Стратиграфия рвет в клочья креационизм

Хотя большинство биологов смотрит на возражения против теории биологической эволюции с улыбкой, порой и им хочется вставить свою реплику. Часто эта реплика служит катализатором мощного потока гневных комментариев. Вот и мне посчастливилось в одном из обсуждений очередного видео креациониста с «мировым именем» Кента Ховинда, в котором автор вещает о том, что все животные жили одновременно и совсем недавно, написать короткий комментарий, содержавший один вопрос: «Как с точки зрения гипотезы Ховинда объясняется геохронологическая шкала». Я прочитал массу самых разных ответов, ни один из которых не содержал ничего, кроме цитирования текущего выступления Кента. Хотя, нет. Некоторые комментаторы разнообразили свои ответы оскорблениями и ссылками на то, что современная наука лжива и скрывает факты.

Итак, почему же геохронология и стратиграфия рвут в клочья любую гипотезу, в основе которой лежит младоземельный креационизм? Во-первых, что такое — младоземельный креационизм. Это комплекс взглядов на историю Земли, в основе которого лежит утверждение, что Земля сотворена богом около 6-7 тысяч лет назад. Вместе с сотворением Земли были сотворены и все живые существа, какие на ней существуют. То есть, это не метафора, а прямое указание на то, что все виды, так или иначе известные нам как в виде ископаемых, так и непосредственно некогда существовали вместе в одном временном отрезке. Это кратко. Теперь давайте перейдем к фактам.

Историю стратиграфии можно отсчитывать с момента, когда Николас Стено сформулировал свой закон напластования. Тогда была заложена основа, которая не была опровергнута никем до сих пор. Суть ее в том, что те слои, которые в норме расположены глубже, являются более древними, чем те, что лежат над ними. «В норме» означает случаи, когда последовательность слоев не нарушена тектоническими или другими естественными или искусственными процессами, в результате чего слои могут смещаться, перемещаться, а последовательность их нарушается. Сейчас геологи очень хорошо умеют определять такие нарушения. Отдадим им честь, они делают это часто без всяких мыслей о теории эволюции и научились делать это вообще еще до того, как вышла книга «Происхождение видов...».

А вообще, вопреки обвинительному заявлению Ховинда о том, что стратиграфия подделана в угоду теории эволюции, основные геологические эпохи были выделены опять же раньше, чем сэр Чарльз Дарвин выпустил свою знаменитую книгу.

Собственно, Дарвин-то был знаком с тогдашним положением дел в этой области и использовал эти знания по назначению. Собственно, потребность объяснить геохронологическую последовательность привела знаменитого Жоржа Леопольда Кювье к тому, что он предложил т. н. теорию катастроф. Иначе, как противник изменчивости видов, Кювье смену ископаемых организмов во времени объяснить не мог. Напомню, что Кювье умер в 1832 году. До публикации труда Дарвина оставалось 27 лет, а сам Чарльз в это время еще путешествовал на «Бигле». Таким образом все обвинения в предвзятости и подтасовке фактов в пользу теории эволюции со стратиграфии и геохронологии приходится снять. Конечно, пристального внимания стратиграфии долго не уделялось. Лишь во второй половине 19 века началось ее бурное развитие и приведение в систему всех накопленных знаний. Тогда, кстати, и распределили названия геологических эпох.

Что же показывает стратиграфия и почему она с легкостью обезоруживает любого младоземельца? Как я уже и говорил, стратиграфия показывает неоднородность строения осадочных пород, которая выражается в существовании ясно выраженных слоев. Более молодые слои лежат поверх более старых. Это крайне очевидный факт. Вроде бы, ничего особенного. Но еще Уильям Смит, составитель первой геологической карты Англии, указал, что существуют некие общие признаки для слоев определенного возраста (читай — положения в последовательности). В качестве таких признаков он использовал ископаемые останки и показал, что НИКОГДА останки из более глубоких слоев не соседствуют с таковыми из выше лежащих. Конечно же, мы говорим о нормальном, не нарушенном залегании. О том, как это может быть нарушено, я уже говорил.

Во времена Дарвина историю жизни на Земле знали вниз до кембрия включительно. Что было до того — оставалось загадкой. Но уже тогда было очевидно, что нет никакого смысла искать рядом с кембрийскими ископаемыми любые другие, характерные для других периодов. Впрочем, рядом с ископаемыми любого периода не найдешь ископаемых из другого. Безусловно, смена флор и фаун не была молниеносной, а происходила относительно нескоро, поэтому иногда, все же, в нижних отделах одного периода все еще можно встретить останки организмов из предыдущего.

Некоторые организмы успешно переживали несколько периодов (как пресловутые трилобиты, просуществовавшие с кембрия аж до конца перми). Но в таком случае мы встречаем не один и тот же вид, а множество видов и даже семейств, постепенно приходящих на смену друг другу. В нижних отделах кембрия еще можно обнаружить дальних потомков тех видов, которые населяли Землю в венде. Но это уже совсем другие виды. Те же трилобиты подавляющим большинством семейств вымерли уже к карбону (каменно-угольному периоду) и лишь одно семейство (в количестве одного вида) дожило до пермского периода.

А почему, спросите меня, я так привязался к трилобитам? Да просто очень удобные мне далее товарищи. Чтобы представить себе место трилобитов в экосистемах, можно достаточно точно сравнить их с современными морскими ракообразными. А тут и крабы, и омары, и лангусты, и креветки, и прочие морские пауки и раки. В общем, трилобиты в свое время занимали примерно то же место, какое занимают сейчас выше названные членистоногие (насекомых и паукообразных в морях не водится), а меростомовые обособились от трилобитов и прочих членистоногих уже в кембрии и до наших дней едва дотянули в лице мечехвостов, потому особой роли в экосистемах не играют.

Так вот, как говорят биологи, трилобитовые и современные ракообразные имели сходные экологические ниши. Если так, то и обитали они в сходных условиях. Тогда, исходя из гипотезы младоземельного креационизма, мы должны ожидать обнаружить современных ракообразных либо непосредственно рядом с трилобитами (или наоборот), либо в слоях одного геологического возраста. К слову, возраст слоев может быть определн в относительной шкале, принятой в геологии и палеонтологии, не только по ископаемым организмам, но и характеру минералов, по типу ископаемых почв и т. д. Конечно же, играет свою роль и абсолютная датировка радиоизотопными методами, которые так «любит» Ховинд.

Краткое отступление.
Почему относительная шкала нужнее и полезнее? А вот почему. Нам гораздо важнее знать не то, сколько миллионов лет назад произошло событие в истории жизни, а то, когда оно произошло относительно других событий. Какая информация будет полезнее:

• скелетная революция произошла около 542 миллионов лет назад.
• Скелетная революция произошла на границе эдиакарского и кембрийского периодов.

Лично мне, знающему характерные особенности венда (эдиакария) и кембрия гораздо больше скажет вторая фраза. Первую я приму во внимание, чтобы оценить временные интервалы и только. А вот вторая фраза будет источником множества следствий.

