Почему не стоит сомневаться в теории эволюции

Идея того, что виды постепенно меняются на протяжении многих поколений, является краеугольным камнем биологии. Эволюция — одна из величайших теорий во всей науке. С ее помощью мы объясняем жизнь, как первый простейший росток породил огромнейшее разнообразие жизни, от бактерий до дубовых деревьев и синих китов. Вот как мы к этому пришли.

Для ученых эволюция является фактом. Мы знаем, что жизнь эволюционировала, с такой же уверенностью, с какой знаем, что Земля почти круглая, что гравитация удерживает нас на ее поверхности и что осы на пикнике раздражают.

Но в некоторых странах, как вы знаете, теории эволюции вставляют палки в колеса или же называют ее «просто теорией», недостойной звания объективной истины. Почему биологи так уверены в ней? Каковые доказательства? Трудно понять, с чего начать. Но список доказательств того, что жизнь действительно эволюционировала, обширен.

Возможно, стоит начать с разговора о том, что на самом деле говорит дарвиновская теория эволюции. Большинство из нас имеют о ней общее представление: виды изменятся со временем, выживают сильнейшее, и каким-то образом из обезьяны получился человек.

Дарвиновская теория эволюции гласит, что каждый новый организм немного отличается от своих родителей, и эти различия иногда могут помочь потомству или помешать ему. Поскольку организмы конкурируют за еду и партнеров, выгодные черты позволяют производить больше потомства, тогда как бесполезные черты, напротив, препятствуют этому. Таким образом, внутри конкретной популяции выгодные черты становятся обычными, а бесполезные исчезают, не имея продолжения.

При должном времени эти изменения могут накопиться и привести к появлению новых видов и новых типов организмов. Шаг за шагом, черви стали рыбой, рыба вышла на землю и приобрела четыре ноги, четырехногие животные отрастили шерсть и — в конечном итоге — некоторые из них начали ходить на двух ногах, называть себя людьми и читать эту статью.

Возможно, в это трудно поверить. Одно дело — понять, что вы не идентичны своим родителям: у вас могут быть волосы разного цвета, разный рост, характер повеселее. Но куда сложнее признать, что все мы вышли из червей, пройдя через бесчисленные поколения. Конечно, многие люди не согласятся с этим. Конечно, многим проще представить, что нас слепили из глины, занесли с другой планеты, расплодили в матрице или создали из ребра. Но пока опустим философию. Начнем, как Чарльз Дарвин, с порога.

Книга Дарвина «Происхождение видов», впервые опубликованная в 1859 году, начинается с предложения читателю взглянуть по сторонам. Не на неисследованные тропические острова или далекие джунгли, а на скотный двор и сад. Там вы легко можете увидеть, что организмы передают свои характеристики потомству, и природа этих организмов меняется со временем.

Дарвин подчеркивает процесс культивации и разведения. Фермеры и садоводы поколениями выводили животных, чтобы те были больше и сильнее, и культуры, которые дают больше урожая. Вот эти фермеры работают так, как дарвиновская воображаемая эволюция. Предположим, вы хотите вывести цыплят, которые дают больше яиц. Сначала нужно найти кур, которые откладывают больше яиц, чем другие. Затем нужно дать их яйцам вылупиться и убедиться в том, что новые цыплята дают потомство. Эта курица тоже должна давать больше яиц.

Если повторять процесс с каждым поколением, в конечном итоге у вас будут куры, которые дают намного больше яиц, чем дикие куры. Самка джунглевой курицы — ближайшего родственника домашних кур — может отложить 30 яиц в год, в то время как куры на ферме могут давать в десять раз больше.

Эти изменения из поколения в поколение называют «спуск с модификацией».

Молодой цыпленок будет во многом похож на своих родителей: это будет точно курочка, а не муравьед, и она, вероятно, будет больше похожа на родителей, чем на других цыплят. Но они не будут идентичны.

«В этом вся эволюция, — говорит Стив Джонс из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. — Это серия ошибок, которая растет».

Вы думаете, что процесс разведения может внести лишь несколько изменений, но им, кажется, нет конца. «Нет никакого примера того, что изменяющееся существо перестает изменяться в процессе культивации, — писал Дарвин. — Наши старейшие культурные растения вроде пшеницы по-прежнему часто дают новые разновидности: наши старейшие одомашненные животные по-прежнему способны быстро улучшаться или изменяться».

Разведение, как предположил Дарвин, — это по сути эволюция под наблюдением человека. Оно показывает нам, что небольшие изменения из поколения в поколение могут суммироваться. «Это неизбежно, — говорит Джонс. — Это должно происходить».

