• Главная
  •  > 
  • Свидание
  •  > 
  • Родословное древо. Дерево жизни в диснеевском королевстве животных Эволюция основных групп животных родословное дерево

Родословное древо. Дерево жизни в диснеевском королевстве животных Эволюция основных групп животных родословное дерево

Многие выводы современной теории эволюции неочевидны и требуют изощренных обоснований. В ней немало нерешенных проблем, и есть области, к изучению которых только приступили. Однако на сегодняшний день это единственная фундаментальная теория в биологии, позволяющая объяснить развитие и разнообразие жизни.

Понятие «эволюция», то есть «развертывание» или «разматывание», постепенное без скачков и перерывов изменение и усложнение какого-нибудь объекта, существовало в науке и до Дарвина . Об эволюции, например, Солнечной системы писали Кант в 1755 году и Лаплас в 1796-м. Естественно, что и биологи примеряли эту идею к своей дисциплине. Первая основанная на ней теория органического мира принадлежала Жану Батисту Ламарку, который предположил, что всем живым существам свойственно стремление к самоусовершенствованию и прогрессу с наследованием приобретенных на протяжении жизни признаков. И хотя с точки зрения современной науки в объяснении причин развития Ламарк был не прав и изменения, которые не затрагивают половые клетки, наследоваться не могут, тем не менее существование самого явления эволюции он доказал вполне убедительно. Были, конечно, и другие теории развития органического мира, ныне практически забытые. Для XVIII и начала XIX века подобный подход, объяснявший происходящие в мире изменения естественными причинами, а не действием высших сил, был новаторским и противоречил общепринятой методологии, суть которой лучше всего изложил англиканский священник Уильям Пэйли. В увидевшем свет в 1806 году «Естественном богословии» он рассуждал так: предположим, что на прогулке в поле мы нашли часы. Ясно, что столь сложный и целесообразный механизм не мог возникнуть самопроизвольно, но был замыслен и изготовлен неким часовщиком. Но Вселенная и жизнь неизмеримо сложнее часов, поэтому должен быть и создавший их Мастер. Популярность этой аналогии в наши дни побудила американского биолога и выдающегося популяризатора дарвинизма Ричарда Докинза продолжить спор с Пэйли и даже дать своей книге, опубликованной в 1986 году, название «Слепой Часовщик». Как объяснить ошибки и неточности в «конструкции» живых организмов, спрашивает Докинз. К примеру, геном человека «содержит огромное количество «мусора», неработающих и даже смертельных генов, как, например, онкогены. Все это мог создать только слепой часовщик, но никак уж не «умный» творец».

К тому времени, как Чарлз Дарвин отправился в знаменитое кругосветное плавание на корабле «Бигль», и за почти двадцатилетний последующий период, когда он прорабатывал свою теорию, в естествознании, в первую очередь в геологии, было накоплено достаточно фактов, позволяющих объяснять развитие физического и органического мира без Часовщика.

Англия и континентальная Европа изобилуют местами, где пласты горных пород выходят прямо на поверхность и потому легкодоступны для изучения. В начале 1830-х годов английский геолог Чарлз Лайель, с которым Дарвин впоследствии сдружился, предложил новую концепцию истории Земли, названную униформизмом. Согласно ей главные процессы, изменяющие Землю, — это выветривание и размывание горных пород. Поскольку идут они очень медленно, то увидеть результаты их работы - сглаживание гор и образование километровых осадочных толщ - можно только за длительный период времени. Первые же оценки возраста Земли по скорости накопления морских осадков составили миллионы лет вместо шести дней Творения. Тогда считали, что для постепенной эволюции видов этого времени вполне достаточно.

Книгу Лайеля «Основы геологии» с изложением идеи постепенной эволюции ландшафтов Дарвин даже брал с собой в путешествие, хотя отношение к ней научного сообщества было настороженным. Большинство ученых верили в теорию катастроф, утверждавшую, что каждый пласт ископаемой фауны - это свидетельство отдельных актов творения, которые чередовались с катастрофическим вымиранием созданного прежде. «Проницательный Генсло (пастор и ботаник) дал совет мне внимательно изучить только что появившийся первый том Principles, но ни в коем случае не проникаться проводимыми в ней воззрениями», - писал Дарвин. Но молодой естествоиспытатель проникся - так убедительны были доводы Лайеля.

На постепенные изменения, происходящие в органическом мире, указывал и огромный палеонтологический материал, накопленный в XIX веке. Разнообразие окаменелых форм животных и растений, четкое распределение их по толщам, вплоть до того, что по одним и тем же ископаемым остаткам можно установить одновозрастные слои, даже если они находятся в разных местах, - все это наводило на мысль о том, что живой мир закономерно менялся по всей планете. Более того, уже во времена Дарвина по окаменелостям начали восстанавливать временную последовательность геологических событий, которой ученые пользуются поныне.

Поскольку эволюционное развитие предполагает непрерывность, значит, одни виды должны происходить от других. Главное подтверждение этого тезиса пришло из эмбриологии, которая бурно развивалась в начале XIX столетия, и уже был открыт закон (российским академиком Карлом фон Бэром), согласно которому у животных, совершенно разных во взрослом состоянии, похожи зародыши. Дарвин был хорошо знаком с этими исследованиями и использовал их для своих теоретических построений.

Рождение дарвинизма

Что же, собственно, сделал сам Дарвин? А сделал он на первый взгляд очень простую, но совершенно необходимую вещь, благодаря которой гипотеза стала теорией. Он объяснил, как идет эволюция, каков ее конкретный механизм. Именно это объяснение, оформленное в виде теории естественного отбора, впоследствии назвали «дарвинизмом». Эта теория «покоится на трех китах»: изменчивости, наследственности и отборе. Понять ее несложно и школьнику, достаточно припомнить, что среди животных и растений, будь то домашние или дикие, всегда есть какое-то разнообразие, и особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга - так проявляется изменчивость. При этом дети больше похожи на своих родителей, чем на чужих, - так работает наследственность. Теперь положим, что в потомстве одной пары голубей клювы немного различаются по длине, и один любитель обращает внимание на голубя с клювом слегка покороче, другой же, напротив, на голубя с клювом подлиннее, поэтому они будут отбирать для разведения птиц с одним из крайних проявлений признака. Первоначально отличия очень малы, но с течением времени отбор приводит к возникновению двух хорошо различающихся форм - пород. Именно так в действительности и произошло с породами голубей-турманов, выведенных в Англии, чей пример использовал для иллюстрации своей теории Дарвин. Получается, что совершенство и поразительное разнообразие живых организмов - от бактерий и грибов до баобабов и человека - создано благодаря естественному отбору, который действует из поколения в поколение.

Первое издание основного труда Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» увидело свет 24 ноября 1859 года. В день ее появления на прилавке магазина она разошлась тиражом 1 250 экземпляров. Потребовалось второе издание тиражом 3 тысячи, потом допечатали еще 16 тысяч, книгу перевели на многие языки мира. Дарвин смеялся: «Даже на древнееврейском языке появился очерк о ней, доказывающий, что моя теория содержится в Ветхом Завете!» Он был горд и отрицал, будто успех книги - только в ее своевременности. По его признанию, до ее публикации он не встречал среди своих коллег ни одного, кто сомневался бы в постоянстве видов. Даже Лайель не соглашался с Дарвином. Однако теория естественного отбора так хорошо объясняла накопившийся у натуралистов материал и так интересно читалась, что была просто обречена на успех.

Что бы ни говорил автор, книга действительно оказалась очень своевременной. Благодаря быстрому развитию науки, техники и экономики в европейском обществе распространилась идея прогресса. Теория эволюции переносила ее на развитие живого мира и одновременно служила естественнонаучным обоснованием прогрессистских социальных теорий. Говорят даже, что Карл Маркс хотел посвятить «Капитал» Дарвину, и хотя это лишь миф, его существование показательно.

Коль скоро дарвинизм признавал эволюцию всех видов, то с неизбежностью возникал вопрос о происхождении «венца творения». На него Дарвин тоже ответил, но в другой книге, которая вышла на 12 лет позже первой: вероятно, он долго не решался публично выступить по такому щекотливому вопросу. Эта книга называлась: «Происхождение человека и половой отбор». По мнению автора, своим интеллектуальным прогрессом человечество обязано женщинам, которые выбирали себе самых умных и надежных партнеров, а слабые и глупые представители сильной половины оставались без потомства. Именно в этой книге прозвучало впервые заявление, столь взбудоражившее общество, о нашем родстве с обезьянами. С тех пор теория эволюции вышла за стены кабинетов ученых, стала предметом широкого обсуждения, и критика ее утратила конструктивный научный характер. Что поделать, но тогда в руках у Дарвина не было столь весомых доказательств своей правоты, которые появились позже, и, говорят, под занавес своей жизни он готов был даже отказаться от гипотезы происхождения человека. Факты появились вскоре после его кончины. В 1890 году на острове Ява голландский антрополог Эжен Дюбуа обнаружил кости древних, похожих на человека, существ, которых назвали питекантропами. И хотя, по современным представлениям, ни питекантроп, ни другие известные ископаемые человекообразные, включая неандертальца, не были непосредственными предками человека, тем не менее они - наши ближайшие генетические родственники - и помогают увидеть, как вместе с постепенным развитием мозга и освоением прямохождения возник человек.

