19. Конвергенция, аналогия и гомология

Люди любят выискивать шаблоны. Наверное, это заложено где-то в глубинах нашего мозга. Мы постоянно этим занимаемся. Мы говорим: «этот цветок похож на тот», или «это облако напоминает дракона». Квинтэссенцией такого мышления должна стать проверенная временем фраза «по вкусу как курица». Узнавание шаблонов, несомненно, способствовало нашему выживанию, помогая нам распознать хорошие продукты, опасных хищников, членов семьи и т. д. Однако, когда дело доходит до понимания эволюции, эта тенденция имеет достаточно необычные последствия. Она обманывает нас, заставляя видеть связь там, где ее нет, и не замечать того, что очевидно. С другой стороны, такая тенденция подспудно обнажает физические законы, которые имеют такое большое влияние на естественный отбор. Могу предположить, что вы даже не подозреваете о том, как много вы знаете об эволюции.

Склонность человека к выискиванию шаблонов привела ранних натуралистов к классификации организмов, производимой на основе их внешних признаков. Такая система стала началом познания ошеломительного разнообразия жизни. Необязательно было становиться специально обученным натуралистом, чтобы понимать, что, хотя пчелы летают, они принципиально отличаются от птиц. Вы наверняка не сомневаетесь в том, что птицы и летучие мыши имеют гораздо больше общего друг с другом, чем с пчелами. Еще шаг – и вы можете сказать, что пингвины более тесно связаны с воронами, чем они с раками, хотя и те, и другие плавают. Такая морфологическая классификация вдохновила шведского зоолога Карла Линнея на создание поименной классификации, которой биологи пользуются для распределения по категориям всех известных видов и по сей день.

Тем не менее совсем несложно представить себе иную систему классификации живых существ, основанную на их действиях и способностях, а не на внешности. Пчелы, птицы и летучие мыши могут летать. Их крылья выглядят совершенно по-разному, но каждый из них и связанных с ними групп животных, имеют аналогичные структуры, которые решают аналогичные проблемы. Им надо питаться, спариваться и размножаться. Все они сошлись на одинаковом или аналогичном решении проблемы полета. В биологии это называется конвергентной эволюцией, где крылья считаются аналогичной структурой. И все же, посмотрите внимательно, и вы увидите, что по структуре эти крылья очень разные, да и появились они на совершенно разных этапах истории жизни на Земле.

Для понимания смысла эволюции необходимы оба способа анализа и классификации живых существ. Если физические структуры организмов различаются, но их функции аналогичны или даже идентичны, то, значит, эти виды имеют весьма отдаленную связь. Если структуры органов и костей почти одинаковы – значит, у них тесная связь, даже если их формы довольно разные. Генетический анализ – это еще один способ проверить степень родства между двумя видами, независимо от того, насколько похожими или разными они могут казаться.

Когда дело доходит до полета, каждое существо сталкивается с одними и теми же проблемами физики, теми же самыми уравнениями механики и энергии. Чтобы летать, нам нужно, чтобы воздух под нами двигался с достаточной силой для того, чтобы удерживать вес летящего объекта, будь то ястреб, оса, истребитель F-18 «Хорнет», летучая рыба или летучая мышь. Посмотрите на птицу – чем она больше, тем лучше. Ее крылья двигаются вниз и вверх. Если вы когда-либо учились плавать стилем баттерфляй, то это похожие движения. Вместо зачерпывания воды и отбрасывания ее назад, птицы захватывают воздух и отталкивают его вниз и назад. Это обеспечивает телу подъем и тягу. В физике все, что течет, считается жидкостью. Так что, как вода и кленовый сироп, воздух тоже может считаться жидкостью. В полете можно делать особый трюк, о котором мы можем знать сознательно или бессознательно.

Когда крыло или плоская поверхность движется сквозь жидкость, она может развивать подъемную силу, просто отклоняя потоки. Подъем происходит в тот момент, когда создается так называемый угол атаки. Поэтому, когда сокол находится в воздухе, он может создать подъемную силу, летя по ветру. Он может взмыть вверх, используя энергию ветра и угол атаки своих крыльев. Важным фактором для любого летательного объекта, будь он сотворен природой или человеком, является то, что он легковесен. Птицы сохраняют низкий вес благодаря полым костям и тому, что большая площадь их крыла покрывают перья. Перья, состоящие из примерно того же материала, что и наши ногти, обладают удивительной для своего веса силой, а растут они так, что смыкаются, образуя почти единую поверхность. С помощью мускулов, расположенных под точками крепления перьев, птицы могут так плотно сжимать их, что между ними практически не проходит воздух. Или птицы могут вывернуть свои перья наружу, словно лопасти пропеллера или вентилятора. Перья на кончиках крыла обеспечивают некоторое движение вперед, в то время как внутренние перья обеспечивают подъем. Птицы могут управлять конфигурацией каждого пера с поразительной эффективностью.