И все же тщательно разведенные куры, дающие больше яиц, — это лишь небольшой шаг в естественной эволюции новых видов. Согласно теории эволюции, эти куры произошли от динозавров, а если пойти дальше, то и из рыбы. Дело в том, что эволюции нужно много времени, чтобы делать серьезные изменения. Чтобы увидеть доказательства этого, вам придется поискать более старые записи. Придется обратиться к окаменелостям.

Окаменелости — это ископаемые остатки давно умерших организмов, сохранившиеся в горной породе. Поскольку породы складываются слоями, один над другим, окаменелости фактически уложены в хронологическом порядке: самые старые глубже всех.

Изучая окаменелости, мы понимаем, что жизнь изменилась с течением времени.

Древнейшие окаменелости из всех являются останками одноклеточных организмов вроде бактерий- гораздо позже появились более сложные вещи вроде животных и растений. Среди животных окаменелостей рыбы появились намного раньше амфибий, птиц или млекопитающих. Наши относительно ближайшие родственники среди обезьян были обнаружены лишь в самых молодых породах.

«Я всегда говорю, что самым убедительным доказательством эволюции является палеонтологическая летопись, — говорит Джонс. — Неслучайно одна из шести страниц «Происхождения видов» обращается к окаменелостям. Дарвин знал, что они были неопровержимым доказательством того, что эволюция имела место».

Внимательно изучая окаменелости, ученые смогли связать многие вымершие виды с теми, что выжили на сегодняшний день, иногда отмечая происхождение одного вида из другого. К примеру, в 2014 году ученые описали окаменелости мясоеда Dormaalocylon возрастом 55 миллионов лет, который может быть общим предком всех сегодняшних львов, тигров и медведей. К этому выводу приводят формы зубов Dormaalocyon.

И все же вас это вряд ли убедит. У этих животных могут быть похожие зубы, но львы, тигры и Dormaalocyon — это все разные виды. Откуда мы можем знать, что один вид эволюционировал в другой? Палеонтологическая летопись плоха тем, что она неполная. «Если вы посмотрите на большинство ископаемых находок, вы обнаружите, что одна форма пребывала довольно долгое время, а после нее появилась совсем другая форма, отличная от прежней».

Но по мере того, как мы углубляемся и находим больше останков, обнаруживаются «переходные окаменелости». Эти «недостающие связи» пролегают между уже известными видами. К примеру, ранее мы сказали о том, что курицы произошли от динозавров. В 2000 году группа ученых во главе с Син Сюй из Китайской академии наук описала небольшого динозавра Microraptor, который обладал перьями, чем напоминал современных птиц и, возможно, умел летать.

Можно также наблюдать за эволюцией новых видов по мере того, как она происходит.

В 2009 году Питер и Розмари Грант из Принстонского университета в Нью-Джерси описали, как на одном из Галапагосских островах появился новый вид вьюрков- эти же острова посещал Дарвин.

В 1981 году на остров под названием Дафне майор прилетел зяблик. Он был необычайно большой и пел другую песню по сравнению с местными птицами. Ему удалось оставить потомство, которое унаследовало его необычные черты. Через несколько поколений они были репродуктивно изолированы: они отличались от других птиц и пели другие песни, поэтому могли размножаться только между собой. Эта небольшая группа птиц образовала новый вид, произошло «видообразование». Новый вид совсем немного отличался от предшественников: у них были разные клювы и пели они необычную песню. Но иногда происходят и более серьезные изменения.

Ричард Ленски из Университета штата Мичиган проводит самый продолжительный эволюционный эксперимент в мире. С 1998 года Ленски наблюдает за 12 популяциями кишечной палочки (Escherichia coli, E. coli) в своей лаборатории. Бактериям были предоставлены собственные жилища в контейнерах, питательная среда, и группа Ленски регулярно замораживает небольшие образцы.

Эта E. coli уже совсем не та, какой была в 1988 году. «Во всех 12 популяциях бактерии развивались и росли быстрее, чем их предки, — говорит Ленски. Они адаптировались к конкретной питательной смеси химических веществ. — Это самая прямая демонстрация дарвиновской идеи адаптации в процессе естественного отбора. Спустя 20 лет проведения эксперимента типичный линейный рост бактерий происходит на 80% быстрее».

В 2008 году группа Ленски сообщила, что бактерии совершили огромный скачок вперед. Смесь, в которой они живут, включает химвещество цитрат, которое кишечная палочка переварить не может. Но спустя 31 500 поколений одна из двенадцати популяций начала питаться цитратом. Это как если бы люди внезапно начали успешно есть древесную кору.

