Книга: Эволюция: Неопровержимые доказательства

Может ли отбор породить сложные структуры?

Может ли отбор породить сложные структуры?

Но даже если мы согласимся, что естественный отбор в природе работает, каков именно объем его работы на самом деле? Да, конечно, отбор может изменить клюв птицы или время цветения растения, но может ли он породить сложные структуры? Как насчет таких замысловатых черт, как, например, конечности у четвероногих (тетрапод), или изощренных биохимических адаптаций наподобие свертывания крови, которая закрепляет четкую последовательность этапов, включающих много белков? А как насчет, пожалуй, самого сложного аппарата, когда-либо существовавшего на свете, – человеческого мозга?

Здесь мы сталкиваемся с некоторым затруднением, потому что, как нам известно, эволюция сложных структур занимает больше времени, и значительная их часть уже успела развиться в далеком прошлом, когда нас не было и мы не имели возможности проследить, как это происходило. Поэтому как мы можем быть уверены, что естественный отбор участвовал в процессе? Откуда нам знать, что креационисты заблуждаются, утверждая, что отбор способен на малые изменения в организмах, но ему не по силам произвести крупные изменения?

Однако прежде всего следует спросить: а какова альтернативная теория? Ни о каком другом естественном процессе, который мог бы породить сложную адаптацию, нам не известно. Та альтернатива, которую выдвигают чаще всего, относится к области сверхъестественного. Разумеется, речь о креационизме, последнее воплощение которого известно под названием разумное творение. Сторонники теории разумного творения утверждают, что сверхъестественный высший творец неоднократно вмешивался в историю жизни на Земле или же мгновенно создавая сложные адаптации, которые, как предполагают креационисты, естественному отбору не по силам, или же производя «чудесные мутации», который не могут возникнуть случайно. (Некоторые сторонники теории разумного творения заходят еще дальше: это экстремисты от креационизма, создавшие теорию молодой Земли и верящие, что Земле всего 6000 лет и жизнь на ней вообще не имеет эволюционной истории.)

В основном теория разумного творения антинаучна, поскольку главным образом состоит из ничем не подкрепленных и недоказанных утверждений. Например, как нам определить, были ли мутации простой случайностью при репликации ДНК или же возникли по воле некоего высшего творца? Но мы все-таки можем задаться вопросом, есть ли адаптации, которые не могли быть вызваны естественным отбором и потому заставляют нас предположить, что существовал еще какой-то механизм. Сторонники теории разумного творения заявляли о нескольких таких адаптациях, в частности о бактериальном жгутике (маленьком, похожем на волосок аппарате со сложным молекулярным двигателем, с помощью которого некоторые бактерии движутся) и о механизме свертывания крови. Да, в самом деле, это сложные черты: например, бактериальный жгутик состоит из десятка отдельных белков, и все они должны работать согласованно, чтобы «двигатель» функционировал.

Сторонники разумного творения утверждают, что такие структуры, состоящие из множества частей, которые должны согласованно работать, чтобы структура функционировала, якобы опровергают дарвиновское объяснение. Поэтому они, по умолчанию, просто неизбежно представляют собой творение сверхъестественной силы. Этот аргумент обычно называют Богом пробелов, и он идет в ход благодаря невежеству. На деле он показывает вот что: если мы не полностью понимаем, как естественный отбор создает тот или иной признак, недостаток понимания сам по себе служит доказательством сверхъестественного творения.

Думаю, вы уже увидели, почему этот аргумент совершенно несостоятелен. Мы никогда не сможем целиком реконструировать процесс естественного отбора и то, как он создал все: эволюция произошла задолго до нашего появления на свет, и кое-что навсегда останется непостижимым. Но эволюционная биология подобна любой другой науке: в ней есть свои тайны, многие из них удается раскрыть, одну за другой. Например, мы уже знаем, откуда появились птицы: никто не создавал их с нуля (как любили утверждать креационисты), они постепенно произошли от динозавров. И каждый раз как оказывается разгадана очередная загадка, теория разумного творения вынуждена отступить. Поскольку сама теория разумного творения неспособна выдвинуть научные и доступные для проверки аргументы, а предъявляет лишь поверхностную критику в адрес дарвинизма, то с каждым новым шагом к пониманию эволюции достоверность этой теории слабеет. К тому же с помощью объяснения возникновения сложных структур, которое предлагает теория разумного творения – прихоти сверхъестественного творца, – можно истолковать вообще любое мыслимое наблюдение в природе. Может, даже то, что жизнь выглядит как следствие эволюции, тоже объясняется прихотью творца (судя по всему, многие креационисты верят в это, хотя мало кто из них отваживается это признать). Но если вы не в состоянии найти наблюдение, которое бы опровергало теорию, то эта теория просто антинаучна.

