Глава 8
Создание и эволюция сложного

Хотя через трубку поступает достаточно кислорода, дух все равно захватывает.

Пышная процессия животных кораллового рифа, дрейфующая над желтым, пурпурным и бурым лесом кораллов являет собой настоящее буйство цветов, форм и размеров: косяки неоновых рыб, великолепные морские звезды, пятнистые осьминоги, колючие морские ежи, зеленые водяные черепахи, черноперые акулы, гигантские кальмары с бирюзовыми или пурпурными мантиями, полосатые крабы, пятнистые скаты и кремовые анемоны.

Большой барьерный риф Австралии, без сомнения, является одним из величайших чудес природы. Он простирается почти на 2 тыс. км вдоль восточного берега континента и представляет собой самую крупную на Земле структуру, созданную живыми организмами и единственную видимую с Луны.

Это великое чудо природы приводило в изумление многих великих натуралистов, которые задавались вопросом: откуда оно взялось? Как возникло такое невероятное разнообразие форм жизни?

В начале XIX в., когда геология стала бурно развиваться и искать естественные объяснения происхождения различных типов ландшафтов, все в основном сходились на том, что коралловые рифы возникают на вершинах кратеров подводных вулканов. Казалось, подобный механизм вполне логично объяснял возникновение округлых коралловых островов в южной части Тихого океана, окружающих лагуны с кристальной голубой водой. Однако в геологии и, как мы вскоре увидим, в биологии внешние проявления могут оказаться обманчивыми. Идея о вулканическом происхождении коралловых рифов была опровергнута. Догадайтесь кем.

Если вы скажете, что Дарвином, будете совершенно правы.

За 20 лет до выхода книги «О происхождении видов» в двух своих трудах (сначала в «Журнале исследований по геологии и естественной истории различных стран, посещенных в ходе кругосветного путешествия на Бигле», более известном как «Путешествие на Бигле» (1839), а затем в более развернутом виде в «Структуре и распределении коралловых рифов» (1842)) Дарвин дал новое объяснение образования всех типов коралловых рифов, включая Большой Барьерный риф. У его теории по меньшей мере два важных аспекта. Во-первых, она верная. Идею Дарвина не принимали и опровергали на протяжении многих десятилетий, но в конечном итоге он (снова!) оказался прав. Во-вторых, смелость Дарвина, его умение теоретически рассуждать о длительных процессах, которых никто не мог увидеть своими глазами, и способность делать общие выводы на основании отдельных наблюдений стали основой его подхода к возникновению всего живого.

Дарвин отверг вулканическую теорию происхождения коралловых рифов, так как сомневался в возможности существования кратеров столь большого диаметра, чтобы они могли охватить некоторые крупные атоллы, а также в том, что под водой могло возникнуть такое скопление больших вулканических кратеров, на месте которых появились протяженные цепи атоллов. Дарвин также указал на то, что вулканическая теория слишком атоллоцентрична и не объясняет происхождение двух других форм — окаймляющих рифов, окружающих океанические острова, и барьерных рифов, окружающих острова с лагунами. Дарвин предположил, что все три варианта рифов являются последовательными стадиями одного и того же процесса (рис. 8.1).

В соответствии с идеей Дарвина сначала вдоль берегов нового острова возникает окаймляющий риф. Затем, по мере того как остров оседает, риф продолжает расти, превращаясь в барьерный риф и образуя лагуну вокруг острова. И наконец, когда остров скрывается под поверхностью океана, возникает атолл.

Рост большинства кораллов и погружение островов нельзя увидеть глазами: крупные кораллы растут не более чем на 5 мм в год. Однако Дарвин сумел оценить кумулятивный эффект постепенных изменений, происходящих за длительный период времени, что позволило ему выстроить свою теорию. А через 20 лет после возникновения этой теории он по-новому объяснил происхождение невероятного разнообразия обитающих здесь видов.

Геологическая и биологическая теории Дарвина основаны на широкой экстраполяции — от едва заметных постепенных изменений до крупных превращений, от настоящего в прошлое и от простых форм к более сложным. В значительной степени несогласие с теорией Дарвина связанно именно с сомнениями в обоснованности подобных экстраполяций (в частности, с неприятием идеи «сложения» эффектов на протяжении длительного отрезка времени). Я в своей книге тоже нередко прибегаю к экстраполяциям. Например, я рассказывал о том, что незначительные изменения зрительных пигментов позволяют организмам адаптироваться к изменению освещенности в их среде обитания. Я надеюсь, что после прочтения предыдущих пяти глав у вас не осталось сомнений относительно реальности естественного отбора. В этом и состоит главная задача этой книги — устранить все сомнения. Но вы, возможно, все еще захотите мне возразить: допустим, все это верно в отношении небольших изменений уже существующих сложных структур, но как и из чего этот самый глаз впервые возник?

Это нужный и важный вопрос.

Эволюция сложных структур долгое время была в центре внимания биологов и оставалась прибежищем противников эволюции. Довольно часто случается, что люди признают вариабельность и эволюцию внутри существующих видов (то есть «микроэволюцию»), но отказываются экстраполировать этот процесс на происхождение новых видов и эволюцию сложных признаков, выходящих за пределы вариаций внутри вида («макроэволюция»). В некоторых штатах США дело доходит до того, что в учебниках по биологии заклеивают соответствующие страницы (см. главу 9).

Чтобы объяснить, каким образом естественный отбор создает органы «чрезвычайного совершенства и сложности», Дарвину пришлось оперировать очень большими временными интервалами. Объяснение Дарвина было блестящим, но оно основывалось на экстраполяции от простого к сложному, а не на эмпирических знаниях об истории формирования глаза. Подробности образования и эволюции таких сложных структур в то время не были известны и продолжали оставаться тайной на протяжении большей части следующего столетия.

Но сегодня ситуация изменилась.

За последние 20 лет были получены прямые доказательства того, как возникли и развивались сложные структуры, в частности в организме животных. Это новое понимание появилось в основном благодаря успехам биологии развития, науки, которая изучает процесс превращения единственной клетки (яйца) в сложный организм, состоящий из миллиардов или триллионов клеток. Развитие организма теснейшим образом связано с эволюцией формы, поскольку все вариации и изменения формы сопровождаются изменением развития. Исследования в области эволюционной биологии развития (сокращенно эво-дево, от англ. evolution of development) привели ко многим неожиданным и важным открытиям, касающимся эволюции сложных организмов и их частей, и эти открытия лишают противников эволюции последних аргументов.

В этой главе я расскажу о некоторых наиболее важных открытиях в области эволюционной биологии развития, относящихся к эволюции сложных структур у животных. Я объясню, каким образом понимание процесса развития позволяет установить происхождение сложных структур, а сравнение путей развития разных организмов помогает понять эволюцию сложных признаков. Я сконцентрируюсь на описании особой группы генов, ответственных за построение тела и органов, а также на той части заключенной в ДНК информации, о которой я пока еще не рассказывал, но которая играет ключевую роль в понимании эволюции формы.