Радиоизотопное датирование же имеет свои пределы разрешения и свои ошибки. Причем, чем больше определяемый возраст, тем более существенными могут быть ошибки, возникающие как из-за загрязнения и неправильного взятия проб, так и от неправильной калибровки. К слову, кроме РИА существуют и другие методы абсолютного датирования. Но в общем, все методы такой датировки показывают сходные результаты и говорят о том, что, например, уже 600 миллионов лет назад на Земле жизнь расцетала.

Ховинд же использует единичные сообщения, которые относятся как раз к уже описанным ошибкам. Конечно, такие ошибки никуда из научных результатов не удаляются и, в общем-то, доступны. Это очень полезная информация, помогающая улучшать методы датирования.

Так вот, возвращаясь к теме, если предположить, что трилобиты и современные ракообразные обитали в одно время, почему же мы не находим их останки либо рядом, либо в слоях одного возраста? Можно выкрутиться и сказать, что они обитали в разных частях Земли. Но и это не проходит. По всей Земле трилобиты служат руководящими ископаемыми своих геологических эпох. Но нигде не найдено ни единого отпечатка или другой фоссилии, которую можно было бы определить, как что-то из современного. И почему вообще ракообразные пережили трилобитов?

Надо сказать, что такая ситуация имеет место быть с любыми другими парами. Адом с аммонитами не встречаются современные моллюски, рядом с динозаврами — современные млекопитающие, рядом с девонскими панцирными рыбами не находят кости и черепа современных, а в слоях венда вы никогда не обнаружите ни единого признака ни одного существа, которые повсеместно встречаются, начиная с кембрия.

На этот вопрос у Ховинда нет ответа. Впрочем, нет его и не у одного креациониста-младоземельца. А стратиграфия и геохронология рвут в клочья не только младоземельцев, но и всех креационистов-абсолютистов, которые требуют толковать библию буквально.

В качестве заключения:
Безусловно, спор с креационистами не имеет никакого смысла. Любая аргументация этих товарищей без особого труда опровергается. Правда, они дают хороший повод для отвлеченного применения знаний. Иногда написать пару комментариев и задать неудобные вопросы стоит, все же. Хотя бы для того, чтобы убедиться, на сколько наука опередила сама себя, ведь аргументация креационистов до сих пор волочится на уровне науки начала 19 века.

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.

Пояснительная зарисовка

Легенда такова: - Белые узлы показывают место и условное время иррадиации вида-предка. - Красные прерывистые линии - вероятное происхождение некоего вида (не установлено точно, но известно, что принадлежит к данному таксону). - Красные узлы указывают на терминацию вида (вымирание). - Сплошные черные линии показывают примерное время существования вида. - Поперечные широкие линии - условные временные срезы.

То есть, что мы видим на картине? А одном временном срезе вместе присутствует множество видов и форм. Установить их происхождение возможно только одним способом - сделать следующий срез, в котором снова содержится множество видов. Сопоставив признаки этих видов и их динамику, можно с определенной долей вероятности судить о связях «предок-потомок». Однако вместе с потомковыми формами одновременно могут быть найдены и предковые. Скажем, одна из ветвей, близкая к предку, существует одновременно с новыми. Это несколько усложняет задачу, так как эти старые формы (назовем их реликтами) могут натолкнуть на мысль, что никакой иррадиации не произошло, а сопутствующие формы - это виды другой ветки. Часто бывает и так, что в очередном срезе уже имеются виды-потомки (в числе нескольких), а ветка реликтового вида только еще претерпела иррадиацию. Как итог, мы имеем несколько видов с прогрессивными чертами и одновременно с ними несколько видов, близких к реликту. В этом случае выделить веер потомков реликта проще и проще выяснить их связи. Но тогда перестает работать принцип «линейной логики», которую требуют проявить противники теории эволюции. Впрочем, он плохо работает вообще в любом случае, ибо сам процесс эволюции является набором параллелей, точек иррадиации и всего прочего, что никак не позволяет назвать его последовательным. Конечно, в общем, если рассмотреть проекцию нашего двумерного рисунка на вертикальную (в данном случае) ось, то получится вполне себе последовательный процесс. Но только условно. На деле эта прямая будет пестрая, разной толщины и вообще крайне неоднородна. Моя схема тоже далека от идеала, но мне кажется, что так сам процесс выглядит более понятно. Есть еще древовидная схема, в которой от основного ствола постоянно отпочковываются более тонкие ветви. Мне думается, что их следует объединить, так как разница между ними больше визуальная, чем принципиальная. Можно представить это так: после иррадиации от новых частных линии отделяются тонкие ветки подвидов, которые позже дают новые виды. Но это уже совсем другая история.

Запрет обратной эволюции

Давайте сегодня поговорим на одну интересную и достаточно глупую тему. Интересную потому, что она относится непосредственно к эволюционной биологии. А глупую потому, что этим часто размахивают, как флагом, разнообразные сотворенцы в дискуссиях. Прежде всего, напомню, что набор аргументов у них не меняется уже лет сорок или больше. За это время биология уже не просто стала другой, но даже перешла к экспериментальным подтверждениям эволюции. Накоплен огромный материал, объять который за пару дней просто невозможно. Тем более, он никогда не уместится в ограниченном сознании сотворенца (простите мне сие отношение, но до сих пор среди них встречалось чуть-чуть более, чем никого, адекватных и начитанных).
Сам аргумент столь же убойный, сколь и смешной и совершенно глупый. Звучит он примерно так: почему один вид не превращается в другой? Почему мы этого не видим. Почему, например, обезьяна не превращается в человека? Вот, кратко, то, что должно, якобы, смутить эволюциониста и заставить его усомниться в правильности эволюционной теории. И тем интереснее обсудить этот вопрос, чтобы расставить в нем все точки над «i».
В качестве образцов я взял два растения: мяту полевую и пальчатокоренник крапчатый. Оба вида достаточно сильно специализированы, отличаются сложной организацией цветка, приспособленного для эффективного опыления насекомыми. Почему бы одному из них не превратиться в другой, например? Для еще большей наглядности я тут нарисовал вот такую картинку:

Тут представлено систематическое положение каждого вида. А теперь представим, что один вид (пусть — мята) превращается в другой (в пальчатокоренник). Что для этого необходимо?
Нам — знание генетики. Мы прекрасно понимаем, что вместо руки у нас крыло не вырастет. Слишком далеко мы отстоим от птиц. В случае с нашими модельными видами ситуация аналогичная. Оба они отстоят друг от друга на эволюционной сетке координат едва ли не дальше, чем мы отстоим от птиц. Поэтому прямой путь для мяты закрыт. Напомню, чтобы и вы не забыли, что мы сейчас обсуждаем модель, а не реальную ситуацию. А потому вольны делать все, что придумается.
Почему прямой путь закрыт? Когда-то очень давно растения разделились на двудольные и однодольные. У каждого класса за формирование специфических признаков отвечала и отвечает своя группа генов. Эта группа определяет лишь общие признаки класса (количество семядолей, лепестков в цветке, строение андроцея и гинецея и т. д.) примерно так же, как перед ним в эволюционном плане существует другая группа генов, определяющая базовые признаки покрытосеменных. Базальный вид, скорее всего, не сохранился. Позже оформились порядки Ясноткоцветные и Спаржевые соответственно. Этому способствовали, опять же, свои группы генов, определившие характерные признаки. При этом та группа генов, которая определила признаки порядка никуда не исчезла. Наоборот, новые признаки (признаки порядка) сформировались зависимыми от них и носили уже более частный характер (например, определили форму листьев, расположение, форму цветка и т. д.). И так далее. При выделении каждой следующей таксономической категории все предшествующие признаки сохранялись, а новые появлялись на их базе. И чем дальше, тем более частными становились эти признаки.
Почему? Вероятно, базальный (исходный) вид обладал своего рода плюрипотентностью, то есть возможностью давать в иррадиации очень разнообразные формы, ведь изменения происходили в генах, определявших базовые признаки, а это прекрасная возможность для расщепления на новые крупные таксономические группы. Чем дальше по систематической линейке, тем более защищенными и ригидными становятся базовые наборы признаков (и генов, их определяющих). С каждым разделением на более мелкие таксоны снижается «эволюционная плюрипотентность», уменьшается вероятность отделения крупного таксона как раз потому, что базовые признаки наиболее устойчивы.
Так вот в нашей модели мяте, чтобы превратиться в пальчатокоренник, потребуется не просто перескочить из одного вида в другой, но из семейства, порядка и класса в другие класс, порядок и семейство. Как это можно сделать? Учитывая, что базовые признаки трудно меняются, существует только одна возможность — повернуть эволюцию вспять. На деле это означало бы потерю сначала видовых признаков, потом признаков семейства, класса, порядка. Итогом такого регресса должно стать приведение набора признаков к набору таковых у гипотетического базального вида, то есть — откат к самым предкам всех покртосеменных. Но мы уже знаем, что чем дальше в обратную сторону, тем более устойчивы признаки. Поэтому где-то на этапе, допустим, потери признаком семейства у мяты возникнут непреодолимые препятствия, которые не позволят ей продолжить свой регресс. Тут следует сказать еще и о том, что виду эти изменения, скорее всего, будут просто не выгодны, не нужны.
По этим причинам эволюция живых организмов идет только в одном направлении и никогда (почти никогда) не поворачивает обратно. Конечно, есть примеры и обратной эволюции, но это исключения, пусть и сравнительно нередкие. Но они лишь подтверждают правило. Именно поэтому обезьяна (а имеют ввиду чаще всего шимпанзе) никогда не превратится в человека. Предки шимпанзе отделились от ветви гоминид раньше, чем оформились признаки человека разумного (у нас с шимпанзе общий предок), чуть позже от этого ствола отошла ветка бонобо (наиболее близкие к человеку генетически обезьяны). Еще раньше, чем шимпанзе, от ветки гоминид, ведшей к Homo sapiens sap. Отделились гориллы, орангутаны, гиббоны. Потому они никогда не превратятся в человека ввиду существования фундаментальным ограничений на обратную эволюцию и вообще — на всякие эволюционные изменения.

Пошаговая стратегия

Теоретики биологии давно уже укрепились во мнении, что межвидовые взаимодействия играют в эволюции едва ли не более важную роль, чем адаптации к абиотическим факторам («Элементы» от 19.05.2012). Между тем, даже признавая частично (никогда полностью) этот факт, стандартный подход к изучению биологии часто вообще не учитывает этого взаимодействия в качестве решающего. И можно понять, когда симбиотические отношения упоминаются вскользь, а отношения паразит-хозяин вообще рассматриваются лишь с точки зрения приспособительных особенностей паразита (никогда – с точки зрения хозяина, то есть, никогда не говорится, какую положительную роль для хозяев играют паразиты, а это – большая тема). Но когда отношения хищник-жертва формализуются до такой степени, что все сводится к принципу «жертва убегает, хищник догоняет», теряется значительная часть того, что должно ложиться в основу понимания процессов эволюции, а именно – характер реакции организмов на какие-либо изменения в среде.
Как преподносится взаимодействие «хищник-жертва» обычно? Жертва (какой бы она ни была) постоянно находится под прессом хищника и вынуждена изобретать новые приспособления для защиты. У хищников ситуация аналогичная. То есть, отбор, вроде бы, работает постоянно. Этот градуалистический принцип неистребим и, в каком-то смысле, справедлив. Но он же ставит непреодолимые препятствия не только перед самим существованием факта эволюции, но ставит еще и жирный крест над эволюцией, как над процессом. Почему?
А все дело в экономике. Если говорить об эволюции, как процессе, то он не просто невыгоден с точки зрения каждого отдельного организма, он крайне расточителен. Это вообще такая сложная задача, что организм, будь он строго индивидуальным, вообще не способен ее решить. Но на наше счастье в природе имеет место быть смена поколений, решающая многие проблемы. Тогда процесс приобретения новых признаков (реализации полезных мутаций и реализация преадаптаций) не растягивается на бесконечные сроки. Другой вопрос – а нужна ли эта реализация не только особи, но и популяции? Ответ однозначный – нет. Никакая адаптация, никакие изменения организмам не нужны. Это станет понятным, если провести аналогию с человеческим обществом. Нужны ли человеку перемены? Нисколько. Зачем пребывать в стрессовом состоянии добровольно, когда можно жить в комфортных условиях, мало подверженных влиянию и выстраивать стабильные и однообразные и эффективные стратегии. Это соответствует оптимальному расходованию энергии.
Фактически, каждый организм (вид, популяция и т. Д.) имеет «счет» в определенной (условной) валюте. Средства с этого счета списываются на создание определенных приспособлений, выработку адаптаций. Но, как нам известно, организм – это система, в которой все части взаимосвязаны. Вырабатывая новые приспособления и адаптации в одной части системы, приходится урезать «финансирование» других частей. Это чистой воды экономика в естественном выражении. Правда, условия гораздо более жесткие: средства в кредит взять не получится. В таких рамках организмы вынуждены искать оптимальную стратегию, при которой суммарные потери будут минимальными. А потери будут всегда. Именно поэтому любому виду было бы куда выгоднее оставаться неизменным (практически так, как мечтают сторонники креационизма).
Исходя из этого можно совсем иначе посмотреть на отношения типа «хищник-жертва».
Выгодно ли жертве оставаться в существующих рамках, не предпринимать никаких преобразований? Да, конечно. Выгодно ли хищнику делать то же самое? Безусловно. Собственно, так оно и есть практически всегда.
Как бы ни странно ни звучало, но жертве, в общем-то, все равно, существует ли хищник или нет, охотится ли он на нее или нет. Конечно, такой подход применим только к популяции, но не к отдельному организму. Каждая отдельная особь, само собой, печется о своем выживании. Это тактика. А вот популяция вообще никак не реагирует на наличие хищника (или даже многих разных хищников). Это уже стратегия. Так или иначе, но хищник в норме изымает из популяции своих жертв лишь незначительную часть, что практически не оказывает никакого воздействия и даже имеет положительный эффект. Именно поэтому существуют очевидные противоречия, когда потенциальная жертва не вырабатывает никаких приспособлений, помогающих избежать хищника, а вырабатываются прямо противоположные признаки. Например, яркая окраска или, скажем, звуковая сигнализация, которая не выполняет никакой предупредительной функции (брачные ритуалы, например, и песни). Все это демаскирует жертву и делает ее более уязвимой. Но, тем не менее, виды продолжают существовать.