Цитрат всегда там был, говорит Ленски, «поэтому у всех популяций была возможность вырабатывать способность к его использованию. Но только одна из 12 популяций смогла научиться этому».

В этот момент привычка Ленски регулярно замораживать образцы бактерий оказалась решающей. Он смог вернуться к старшим образцам и отследить изменения, которые привели к тому, что кишечная палочка начала есть цитрат. Для этого пришлось заглянуть под капот. Он использовал инструмент, которого не существовало во времена Дарвина, но который произвел революцию в понимании эволюции: генетику.

Все живые создания переносят гены в форме ДНК.

Гены контролируют, как организм растет и развивается, и передаются от родителей к потомству. Когда мама-курица откладывает много яиц и передает эту черту своему потомству, это происходит посредством генов. За прошлый век ученые составили каталог генов самых разных видов. Оказалось, что все живые существа хранят информацию в ДНК одинаково: все используют один и тот же «генетический код».

Более того, организмы имеют много идентичных генов. Тысячи генов, обнаруженных в человеческой ДНК, можно также найти в ДНК других существ, включая растения и даже бактерий. Эти два факта означают, что вся современная жизнь произошла от одного общего предка, «последнего универсального предка», который жил миллиарды лет назад.

Сравнивая, как много общих генов имеют организмы, мы можем выяснить, как они между собой связаны. Например, люди разделяют гены с обезьянами, с шимпанзе и гориллами мы имеем больше общих генов, чем с другими животными, до 96%. Это предполагает, что они наши ближайшие родственники.

«Попробуйте объяснить как-то еще, что эта связь образовалась не с помощью цепочки изменений с течением времени, — говорит Крис Стрингер из Музея естественной истории в Лондоне. — У нас общий предок с шимпанзе, и мы, и они отошли от этого общего предка».

Мы также можем использовать генетику для отслеживания деталей эволюционных изменений.

«Вы можете сравнить разные типы бактерий и обнаружить общие гены, — говорит Нэнси Моран из Техасского университета в Остине. — Как только вы определите эти гены, вы можете взглянуть на то, как они развивались у различных популяций».

Когда Ленский вернулся назад к ранним образцам кишечной палочки, он обнаружил, что поедающие цитрат бактерии получили несколько изменений в ДНК, в отличие от других бактерий. Эти изменения называются мутациями.

Некоторые из них произошли задолго до того, как бактерии выработали свою новую способность. «Сами по себе эти мутации не включили способность расти в цитрате, но заложили основу для последующих мутаций, которые и подключили эту способность», — говорит Ленски.

Эта комплексная цепочка событий помогает объяснить, почему только одна популяция выработала эту способность. Также она иллюстрирует важный момент эволюции. Отдельный эволюционный шаг может казаться крайне маловероятным, но если слишком много организмов к нему стремятся, один из них наверняка захочет и сможет его осуществить.

Кишечная палочка Ленски показывает нам, что эволюция может дать организмам совершенно новые способности. Но эволюция не всегда делает лучше. Ее последствия частенько кажутся нашему глазу случайными.

Мутации, которые приводят к изменениям в организме, очень редко ведут к лучшему, говорит Моран. Большинство мутаций не имеют никакого влияния, положительного или отрицательного, на то, как осуществляется деятельность организма. Когда бактерии оказываются в изолированной среде, они прибегают к нежелательным генетическим мутациям, которые распространяются на каждое поколение. Со временем это постепенно убивает вид.

«Это действительно процесс эволюции, — говорит Моран. — Это не просто адаптация и дорога к лучшему, все может пойти ой как нехорошо».

Иногда организмы теряют свои способности. К примеру, животные, предпочитающие темные пещеры, часто теряют свои глаза. Это может показаться странным. Мы привыкли считать эволюцию процессом биологического улучшения вида, стремлением убежать от примитивности. Но это совсем не так.

О стремлении к улучшению заговорил еще ученый Жан-Батист Ламарк, который продвигал идею эволюции организмов еще до Дарвина. Вклад Ламарка оказался очень ценным. Но, в отличие от Дарвина, Ламарк считал, что организмы все больше привыкают к своей среде и улучшение их свойств является преднамеренной реакцией на эти среды, будто бы они хотят становиться лучше.

Теория Ламарка сказала бы, что жирафы обладают длинными шеями, поскольку их предки хотели доставать до высоких веток и затем передавали эти новообретенные длинные шеи своему потомству.