Зачем судиться с теорией

После Первой мировой войны общественное мнение в США было предубеждено против теории эволюции, которую связывали с атеизмом. В 1925 году в штате Теннесси в качестве закона был принят «акт Батлера», гласящий: «…будет нарушением закона, если любой преподаватель любого университета или школы, содержащихся полностью или частично за счет штата, будет преподавать любую теорию, отрицающую историю Божественного Творения человека, как тому учит Библия, и вместо этого преподавать, что человек произошел от низших животных». Ответственность за нарушение предполагала уплату штрафа в 100-500 долларов, большой по тем временам суммы. Противники акта Батлера, группа бизнесменов из Дейтона, маленького городка в штате Огайо, возглавляемых инженером Джорджем Рэппли, решили показать абсурдность этого закона весьма оригинальным способом - через суд. Они заручились согласием молодого преподавателя естествознания и математики Джона Скоупса, что тот признает себя нарушителем акта Батлера. Фактически Скоупс только один раз вел урок биологии, заменяя заболевшего коллегу, на котором действительно обсуждал главу по дарвинизму из рекомендованного учебника. Замысел заключался в том, чтобы процесс показал несостоятельность акта Батлера и привел к его отмене. Дополнительным стимулом была идея Рэппли о том, что процесс привлечет внимание к Дейтону и поможет заработать - классическая пиар-акция.

Процесс начался 10 июля 1925 года. Защита добилась обсуждения Библии в качестве альтернативного естествознанию источника знаний. Обвинитель Уильям Брайан, влиятельный политик, неоднократный кандидат в президенты, вынужден был отвечать на «неудобные» вопросы о библейских чудесах, можно ли их трактовать буквально и рассматривать в качестве серьезной альтернативы естественнонаучной точке зрения: о сотворении мира за шесть дней и его возрасте, остановке Солнца Иисусом Навином, проглоченном китом и жившим три дня в его желудке Ионе и подобном. Брайан не ответил на эти вопросы удовлетворительно, и наблюдавшая за процессом пресса признала его поражение. Стало очевидно, что библейские факты естественной истории можно трактовать как аллегории. Скоупс был оправдан, но в силу юридических причин акт Батлера отменили не сразу - это произошло только в 1967 году, хотя со времен «обезьяньего процесса» более ни разу не применяли.

В США было еще несколько попыток ограничить преподавание эволюционизма в школе по религиозным мотивам. Последний раз это было в 2002 году в округе Кобб штата Джорджия, где на школьных учебниках биологии по требованию верующих родителей поместили наклейки с надписью: «…эволюция - это теория, а не факт… эту тему надо рассматривать критически». В 2005 году окружной суд постановил эти наклейки убрать. В России недавно прошел первый «обезьяний процесс». Инициировавший его Кирилл Шрайбер профессионально занимается рекламным бизнесом, равно как помогавший ему на процессе друг Антон Вуйма, руководитель «Духовного наследия» - организации, называющей себя «информационным агентством с сильным PR-уклоном». Сам Вуйма в интервью признавал, что в целях саморекламы проводит акцию «черного PR» - в данном случае против дарвинизма. Суд города Санкт-Петербурга принял первый иск к рассмотрению и вынес по нему отрицательное решение.

Лучшая демонстрация теории эволюции - стадии развития лягушки: у похожего на рыбку головастика сначала отрастают задние лапки, потом передние, затем исчезает хвостик, и вот новое существо - амфибия

Общий предок

Коллеги задавали Дарвину массу вопросов, на многие из которых он убедительно ответил и не только потому, что был энциклопедически образованным человеком, но и благодаря силе предложенной им теории. А на что не ответил он сам, ответили следующие поколения ученых, и их ответы породили новые вопросы…

Возможно ли, что никакой преемственности между видами нет и каждый из них возник независимо? На этот вопрос современная наука, которая изучает механизм эволюции на уровне молекул, отвечает отрицательно. У всех известных существ наследственная информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Нуклеотидов всего четыре, и они одинаковы у микроорганизмов, растений и животных. Этот факт - в пользу родства всех существ. Но порядок следования нуклеотидов различается в молекулах ДНК разных организмов, что, собственно, и служит залогом их внешнего и внутреннего различия. Чем больше таких различий в ДНК двух разных видов, тем раньше они разошлись со своим общим предком.

Используя эти положения, в 1962 году американские биохимики Лайнус Полинг и Эмиль Цукеркандль выдвинули идею «молекулярных часов». Они заметили корреляцию между количеством различий в последовательностях аминокислот гемоглобина - белка, переносящего кислород, который есть у многих животных, и временем расхождения видов согласно палеонтологической летописи. То есть скорость, с которой изменяется последовательность аминокислот, для данного белка постоянна. А значит, по числу различий в одном и том же белке для любой пары видов можно оценить время их расхождения, даже если и палеонтология на этот счет не дает никаких указаний. Как в школьной задаче на расчет времени при известных расстоянии и скорости. Тот же принцип оказался верным и для последовательностей нуклеотидов в молекулах ДНК. В идеальном случае генеалогия живого существа, построенная палеонтологами, должна совпасть с генеалогией, построенной генетиками, и это стало бы одной из лучших демонстраций теории эволюции.

Знания о последовательностях ДНК и белков привели к рождению новой науки, занимающейся их сопоставлением и анализом, - биоинформатики. От нее ответвилась молекулярная филогенетика. По сравнению с традиционной систематикой, основанной на изучении анатомии, эта наука оперирует огромным количеством признаков - ведь число генов у многоклеточных организмов исчисляется многими тысячами, и каждый из них состоит из сотен или тысяч нуклеотидов. Сотни лабораторий во всем мире анализируют ДНК и все глубже разбираются в родственных связях организмов.

Не только генетический код, но и функциональные участки ДНК - гены - нередко одинаковы. Например, развитие зародыша у разных групп многоклеточных животных управляется одними и теми же генами. Где будет передний конец, а где - задний, задают «гомеозисные» гены, очень похожие у всех животных: от медузы до примата. Одни и те же гены управляют развитием глаза мухи и мыши - а ведь прежде считалось, что эти органы несравнимы, поскольку по-разному устроены: глаз насекомых состоит из множества простых глазков - фасеток, каждый из которых дает изображение одной точки пространства, а глаз позвоночных строит полное детальное изображение. Еще пример, в зародыше любого вида образуются лишние клетки, которые затем самоуничтожаются. Так, наши пальцы формируются за счет гибели клеток между ними, иначе вместо нормальной конечности развивалась бы сросшаяся культя. Точно так же ликвидируются самостоятельно и мутантные клетки, способные стать раковыми. Эти процессы запрограммированной гибели клеток - апоптоза - управляются особыми генами, которые очень похожи и, как оказалось, взаимозаменяемы, у человека, мыши и крошечного червя, состоящего всего лишь из одной тысячи клеток.

А раз во всех существах встречаются одинаковые «кирпичики», значит, они достались им от некоего общего предка? Кто же это мог быть? В мире одноклеточных мы видим организмы, похожие по обмену веществ и на растения, и на животных. Первые путем фотосинтеза создают себе пищу сами, вторые - этого не могут и нуждаются в готовых органических веществах. Например, от такого существа, как эвглена зеленая - полуводоросль-полуживотное, могла пойти дальнейшая эволюция. Чтобы стать многоклеточными, отдельным существам-клеткам нужно было объединиться в колонии. Сейчас полагают, что такой скачок связан с появлением хищничества как образа жизни: большую особь труднее съесть. Вся дальнейшая эволюция - это непрекращающаяся гонка наращивания размеров обеих противоборствующих сторон, в которой хищники и жертвы подгоняли друг друга. Животные, которые жили миллиард лет назад, настолько отличались от современных, что к ним неприменимы привычные принципы классификации. В них причудливо сочетались признаки разных современных типов, никогда не встречающиеся одновременно ни в одном из ныне живущих организмов. Трибрахидиум можно было бы назвать медузой, если бы не диковинная трехлучевая симметрия, более характерная для растений. Дикинсония похожа на кольчатого червя, но назвать ее так мешает «скользящая» симметрия, при которой парные конечности расположены не напротив друг друга, а в шахматном порядке. Такой тип симметрии опять-таки чаще встречается в растительном царстве, но в данном случае ученые уверены, что имеют дело с животным. По непонятной причине эти странные существа вымерли, и более полумиллиарда лет назад (в раннем кембрии) на коротком отрезке времени длительностью порядка десяти миллионов лет появились все известные современные типы животных. Это событие назвали «кембрийским взрывом». И согласно теории эволюции общий предок современных животных вышел из древнего мира докембрийских «чудищ», тех, кто пережил глобальную катастрофу. Данные молекулярной филогенетики подтверждают, что родословная современных типов (как то: губки, погонофоры, хордовые и т. д.) - это не дерево, но куст с пучком ветвей-типов, растущих из единого корня. А вот окаменелые остатки того, кто был этим корнем, палеонтологам еще не попались.

