пуховые перья) создают теплоизолирующу прослойку около поверхности тела. Кожа у птиц сухая. В ней нет потовых и сальных желез.
Вот краткий список приспособлений птиц к полету. И что тут особенного, скажете вы. Все это известно. Ничего нового.
Да тут и не должно быть ничего нового. Речь-то не о глобаном открытии. Теперь обратимся к уже вымершим летающим ящерам. К сожалению, сохранилось немного полных скелетов, но и тех, что сохранились, оказалось вполне достаточно, чтобы сделать некоторые твердые выводы.
В отличие от всякого рода рассказов, слухов, легенд, птерозавры в массе своей были небольшими. В основном это были виды с размерами от голубя до орла. Правда, встречались среди них и свои гиганты. Птеранодон, например, имел размах крыльев до 9 метров. А еще более крупный кетцалькоатль - до 14 метров. Но это - скорее исключения, чем правило. Кстати, среди птиц тоже встречались гиганты (к примеру гигантское вымершее соколообразное из Аргентины Аргентавис (Argentavis magnificens)



Но еще интереснее становится, если внимательно рассматривать найденные скелеты. Мы обнаружим все те же трубчатые кости с явными признаками того, что в них, вероятнее всего, располагались такие же воздушные мешки. Те же самые способы облегчения всего и вся. Вот, к примеру, результаты трехмерного сканирования окаменелых черепов двух видов птерозавров - рамфоринха и анхангуеры (соответственно):














Как можно заметить, все те же максимально облегченные тонкие кости. Сканов других костей, к сожалению, пока не нашел. Но и этого вполне хватит, чтобы оценить приспособленность. Птерозавры так и не избавились от зубов. Может, потому, что основной их пищей была рыба и такие же пресмыгающиеся. Цветковых с питательными плодами тогда не было.
Другим интересным приспособлением стало обретение шерстяного покрова. Да-да. Вы не ослышались и я не сошел с ума. Летающие динозавры, судя по всему, имели шерстяной покров. Об этом дополнительно свидетельствует вот эта фотография:



Рамкой обведено место, где остались отпечатки явно шерстного покрова. Да и как быть иначе? Долгое время считалось, что все динозавры были хладнокровными (пойкилотермными). Но при этом никак не удавалось втиснуть в эту концепцию самих летающих динозавров. Ведь полет требует активного метаболизма, который был бы невозможнен при хладнокровности, даже если принять во внимание, что птерозавры могли нагреваться по утрам в лучах Солнца. С обнаружением признаков шерстного покрова все встало на свои места. Теплокровные летающие ящеры перестали быть бредом.
Перо появилось несколько позже. В итоге именно перо дало птицам большие преимущества. Шерсть такого не могла. Но в настоящее время существует и прекрасно себя чувствует группа рукокрылых млекопитающих, которые освоили активный полет. Тело их тоже покрыто шерстью, что никак им не мешает. Другой вопрос - какое происхождение имел шерстяной покров динозавров. Это сейчас не так важно.
У летающих ящеров, судя по внутреннему строению черепа, были хорошо развиты доли мозга, отвечащие за зрение. А вот обонятельные доли наоброт развиты плохо.
Кстати, вопрос о том, как при отсутствующем мозге определить расположение его долей, сам по себе прост. Мозг - не на столько изменчивая структура. Даже у далеких друг от друга групп животных он имеет сходное строние (за исключением деталей, конечно).
Ну, и огромные глаза тоже наличествовали. А еще птерозавры имели большой и сложно устроенный вестибулярный аппарат, который, вкупе с описанным сложным строением крыльев, однозначно говорит о них, как об отличных летунах. А отсюда должны последовать и другие выводы (как раз о системе пищеварения, особенностях зрения, координации, рецепции и т. д.).
В итоге, если абстрагироваться, рассматривая скелеты, скажем, буревестника и птеродактиля, можно, с некоторыми допущениями, подумать, что эти виды близки друг к другу или, по крайней мере, обитали в одно время. Даже не смотря на то, что между ними лежит два с половиной геологических периода общей длительностью почти 150 миллионов лет.
Эволюция - это жесткий и однозначный, в плане приспособлений, процесс. Пусть даже через миллиард лет появится новый класс животных, которые освоят полет. Мало есть оснований сомневаться, что и они пройдут весь тот путь, который прошли и птерозавры, и птицы, прежде, чем поднялись в воздух. И приспособления у них будут почти точно такие же.
Эволюция никогда не делает исключений.

Конвергенция

Вот это называется конвергентной эволюцией:

Тут у нас (по порядку слева направо) дельфин афалина, тигровая акула, ихтиозавр Платиптеригий.
Все - водные обитатели, активные хищники. За исключением мелких деталей, все выглядят практически одинаково.

Акулы, вопреки убеждению, не представляют собой предковый для настоящих костных рыб класс. Предки акул имели нормальный костный скелет, который впоследствии был заменен хрящевым. Соответственно, из представленных видов только акулы являются первичноводными животными. Это дает лишний повод убедиться в том, что эволюционные преобразования всегда строго функциональны. Эволюция работает с тем материалом, который имеет место быть. Потому у дельфинов хвостовые лопасти расположены горизонтально, а у других представителей - вертикально. У дельфинов хвостовые лопасти - это сильно видоизмененные задние конечности (точнее - придатки, которые появились на их месте). У ихтиозавров и акул хвостовой плавник - это продолжение позвоночника, который у большинства акул уходит в верхнюю лопасть, у ихтиозавров - в нижнюю. Поэтому на теле акул и ихтиозавров можно найти две пары боковых плавников, которые и являются гомологами конечностей, хотя у акул вторая пара конечностей слабо обозначена в скелете (впрочем, как и большинства рыб). Интересно также и то, что в процессе адаптации дельфины и акулы (про ихтиозавров в этом плане ничего пока неизвестно) приобрели примерно одинаковые свойства покровов. Дельфинья кожа - эталон при создании обтекаемых покрытий. У акулы плакоидная чешуя также создает идеальное покрытие, которе работает ничуть не менее эффективно, чем у дельфинов. Вероятно, ихтиозавры также имели сходное изменение покровов. Собственно, подобные процессы имеют место во всех группах организмов, имеющих сходные условия обитания. И что характерно, происходит это в разных местах Земли и в разные геологические эпохи. Древнейшие акулы гораздо старше ихтиозавров, которые, в свою очередь, на миллионы лет старше водных млекопитающих. И тем не менее - удачная конструкция продолжает существовать.