Лирическое отступление про мимикриюМимикрия появилась среди животных (и даже растений) как способ избежать хищника. Самый яркий пример – мимикрия цветочных мух (журчалок). Своей окраской, формой тела и даже иногда поведением они подражают перепончатокрылым (осам, шмелям, пчелам), которые вполне достаточно защищены и хищник (птица) при первом знакомстве вырабатывает устойчивую реакцию на определенные сочетания цветов (желтый-черный, например). Впоследствии птицы уже не пытаются поедать похожих насекомых. Журчалки отлично имитируют перепончатокрылых. Но есть один момент: численность мимикрирующих видов не должна быть больше (даже не равна) численности видов, которым они подражают. В противном случае необходимой реакции у хищника может не появиться.

Настоящие перемены внутри популяции жертв начинаются лишь тогда, когда происходит какой-либо «перекос во взаимоотношениях» с хищником. Как правило, хищники начинают сильнее давить на популяцию жертв, изымать из нее больше особей, чем было ранее (значительно больше). Жертвы чувствуют прессинг и пассивно выходят из-под него. Пассивно потому, что никакого прямого сопротивления хищнику, само собой, не оказывается. И тут стратегии, в общем-то, могут быть разными. Наиболее часто встречается уход в другой размерный класс. Об этом мы уже много раз говорили. Жертва либо «мельчает», либо растет, наконец выходя в такой размерный класс, который прежнего хищника уже не интересует (традиционное – львы на мышей не охотятся). Другие стратегии (смена поведенческих адаптаций, смена суточной активности, даже смена условий обитания и объектов питания) также возможны и избираются в зависимости от условий.
Хищника, в свою очередь, тоже совершенно не интересуют новоприобретения жертвы до тех самых пор, пока это не позволит ей выйти из под прессинга хищника и вообще уйти из сферы его интересов. Это, собственно, можно назвать пассивным давлением жертвы на хищника (опять же, не нужно забывать, что речь идет о популяции). Почувствовав давление, хищник также предпринимает попытки это давление минимизировать. Стратегии выбираются также соответствующие и наиболее адекватные условиям (в общем, они те же самые, что и у жертвы).
До нынешнего момента мы держались, вроде бы, в русле стандартного «школьного» взгляда, лишь оговорившись, что жертву хищник не особо волнует и наоборот, что идет вразрез с этим самым «школьным» взглядом. Часто понять уже эту простую истину бывает сложнее, чем все остальное. Повторюсь, что такая ситуация имеет место лишь потому, что любые преобразования (эволюция) не выгодны организмам по чисто экономическим соображениям.
Теперь же, в заключении, поясним, как происходит сам процесс согласованной эволюции. В отличие от традиционного представления о плавной эволюции — градуализма — в данном случае (как почти и всегда) изменения происходят скачками, перемежающимися сравнительно длительными периодами бездействия. Отбор в эти периоды спокойствия работает совсем на другие цели, а также нарабатываются преадаптации, вид остается внешне неизменным и даже, зачастую, монолитным. Жертва, чувствуя давление, предпринимает скачок, чуть позже за ней прыгает и хищник. Обратное происходит совсем редко, ведь хищник, занимая положение в пищевой цепи выше своих жертв, на самом деле находится в зависимом от них положении. Другой порядок имеет место, например, при интродукции нового хищника.
Градуализм в данном случае оправдан лишь частично, как приближенная модель описания в ретроспективе. Как модель с круговыми орбитами планет вполне допустимо применить для того, чтобы нарисовать картинку для ребенка. Для общего ознакомления сойдет. Но, как уже было сказано выше, градуализм сам себе режет горло бритвой Оккама. Используя его, мы вводим в оборот некую силу, которая заставляет организмы изменяться ПОСТОЯННО. В то же самое время вряд ли найдется хоть одна подобная сила. Что бы мы ни рассматривали в качестве фактора, в масштабах макроэволюции ни один из них не будет непрерывным и сравнительно однообразным во времени. Будь то абиогенные или биогенные факторы. А мы-то говорим именно о макроэволюции, то есть — о видообразовании (об этом нужно говорить отдельно).
Отношения «хищник-жертва» развиваются ступенчато. Сравнительно длинные периоды накоплений мутаций и, как говорилось, преадаптаций, сменяются короткими периодами быстрых изменений. Быстрых — в масштабах, опять же, макроэволюции. От части я уже ответил на вопрос — почему так. Не выгодно. Проще жертвовать частью популяции. С другой стороны — выдерживать длинные паузы позволяет буферная система. Не так скоро станет существенным изменившееся давление хищника на популяцию жертвы и обратно. Могут пройти сотни лет. Так происходит именно потому, что любой фактор, оказывающий давление на популяции и жертвы, и хищника сам по себе неоднороден во времени.
Я писал этот пост в два больших захода и немного отклонился от основной мысли. Но, надеюсь, вы теперь иначе смотрите на хищников и их жертв. Основная мысль такова — жертве все равно, какой хищник изымает часть ее популяции, пока эта стратегия не приносит убытков больших, чем предполагаемые эволюционные преобразования. Хищнику тоже все равно, каким путем пошла жертва в пределах «разумного». Подобный экстенсивный сценарий встречается повсеместно. Эволюция — такой процесс, который никогда не работает на перспективу. Только в данный момент времени, в данных условиях.
P. S. Я оставил без ответов много вопросов. Обещаю вернуться к ним в следующий раз.