Уязвимое место

На самом деле прямого обоснования эволюционной теории еще никто не представил. В качестве такового может послужить только наблюдение за естественным развитием видов и обязательная регистрация того, какими были существа на старте, их промежуточные формы и во что превратились в конце. Отсутствие такого наблюдения и есть наиболее уязвимое место теории. Действительно, если видообразование - это непрерывный процесс, который продолжается и в наши дни, то почему мы не встречаем переходных форм? Есть, к примеру, тигр, лев, леопард, рысь - представители семейства кошачьих, а полосатых львов или тигров с гривами - форм промежуточных между двумя родственными видами - не бывает. Настораживает и то, что в ископаемом состоянии переходные формы также не встречаются. Отсутствие современных переходных форм Дарвин объяснял тем, что картина сегодняшнего мира - это результат уже разрешившихся противоречий и родоначальные виды истреблены естественным отбором. Что же до отсутствия их ископаемых остатков, то аргументом служили кратковременность их существования и небольшая численность, из-за чего вероятность, чтобы они сохранились, очень мала, а вероятность обнаружить их - и вовсе мизерна. Все, что видят палеонтологи, - это один вид в одном слое, другой - в другом, и никаких переходов. Словно долгие периоды устойчивого существования одних и тех же организмов вдруг сменялись быстрым видообразованием. Американские ученые Нильс Элдридж и Стивен Гоулд назвали это явление «прерывистым равновесием». Осталось понять условия стабильности и факторы ускорения эволюции.

И все-таки, в одном частном случае - среди микроорганизмов - ученые считают, что им удается видеть и регистрировать ход эволюции. В ответ на изобретение новых антибиотиков против болезнетворных бактерий возникают штаммы (группы микроорганизмов с четкими физиологическими особенностями), устойчивые к действию этих лекарств. С первой половины XX века идет постоянная гонка: медикам приходится все время изобретать новые лекарственные средства, которые быстро теряют эффективность из-за ускоренной эволюции микробов. Единственное, что останавливает от того, чтобы считать ее зримым процессом видообразования, - невозможность применить к бактериальному штамму понятия «вид». Стандартное определение гласит, что вид - это совокупность организмов, неспособных к скрещиванию с особями других видов или дающих при таких скрещиваниях бесплодное потомство. Но оказалось, что штаммы, относящиеся к одному и даже разным видам бактерий, могут обмениваться генетическим материалом друг с другом. Это явление назвали горизонтальным переносом генов. Благодаря миграции генов достижения одного вида микроорганизмов становятся доступными для другого - такую форму эволюции назвали ретикулярной, или сетчатой, чтобы подчеркнуть ее отличие от «классической», то есть древовидной, куда бактерии, похоже, не вписываются. Образно говоря, для бактерий нельзя построить эволюционное древо с общим корнем - у них родственные связи образуют запутанную сеть.

Парадоксы развития

Еще один феномен, который пока трудно объяснить с эволюционной точки зрения, - это сложность строения живого организма. Как, например, мог образоваться такой совершенный орган, как глаз? Дарвин, который хорошо знал зоологию и анатомию, на этот вопрос отвечал так. Органы, способные воспринимать свет, есть даже у самых простейших существ. Поэтому глаза можно выстроить в ряд по мере усложнения: от простых пигментных пятен или выстланных пигментом прозрачных кожных мешочков ланцетника до сложных фасеточных глаз насекомых и совершенной оптической системы человеческого глаза. Причем такой ряд легко создать и на основе глаз зародышей, что будет иллюстрацией к процессу их развития. Ну а какие преимущества в конкурентной межвидовой борьбе дают хорошо работающие глаза тем, у кого они есть, вряд ли нужно перечислять. Гораздо труднее оказалось для Дарвина объяснить происхождение электрических органов у рыб. Но если бы ему было известно, что почти все физиологические процессы имеют электрическую природу, он с легкостью это сделал бы.

Тем не менее проблема осталась - на молекулярном уровне. Даже у наиболее простых бактерий есть около 200 генов, каждый из которых состоит из сотен или тысяч нуклеотидов. Каждый ген отвечает за какую-то жизненно необходимую функцию, например за построение элементов клетки, производство и починку молекул ДНК, за транспорт пищи в клетку. Американский биохимик Майкл Бихи назвал это свойство живой системы «неуменьшаемой сложностью», из которого следует, что первая клетка должна была появиться сразу с двумя сотнями генов, чтобы стать жизнеспособной. Кстати, этот пример часто используют критики теории эволюции. Они говорят: раз биологи сами пришли к такому парадоксу, значит, они отрицают дарвинизм. В логике такой прием называется подменой тезиса и свидетельствует об ошибочном выводе - разумеется, ученые не отрицают дарвинизма, они ищут пути обхода «неуменьшаемой сложности». Действительно, случайное возникновение даже самой элементарной клетки путем перебора химических соединений маловероятно. Но мы мало знаем о том, как была организована ранняя жизнь на Земле и какие пути могли привести к возникновению клетки.

Проблему представляет собой и сложность многоклеточных организмов с десятками тысяч генов. Ведь материала, с которым «работает» естественный отбор, может не хватить. Особенно среди крупных животных, исчисляемых всего лишь тысячами особей, таких как киты или слоны. В 1957 году английский генетик Джон Холдейн рассчитал, что для замены в популяции каких-либо организмов только одного признака необходимо вести отбор в 300 поколениях - а признаков-то (генов) десятки тысяч! Возможно ли при такой маленькой скорости эволюции возникновение новых видов, различающихся не по одному, а по целому комплексу признаков? Позднее это затруднение назвали «дилеммой Холдейна». Кажущуюся невозможность удается преодолеть, если сменить математическую модель и отказаться от посылки, что признаки эволюционируют независимо друг от друга. Половой процесс и связанный с ним обмен генами может объединять в одной особи множество нежелательных признаков и позволяет выбраковывать их существенно быстрее, чем предполагалось в модели Холдейна.

С помощью генетики удалось решить и вопрос о направленном течении эволюции, который стоял в свое время довольно остро. Еще в XIX веке палеонтолог Эдуард Коуп обнаружил, что у разных видов ископаемых животных могли развиваться одинаковые признаки. Это указывало на то, что эволюция - процесс не случайный, но подчиняющийся каким-то внутренним, еще не открытым закономерностям. В XX веке схожую концепцию под названием «номогенез» развивал русский ученый Лев Берг. Но экспериментальные данные такой концепции противоречат. У животных, даже не близких родственно, есть много общих генов, они-то и определяют, казалось бы, независимое появление у разных видов сходных признаков. Поскольку гены похожи, то и изменяются (мутируют) они сходным образом. С этой точки зрения удалось объяснить «закон гомологических рядов в наследственной изменчивости», сформулированный в 1920 году Николаем Вавиловым, который обнаружил, что у разных видов злаков встречаются похожие формы. Например, у ржи и пшеницы колосья могут быть как с остью, так и без нее; междоузлия могут быть как окрашенными, так и нет. Этот закон обладает большой предсказательной силой: если у одного растения какого-то признака нет, но он есть у близкого ему вида - нужно искать, вполне вероятно, что его просто еще не обнаружили.

Кто мы?

Генетика генетикой, но давайте посмотрим правде в глаза. Во всей этой истории большинство людей по-настоящему волнует лишь один вопрос - происхождение человека. Прав ли был Дарвин относительно близкого родства людей с человекообразными обезьянами? Судите сами. Анатомическое строение, физиологические и биохимические особенности, в частности строение молекулы гемоглобина, роднят нас с человекообразными обезьянами настолько, что сомневаться трудно. Ближе всех к человеку стоит шимпанзе, наше генетическое сходство настолько велико - 98%, что возникла идея в один род объединить человека и два известных вида шимпанзе: обыкновенного (Pan troglodytes) и карликового (Pan paniscus), также известного под названием бонобо. В 1991 году американский биолог Джаред Даймонд написал книгу об эволюции человека, которую так и назвал: «Третий шимпанзе». По его мнению, в зоологической систематике рода Homo правильнее использовать три вида: Homo troglodytes (человек пещерный, или шимпанзе обыкновенный), Homo paniscus (человек фавновый, или шимпанзе карликовый) и Homo sapiens.

По данным молекулярной филогенетики, эволюционные линии человека и шимпанзе разошлись примерно 6-7 миллионов лет назад. Мало того, сопоставив 14 000 генов человека и шимпанзе, ученые из Мичиганского университета под руководством Цзяньчжи Чжана пришли к выводу, что у шимпанзе эволюция на молекулярном уровне шла быстрее. То есть для того чтобы из предка, общего для шимпанзе и человека, получились сегодняшние виды, больше генов потребовалось изменить у шимпанзе. Так, может быть, вершина эволюции - это шимпанзе, а не человек? Тем более что с точки зрения биологии способность к рассудочной деятельности, выраженная у человека в большей мере, чем у других видов животных, не такое уж принципиальное отличие, и оно требует меньшего количества генетических перестроек, чем геном в целом.

