Сегодня, спустя 150 лет после выхода в свет работы «Происхождение видов» Ч. Дарвина, полемика по многим вопросам эволюционного учения не только не утихает, но и разгорается с новой силой. Наверное, это происходит потому, что узнать законы развития всего сущего как никогда необходимо нам именно сегодня - ведь поняв их, мы поймем, как решать те непростые проблемы, которые сегодня стоят перед человечеством.
В свете этого интересна статья «Эволюционный прогресс» доктора биологических наук, старшего научного сотрудника Палеонтологического института РАН А. В. Маркова, опубликованная в журнале «Экология и жизнь» №2, 2009 в которой предпринята попытка осмыслить мировоззренческое значение эволюции.
Анализируя основные особенности эволюционного прогресса, автор утверждает, что эволюцию нельзя «свести к теории вероятностей» - в ней прослеживается четко выраженная общая прогрессивная направленность, характеризующаяся явными закономерностями. Предлагаем вашему вниманию фрагменты статьи.
Эволюционный прогресс
Самое удивительное и труднообъяснимое свойство эволюции - её выраженная общая прогрессивная направленность, движение от простого к сложному. Эта направленность прослеживается как общая тенденция - доминирующие группы в большинстве экосистем постепенно становятся все более высокоорганизованными.
Более того, рост организации, усложнение строения организмов происходят вовсе не постепенно. Эти процессы имеют отчетливый прерывистый характер. Переход на новый эволюционный уровень обычно происходит сравнительно быстро, после чего следует более или менее длительный эволюционный период относительной стабильности.
Разный смысл эволюции на разных этапах
Как же реально происходило в эволюции усложнение организмов? Как известно, возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет, но, к сожалению, первые 700 млн лет ее существования не оставили нам никаких палеонтологических свидетельств, ибо примерно 3,8 млрд лет назад первичная кора была разрушена и переплавлена в мантии. Так что самые древние сохранившиеся осадочные породы имеют возраст не более 3,8 млрд лет. Но самое удивительное заключается в том, что даже в таких породах уже присутствуют несомненные признаки жизни. А в образцах пород возрастом до 3,5 млрд лет уже достоверно обнаружены ископаемые остатки бактерий.
Прокариоты. Пока мы не можем точно датировать ни момента появления жизни, ни момента появления первых настоящих клеток. Ясно лишь, что и то, и другое произошло в первые 700-1000 млн лет существования Земли. Зато мы с высокой долей уверенности можем сказать, что во второй миллиард лет земного существования биосфера была сплошь прокариотной. Иными словами, существовали только бактерии - одноклеточные организмы, не имевшие ядра.
Прогресс в такой биосфере состоял преимущественно в появлении новых «функций», т. е. возникновении новых ферментов, дававших начало новым химическим реакциям.
Эукариоты. Первый величайший перелом в эволюции жизни произошел примерно 2 млрд лет назад, когда появились первые эукариоты. Главное их отличие от прокариот (бактерий) состоит в том, что у них образовалось клеточное ядро, и тем самым область активного обмена веществ (цитоплазма) отделилась от области хранения, считывания и регуляции генома. Это открыло возможность для развития сложных регуляторных систем.
Последствия этого события были колоссальными. В корне изменился характер и смысл эволюционного прогресса. Отныне он состоял в появлении новых регуляторных эффектов.
Развитие сложных регуляторных систем позволяет эукариотам при одном и том же геноме в зависимости от условий формировать совершенно разные типы клеток. Бактерии на это практически не способны. Именно благодаря этому свойству эукариоты смогли стать многоклеточными.
Многоклеточные организмы. Как известно, любой многоклеточный организм развивается из одной клетки - яйца. Яйцо делится, и дочерние клетки, образующиеся в результате деления, оказываются в разных условиях (разное положение в зародыше, разное окружение и, как следствие, - разные концентрации веществ во внешней среде, окружающей клетку). В зависимости от условий, в которые попадает данная зародышевая клетка, в ней включаются те или иные группы генов. В результате разные зародышевые клетки развиваются по-разному, и из них образуются разные ткани и органы.
Таким образом, если рассматривать многоклеточный организм именно в ходе онтогенеза, как программу индивидуального развития, оказывается, что все разнообразие строения многоклеточных организмов фактически сводится к определенным регуляторным эффектам, включенным в программу развития.
Современный этап. На нынешнем (третьем) этапе эволюции прогресс сконцентрировался уже не в области регуляции генома, а в социокультурной сфере. Здесь налицо явная преемственность, ибо разум (или сознание) фактически представляют собой регуляторную систему высшего уровня.
Возможен ли спонтанный прогресс живых систем?
Прогрессивный характер эволюции порождает множество вопросов. Особенно часто упоминается такой: возможен ли самопроизвольный прогресс, если в неживой природе мы видим, что «само собой» всё обычно только разрушается и упрощается, но почти никогда не усложняется?