Крылья пчел работают не так, по крайней мере, не совсем так. Вместо крыльев с перьями, каждое из которых может закручиваться, создавая разные углы, пчелы имеют четыре крылышка. Если посмотреть на них повнимательнее, можно различить по две пары с каждой стороны тела. Как только пчела поднимается в воздух, крылья с каждой стороны тела соединяются друг с другом с помощью крошечных крючков («hamuli» по-латински – «крючки»), формируя два единых крыла по обе стороны ее туловища (большинство пчел, которых мы наблюдаем – самки). Пчелиные крылья очень гибкие. С помощью мышц, которые занимают большую часть пространства грудной клетки пчелы, пчелы отбрасывают свои крылья вниз и назад, что напоминает движение крыльев птиц, только выглядит чуть более суматошно.

Фотографии, выполненные в высокоскоростном режиме, дали возможность увидеть, что пчелы поворачивают свои крылья в тот момент, когда возвращают их из положения сзади, а затем проводят крыльями вперед, чтобы начать следующее движение взмаха. Поначалу в такое трудно поверить. Попробуйте сами – вытяните руки перед собой. Поднимите ладони вперед и проведите руками дугу, отводя их так, будто отталкиваете воздух назад и вниз. Когда прямая рука оказывается позади вас, поднимите ее вверх, продолжая начатую окружность так, чтобы тыльная сторона смотрела в пол, а ладонь была обращена наверх. Верните руку в ее вывернутом положении в исходную позицию. У нас так не получится. А вот пчелы делают то же самое со скоростью 230 раз, и не в минуту, а в секунду. Это поразительно. Пчелы создают подъем или восходящий импульс как при движении крыльев вниз, так и при их поднятии в исходное положение. С ума сойти! Они создают тягу, когда машут крыльями и вверх, и вниз, и вверх, и вниз, а все потому, что их крылья помещены в углубления, которые позволяют им крутить крыльями таким, по человеческим меркам, нестандартным образом. Неудивительно, что в «Хотите верьте, хотите нет» Рипли говорилось о том, что пчелы бросают вызов законам аэродинамики (первый абзац этой книги). В 1960-х годах полеты пчелы еще не изучались.

Летучие мыши немного напоминают и птиц, и пчел, а все из-за строения своих крыльев. Как и птицы, летучие мыши не могут выворачивать свои крылья наизнанку. Как и у пчел, крыло летучей мыши представляет собой единую, хотя и гибкую, мембрану. У крыльев летучих мышей, птиц, пчел есть общее качество – поверхность крыла, которую они обращают к потоку воздуха, изогнутая и гибкая. Птицы добиваются этого тем, что каждое перо в их крыльях может двигаться практически независимо друг от друга. Крылья пчел – это гибкие мембраны, натянутые между заполненных жидкостью вен. Крылья летучей мыши представляют собой кожу, растянутую на костяном остове. Все эти конструкции зачерпывают воздух и, двигаясь, отбрасывают его назад и вниз. В эволюционной биологии мы говорим, что эти крылья аналогичны. Теперь слово аналогично стало достаточно обыденным, но здесь, в этой дисциплине, оно используется особым образом, для описания определенного типа отношений. Пчелы, птицы, летучие мыши используют гибкие крылья, чтобы летать. Но все эти крылья в ходе эволюции развивались различными путями. Все они используют одни и те же принципы физики, но имеют очень разные конфигурации.

Загляните внутрь крыла летучей мыши и вы увидите, что оно совсем не похоже на крыло мухи. На что оно похоже, так это на это строение ваших рук. У вас есть плечевая, лучевая, локтевая кости, пять кистевых, пять пястных костей и пятнадцать фаланг. То же самое и у летучих мышей. И представьте себе – так же и у птиц. Это было одним из самых важных наблюдений и озарений Дарвина. Все эти кости находятся на одном и том же месте – что в руке, что в крыльях. Просто каждая из них как будто была немного вытянута или подогнана под другие кости для формирования единой структуры руки или крыла. В эволюционной биологии мы называем такие структуры и конфигурации гомологичными. Они имеют одинаковую форму, но недостаточно одинаковы с функциональной точки зрения. Мы с вами не можем летать. А летучие мыши не могут играть на пианино. Птицы могут петь, но они не могут держать куриную ножку. (Ой, простите…) Я нарисовал эскиз; он на следующей странице.