Фальшивки и ошибки

За полтора столетия эволюционной теории в ней бывали ошибочные опыты и заключения, а подчас и фальсификации, и это - повод для вполне справедливой критики. Например, знаменитая история с «пилтдаунским человеком», обнаруженным в 1912 году. Его скелет был сфабрикован какими-то шутниками из черепа человека и челюсти орангутана и долгое время рассматривался как промежуточное эволюционное звено к современному человеку. Фальшивку разоблачили в 1953 году. Другой повод подал известный в прошлом популяризатор дарвинизма Эрнст Геккель: в стремлении убедительнее проиллюстрировать эволюционную теорию он переделывал рисунки зародышей животных так, чтобы на ранних стадиях они больше напоминали рыб - того требовал сформулированный им «биогенетический закон» (в развитии особи повторяются основные этапы эволюции вида). Оппоненты, приводя подобные случаи, делают вывод, что при доказательствах эволюционной теории были использованы несуществующие факты, а значит, она ошибочна. В каких-то единичных случаях да, были использованы. Но во-первых, все такие подделки, в том числе пилтдаунский человек и геккелевские рисунки, позже разоблачили, причем сами биологи. Во-вторых, твердо установленных фактов, не противоречащих теории, - гораздо больше. Встречается часто и такой аргумент, который касается, скорее, методологии науки, чем ее содержания, - раз у эволюционной теории есть нерешенные проблемы, значит, она несостоятельна. На это можно сказать следующее: у естественнонаучной теории должны быть нерешенные проблемы и области изучения, которые она только нащупывает. Это следует, в частности, из особенностей эмпирических обобщений: нет логических законов перехода от частного к общему.

Можно привести еще несколько подобных аргументов против теории эволюции. Одни из них будут содержать логические ошибки, другие - показывать, что у современной теории эволюции есть «белые пятна». Во всех этих случаях повода для отказа от теории не возникает, тем более что научной альтернативы ей нет. Принять в качестве таковой креационизм ученые не могут, поскольку он основан на метафизическом подходе. Теория эволюции и миф о Творении - это разные языковые системы, основанные на разном понятийном аппарате, и поэтому их невозможно корректно сравнивать и противопоставлять. А так называемый «научный креационизм» оказался неэффективен в качестве методологии исследования: он не выдвигает экспериментально подтверждаемых гипотез, а значит, бесполезен для развития научного знания.

Все так, и конкурентов у теории эволюции на сегодняшний день нет. Тем не менее с идеологических позиций она подвергается критике, суть которой сводится к тому, что теория оскорбляет чувства верующих. Остроумную идею, примиряющую естествознание и буквальную веру в Святое Писание, выдвинул современник Дарвина креационист Филипп Госсе. Он признавал верными все геологические данные, свидетельствующие о древности мира, но утверждал, что мир и был создан таким, как если бы имел долгую историю. По этому поводу английский математик Бертран Рассел иронично заметил: «Предположив это, нам уже нет надобности считать мир сотворенным в какой-то определенный момент времени. Все мы могли возникнуть всего пять минут назад - небритые, с дырками в носках и готовыми воспоминаниями». Эту идею, пусть и в шутливой форме, все еще используют. Например, в зоопарке американского города Сент-Луис есть зал, посвященный эволюции, и в нем - объявление, гласящее: «Здесь вовсе не утверждается, что мир живого не мог быть создан сразу - просто он выглядит так, будто появился в результате долгой эволюции».

Дерево Жизни:

Сам факт существования Дерева Жизни оброс различными домыслами: одни считают, что дерево живое, другие - что неживое. В отдаленных уголках интернета даже распространена версия, что дерево растет в Индии, а формы животных возникли на нем чудодейственным образом без участия человека. Чтобы прояснить все вопросы, обратимся к Диснеевскому пресс-релизу:

Дерево Жизни, призванное олицетворять взаимосвязь всего живого на планете - результат труда более 12-ти мастеров, создавших 325 резных фигур животных. Дерево целиком искусственное. Поддерживающая дерево стальная структура была разработана по тому же принципу, который применяется при строительстве нефтяных буровых установок в море. "Самой трудной частью работы в создании фигур было нахождение баланса между формой животного и формой дерева" - говорит Жолт Хормэй, главный скульптор и дизайнер из Будапешта, чья команда включала трех индейских мастеров, мастеров из Франции, Ирландии, Индианаполиса и Центральной Флориды. Чтобы добиться эффекта плавного перетекания одной фигуры в другую, внешняя часть ствола, из которой делались фигуры, обрабатывалась за пределами парка. Далее весь ствол был разделен на 10 огромных сегментов и переправлен на строительную площадку перед парком. Там сегменты были объединены в пары и транспортированы краном к нынешнему месту нахождения дерева, где все части воссоединились в одно целое как паззл.

Строительство Дерева Жизни:

Секрет иллюзии "деревянности" ствола и коры - в талантливой окраске внешней части дерева с применением множества оттенков коричнего и зеленого цветов. Каждый листик прикреплялся к веткам вручную, в итоге было прикреплено более 103 тысячи листиков разных оттенков, а также четырех форм и размеров.
В общей сложности работа над деревом заняла более 18 месяцев, и потребовалась команда из тысячи человек, чтобы закончить обработку внешней части дерева.

Гуляя по тропе вокруг сплетений корней дерева посетители могут обнаружить вход внутрь массивного ствола и открыть для себя 430-местный 3D-кинотеатр. Вход между корней можно увидеть, посмотрев видео-экскурсию вокруг Дерева Жизни:

"Дерево Жизни является технологическим чудом, но в то же время оно символ красоты, разнообразия и великолепия животного мира на земле", - говорит Джо Род, вице-президент отдела моделирования и главный проектировщик парка. - "Мы хотим, чтобы посмотрев на него, вы испытали удивление и благоговение и в дальнейшем переносили это чувство на реальный мир животных".

Ночной вид Дерева Жизни:

Учение Ч. Дарвина было дополнено трудами многих ученых. Благодаря их работе была доказана правильность важнейших положений теории эволюции. Это позволило определить основные этапы развития животного мира на Земле.

От одноклеточных животных к многоклеточным. Несомненно, первыми на Земле были древние простейшие. От них произошли современные одноклеточные: саркодовые, жгутиковые, инфузории, споровики. По своему строению они представляют одну клетку, в которой происходят все процессы жизнедеятельности целого живого организма. Из одноклеточных наиболее сложно устроены колониальные жгутиковые, например вольвокс. От древних колониальных жгутиковых, видимо, возникли очень похожие на современных кишечнополостных древние многоклеточные организмы, тело которых состояло из двух слоев клеток (наружных жгутиковых и внутренних пищеварительных).

Появление древних многоклеточных организмов было огромным событием в эволюции животных. У многоклеточных организмов в отличие от одноклеточных появились возможности для специализации клеток по выполняемым ими функциям. Одни клетки стали играть защитную роль, другие - обеспечивать пищеварение, сокращение, размножение, раздражение.

Многоклеточность и специализация клеток стали основой для формирования тканей, увеличения размеров тела, возникновения скелета, регенерации.

Усложнение строения многоклеточных организмов. Следующим этапом было происхождение от древних кишечнополостных трехслойных животных, похожих на современных свободноживущих ресничных червей. У них сформировались системы органов: пищеварительная, кровеносная, нервная, выделительная, система органов размножения. За счет третьего слоя клеток у плоских и круглых червей образуется мускулатура.

Следующим важным этапом в историческом развитии животного мира стало возникновение кольчатых червей. Возможно, от каких-то древних кольчатых червей произошли моллюски и членистоногие (рис. 227). Среди моллюсков и членистоногих появляются первые сухопутные животные. За счет формирования наружного хитинового скелета приспособления насекомых к жизни на суше стали более совершенными. Хитиновые покровы, которые служат скелетом и предохраняют организм от иссушения, позволили сформировать конечности и крылья. Насекомые широко расселились по Земле.

Рис. 227. Эволюционное древо современного животного мира

Наряду с общим прогрессивным развитием животные приспосабливаются к конкретным условиям. Так, представители семейств Жужелицы и Плавунцы - хищные жуки, но одни освоили наземную среду, а другие приспособились к жизни в воде.

Происхождение и эволюция хордовых. Предполагают, что древние хордовые произошли от вторичнополостных червеобразных предков, которые вели малоподвижный образ жизни. Хордовые приобрели прогрессивные черты: внутренний скелет, скелетную мускулатуру, хорошо развитую центральную нервную систему, имевшую вид нервной трубки, более совершенные органы чувств, системы органов пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения и размножения.

Наиболее древние хордовые, видимо, были похожи на современных ланцетников. У них была хорда (первичный внутренний осевой скелет), над ней располагалась нервная трубка - центральная нервная система. Под хордой находился кишечник, передний отдел которого имел жаберные щели.

От древних бесчерепных произошли позвоночные. У них сформировалась более совершенная опорно-двигательная система (позвоночник, состоящий из позвонков). Развился череп, предохраняющий головной мозг. Из нервной трубки образовались головной и спинной мозг, усложнилось поведение. В кровеносной системе появилось сердце - мускульный орган, обеспечивающий движение крови по сосудам. Произошли изменения в органах движения. Из складок, расположенных по бокам туловища, развились парные конечности - плавники.

Так возникли первые водные позвоночные животные - рыбы. Широкое распространение рыбы получили в палеозое.