Наверное, те, кто читает мои длинные опусы на тему эволюции, уже привыкли, что не все в истории жизни на нашей планете было так, как привычно видеть в учебнике. Не все было так, как представлялось даже пару десятков лет назад. Вы, мои читатели, теперь не удивляетесь многим вещам, которым бы удивился я сам несколько лет назад. А это очень хорошо. Вот и в этот раз я расскажу вам удивительную историю, которой не было в школьном учебнике и о которой вряд ли кто слышал в рамках традиционной картины эволюции.
История эта началась в теплых тропических болотах каменноугольного периода. Именно там обитали древние амфибии. Карбон — золотое время земноводных. Но надо оговориться, что расцвета они достигли только в тропической, теплой, зоне. Дальше к полюсам они продвинуться не смогли. И вот почему. Амфибии чрезвычайно зависимы от воды. Это понятно даже школьнику. Влажный климат имел место как раз только в зоне тропиков Земли той эпохи. Дальше — суше. Амфибии же освоить землю полноценно не могли, так как по сути оставались рыбами с присущими последним особенностями водно-солевого обмена и терморегуляции. Ничего поделать нельзя, если кожа тонкая, влажная, не предназначенная для терморегуляции, а почки способны только разбавлять продукты обмена в огромном количестве воды. Никуда от воды уйти нельзя, более того, нужно большую часть времени находиться в ней, так как даже газообмен с окружающей средой налажен в значительной степени через кожу.
Там же, в карбоновых «лесах», ближе к закату царства амфибий, появились первые примитивные пресмыкающиеся. Вот тут и начинается самое интересное. Амфибии, пережив пик своей эволюции, навсегда откатились на второй план. Первая тому причина — уже названная особенность терморегуляции и водно-солевого обмена. Второй, как ни странно, является устройство черепа амфибий, являющееся важным следствием устройства их дыхательной системы. Воздух в примитивные легкие земноводных накачивается с помощью «глотания». То есть, воздух непосредственно проталкивается в легкие, проглатывается. Это требует наличия мощной черепной мускулатуры, которая, однако, крепится у самого челюстного сустава позади. Ничего путного из этой системы неэффективных рычагов не выйдет. Более того, оказывается принципиально невозможным увеличение объема мозга, что закрывает дорогу к сложным поведенческим адаптациям, без которых на суше делать нечего (слишком разнообразная среда).
Еще одной причиной принципиальной невозможности освоения суши служит устройство яйца земноводных. Как вам известно, это тонкостенное образование. Грубо говоря — это еще рыбья икра с небольшими изменениями. Не даром существует четкое разделение на анамний (безоболочечных) и амниот. Так вот первым путь на сушу закрыт по причине того, что их яйца могут развиваться только в водной среде. Амниотам же это не нужно и их яйца прекрасно защищены толстыми оболочками или развитие зародыша проходит в особом органе материнского организма — матке. Далеко от водоема уйти не получится.
Что происходит, когда на арену выходят рептилии? А вот что: вместо тонких покровов появляются толстые, ороговевшие. Это всем знакомая чешуя. Рептилии изменяют устройство черепа. Теперь мышцы крепятся к нижней челюсти сверху. Создается эффективный рычаг, позволяющий хватать, удерживать, жевать и глотать добычу. Параллельно появляется новый тип дыхания, более привычный и нам с вами — за счет работы межреберных мышц и диафрагмы. В черепе появляется место под увеличенный мозг и за этим тянутся сложные рефлексы, необходимые в жизни на суше.
Следующим крупным изменением стало появление нового типа почек. Теперь они работали не на выведение лишней воды из организма, а на ее сохранение. Это позволило рептилиям стать практически независимыми от воды. Стоит отметить и изменение характера движения. Пояса конечностей обрели более привычный вид и позволили передвигаться быстрее, дальше и эффективнее.
Но при всех столь крупных приобретениях рептилии проиграли в одном — в терморегуляции. Плотная чешуя, сухая кожа без желез совсем не располагают к достижению эффективного теплообмена со средой и, как следствие, затрудняют путь к самому крупному ароморфозу в истории жизни — гомойотермии (иначе, теплокровности). А на суше без этого сложно. Кроме того только теплокровность позволит в будущем настолько интенсифицировать метаболизм, что станет возможным появление разума. На этом краткую историю гонки вооружений у рептилий можно закончить.
Рептилии вышли на арену эволюции, став существенным рывком вперед. Но там же, в тех же болотистых лесах карбона произошло еще одно событие, которому было суждено изменить историю. Тут, наверное, вы улыбнетесь и скажете: Опять он за свое, за глобальные изменения. Так и есть. Наиболее важные события всегда меняли облик планеты и радикальным образом влияли на флоры и фауны. Так вот, амфибии оказались хитрее, чем может показаться. Традиционная картинка, которую можно вспомнить из учебника биологии: древо эволюции последовательно от амфибий к пресмыкающимся и млекопитающим. Вот так, рептилии произошли от амфибий и потом от них произошли птицы и млекопитающие.

Но моего повествования не было бы, если бы все так и было. По крайней мере, оно было бы не таким интересным. Наверное, вы уже привыкли, что в моих опусах практически всегда речь ведется о единовременной реализации эволюционных возможностей в разных группах организмов. То есть, разные варианты дальнейшей эволюции реализуются параллельно. Вот и теперь, когда амфибии готовы были уйти с арены, одна из их групп реализовала еще одну возможность эволюционных изменений, что и привело их к отдаленному триумфу.
Дело в том, что рептилии пошли по пути минимизации зависимости от воды и тем закрыли для себя множество возможностей. Другая группа амфибий сделала радикально иное: она не отказалась от воды, но предпочла оптимизировать терморегуляцию. Сохранив богатую железами кожу, они, в общем, оставили без изменений водно-солевой обмен, что потребовало большего потребления воды. Но у них произошло интереснейшее изменение: железы стали предшественниками волосяного покрова. И вот оно! На сцене появляются первые тероморфы (звероподобные ящеры), покрытые шерстью, имеющие активную гомотермию, вскармливающие своих детенышей выделениями кожных желез.
Узнаете? Да, да. Это почти что те самые млекопитающие, которые потеснили рептилий в конце мелового периода. Появились они одновременно с рептилиями-завроморфами. Правда, сначала среди тероморфов появились типично рептилоидные формы, лишенные шерстных покровов, но зато снабженные разнообразными парусообразными выростами, позволявшими осуществлять более эффективную терморегуляцию. Только когда такой способ терморегуляции привел в тупик, произошел прорыв, связанный как раз с приобретением шерстного покрова. Хорошим свидетельством в его пользу является наличие вибрисов (характер расположения кровеносных сосудов на черепах показывает их наличие). Если есть вибрисы – скорее всего есть и шерсть.
Первые «мохнатые» тероморфы были очень близки по уровню организации к первым млекопитающим (таким, как ехидна или утконос) и, конечно же, были непосредственными предками млекопитающих вообще. Одна из групп тероморфов начала в свое время гонку за право дать начало всем млекопитающим и преуспела в этом. Однако случилось это много позже. На длительное время тероморфы ушли со сцены. Однажды появившись, заполучив в свое распоряжение крайне полезный ароморфоз – теплокровность и все сопутствующие ему перемены в устройстве организма – они уступили место менее продвинутым завроморфам. Почему?
А вот тут нас ожидает самая, наверное, интересная загадка. Завроморфы и их ветвь — архозавры — выработали очень важное приспособление — бипедальность. То есть научились передвигаться на двух ногах, полностью исключив из опоры передние конечности. Вот такая форма оказалась настолько эффективной и выгодной, что никаких особых изменений с момента ее «введения в эксплуатацию» и до самого вымирания динозавров никаких радикальных изменений в ней не наблюдалось.
Тероморфы оказались не в состоянии предложить адекватный ответ и были вытеснены практически из всех значительных размерных классов, чем обрекли себя на более чем 100 миллионов лет забвения и прозябания. Конечно, это слишком, и тероморфы, потихоньку двигаясь по своей эволюционной линии, дали начало первым примитивным млекопитающим, неплохо освоившим ниши мелких насекомоядных, хищников и даже яицекрадов, разорявших гнезда и кладки динозавров. Сейчас интересно представить, к чему бы пришли эти продвинутые рептилии, не будь в их истории паузы в сто миллионов лет. Ведь тогда первые млекопитающие появились бы на 100 миллионов лет раньше и, может быть, и приматы или их подобие, тоже оформились бы намного раньше.
С каждым своим подобным опусом я стараюсь привести вас одной мысли: эволюция — совсем не линейный процесс. Эволюция - это своего рода конкурс технических проектов, задания на который выдаются в соответствии с текущими условиями. Соответственно, свои решения представляют самые разные группы организмов. Так обстояло дело в раннем карбоне, так было в девоне, когда были сделаны попытки амфибизации. А вот в перми была сделана попытка маммализации, которая, в общем-то, увенчалась успехом (было взято верное направление), но потом эстафету перехватили завроподы.
Такая вот интересная история млекопитающих.