«Дарвин писал о Ламарке в частном порядке и называл его теорию совершенно бессмысленной и непроверяемой, — говорит Джонс. — Что именно они хотели улучшить? Как это проверить?».

У Дарвина была альтернативная теория: естественный отбор. Он предложил совершенно другое объяснение длинных шей жирафов. Представьте себе предка современного жирафа, какого-нибудь оленя или антилопу. Если бы в местах обитания этих животных было много высоких деревьев, животные с длинной шеей получали бы больше пищи и чувствовали себя лучше короткошеих животных.

Спустя несколько поколений, у всех животных были бы шеи длиннее, чем у предков. Опять же, выиграли бы животные с самыми длинными шеями, поэтому спустя много лет шеи жирафов постепенно удлинялись бы, так как длинношеие животные давали бы больше потомства. Мутации, которые лежат в основе всего этого, происходили случайно и с одинаковой вероятностью произвели бы короткие и длинные шеи. Но мутации коротких шей особо не задержались.

Животные вроде жирафов удивляют нас, поскольку кажется, что они идеально адаптировались. Они живут в местах, где деревья высокие, их листья находятся высоко над землей, поэтому у жирафов обязательно должны быть длинные шеи, чтобы кушать.

«Такое представление на самом деле вводит людей в ступор. Поскольку оно выглядит идеально, кажется, будто все было тщательно спланировано и задумано, — говорит Моран. Но если присмотреться, все окажется результатом длинной цепи небольших изменений. — Вы понимаете, блин, ничего оно не было задумано, просто одно случайное событие привело к другому случайному событию».

Теперь у нас есть все кусочки доказательств, и если их сложить вместе, они покажут, что жизнь эволюционировала.

Спуск с модификацией, который был вызван случайными мутациями в генах, в конечном счете привел к постепенным изменениям и образованию новых видов — многое из этого обусловлено естественным отбором, который отсеивает те организмы, которые менее всего подходят для окружающей среды.

Теперь давайте примерим все это на себя.

Эволюция человека всегда была концепцией, которую трудно переварить, но сейчас, глядя на нее, невозможно закрывать глаза, говорит Стрингер. Homo sapiens, как полагают, должен был эволюционировать в Африке и потом расселиться по всему миру.

Ископаемые летописи показывают постепенное изменение от обезьяноподобных животных, ходящих на четвереньках, до двуногих созданий, которые постепенно приобрели большие мозги. Эти первые люди покинули Африку и скрестились с другими гоминидами вроде неандертальцев. В результате люди европейского и азиатского происхождения несут гены неандертальцев в своем ДНК, а люди в Африке — нет.

Все это произошло тысячи лет назад, но история еще не закончилась. Мы по-прежнему эволюционируем.

К примеру, в 50-х годах британский доктор Энтони Эллисон изучал генетическое заболевание — серповидно-клеточную анемию — распространенное среди некоторых населений Африки. Люди с этим расстройством обладают деформированными эритроцитами, которые не переносят кислород по всему телу так хорошо, как могли бы, не будь серповидными. Эллисон обнаружил, что восточные популяции Африки были разделены на группы людей, обитающих в низинных областях, более склонных к болезни, и людей, живущих в горной местности, менее склонных.

Оказалось, что люди, переносящие серповидно-клеточную черту, получили неожиданное преимущество. Она защищает их от малярии, угрожающей лишь людям, живущим в низинах. Таким людям лучше было переносить серповидно-клеточную мутацию, даже если их дети могли болеть анемией. С другой стороны, живущие в горах люди не были подвержены опасности малярии. Им не нужно было носить серповидно-клеточную черту, так как она сама по себе не давала весомых преимуществ.

Конечно, в эволюции остается еще много вопросов, на которые мы пока не знаем ответов.

Стрингер задает один попроще: какое генетические изменение позволило людям стать прямоходящими и почему эта мутация оказалась такой успешной? Пока мы не знаем, но палеонтологические летописи однажды могут пролить свет на эту тайну.

Пока мы знаем, что эволюция — это природный факт. Это основа жизни на Земли, какой мы ее знаем. Так что в следующий раз, когда вы окажетесь в саду или на ферме, просто пройдите, посмотрите на животных и на растения, подумайте, как они стали такими. Каждый организм, который вы видите, будь то насекомое или гигантский слон, — это последний член своей древней семьи. Их предки выстроились в непрерывную цепь на 3 миллиарда лет, передавая слово жизни до тех пор, пока не появился этот слон или таракан. Впрочем, и мы тоже.