Этот аспект – гомология – является одним из неоспоримых доказательств процесса эволюции. Лишь взглянув на свои кости, можно сказать, что мы просто обязаны иметь что-то общее с летучими мышами и птицами и даже птерозаврами – летающими рептилиями, которые жили одновременно с динозаврами. Конфигурация их костей очень сильно напоминает нашу. Это было нереальное количество времени назад: большее содержание кислорода в атмосфере ускоряло метаболизм, и крылья птерозавров были в три раза больше, чем у самых больших нынешних птиц. Они напоминали летающих драконов, и тем не менее в чем-то они схожи с нами. Мы же и на пчел похожи, хоть и совсем немного. У нас обоих есть центральная нервная система. У нас обоих есть рот и анус. И у каждого из нас есть сердце. Но с другой стороны, мы также и различаемся. Шесть ног, крылья – простите, госпожа Пчела, это не мой стиль. Пальцы на руках и ногах – конечно, мистер Летучая мышь. Пчелы аналогичны летучим мышам. Летучие мыши аналогичны и гомологичны птицам и нам. Это безумие. Это эволюция.

И аналогия, и гомология удивительны и представляют собой ключ к пониманию того, откуда все мы пришли. Рассмотрим рыб и дельфинов. Рыбы дышат кислородом, растворенным в воде. Газы могут содержаться в жидкостях, словно пузырьки в пиве – внизу они сохраняются «в растворе», а наверху эти пузырьки лопаются. Рыба селится в воде любой температуры. Она разгоняет свой метаболизм до той скорости, до которой ей позволяет температура воды вокруг. Морские млекопитающие, например, дельфин, являются теплокровными; у них есть системы, которые отвечают за то, чтобы постоянно поддерживать температуру тела – прямо как и у нас. Конечно, они используют для этого калории, ведь их пища усваивается более эффективно, поскольку пищеварительные химические реакции проходят в теплом месте. Мы называем таких животных эндотермами («температура изнутри»), и мы тоже относимся к ним.

Но присмотритесь повнимательнее – и экзотермы и эндотермы, неважно жабры у них или легкие, имеют примерно одинаковую форму. Она нужна им, чтобы максимально эффективно скользить в воде. Вы можете заметить, что рыбьи хвостовые плавники расположены вертикально, в то время как китовый хвостовой плавник расположен горизонтально. Можно подумать, будто они совершенно разные. Ну функционально, не такие уж разные. Сравните с камбалой. Она вылупляется из икринок и сразу может плавать с помощью своего хвоста или хвостового плавника, ориентированного вертикально. Но когда у камбалы наступает период созревания, она переворачивается и проводит оставшуюся жизнь лежа на дне океана. Ее хвостовой плавник вместе со всем ее телом становится горизонтальным. Камбала может плавать, и при этом ее хвост не будет волочиться по дну. В то же время мы знаем, что прародители китов покинули землю и стали жить на мелководье, где горизонтальные плавники стали наиболее разумным решением – с ними удобнее плавать, ведь по дну ничего не волочится. Позже, когда их потомки приспособились к охоте в открытом океане, перекручивать хвост обратно не было никакой необходимости. Горизонтальный хвостовой плавник кита вполне справлялся со своей задачей и так.

Много раз, занимаясь подводным плаванием или дайвингом, я экспериментировал с ластами, складывая их во время плавания наподобие китового хвоста. В этот момент можно ощутить, что при погружении движешься немного быстрее, но при выныривании ты уже не так эффективен. У китов и морских свинок, судя по всему, такой проблемы нет. Они не шлепают ногами так, как это делаю я; они извиваются всем своим телом. Так как мой позвоночник по отношению к длине моего тела намного короче, чем у кита и его родственников, я не могу плавать с такой же эффективностью. Но я не унываю. Даже если наши кости совершенно гомологичны, я уверен, что легко мог бы победить касатку в утренней пробежке. Правда, если бы вдоль моего километрового трека проходил километровый бассейн, то касатка сделала бы меня одной левой ластой.