Как планктон мир менял

А теперь вернемся на несколько миллионов лет назад, в любимый и обожаемый мною эдиакарский период. Говорить о причинах такой любви излишне. По оригинальности с вендом могут сравниться только другие биоты эпохи криптозоя да самое начало кембрия. Остальные периоды уже более обычны и более знакомы нам в плане фаун и флор. Много раз мы уже говорили о причинах вымирания мягкотелых вендобионтов. В частности, разговор шел об обеднении органикой морских вод. Кстати, пара слов о том, почему речь идет именно о морской воде. Во-первых, водным организмам именно морская вода наиболее подходит в качестве среды обитания. Соленая вода не требует практически никаких приспособлений для регуляции водного и солевого обмена, так как осмотическое давление в этом случае практически равно нулю (концентрация солей в окружающей среде почти равна таковой внутри организма, ведь нет же животных с пресной кровью или лимфой). А во-вторых во времена венда, как и много позже, практически не существовало внутренних водоемов – рек или озер. Последние формируются в условиях регуляции стока, когда появляется развитая наземная растительность, ограничивающая водосток. Как правило, реки и водоемы являются хорошими отстойниками разнообразных твердых частиц и вода в моря выносится сравнительно чистой (исключения относительно редки). Так вот в венде не существовало никаких внутренних постоянных водоемов. Не было регуляторов и ограничителей стока (я уже давно обещаю рассказать о палеопочвах, но все руки не доходят). Вынос минеральных частиц, обогащающих морские воды, опять же ограничивался. Наиболее замутненные в дельтах рек морские воды являлись наиболее привлекательными для фитопланктона, но в то же время оставались трудно осваиваемыми ввиду того, что глубина проникновения солнечного света, необходимого для фотосинтеза, была крайне невелика. Чуть ниже фотической зоны могла существовать лишь скудная фауна детритофагов. А еще жуткая аноксия. Ведь фотосинтетики могли обогащать кислородом лишь свою верхнюю зону. Поэтому в этой же зоне обретались и все остальные представители планктона, в том числе и зоопланктон. Роль зоопланктона вообще сложно оценивать. С одной стороны – это нижний уровень трофических цепей, с которого начинается вся пищевая пирамида океана. Поэтому от количества фито- и зоопланктона и его продуктивности зависит и продуктивность его потребителей. С другой стороны зоопланктон, в особенности, входящие в него ракообразные, являются замечательными фильтраторами, «выедающими» органические вещества из окружающей среды. Потребляя органику, зоопланктон перерабатывает ее и формирует так называемые пеллеты – твердые отходы жизнедеятельности, опять же сильно обогащенные органическими веществами. Однако в отличие от растворенной и взвешенной в воде органики, фекальные пеллеты оказываются неспособными удерживаться в толще воды и опускаются на дно, формируя слой детрита. Изымаемых из воды органических веществ теперь не хватает тем организмам, которые привыкли питаться именно ею, используя в этих целях всю поверхность тела, то есть, попросту, всасывая растворенные в воде вещества. Кстати, среди вендобионтов, по-видимому, существовали формы, способные не активное переваривание органических веществ посредством выделения пищеварительных ферментов в пространство под своим телом. Обитали такие организмы на мелководье, где не было проблем с кислородом. Такова, например, ергия, следы передвижения которой найдены в больших количествах. Вполне вероятно, что они выедали водорослевую корку, росшую на субстрате. Но это нас мало интересует. Куда более интересно, что зоопланктон, формируя фекальные пеллеты, преобразует облик не только морей, но и всей планеты. Вендская фауна более не может безбедно существовать в меняющихся условиях. Мелкие, еще беспанцирные рачки вычищают воды от взвеси, расширяя фотическую зону (глубину проникновения солнечных лучей). Расходовавшийся ранее на окисление органических веществ кислород теперь остается в воде и проникает глубже, в те слои, которые недавно страдали аноксией. В богатой кислородом среде происходит событие, которое навсегда меняет судьбу жизни на Земле. Если в общих чертах, то ранее мягкотелые организмы получают возможность обзавестись скелетами. Внешними или внутренними – не столь важно (скорее всего, появились оба варианта одновременно, также несколько промежуточных). И вот эти-то, обретшие скелет организмы окончательно вытеснили вендскую фауну со сцены на далекие задворки, а, затем, и выжили ее окончательно. О скелетной революции я тоже расскажу подробнее, но чуть позже. Это событие того заслуживает. А сейчас мы видим, как живые организмы сами для себя подготовили арену, на которую и вышли очень эффектно в самом начале кембрия, породив уже упомянутую мною кембрийскую аномалию. Так вот с самого момента начала пеллетного транспорта органический материал начал накапливаться в донных отложениях. Вместе с этим проникновение кислорода в самые нижние, придонные слои позволяет оформиться и развиться разнообразной фауне детритофагов, опять же вычищающих дно водоемов от органических остатков. Теперь на окисление тратится куда меньше кислорода и придонные слои перестают быть практически безжизненными. Заново и по-новому выстраиваются трофические цепочки и циклы элементов. Начинают формироваться биоценозы нового уровня. В итоге простой, вроде бы, процесс фекально-пеллетного транспорта преобразует водоемы самым радикальным образом, вызывая очередное великое вымирание мягкотелой эдиакарской фауны. Как правило, история смены флор и фаун представляется нам в виде отдельных, практически не связанных между собой событий. Получается, что эти процессы происходят хаотично, без особых закономерностей. Но, если присмотреться чуть внимательнее, оказывается, что у любого крупного события имеется целая цепочка предшествующих изменений, которые в итоге и вызывают глобальный спуск затвора.