Выход позвоночных на сушу. Важное значение для происхождения наземных позвоночных животных имели древние кистеперые рыбы. Скелет их парных плавников напоминал скелет конечностей земноводных. Кистеперые рыбы опирались на хорошо развитые парные плавники при ползании по дну - на этих плавниках были мышцы. У них были зачатки легких, они могли дышать воздухом при пересыхании водоемов.

От древних кистеперых рыб произошли первые наземные позвоночные - земноводные.

Земноводные не утратили связь с водной средой и внешне были очень похожи на кистеперых рыб. Их конечности превратились в типичные для наземных позвоночных многочленные рычаги - пятипалые конечности. Усложнились легкие, возникло два круга кровообращения. Потомки древних земноводных - современные тритоны, саламандры, лягушки, жабы также тесно связаны с водой. Имея голую кожу, участвующую в дыхании, земноводные могут жить только во влажной среде, а размножение их происходит в водоемах.

В конце палеозоя климат на Земле стал более сухим. Позвоночные животные начали интенсивнее осваивать сушу. У части земноводных в коже стали формироваться роговые чешуи, защищающие тело от высыхания.

Ороговевшие покровы препятствовали дыханию, поэтому легкие оказались единственным органом дыхания. Животные приспособились к размножению на суше. Они стали откладывать яйца, богатые питательными веществами, водой и защищенные оболочками от высыхания. Так возникли пресмыкающиеся - типичные наземные позвоночные животные.

Расцвет пресмыкающихся. В мезозойскую эру рептилии освоили все среды жизни и широко расселились по Земле. Наиболее разнообразными были динозавры - травоядные и плотоядные. Одни небольшие, величиной с крысу, другие - гиганты длиной почти 30 м. Воздушную среду заселили летающие ящеры. К жизни в воде вторично приспособились ихтиозавры, крокодилы, черепахи. Появились ящерицы. Позднее от них произошли змеи.

Расцвет птиц и зверей. Древние пресмыкающиеся дали начало птицам и млекопитающим, которые приобрели важные преимущества перед рептилиями: постоянную температуру тела, развитый головной мозг, более совершенное размножение: у птиц - откладывание и насиживание яиц, выкармливание птенцов; у млекопитающих - вынашивание детенышей в утробе матери, живорождение и выкармливание молоком. Птицы и млекопитающие оказались лучше рептилий приспособлены к меняющимся условиям среды.

Уровни организации жизни. При изучении животных вы познакомились с клеточным уровнем организации жизни. Из одной клетки состоит организм простейших. У многоклеточных кишечнополостных появляются два слоя тела: эктодерма и энтодерма, клетки которых имеют разное строение. Из клеток разного типа состоят ткани высших животных - эпителиальная, мышечная, нервная и др.

Знакомясь с жизнедеятельностью животных, их поведением, вы имели дело с организменным уровнем организации жизни. При этом животные относятся к определенным видам. Сохранение вида возможно в том случае, если животные живут группами (популяциями), в которых они свободно скрещиваются и оставляют потомство. Группу животных одного вида, обитающих в определенных условиях, обладающих общими морфологическими, физиологическими, генетическими признаками, называют популяцией. Следовательно, это популяционно-видовой уровень организации жизни.

Естественно, популяции разных видов, населяющие одно и то же место обитания, входят в состав одного биоценоза. Это биоценотический уровень организации жизни. В любом биоценозе различаются три группы организмов: продуценты - производители органических веществ (растения), консументы - потребители органических веществ (растительноядные, хищные, всеядные животные) и редуценты - разрушители органических веществ (рис. 228). К ним относятся птицы и звери - падальщики, жуки-могильщики и дождевые черви. Эти животные, питающиеся трупами и отходами (отмершими частями растений, телами погибших животных и их экскрементами), а в большей степени бактерии и грибы, доводят до конца разложение органических веществ до минеральных, тем самым повышая плодородие почв и возвращая в природу взятые растениями минеральные вещества (рис. 229). Многообразие условий обитания, различие популяций, разнообразие биоценозов обеспечивают устойчивость природных экосистем разного уровня.

Рис. 228. Жуки-могильщики у трупа мыши

Человек, владеющий научной информацией о закономерностях строения и функционирования биологических систем, имеет возможность правильно и умело применять ее в практической деятельности. От понимания людьми законов функционирования биоценозов и сохранения их зависит благополучие природных экосистем и отдельных видов животных. Необходимо рационально использовать свои знания о животном мире, постоянно заботиться о его сохранении и восстановлении.

Рис. 229. Взаимосвязи продуцентов (1), консументов (2) и редуцентов (3)

Современный животный мир - результат длительного исторического развития органического мира. При этом развитие происходит в результате общего прогресса: появления многоклеточности, возникновения мезодермы, формирования наружного хитинового скелета, внутреннего скелета (хорды), трубчатой центральной нервной системы, теплокровности и др. Современный животный мир представляет собой совокупность живых систем разного уровня, активно взаимодействующих с окружающей средой.

Упражнения по пройденному материалу

  1. Назовите основные этапы развития животного мира на Земле.
  2. В чем особенность строения и жизнедеятельности одноклеточных животных?
  3. Какие приспособления в строении и деятельности появляются у многоклеточных животных в отличие от одноклеточных?
  4. Каково значение появления трехслойности в усложнении организации тела животных?
  5. Почему формирование наружного хитинового скелета способствовало приспособлению насекомых к жизни на суше и их расселению по Земле?
  6. Какие прогрессивные черты хордовых обеспечили их дальнейшую эволюцию?
  7. Назовите основные отличия позвоночных от их предков - бесчерепных в строении и функциях организма.
  8. Какие изменения в строении и функциях организма появились у древних земноводных в связи с изменением климата? К чему это привело?
  9. В чем преимущество в строении и жизнедеятельности птиц и млекопитающих перед рептилиями?
  10. Назовите основные этапы эволюции беспозвоночных и хордовых животных.

Огромное достижение теории антропогенеза – знание времени появления первой человеческой популяции – 2,5 миллиона лет тому назад. Это произошло в обширных районах Африки: в Южной Африке, в Кении, Танзании, Эфиопии.

Вообще, сейчас существует такое выражение у специалистов по антропогенезу: все «out of Africa» ‒ «все из Африки». Что ни возьми, каждая новая стадия появилась в Африке: и человекообразные обезьяны, и хомо хабилис, и хомо эргастер.

Долгое время ученые считали, что эволюция человека была более-менее линейной: одна форма сменяла другую, и каждая новая была прогрессивнее, ближе к современному человеку, чем предыдущая. Сейчас ясно, что все было гораздо сложнее. Эволюционное древо гоминид оказалось весьма разветвленным. Временные интервалы существования многих видов сильно перекрываются. Иногда несколько разных видов гоминид, находящихся на разных «уровнях» близости к человеку, сосуществовали одновременно. Например, еще в сравнительно недавнем прошлом – всего-навсего 50 тысяч лет назад – на Земле существовало как минимум целых 4 вида гоминид: Homo sapiens, Homo neandertalensis, Homo erectus и Homo floresiensis.

Последние палеонтологические открытия свидетельствуют о том, что на протяжении всей человеческой эволюции, во все ее периоды, от времен жизни нашего общего с приматами предка и до самых поздних времен, в каждую отдельную эпоху одновременно сосуществовали как минимум два-три очень разных вида и даже разных семейства гоминидов («куст»), и проводить прямую линию через кого-то из них к человеку пока еще рано: неизвестно, через какие точки ее проводить.

Нельзя воображать себе эволюцию как ствол, неукротимо тянущийся к некой вершине. Эволюция больше похожа на гигантский кустарник.

В настоящее время картина развития вида Homo Sapiens развертывается на основе палеонтологических данных с применением современных молекулярно-генетических методов. Тщательный анализ показывает, что несколько десятков тысяч лет назад численность исходной популяции Homo Sapiens была не более 5000 размножающихся пар. Затем, по-видимому, эта популяция разделилась на несколько групп, причем, каждая из вновь образованных популяций в свое время проходила через так называемой « бутылочное горлышко» – период исключительно малой численности, когда число размножающихся пар могло насчитывать всего несколько десятков.

Биологическая эволюция современного человечества

Долгое время предполагалось, что эволюция человека биологически остановилась, дальше она не идет, и человечество дальше эволюционирует только в историческом плане. Теперь обнаружилось, что даже такая система, как мозг, продолжала эволюционировать, во всяком случае, в течение последнего века и, очевидно, продолжает дальше и будет продолжать эволюционировать. Причем, сделал это наш соотечественник, профессор Савельев, известный специалист по мозгу. Эволюционирует и зубная система.

Генетическая близость людей

Можно сравнить разных людей, например, аборигена Америки или Океании и человека из Европы. Кажется, что они очень разные. Анализ ДНК может дать объективную характеристику, взгляд со стороны. Если сравнить ДНК разных людей, то окажется, что они отличаются друг от друга только на одну десятую процента, то есть только каждый тысячный нуклеотид разный, а 999, в среднем, одинаковые. И более того, если посмотреть по ДНК на все генетическое разнообразие у людей, у самых разных представителей, то окажется, что этих различий гораздо меньше, чем различий между особями шимпанзе в одном и том же стаде.