Однако как же нам опровергнуть утверждение теоретиков разумного творения, заявляющих, что некоторые черты просто отрицают какое бы то ни было происхождение путем естественного отбора? В таких случаях эволюционные биологи не обязаны набрасывать подробный пошаговый сценарий того, как появилась сложная структура. Для этого потребовалось бы знать все о далеком прошлом, когда нас еще не было на свете, а для большинства признаков и почти для всех биохимических процессов это невозможно. Опровергая утверждение креационистов о том, что бактериальный жгутик не мог развиться эволюционным путем, биохимики Форд Дулиттл и Ольга Жаксыбаева заявили: «Эволюционистам нет нужды принимать вызов и отвечать на немыслимые требования проследить каждую деталь эволюции жгутика. Нам нужно лишь показать, что подобное развитие, включающее процессы и компоненты, напоминающие уже известные нам и подтвержденные нами, в принципе выполнимо». Под «выполнимо» подразумевалось, что у каждой новой черты неизбежно был эволюционный предшественник и что эволюция такой черты не идет вразрез с дарвинистским требованием, согласно которому каждый шаг в адаптации идет на пользу ее обладателю.

И впрямь, нам не известно ни одной адаптации, происхождение которой могло бы обойтись без естественного отбора. Как мы можем быть в этом уверены? Применительно к анатомическим чертам мы можем просто проследить их развитие (когда это возможно) по палеонтологической летописи и увидеть, в каком порядке происходили разнообразные изменения. Затем мы можем определить, согласовывается ли по крайней мере последовательность изменений с постепенным процессом адаптации. И в каждом случае мы можем найти хотя бы правдоподобное дарвинистское объяснение. Эту закономерность мы наблюдали на примере превращения рыб в наземных животных в результате эволюции, или наземных животных в китов, или рептилий в птиц. Дело не обязательно должно обстоять именно так. Например, постепенное перемещение ноздрей на макушку у предкового вида китов могло произойти раньше, чем у них развились ласты. Это могло бы быть удачным ходом творца, но не могло возникнуть путем естественного отбора. Однако мы всегда видим эволюционный порядок, в котором есть дарвинистская логика.

Понять эволюцию сложных биохимических процессов и метаболических путей не так-то просто, поскольку в палеонтологической летописи они следов не оставили. Их эволюцию приходится реконструировать более спекулятивными способами, пытаясь понять, как эти пути метаболизма могли сложиться из более простых биохимических предшественников. Мы хотели бы установить, какие шаги привели к появлению этих сложных черт, увидеть, повышал ли очередной шаг приспособленность организма.

Хотя сторонники теории разумного творения заявляют, что и биохимические процессы находятся в руках высшего творца, благодаря упорным научным исследованиям уже начинают вырисовываться правдоподобные сценарии, которые можно проверить научным путем, – сценарии того, как развились эти черты. Давайте для примера рассмотрим, как развивался механизм свертывания крови у позвоночных. Процесс состоит из цепочки событий, которая начинается с того, что в поврежденном кровеносном сосуде происходит агрегация белков. Это запускает сложную каскадную реакцию, состоящую из 16 этапов, каждый из которых включает взаимодействие двух разных пар белков. Процесс завершается формированием сгустка крови. В целом в этом участвует более двадцати разных белков. Как, предположительно, мог выработаться такой процесс?