История жизни не по учебнику (каменноугольный период)

Жаль, что отечественные школьные учебники по биологии становятся неактуальны раньше, чем попадут на парты учеников. Удивительный предмет — эта биология. Практически единственная наука, которая требует регулярных обновлений учебных пособий. Физика вот в школьном объеме меняется мало и обновления касаются сейчас только частных разделов, например — квантовой физики, да и то не так сильно. Химия совсем не меняется, а химическую экзотику в школе не изучают. Астрономия вот, пожалуй, еще, но какие тонкости астрофизики успевают изучить в школе за год, отведенный по программе на звезды и галактики? Практически ничего. Гуманитарные науки и языки — вообще стоят особняком. Ничего в них не меняется десятилетиями, кроме истории. Но издавать каждый год новые учебники по истории — плохой тон. Так, а о чем это я? Ах, да, мы же совсем не о школе (само получается, ведь со школой я знаком не только с точки зрения ученика). Мы же об истории жизни. А учебник биологии тут вот по какой причине. Вспомните, как в 10 или 11 классе вы изучали эволюционную теорию. Вспомнили? Тогда же вам, наверняка, кратко рассказывали и о делении всей истории Земли на определенные эпохи, каждая из которых может быть охарактеризована уникальным видовым составом животных, растений, одноклеточных. Но кроме этого для каждого такого исторического промежутка (например, периода) характерны свои климатические условия. Одним из весьма неоднозначных периодов в истории Земли был каменноугольный или карбон. Общеизвестно, например, что с карбоном связаны залежи каменных углей на всей планете. Также с карбоном ассоциируются у многих гигантские членистоногие, существовавшие на нашей планете лишь тогда и никогда более. Вот они-то, при ближайшем рассмотрении, и рушат всю стройную картину «школьного» каменно-угольного периода. Вспомните, как его характеризует школьный учебник? Прежде всего упор делается на существование огромных болот в то время, в которых росли древовидные споровые (плауны, хвощи, примитивные папоротники и голосеменные). Эти растения могли достигать высоты 40 метров и образовывали темные леса. А еще школьный учебник рисует нам картину жаркого климата с высоким содержанием углекислого газа в атмосфере, который поступал туда благодаря высокой вулканической активности. В этом парнике в черных трясинах под сводами споровых лесов копошились гигантские многоножки артроплевры, достигавшие двух и более метров в длинну, на деревьях прятались от огромных стрекоз с размахом крыльев почти в метр не менее крупные поденки, а среди деревьев порхали гигантские тараканы. В темных водоемах уже охотились какие-то родичи земноводных и возможные предки рептилий. Вся эта вакханалия происходила на фоне теплого тропического климата с частыми дождями. Красивая картина, не правда ли? Но, как я уже сказал, именно гигантские членистоногие, причем сухопутные (!), никак не вписываются в эту картинку. И обо всем по порядку. На самом деле, описываемые леса из «папоротников и хвощей» были характерны только для тропической зоны (где бы она в то время ни располагалась). Вдали от тропиков, ближе к полюсам, древовидные споровые уже уступали место голосеменным, потому что уже тогда в тех областях имели место быть оледенения. И это доподлинно известно. Правда, из голосеменных тогда наиболее распространенными были кордаиты (эти фитоценозы еще называют кордаитовой тайгой). В других частях планеты процветали родственники гингко, которые обладали замечательной особенностью — листопадом. А вот тропики являли совсем другую картину. Лепидодендроновые леса стояли в неглубоких (в несколько метров) водоемах, до верха напоенных органическими осадками. Растения пробивались через многометровый слой органической массы, похожей на торф и толстый слой валежника. Интересной особенностью этих лесов являлось их местоположение. Они занимали приморские низменности, куда в огромных количествах сносились водными потоками минеральные осадки, ведь как таковых рек в то время не существовало (и это еще одна интересная тема для отдельного поста). Вот тут и образовались самые мощные залежи каменного угля. Не менее интересным будет и то, что в этих лесах лепидофиты тоже сбрасывали... нет, не листву. Листьев у таких растений не было и функцию фотосинтеза выполняла... кора. Да, чешуйчатая зеленая кора. Вот эта кора периодически опадала, образуя толстый слой опада, в котором процветали те самые гигантские многоножки, которые, судя по всему, и были едва ли не единственными потребителями этого ресурса. Скорее всего, они не были полностью сухопутными, вели земноводный образ жизни. И вот опять они — гигантские членистоногие. Что ж, теперь поговорим о них подробнее. Какое самое крупное сухопутное членистоногое вы знаете? На ум могут прийти достаточно большие скорпионы, пауки, но попробуйте вспомнить насекомое. Жук-голиаф, например. В среднем он не больше гусиного яйца (до 115 мм длинной и весом до 50 граммов). И это предел размера насекомых. Дыхательная система насекомых — пассивные трахеи, в которых циркуляция воздуха происходит естественным образом, без особой помощи со стороны организма, а передача кислорода происходит по градиенту концентрации. Трахеи ветвятся и походят едва ли не к отдельным клеткам. Кровь насекомых же кислород не переносит и соответствующих пигментов лишена. Именно эта особенность строения, общая для всех насекомых всех времен ограничивает их размеры. Но ведь мы-то знаем, что в каменноугольном периоде насекомые были гигантскими. Что же не так и как это противоречие разрешить? Прежде всего нужно понять, что насекомые стали огромными не по своей воле. На это их толкали отношения хищник-жертва. Ведь у жертвы, кроме всех прочих тактик и стратегий выживания, есть одна очень удобная стратегия — уход в другой размерный класс. В таком случае жертва либо становится очень маленькой и перестает интересовать хищника, так как ловля такой добычи становится энергетически невыгодной. Хищник переходит к более подходящим по размерам жертвам (лев на мышей охотиться не станет). Либо же обратное: уйти в размерный класс крупнее, чем может позволить себе хищник. Собственно, хищнику-то до лампочки этот процесс мельчания или роста жертвы, но только до тех пор, пока он не задевает жизненных интересов хищника. Тогда и последний тоже перенимает стратегию жертвы и следует за ней в ее размерный класс. Надо сказать, что в природе стратегия эта практически всегда отыгрывается в сторону увеличения размеров в первую очередь. И только во вторую — в сторону уменьшения. Вот и в карбоне случилось то же самое. Первые насекомые, скорее всего, питались самым вкусным — семязачатками споровых (пищеварительные тракты ископаемых насекомых набиты пыльцой, а около трех четвертей всех находимых семезачатков кордаитов и семенных папоротников оказываются повреждены. Основными потребителями, скорее всего, были диктионевриды — интересные насекомые, обладавшие ротовым аппаратом колющего типа, а размах их крыльев достигал 45 сантиметров. А ими питались меганевры — древние стрекозы. Кстати, замечу, что личинки тех древних стрекоз обитали не в воде, а прямо на земле, в опаде и тоже были хищниками (насекомые изначально вообще развивались строго на суше). В результате всех этих сложных взаимоотношений размеры насекомых росли и достигли известных нам величин. Но мы же помним о фундаментальном ограничении, которое накладывается на размер насекомых? А как его можно обойти? Есть только один способ — найти условия с высоким содержанием кислорода в атмосфере... Приехали! А как же влажные теплые леса, избыток углекислого газа... прочая романтика карбона? Вот поэтому-то учебники биологии и учебные материалы по биологии нужно менять своевременно, а иначе же до сих пор на огромных картинах в школах красуются темные леса с богатым подлеском среди похожих на реки водоемов, в которых уже копошатся амфибии едва ли не современного типа, а в воздухе парят стрекозы размером с голубя. На самом же деле сейчас большинство палеонтологов считает, что дело было так: в тропических лесах установился крайне своеобразный режим. Подрост выпадал не постепенно, как это происходит сейчас, а массово. То есть, все это походило на лесовал, а мощные селевые потоки с завидной регулярностью накрывали выпавший лес слоем осадков. Вот и получалось, что огромное количество органического вещества оставалось неиспользованным и погребалось на многие миллионы лет, а потом преобразовывалось в известные нам залежи каменных углей. А чем грозит массовое изъятие органики из круговоротов? Верно, увеличением количества органического углерода, потерянного для экосистем. А коли так, то на окисление этого углерода не был затрачен кислород, который оставался свободным в атмосфере. И кислорода было настолько много, что его парциальное давление превышало современное. Это обстоятельство и позволило насекомым довести свои размеры едва ли не до физического предела. Не отсутствие конкурентов в виде других летающих организмов, не обилие пищи позволило появиться меганевре — самой крупной стрекозе и самому крупному насекомому вообще. Ведь до первых летающих ящеров оставалось еще сто миллионов лет, а питаться можно было и мелкими насекомыми. Высокое содержание кислорода в атмосфере и экстенсивная стратегия жертв сделали свое дело. Вот так очень элегантно душный и затхлый каменноугольный период с настоящими лесами из хвощей сменился небывалой экзотикой, картину которой я еще дополню в следующих постах, уж крайне интересно меняется взгляд на историю Земли в наше время. И вы еще узнаете немало интересного и совершенно необычного, о чем навсегда умолчит школьный учебник.