Все люди – генетические братья и сестры. Такая близость и в то же время какое-то различие возможны потому, что наши ДНК содержат примерно три миллиарда нуклеотидов. Каждый тысячный составляет разницу, так что получается, что три миллиона нуклеотидов у нас разные. Правда, большинство из них, скорее всего, падает на молчащие участки ДНК, а гены у нас, в принципе, во многом одинаковые.

Мы не единожды предлагали нашим читателям статьи, посвящённые проблемам эволюции и развития Homo sapiens . Сегодня мы обратимся к новому аспекту вопроса - генетической истории человечества и его родственников. Каковы пути эволюции с точки зрения генетики? Насколько отличаются ДНК человека и его человекообразных родственников? Кто наши предки и кем нам приходится неандерталец? Ответы на эти и другие вопросы попытались дать ведущие российские биологи.

Эволюция и филогенетическое древо

Эволюцию живых существ можно представить в виде величественного раскидистого дерева, корни которого скрыты от нас в глубине веков. Говоря о биологической эволюции, мы рассматриваем лишь надземную часть генетического древа, которая, согласно всем современным научным данным, развивалась постепенно - как растёт любое дерево. Сначала идёт ствол, потом - большие ветви, от них - более мелкие ветки, затем веточки и так далее (см. рис. 1 ).

Нам не дано видеть ветвей эволюционного древа - их составляют давным-давно исчезнувшие виды, жившие десятки и сотни миллионов лет назад. Многие из них не оставили даже следа в палеонтологической летописи, а о других нам рассказывают ископаемые находки. Реально мы наблюдаем только густую крону, где листочки - ныне существующие виды, одним из которых является биологический вид Homo sapiens , рода Человек (Homo ) семейства Люди (Hominidae ) отряда Приматы (Primates ) класса Млекопитающие (Mammalia ).

Научным методом изучения эволюции является выявление родственных (филогенетических) связей между различными организмами. В основу исследований, начиная с Карла Линнея (XVIII век), был положен принцип схожести (или несхожести) ныне существующих форм живых существ по фенотипу. Организмы, близкие по морфологическим признакам, физиологическим характеристикам, особенностям развития и др., группируются в одни веточки, другие, отличающиеся от первых, но схожие между собой, - в другие, которые затем образуют всё более крупные ветви. На рис. 1 представлено филогенетическое древо, отражающее фенотипическое сходство разных видов.

Эволюционная теория Чарлза Дарвина и филогенетические методы Эрнста Геккеля позволили современной биологии рассматривать филогенетические древа как эволюционные схемы. Согласно этим представлениям, внутри каждого вида может образоваться разновидность, наделённая новыми особенностями, позволяющими по-иному приспосабливаться к среде обитания. Так на эволюционном древе обозначается рост новой веточки. Если вновь приобретённые качества наследуются, то генетические различия усиливаются в следующих поколениях за счёт отбора свойств, обеспечивающих выживание генотипов, и накопления новых мутаций. Разновидность лучше приспосабливается к существующим условиям, фенотипически удаляясь от родительского вида Так появившаяся веточка растёт, обособляясь в новый вид.

Эволюция и ДНК

Как генетика помогла в интерпретации филогенетического древа и в понимании процесса эволюции? Дело в том, что биологическая эволюция во многом связана с изменением ДНК, представляющей собой последовательность четырех химических соединений - нуклеотидов A, T, C, G (аденин, тимин, цитозин, гуанин). Все ДНК организма называется геномом. Определённые участки ДНК, гены, кодируют белки; имеются также некодирующие участки генома. Это и есть генетический текст, определяющий как видовые признаки, общие для всего вида, так и уникальные особенности, отличающие данную особь от других представителей того же вида. ДНК любого организма подвержена мутациям, часть которых не изменяют числа нуклеотидов на данном участке ДНК, а меняют их местами. Но возможны и более сложные процессы: выпадения, вставки, удвоения нуклеотидов и перемещения фрагментов ДНК из одной части генома в другую; не исключён даже перенос ДНК между разными видами.

Мутация - редкое событие. Вероятность того, что данный нуклеотид в ДНК потомка будет изменён по сравнению с родительским, равна примерно 10 –9 . Однако для громадных промежутков времени, на протяжении которых разыгрывается эволюционный процесс, для всего генома, состоящего из огромного числа нуклеотидов (у человека их 3 млрд.), это ощутимая величина. Особи с вредными для организма нарушениями не выживают или не участвуют в размножении, и мутации далее не передаются. Полезные же изменения могут наследоваться потомками: так из поколения в поколение генетическая информация преобразуется - в этом и заключается генетическая суть процесса эволюции.

На филогенетическом древе внешне сходные друг с другом виды сгруппированы на одной ветви. Изучение ДНК ныне живущих видов позволило сопоставить близость особей разных видов на уровне эволюционных изменений, вызванных мутациями. Современная молекулярная биология позволяет сравнить соответствующие фрагменты ДНК (скажем, определённого гена) у разных видов и подсчитать число различий между ними. Филогенетические древа, построенные как по ДНК, так и по морфофизиологическим признакам, имеют очевидные соответствия: виды, далёкие друг от друга на морфофизиологическом древе, так же далеки на ДНК-филогенетическом. Таким образом, генетика доказала, что классическое филогенетическое древо отражает направление эволюционных преобразований. Более того, она показала, какие именно изменения геномов сопровождают эволюцию каждой из таксономических групп.

Человек и другие виды

Сравним человека, скажем, с бабочкой. Очевидно, что мы очень отличаемся друг от друга по внешнему облику и по составу ДНК и находимся на далёких ветвях филогенетического древа. Перейдём теперь к млекопитающим. Если сопоставить человека, скажем, с кошкой или собакой, к которым мы гораздо ближе, чем к бабочкам, то окажется, что и по ДНК человек более схож с ними. Если отправиться по ветви млекопитающих дальше, к приматам, то по мере приближения к человеку родственные черты с человекообразными - орангутаном, гориллой и шимпанзе - становятся очевидными (рис. 2 ). Больше всего человек походит на шимпанзе. Если сопоставить ДНК, окажется, что они очень близки. Генетика позволила количественно оценить сходство: человек и шимпанзе отличаются друг от друга всего одним-двумя нуклеотидами из каждых ста. То есть генетическое тождество составляет чуть ли не 99%.

Люди генетически близки друг к другу

Перейдём теперь собственно к человеку. Сопоставим представителей таких далёких народов, как аборигены Океании и европейцы, или сравним лица всем известных людей. Очевидно, что они разные, но насколько?

Сумел бы прилетевший на Землю инопланетянин отличить нас друг от друга, или мы все показались бы ему на одно лицо? Ведь случайному посетителю зоопарка все мартышки кажутся одинаковыми, а человеку, работающими с ними, - абсолютно разными. Конечно, неандерталец имеет мало общего с современным человеком, но стоит «одеть» его в костюм и шляпу, он становится одним из нас. Автор этой статьи на лекции по теории эволюции для школьников спросил, кто изображён на рисунке. И тут же один из ребят воскликнул в радостной догадке: «Так это же вы!»

Если сравнить ДНК разных людей, то выяснится, что они отличаются друг от друга лишь на 0,1%, то есть только каждый тысячный нуклеотид у нас разный, а остальные 99,9% совпадают. Более того, если сопоставить всё разнообразие ДНК представителей самых разных рас и народов, то окажется, что люди отличаются гораздо меньше, чем шимпанзе в одном стаде. Так что гипотетический инопланетянин сначала научится отличать друг от друга шимпанзе, а лишь затем - людей.

Много это или мало - 99,9% сходства и 0,1% различий. Проведём простые подсчёты. ДНК человека содержит около 3 млрд. пар нуклеотидов, примерно три миллиона из них у каждого из нас разнятся. Этого достаточно, чтобы утверждать, что не существует людей, генетически тождественных друг другу. Даже ДНК близнецов могут отличаться вследствие мутаций. Правда, большинство различий приходится на молчащие участки ДНК, и потому основные гены у нас во многом идентичны. Рассмотрим, например, молекулу гемоглобина, играющую ключевую роль в транспортировке кислорода из лёгких в клетки организма. Состав данной молекулы у всех абсолютно одинаков. Конечно, единичные отклонения возможны, но все они сопровождаются серьёзной патологией, поскольку мутация хотя бы одной аминокислоты в сложной молекуле гемоглобина изменяет её конфигурацию, резко нарушая способность удерживать кислород и снабжать им организм. Подобным же образом у всех людей совпадает множество других белков и кодирующих их генов.

Часть нуклеотидов, отличающих нас друг от друга, наделяет людей рядом признаков, определяющих группы крови, телосложение, цвет кожи, поведение и др. и позволяющих приспосабливаться к меняющимся условиям жизни. Однако большинство различий не связано напрямую с приспособительными функциями организма, их эволюционный ход определяется скоростью мутационного процесса, что позволяет проследить пути эволюции человека и его расселения по земному шару.

Предки человека

Так почему же особи шимпанзе больше отличаются, чем люди? Почему мы так похожи друг на друга генетически? Откуда мы и кто наш предок? Последний вопрос до сих пор остаётся спорным, хотя археологические находки последних десятилетий и исследования ДНК приблизили нас к пониманию этого. Шимпанзе имеет длительную историю развития, в ходе которого выработалось значительное генетическое разнообразие. Эволюционная же история человека слишком коротка для накопления серьёзных различий. Обратимся теперь к деталям нашего прошлого.