Пока нам это в точности не известно, но у нас есть доказательства того, что система могла сложиться в результате адаптивных изменений из более простых процессов. Многие белки, участвующие в свертывании крови, контролируются родственными генами, которые возникают путем дупликации – мутации, при которой предковый ген, а позже его потомки полностью удваиваются из-за ошибки в ходе деления клеток. Впоследствии эти дуплицированные гены могут эволюционировать в разном направлении и в конечном итоге начать выполнять разные функции, что и происходит в процессе свертывания крови в его нынешнем виде. Мы знаем, что в группах, которые появились до позвоночных, ряд белков и ферментов, участвующих в этом процессе, имели другие функции. Например, ключевую роль в свертывании крови играет белок под названием фибриноген, который растворен в плазме крови. На последнем этапе свертывания крови этот белок расщепляется ферментом, и образующиеся при этом пептиды, которые называются фибринами, склеиваются друг с другом и формируют нерастворимый сгусток, завершая процесс свертывания. Поскольку фибриноген в качестве фактора свертывания крови присутствует у всех позвоночных, по-видимому, он развился из белка, который нес иную функцию у живших раньше предковых видов позвоночных, лишенных механизмов свертывания крови. Хотя разумный творец и мог бы создать подходящий белок, эволюция так не действует. Обязательно должен был существовать некий предковый белок, из которого и развился фибриноген.

Рассел Дулиттл из Калифорнийского университета предсказал, что такой предковый белок будет обнаружен, и, разумеется, в 1990 г. Дулиттл и его коллега Сюнь Сюй обнаружили этот белок в морском огурце – беспозвоночном, которое иногда используется в китайской кухне. Морские огурцы отделились от эволюционной ветви позвоночных по меньшей мере 500 млн лет назад, но тем не менее у них имеется белок, который, явно будучи родственным тому, что участвует в процессе свертывания крови, для этой цели не используется. Это означает, что у общего предка морских огурцов и позвоночных имелся ген, который у позвоночных позже был приспособлен для другой функции, в точном соответствии с эволюционным прогнозом. С тех пор и Дулиттл, и Кен Миллер, специалист по биологии клетки, успели выстроить достоверную адаптивную схему того, как весь каскад реакций свертывания крови развился из белков-предшественников. Все эти предшественники обнаруживаются у беспозвоночных, где несут другие функции, не связанные со свертыванием крови, и все они были введены позвоночными в работающую систему свертывания. Что касается эволюции бактериального жгутика, то, хотя пока что она еще не совсем ясна, уже известно, что в ней также задействовано множество белков, прежде участвовавших в других биохимических процессах{31}.

Перед наукой зачастую встают сложные задачи, и, хотя мы до сих пор не понимаем, как возникла каждая из биохимических систем, с каждым днем мы узнаем об этом все больше. В конце концов, изучение эволюции биохимических процессов – пока еще очень молодая область исследований. Если история науки нас чему и учит, так это тому, что победить наше неведение можно, лишь продолжая исследования, но не сдавшись и не приписывая наше невежество чудесной работе верховного творца. Если услышите, что кто-то утверждает обратное, просто вспомните слова Дарвина: «Невежество гораздо чаще приводит к самоуверенности, нежели знание: малознающие, а не многознающие любят так уверенно утверждать, что та или иная задача никогда не будет решена наукой». Таким образом, оказывается, что, в принципе, эволюции ничего не стоило создать сложные биохимические системы. Но как насчет времени? Действительно ли естественному отбору хватало времени на то, чтобы создать и сложные адаптации, и разнообразие форм жизни? Конечно, мы знаем, что у организмов было достаточно времени на то, чтобы эволюционировать – это подтверждается хотя бы палеонтологической летописью, – но достаточно ли силен был естественный отбор, чтобы производить такие перемены?