«Великое кольцо»

Вот такое оно, великое кольцо или великий цикл.

В школьном курсе химии (а некоторые - и в школьном курсе биологии) изучали множество разнообразных химических реакций как в мире неорганики, так и в мире органики. Все они в разной степени интересны и в разной степени важны для нас с вами. Скажем, реакция окисления SO₂ в SO₃ важна для химической промышленности, которой нужна серная кислота. Реакция азота с водородом важна промышленности минеральных удобрений, где используется аммиак.
В курсе общей биологии вам достаточно упрощенно рассказывали о том, как в клетках «сжигаются» сахара и что это цикл Кребса (это тоже очень важный цикл). Может быть вы даже успели узнать о том, как и куда в организме расходуются белки и жиры. Но вот что часто упускается в школьном курсе, так это вопросы масштаба биосферы планеты. Ведь тот же цикл Кребса характерен лишь для тех организмов, которые используют кислород, а таких куда меньше, чем всех остальных (хемотрофов, аноксигенных фотосинтетиков и прочих).
В природе существует один цикл, который определяет, без ложной скромности, лицо современной нам планеты. Даже больше - он и является причиной, по которой планета стала такой, какой мы ее видим. Цикл этот глобален. Но не в том понимании, что охватывает всю биосферу, а в том, что цикл этот един для огромной группы организмов, одна из забот которых - связывание неорганического углерода и превращение его в органический субстрат.
Если вы все же не догадались (ничего страшного в этом нет), то речь идет о фотосинтезе. Точнее, о той его части, в которой углекислый газ связывается в органические соединения. Фотосинтез, как таковой (а речь именно о реакциях, происходящих за счет энергии квантов света) не является прерогативой растений. Даже нужно сказать так: растения, как таковые, вообще не способны осуществлять фотосинтез. Возможно, для вас, тех, кто биологию изучал только в школе, это будет откровением, но, если быть строгим и точным, нужно сказать именно так. В чем же дело (и это уже короткое лирическое отсутпление, которое полностью я раскрою отдельным постом)?
А дело в том, что клетки растений содержат особые органойды (обособленные части клетки) - хлоропласты, которые представляют собой ни что иное, как древние симбиотические бактерии, непосредственно близкие к цианобактериям. Вот они-то и осуществляют фотосинтез. Клетка растения без этих органойдов к фотосинтезу не способна. Своих собственных механизмов и приспособлений у нее для этого нет. Пусть хлоропласты и находятся под значительным контролем ядра клетки, но эволюционно они представляют собой самостоятельные организмы.
Так вот, фотосинтез присущ не только высшим растениям. Это умеют делать бактерии, водоросли, мхи и многие другие. И речь идет только об оксигенном фотосинтезе, т. е. о том, в результате которого выделяется кислород. А ведь есть еще и аноксигенный фотосинтез, где никакого кислорода не получается. Этот тип фотосинтеза имеют только бактерии (пурпурные, зеленые и геликобактерии).
Но не смотря на это, все они осуществляют один единственный процесс - связывание углекислого газа в органические соединения, тем самым возвращая углерод обратно в живую природу. А углерод, как вы помните, является важнейшим элементом, без которого жизнь была бы невозможна, а запасы органики на заре развития жизни на Земле быстро истощались.
Цикл Кальвина позволил живым организмам стать во многом, если не полностью, независимыми от имеющейся в окружающей среде органики и синтезировать свою. И только после этого полученные в результате фотосинтеза органические соединения (углеводы) могут быть использованы в других циклах, в том числе и цикле Кребса.
При всем многообразии химических реакций в живых организмах, при огромном количестве разнообразных циклов именно цикл Кальвина является самым определяющим в природе. И одним из самых всеобщих. Не даром главный фермент этого процесса - RuBisCo - имеется в неизменном виде у всех без исключения фотосинтетиков. Именно этот белок присоединяет молекулу углекислого газа к органическому субстрату и запускает продукт этой реакции далее в цикл. И более того, этот фермент является самым распространенным на Земле.

На рисунке в начале поста цикл Кальвина изображен весьма упрощенно, ведь у меня не было цели показать все его реакции, а только проиллюстрировать рассказ о нем. Потому за подробностями вы можете обратиться к любой поисковой системе, которая с большим удовольствием найдет для вас полную схему этого цикла. А я за сим откланиваюсь.

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.