Мы можем и дальше развивать эту мысль… и даже в обратном направлении. Исследуя формы вымерших морских рептилий, таких как ихтиозавры («рыба-ящерица», примерный современник динозавров), или еще более древних рыб, таких как Entelognathus («полночелюстная рыба», жила около 400 млн лет назад), мы наблюдаем те же обтекаемые гидродинамические формы, которые можно увидеть у современных акул, тунца и касаток. Чтобы плавать в море, у вас все должно быть гладким. Кстати, плавание в море отличается от космического плавания. Носовая часть корпуса ракеты, как правило, имеет утолщение, а далее сам корпус сужается по мере приближения к хвосту или оперению. Такая обтекаемость формы необходима для плавания и полета, даже если вы двигаетесь гораздо медленнее ракеты. Поэтому крылья птиц и самолетов, а также плавники рыбы тоже имеют утолщение впереди и затем сужение до самого своего конца.

Летучая рыба способна выпрыгивать из воды и летать по воздуху, таким образом, спасаясь от хищников. Представьте, что вы тунец или макрель и вы питаетесь рыбой. Это дело ваше, конечно. Плавая туда-сюда, вы обнаруживаете рыбу, которая отлично подойдет для вашего обеда. Вы подплываете на высокой скорости и, распахнув челюсти, стремительно атакуете. И вдруг ваша добыча делает пару движений своими плавниками, взмывает вверх и исчезает. Можете представить, как обидно тунцу? Есть свидетельства того, что летучие рыбы могли делать прыжки длиной до 400 метров. Представьте, что вы макрель, а еще лучше – рыбак в лодке, который вдруг видит, как рыба, которую он пытается поймать, отпрыгивает на расстояние даже не одного, а чуть ли не четырех футбольных полей всего за несколько секунд – ну как тут не лишиться дара речи?.. Летучие рыбы встречаются в тропических широтах по всему миру. Их плавники имеют форму, которая позволяет им создавать импульс подъема в обеих субстанциях: в морской воде и в воздухе. Они могут скользить по морю и создают достаточную тягу, чтобы парить по воздуху. Их плавники являются аналогами крыльев птиц и гомологичны плавникам хищников, от которых они улетают.

Аналоговые структуры в живых организмах развиваются тогда, когда разные организмы от поколения к поколению прокладывают свой путь в окружающей среде. Эта тенденция работает как в отношении растений, так и с животными. Листья деревьев и листья морских растений (морские водоросли) служат тому примером: схожие формы, развившиеся независимо друг от друга. Это универсальный аспект адаптивного императива эволюции: приспособься или умри.

Пытаясь понять процессы, которые позволяют, а по сути, заставляют структуры постепенно изменяться, давая возможность новому поколению вписываться в окружающую среду чуть лучше прежнего, можно опять столкнуться с проблемой инженера, пытающегося превратить в велосипед магазинную тележку. Каждая из этих конструкций имеет два колеса. У каждой из них есть место для захвата. Если вы мастер, ориентирующийся на правила эволюции, вам придется придумать гомологичные структуры, переходя от одной конструкции к следующей. Колеса придется переставить, заменив их параллельное расположение линейным. И на каждом промежуточном этапе конструкция должна достаточно хорошо функционировать, чтобы иметь возможность перейти в следующее поколение. Эта система прослеживается и в палеонтологической летописи.

Жизнь во всех своих формах вынуждена бороться с жесткими и непреклонными законами классической физики – законами энергии и движения. Конечно, все организмы в нашем мире – это результат тонких и удивительных химических реакций, которые в конечном счете являются следствием квантовой механики и взаимодействия частиц еще меньших, чем атомы. Тем не менее плавание, полет, укоренение в почве, дрейф в море, и т. д. – все эти классические физические явления во всех отношениях не менее удивительны и поразительны, чем дивные современные открытия, такие как бозон Хиггса или ускоряющееся расширение Вселенной. Законов классической физики достаточно для движения конвергентной эволюции и создания аналогичных и гомологичных структур, о которых я говорил.

Эволюция, особенно конвергентная, кажется мне невероятно убедительной еще и потому, что она, несомненно, представляет собой один из фундаментальных законов природы, таких как гравитация, электромагнетизм и теплообмен, формирующих наш мир. И все же в ней есть нечто более индивидуальное, чем в других законах, ибо ее прямым следствием являемся мы. Пусть мы все еще многого не знаем, но одно мы понимаем точно: природа постигает себя изнутри.