Один из возможных подходов состоит в том, чтобы сравнить темп эволюции в палеонтологической летописи с темпом, который мы наблюдаем в лабораторных экспериментах, где применяется искусственный отбор, или с историческими сведениями об эволюционных изменениях, которые произошли, когда виды колонизировали новую среду обитания в исторически установленные промежутки времени. Если эволюция, регистрируемая в палеонтологической летописи, оказалась бы намного быстрее, чем в лабораторных экспериментах или в ситуациях с колонизацией (в обоих случаях происходит сильный отбор), то возможно, нам пришлось бы задуматься, а вправду ли отбор может объяснить изменения, наблюдаемые у ископаемых. Но на самом деле результаты прямо противоположны. Филип Джинджерич из Мичиганского университета показал, что в лабораторных экспериментах или по результатам изучения случаев колонизации темп изменения размеров и формы тела животных оказывается во много крат быстрее, чем изменения ископаемых видов. При этом в случае отбора во время колонизации перемены происходят в 500 раз быстрее, чем у ископаемых, а в случае лабораторного эксперимента, имитирующего отбор, – почти в миллион раз быстрее. И даже самым быстрым изменениям в палеонтологической летописи не сравниться по темпу с самыми медленными изменениями, которые наблюдаются, когда человек производит отбор в лабораторных условиях. Более того, средний темп эволюции, наблюдаемый при исследованиях случаев колонизации, достаточно велик, чтобы при таком темпе всего за 10 000 лет мышь выросла до размеров слона!

Какой из этого следует вывод? Естественный отбор совершенно адекватно объясняет изменения, которые мы видим в палеонтологической летописи. Одна из причин, по которой этот вопрос вообще задают, состоит в том, что люди не способны оценить и понять, в каких колоссальных масштабах времени приходится работать естественному отбору. В конце концов, мы эволюционировали таким образом, чтобы справляться с тем, что происходит в течение нашего жизненного срока – возможно, на протяжении большей части нашей эволюционной истории этот срок составлял около 30 лет. Поэтому временной отрезок в 10 миллионов лет нам просто невозможно представить.

Наконец, можно ли достаточно убедительно объяснить естественным отбором такой по-настоящему сложный орган, как глаз? Глаз-«камера» позвоночных (и таких моллюсков, как кальмар и осьминог) некогда был излюбленным объектом креационистов. Обратив внимание на сложное строение зрачка, роговицы, хрусталика, сетчатки и т. д. (все это должно слаженно работать вместе, чтобы создавать зрительный образ), противники естественного отбора провозгласили, что глаз не мог сформироваться постепенно, шаг за шагом. Какая польза могла быть от недоглаза?

Дарвин в «Происхождении видов» ответил на это утверждение и блистательно опроверг его. Он проанализировал существующие биологические виды, чтобы проверить, не найдутся ли среди них обладатели функциональных, но не столь сложных глаз, которые бы не только работали, но и могли бы быть выстроены в гипотетическую последовательность, показывающую, как мог эволюционно развиться глаз-«камера». Если это возможно (а это возможно), тогда аргумент, что естественному отбору не под силу создать глаз, рушится, потому что глаза существующих видов очевидно функциональны. Каждое улучшение глаза несет очевидные преимущества для особи, потому что помогает ей успешнее находить пищу, избегать хищников и ориентироваться в окружающей среде.

Возможная последовательность таких изменений начинается с простых глазных пятен, состоящих из светочувствительного пигмента, какие встречаются у плоских червей. Затем кожа собирается в складки, создавая углубление, которое защищает глазное пятно и позволяет ему лучше определять источник света. Такие глаза у моллюсков – морских блюдечек. У головоногого моллюска под названием наутилус, или кораблик, мы наблюдаем дальнейшее сужение устья этого углубления, что позволяет получать более качественное изображение, а у многощетинковых червей семейства нереид углубление прикрыто прозрачной пленкой, защищающей устье. У брюхоногих моллюсков морских ушек (галиотисов) часть глазной жидкости сгустилась и образовала хрусталик, который помогает фокусировать свет, и у многих видов, в том числе у млекопитающих, близлежащие мышцы перепрофилировались, чтобы изменять форму хрусталика для фокусировки зрения. Эволюция сетчатки, оптического нерва и всего остального осуществляется с помощью естественного отбора. Каждый шаг этой гипотетической серии переходных этапов демонстрирует увеличение степени адаптации у обладателя глаза, потому что она позволяет глазу собирать больше света или формировать более четкие зрительные образы, а ведь и то и другое помогают выживанию и размножению. Каждый шаг этого процесса правдоподобен, потому что его можно наблюдать у отдельно взятого ныне существующего биологического вида. В конце этой последовательности получаем глаз, работающий по принципу камеры, чья адаптивная эволюция кажется до невозможности сложной. Однако сложность этого окончательного варианта глаза можно разложить на последовательность маленьких адаптивных шагов.