5–7 млн. лет назад от общего предка человека и шимпанзе отделилась ветвь, давшая начало древним обезьяно-людям, переходящим к прямохождению. Обитали они в Южной Африке, где их останки и были найдены; отсюда и их название - австралопитеки (т. е. обезьяны из Южного полушария), род Australopithecus . Одна из ветвей дала начало роду Человек - Homo . До середины 90-х г. древнейшим известным предком современного человека считался афарский австралопитек, A. afarensis , живший 3–4 млн. лет назад. К этому виду относится знаменитая Люси, найденная в 1974 г. в Эфиопии. Ряд палеоантропологов полагают, что древнейшим прародителем современного человека являлся другой вид австралопитека - рамидус, A. ramidus , чьи останки, насчитывающие 4,5 млн. лет, также были обнаружены в Эфиопии.

Первый известный нам представитель рода Человек появился более 2 млн. лет назад. Это был Homo habilis - Человек умелый, живший в Восточной и Южной Африке. Потом его сменил Homo erectus - Человек прямоходящий, следы которого были найдены в Африке и Евразии - им 1,7 млн. лет. К этому виду принадлежит азиатский синантроп, или пекинский человек, питекантроп, или яванский человек, обнаруженный в Океании, и древний «европеец» - гейдельбергский человек. Самым поздним находкам - 250 тыс. лет. Антропологи сходятся во мнении, что Homo erectus распространился далеко за пределы Африки путём миграций.

Первые представители Homo sapiens (т.н. архаичные люди) являющиеся потомками Homo erectus , появились более 500 тысяч лет назад и отличались по сложению от человека современного типа. Их кости были обнаружены и в Африке, и в Европе, и в Азии. И поэтому возникает вопрос: а где же возник современный человек? В настоящее время существуют две основные гипотезы: полифилетическая (или мультирегиональная) и монофилетическая.

Согласно мультирегиональной гипотезе (рис. 3 ), люди разных рас имеют различное происхождение: каждая возникла на своём континенте от отдельного представителя вида Homo erectus . При этом предковые расы составляли единую популяционную систему и, мигрируя, обменивались генами. Монофилетическая же гипотеза утверждает, что все люди имеют общее происхождение, и Homo sapiens , как и Homo erectus , возник в Африке, а затем расселился оттуда по всем континентам.

Сторонники обеих гипотез не сомневаются в происхождении человека от Homo erectus , но расходятся в вопросе о времени его возникновения. Согласно мультирегиональной гипотезе, возраст современного человека более миллиона лет, а по монофилетической версии - около 500 тыс. Однако ни антропологи, ни археологи не смогли поставить точку в этом споре. Коренной перелом в решении проблемы возникновения человека, его расселения по континентам и возникновения рас внесли исследования ДНК.

ДНК и восстановление истории человечества

Историю популяций человека можно проследить, сравнивая представителей разных рас и народов по тем фрагментам ДНК, по которым различия между индивидами гораздо более выражены, чем в среднем по геному. Такие фрагменты называют ДНК-маркёрами. Зная скорость, с которой происходят мутации, и определяя количественную меру различий между геномом людей из разных популяций, вычисляют время их отделения от общей предковой линии. Продвигаясь назад от генома современного человека, можно построить филогенетическое древо Homo sapiens . Оно позволяет делать определённые выводы о генетической истории человечества.

Для исследования используют разные типы ДНК-маркёров. Следует отметить ДНК митохондрий (мтДНК) и Y-хромосомы (Y-ДНК), поскольку они позволяют проследить генетическую историю человечества отдельно по женской и мужской линиям. Первая передаётся только по материнской линии, так как митохондрии находятся в цитоплазме клетки, а цитоплазма потомка (зиготы) определяется цитоплазмой яйцеклетки. Если два человека имеют общего предка женского пола, то различия между их мтДНК покажут, сколько поколений отделяет их от жившей столетия или тысячелетия назад общей прабабушки. Изучение Y-ДНК позволяет проследить эволюционные траектории по отцовской линии, поскольку Y-хромосома передается только по мужской линии. Изучение остальной, аутосомной части генома, которая сосредоточена в хромосомах, наследуется по обеим линиям и в которой представлена большая часть генома человека, также чрезвычайно важно, ибо даёт маркёры для изучения комбинативной изменчивости, одновременно привносимой и с отцовской, и с материнской сторон.

Первое исследование такого рода было проведено с использованием митохондриальной ДНК. Сравнивая данные аборигенов всех континентов, учёные обнаружили, что разнообразие мтДНК выше всего в Южной Африке. Более того, там были обнаружены такие типы, которые нигде больше не встречались. Они оценивались по нуклеотидному составу как наиболее древние. Митохондриальные ДНК населения других континентов были менее разнообразны, их сравнение с мтДНК аборигенов Южной Африки показало, что они возникли как мутационные изменения африканских типов в ходе распространения человечества за пределы Африки.

Изучение географического распределения типов ДНК-маркёров и анализ их мутационных взаимосвязей позволили доказать справедливость монофилетической гипотезы (рис. 4 ). Более того, их изучение помогает реконструировать миграционные события не только далёких тысячелетий, но и последних веков. Например, эпоха великих географических открытий ХIV-XVI вв. способствовала развитию контактов с неведомыми ранее жителями отдалённых земель. На кораблях были только мужчины, и сейчас генетические исследования аборигенных народов Африки, Океании и Америки показывают присутствие в их ДНК значительной доли типов Y-хромосомы, характерных для европейцев.

«Митохондриальная Ева» и «Y-хромосомный Адам»

По степени разнообразия ДНК-маркёров можно установить, от какого предкового типа и когда они произошли. Более того, поскольку различные типы мтДНК не рекомбинируют, т. е. не обмениваются между собой фрагментами в процессе образования половых клеток, то вероятностный анализ показывает, что все ныне существующие типы мтДНК сводятся в далёком прошлом к одному-единственному прототипу. Почему это происходит? Допустим, существовала небольшая прапопуляция. Если одни женщины в ней имели больше детей, чем другие, то в следующем поколении именно их мтДНК будет встречаться чаще. Их дочери и внучки тоже имели детей, унаследовавшх мтДНК своих предков. При этом случайным образом возникают мутации. Так развивается стохастический процесс в передаче типов мтДНК, в результате чего из поколения в поколение одни типы мтДНК увеличивают свою представительность в популяции, другие - уменьшают.

Согласно теории стохастических процессов, когда-нибудь в популяции останутся потомки только одной мтДНК - от некой единственной женщины, образно именуемой «митохондриальной Евой». Но и её соплеменницы внесли свой вклад в генофонд отдалённых потомков, поскольку наш геном содержит не только митохондриальную ДНК. Длина мтДНК лишь около 16,5 тыс. нуклеотидов, что ничтожно мало по сравнению с 3 млрд. нуклеотидов ДНК хромосом, основная часть которых представлена 22 аутосомами и X-хромосомой, где комбинируется наследственность по обеим линиям, женской и мужской. Из-за многочисленных мутаций мтДНК ныне живущих людей отличается от данных «Евы», возраст которой (т. е. точки соединения всех типов мтДНК в прошлом) примерно 200 тысяч лет. Аналогичная ситуация и с Y-хромосомой. Большая часть её не рекомбинирует, и изменчивость ДНК в ней подчиняется тем же стохастическим процессам, что и мтДНК. При этом говорят о «Y-хромосомном Адаме». Он оказался гораздо моложе «мтЕвы». Объяснение тому - меньшая, т. н. эффективная численность мужчин на протяжении истории человечества из-за их большей смертности и нередкого отстранения от процесса размножения.

Неандертальский человек - наш прародитель или двоюродный дядя? Дополнительные сведения о нашей родословной были получены при сравнении митохондриальных ДНК современного человека и неандертальца. Более ста лет, с тех пор как в Германии впервые были найдены останки нашего древнего родственника, шли дискуссии о том, кем он нам приходится. Исходя из особенностей строения скелета неандертальца и его географической распространённости, одни учёные считали его нашим прародителем, т. е. линией Homo sapiens , развитие которой привело к человеку современного анатомического типа. Другие детали позволяли считать его независимой эволюционной ветвью, подвидом Homo sapiens , имеющим общего с нами предка, т. е как бы двоюродным дядей. Эти два подвида получили зоологическое название Homo sapiens neanderthalensis и Homo sapiens sapiens .

Учёным удалось прочитать часть вариабельного (контрольного) участка митохондриальной ДНК двух неандертальцев. Первый был найден в Фельдховеровской пещере в Германии, чуть позже был прочитан генетический текст мтДНК неандертальца-ребёнка, обнаруженного на Северном Кавказе в Мезмайской пещере. При сравнении наиболее изменчивых фрагментов мтДНК современного человека и неандертальца были найдены существенные различия: они отличались друг от друга в среднем по 27 нуклеотидным позициям из 370 исследованных. Если сравнить митохондриальные ДНК двух современных людей, то средняя разница будет равна лишь 8 нуклеотидам. Эти расчёты показывают, что наш общий с неандертальцем предок жил примерно 500–700 тыс. лет назад.