Самопроизвольное усложнение систем, как считалось раньше, противоречит второму началу термодинамики - закону роста энтропии (самопроизвольно растет только хаос, но не организованность). Однако известный физик и химик, один из основоположников термодинамики неравновесных систем и нобелевский лауреат И. Р. Пригожин показал, что в определенных условиях (в открытых неравновесных системах с постоянным поступлением вещества и энергии извне) возможна самоорганизация - образование «порядка из хаоса». Примером может служить образование правильных шестиугольных конвективных ячеек при нагревании некоторых вязких жидкостей.
Благодаря открытиям Пригожина прогрессивная эволюция перестала противоречить законам природы и основам материалистического мировоззрения. Особое значение они имели для понимания проблемы зарождения жизни и такого явления, как каталитические циклы. Известны циклические химические процессы, в которых продукты, образуемые на отдельных этапах цикла, служат катализаторами для последующих этапов. Получается самовоспроизводящаяся, самоподдерживающаяся химическая система, от которой, вообще говоря, уже недалеко и до самых примитивных форм жизни.
Эволюцию не свести к теории вероятностей
Одно из характерных возражений против классической теории эволюции состоит в том, что создание любого сложного элемента в результате накопления случайных мутаций невозможно с точки зрения теории вероятностей. Типичный «функциональный» белок состоит из нескольких сотен комбинаций аминокислот (основных аминокислот всего 20). Значит, рассуждают креационисты, чтобы методом случайного перебора получить «функциональный» белок из хотя бы 100 аминокислот, нужно перебрать столько вариантов, что на это не хватит всего времени существования Вселенной. Вероятность случайной самосборки рабочего белка сравнивают с вероятностью самосборки, скажем, самолета из мусора в результате прохождения смерча по городской свалке.
В чем же принципиальная ошибка в этих рассуждениях? На самом деле ошибок тут много. Одна из основных состоит в следующем: прогрессивные эволюционные преобразования - вовсе не результат перебора всех возможных вариантов. Обычно во всех преобразованиях в живых системах используется блочный, или модульный, принцип сборки. Как уже не раз отмечалось, еще до появления жизни, в ходе абиогенного синтеза, из аминокислот вполне могли сформироваться короткие белковые молекулы, представляющие собой случайные комбинации аминокислот.
Оказалось, что уже такие короткие белки обладают слабыми каталитическими свойствами, причем свойства эти разные у разных молекул. Большие, сложные, «настоящие» белки могли сформироваться как комбинации из одной-двух сотен таких сравнительно коротких кусочков (блоков). Судя по структуре известных белков, именно так в природе дело и обстояло.
Ускорение прогресса
Палеонтологическая летопись свидетельствует: чем сложнее организм, тем выше вероятность того, что какие-то из его потомков могут стать еще более сложными. Иными словами, наблюдается нечто вроде самоускорения (автокатализа) в эволюционном прогрессе.
На каждом этапе эволюции должен достигаться своего рода регуляторный компромисс между требованиями адаптивности (способности перестраиваться в соответствии с изменением внешних условий) и целостности живой системы.
Первая группа, определяемая особенностями взаимоотношений организма с внешней средой, стремится увеличить роль внешних регуляций (чтобы адекватно реагировать на изменение условий окружающей среды).
Вторая группа, диктуемая целостностью организма, стремится увеличить роль внутренних регуляций (чтобы отдельные части и функции сложной системы, подогнанные друг к другу, развивались и действовали согласованно).
Чем сложнее организм, тем труднее обеспечивать согласованную работу всех его частей. Это неизбежно ведет к развитию «внутренних» регуляторных связей - активность генов и «функциональных» белков во все большей мере будет регулироваться какими-то внутренними факторами, а не только напрямую внешними стимулами.
Прогрессирующее обращение регуляторных связей «внутрь» вроде бы ведёт к тому, что организм как бы «замыкается на себя», концентрируется на своем внутреннем состоянии и становится более уязвимым к изменению внешних факторов. Возникает конфликт между необходимостью поддерживать целостность сложного организма и адекватно реагировать на изменения внешних условий. Этот конфликт может быть разрешён:
- формированием новых внешних регуляторных связей;
- повышением независимости организма от внешних условий путем поддержания внутреннего гомеостаза;
- искусственным созданием или нахождением для себя подходящих условий - активное перемещение в места, где условия более благоприятны.
Не вызывает сомнений, что любой из перечисленных путей, в свою очередь, требует дальнейшего усложнения организма.
В этой схеме можно усмотреть механизм положительной обратной связи: усложнение системы ведет к конфликту, снятие которого возможно только путем дальнейшего усложнения. Возможно, в этом же и кроется основная причина ускорения прогресса.