Но мы можем не только выстроить адаптивную последовательность, анализируя строение глаз существующих видов. Можно сделать кое-что еще более убедительное: начав с простого предшественника, смоделировать эволюцию глаза и посмотреть, превратит ли естественный отбор этого предшественника в обладателя более сложных глаз за разумный срок. Дан-Эрик Нильссон и Сюзанна Пелджер из Лундского университета в Швеции создали подобную математическую модель, начав с пятна светочувствительных клеток, снабженных пигментным слоем (сетчаткой). Затем они позволили тканям вокруг этой структуры произвольным образом деформироваться, ограничив объем изменений до 1 % размера или толщины на каждом из шагов. Чтобы имитировать естественный отбор, модель принимала только «мутации», которые улучшали качество изображения и отвергала ухудшавшие.

За поразительно короткий срок модель развилась в сложный глаз, пройдя стадии, сходные с развитием глаз у настоящих животных, описанные выше. Глаз начал формироваться внутри, создавая чашу, которая, в свою очередь, прикрылась прозрачной тканью, а внутренность чаши приобрела гелеподобную консистенцию, а затем сформировался не просто хрусталик, но хрусталик с параметрами, которые давали изображение наилучшего качества.

Таким путем эта модель, начиная с глазного пятна у плоского червя, породила нечто напоминающее сложный глаз позвоночного, пройдя через всю последовательность крошечных адаптивных шажков, которых, если быть точным, исследователи насчитали ровно 1829. Однако Нильссон и Пелджер также высчитали и длительность этого процесса. Для этого они сделали некоторые допущения о том, сколько генетических вариаций формы глаза существовало в популяции, которая подвергалась естественному отбору, и насколько сильно отбор будет благоприятствовать каждому полезному изменению размеров глаза. Эти предположения были намеренно консервативными, и исследователи предположили, что существовали не слишком большие количества генетических вариаций и естественный отбор был очень слабым. Тем не менее глаз развился очень быстро: весь процесс от слаборазвитого светового пятна до глаза- камеры занял меньше 400 000 лет. Поскольку возраст самых ранних животных с глазами равен 550 млн лет, то, согласно этой модели, у сложного глаза было предостаточно времени на эволюцию и он мог развиться более 1500 раз. В реальности глаза развились по меньшей мере у сорока групп разных животных независимо друг от друга. Как сухо отметили Нильссон и Пелджер в своих записях: «Очевидно, что глаз никогда не представлял угрозу дарвиновской теории эволюции».

Итак, что мы теперь знаем? Нам известно, что некий процесс, такой как естественный отбор (как и селекции животных и растений), воздействовал на генетическую изменчивость видов в дикой природе и породил масштабные «эволюционные» преобразования. Мы знаем, что эти преобразования могут быть гораздо глобальнее и быстрее, чем подлинные эволюционные перемены, имевшие место в прошлом. Мы убедились, что отбор работает в лаборатории на болезнетворных микроорганизмах, а также в дикой природе. Мы не отыскали ни единой адаптации, которая не могла бы быть сформирована естественным отбором, и во многих случаях можем точно определить, как именно отбор ее создавал. А математические модели показывают, что естественный отбор в силах быстро и легко создавать сложные структуры. Вывод очевиден: мы можем предварительно утверждать, что естественный отбор послужил причиной адаптивной эволюции, хотя не каждой эволюционной черты, поскольку свою роль может сыграть и генетический дрейф.

Да, те, кто разводит животных, не превратили кошку в собаку, а лабораторные исследования не преобразовали бактерию в амебу (хотя, как мы видели, в лабораторных условиях возникли новые виды бактерий). Однако глупо думать, что это серьезные возражения против естественного отбора. Большие преобразования занимают время – много времени. Чтобы на самом деле увидеть действие естественного отбора, нам нужно экстраполировать маленькие изменения, которые отбор создает в течение нашей жизни, на миллионы лет, которые ему требуются, чтобы осуществиться в природе. Точно так же нам не проследить, как Большой Каньон делается все глубже, но, глядя в эту огромную пропасть, по дну которой незаметно протачивает свой путь река Колорадо, усваиваешь самый важный урок дарвинизма: слабые силы, действующие в течение длительного времени, порождают огромные и важные перемены.