Анализ ДНК позволил заключить, что обмен генами между человеком и неандертальцем не происходил или был ничтожно мал. Вероятнее всего, это совершенно отдельные, параллельные эволюционные ветви, произошедшие от общего предка. Хотя для окончательного вывода нужны дополнительные исследования ДНК. Так что неандерталец нам, похоже, эволюционный «дядя». Приблизительно 300–400 тыс. лет назад произошло окончательное разделение двух ветвей. Неандертальцы первыми расселились по Европе и Азии, затем туда пришли люди современного типа (т.н. кроманьонский человек), и они довольно долго сосуществовали на одной территории. Но около 30 тыс. лет назад неандертальский человек исчез, никаких его следов в более поздних археологических слоях найдено не было. Возможно, он не выдержал конкуренции и был вытеснен и истреблён своим более умным и хитрым родственником, а может быть, существовали и иные причины гибели неандертальцев.

Эволюция популяций и рас


Рис. 6. Эволюционное древо популяций человека, по данным о ДНК-маркёрах. Видно, что первично развитие и отделение друг от друга популяций началось в Африке в среднем около 100 тыс. лет назад. Затем одна ветвь вышла из Африки и стала делиться на континентальные ветви. Стрелками указано минимальное время, прошедшее между отделением эволюционных ветвей. Следует иметь в виду, что отделение ветви не означает ещё физического присутствия популяций в этом регионе. Например, ветвь, ведущая от азиатских популяций к американским индейцам, показывает, когда эта ветвь отделилась, но нужно было ещё время, за которое отделившиеся группы достигнут Берингии и перейдут пролив (по: Zhivotovsky et al., 2003).

Изучая разнообразие ДНК современных народов, можно оценить численность той прапопуляции, от которой, согласно гипотезе африканского происхождения, произошло всё человечество. Она была невелика - порядка нескольких тысяч. Сопоставляя ДНК-маркёры аборигенов Южной Африки, можно сказать, что примерно 70–150 тыс. лет назад началась интенсивная дифференциация и сложные демографические процессы, сопровождающиеся возникновением разнообразных популяций в пределах Африки. Затем, 50–100 тыс. лет назад, волны переселенцев стали выплёскиваться за пределы Африки и растекаться по другим континентам, что отразилось на своеобразной структуре ДНК-древа (рис. 6 ).

Исследуя современное население Европы, Азии, Океании, Северной и Южной Америки и зная особенности и скорость мутирования в изучаемых ДНК-маркёрах, можно с определённой степенью точности проследить пути и время миграций людей из Африки. Удивительно то, что генетические данные подтверждаются археологическими находками. Например, структура ДНК свидетельствует о том, что человек появился в Австралии и Новой Гвинее 50–60 тыс. лет назад. Анализ состава химических элементов артефактов указывает на тот же период. В Центральную и Юго-Восточную Азию люди пришли примерно 70 тыс. лет назад, заселение Европы произошло позже, 35–40 тыс. лет назад. Время освоения Америки до сих пор не определено, известно лишь, что люди появились там гораздо позже, чем на других континентах, - от 15 до 35 тыс. лет назад.


Рис. 7. Подразделение этнических группировок по географическим районам, осуществлённое по ДНК-маркёрам. Каждая точка представляет собой выборку индивидов определённой этнической группы из данного географического региона, охарактеризованным по четыремстам аутосомным ДНК-маркёрам. Левый и правый рисунки представляют собой разные проекции многомерного пространства различий между выборками. В каждом из регионов прослеживается группировка этнических групп общего происхождения, однако различия между ними уже не столь яркие, как между регионами (по: Zhivotovsky et al., 2003).

Как возникли современные расы человека и отличаются ли они друг от друга по ДНК? В течение десятков тысяч лет шли процессы миграций и адаптации человека к местным условиям. Допустим, группа людей пришла в Юго-Восточную Азию и осела там на много поколений. Потом часть мигрировала дальше, образуя новую локальную популяцию, которая, однако, имеет общую историю и общих предков с родительской группой, а потому их ДНК более сходны между собой, чем с жителями других континентов. Действительно, население разных материков эволюционно гораздо дальше от общей предковой группы, чем соседние популяции, близкие по родственным связям и демографической истории. За то время, что прошло со времени отделения от общих прародителей, их ДНК стали отличаться друг от друга за счёт накапливающихся в чреде поколений мутаций. Генетические различия между людьми с разных материков мы называем сегодня расовыми признаками. Изучая десятки и сотни ДНК-маркёров, можно почти стопроцентно идентифицировать расу (рис. 7 ). Чтобы достоверно определить этническую принадлежность индивида в пределах расы и крупного географического региона, потребуются тысячи ДНК-маркёров. А в зонах контакта разных рас и этнических групп это сделать практически невозможно из-за смешения генофондов.

Но генетически мы все вышли из одного гнезда, причём сравнительно недавно в масштабах эволюции (рис. 6 ).

Дальнейшее развитие рас шло независимо друг от друга: люди адаптировались к климато-географическим условиям, типу питания и ландшафта, складывались язык и культура. Но на формирование народов влияли не только процессы разделения популяций. Новые этносы могли образоваться при смешении групп разной расовой и языковой принадлежности. При этом возникала генетически разнородная этническая общность с единым типом культуры и общим языком. Поэтому сейчас всё большую актуальность приобретают исследования, связанные с изучением генофонда, т. е. всего разнообразия ДНК в популяциях, генетической истории населения отдельных регионов, расово-этнических групп, родословной современных этносов.

Контакт этносов

Особый интерес с этой точки зрения представляет Волго-Уральский регион - в силу особенностей этнической истории населяющих его народов. Здесь встретились две волны расселения, две расы: европеоидная и монголоидная. Следы этого события хранит ДНК проживающих здесь народов (рис. 8 ). Исследования митохондриальной ДНК и Y-хромосомы позволили рассчитать время формирования народов, заселивших впоследствии данный регион. Это произошло примерно 40–50 тыс. лет назад, что соответствует времени появления современного человека на европейском континенте в эпоху верхнего палеолита.

Сравнительный анализ мтДНК 18 народностей Евразии, относящихся к тюркской ветви алтайской языковой семьи, позволил установить западно-восточный градиент увеличения частоты азиатских типов мтДНК на пространстве 8 тыс. км: от 1% у гагаузов из Молдавии до 95–99% у якутов и долган. Соответственно, европеоидные черты наиболее свойственны жителям Западной Евразии, а наименее - населению Восточной Сибири. Народы Волго-Уральского региона, а также узбеки и казахи, т. е. те, кто живёт на границе между Европой и Азией, занимают промежуточное положение. Изучение аутосомных ДНК-маркёров показало наличие в генофонде народов Волго-Уральского региона значительной доли европеоидных черт - от 50 до 90%. Таким образом, оказавшись на границе между Европой и Азией, эти народы сохранили следы смешения двух рас, пришедших одна - с Востока, а другая - с Запада. Кроме того, оказалось, что сходство языков играет меньшую роль, чем географическая близость популяций. Если, например, русские из Рязанской и Курской областей имеют только 2–3% монголоидных типов мтДНК, то русские, проживающие на границе Европы и Азии, имеют их уже 10–12%. Это объясняется их смешением с тюркоязычными народами на территории Волго-Уральского региона.

Таким образом, ДНК какого-либо индивида не даёт возможности определить его национальность, но позволяет выяснить, какого типа у него мтДНК или Y-хромосома: скажем, монголоидной или европеоидной линии. У русских Волго-Уральского региона есть ДНК-маркёры, которые характерны и для марийцев, и для мордвы, и для чувашей, и для башкир, и для татар, и для удмуртов; соответственно, марийцы имеют ДНК-маркёры, встречающиеся у других этнических групп Волго-Уральского региона, и т. д. Эти результаты показывают глубокую генетическую общность давно живущих рядом народов, хотя говорят они на непохожих языках, веруют в разных богов и отличаются культурными традициями.

Все люди - генетические кузены и кузины

Мы все генетически чрезвычайно схожи. Нас отличает друг от друга ряд признаков, которым мы склонны придавать чересчур большое значение (рост, цвет кожи, форма головы и др.), но как они ничтожны в сравнении с нашим почти стопроцентным (99,9%) генетическим сходством! Мы сформировались под влиянием не только генов, но и окружающих нас людей и явлений, причём в становлении личности среда играет неизмеримо большую роль, чем наследственные особенности. Мы все - одна большая генетическая семья, живущая на общей планете. И все распри между людьми возникают на бытовой почве: из-за несоблюдения элементарных норм общежития народов, неуважения к ценностям, особенностям и кажущимся странностям друг друга.

Но представьте себя на необитаемом острове, куда случай забросил ещё одного человека - совсем другой расы, другого вероисповедания, со своим языком и привычками, - 99,9% генетического сходства вас тут же объединят.

Животовский Лев Анатольевич - профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, лауреат Государственной премии РФ, лауреат премии в области эволюционной биологии РАН, приглашённый старший учёный Стэнфордского университета (Калифорния, США).

Хуснутдинова Эльза Камилевна - профессор, доктор биологических наук. Сфера научных интересов - популяционная генетика, этногенетика, медицинская генетика, автор 300 публикаций и 4 монографий.