Рассказы о животных

После того, как была расшифрована информация о молекулярной структуре белков и нуклеиновых кислот, появилась возможность их синтеза в «пробирке», и наметились шаги экспериментального воспроизведения «живых» молекул. Первые опыты провел американский студент С. Миллер (1953), синтезировав из смеси углерода, азота, водорода и кислорода молекулы простых нуклеиновых кислот. Оставалось создать «живые» модели таких кислот и включить их в процесс матричного синтеза белковых соединений, но на пути встала новая неожиданная проблема. Оказалось, что искусственные белковые молекулы в поляризованном свете представляются правозакрученными, а «живые» левозакрученными.

Далее, необходимо было, чтобы процесс матричного синтеза белковых молекул на основе считывания информации с ДНК осуществлялся путем их самосборки из аминокислот, с включением специальных катализаторов (ферментов), как он происходит в органеллах живой клетки – рибосомах. Для продолжения жизни молекулы ДНК должны передаваться следующим поколениям путем их удвоения с некоторыми изменениями (мутациями), на основе которых естественным отбором осуществляется биологическая эволюция.

Все эти процессы должны быть взаимосвязанными, происходить слаженно на основе поглощения вещества и энергии из внешней среды в сложно организованной системе, называемой клеткой. Автономно такими процессами наделена растительная клетка, в которой образуются органические вещества (глюкоза), и которые используются всеми другими организмами. Жизнь на Земле зарождалась именно с возникновения растительной клетки, используя органические соединения которой, появилась животная гетеротрофная клетка.

Оставим далее в стороне обсуждение проблемы, каким образом зарождалась жизнь на Земле, поскольку здесь еще много гипотетического, и биохимики в попытках создания живого существа в «пробирке» не останутся без работы.

По вопросу о возникновении многоклеточных организмов у животных и растений выдвинуто также несколько гипотез, две из них привлекли наибольшее внимание.

Согласно гипотезе гастреи немецкого зоолога Э. Геккеля, предками многоклеточных существ были колониальные жгутиковые. Гипотеза строилась на аналогии с эмбриогенезом: индивидуальное развитие начинается с разделения оплодотворенной яйцеклетки на двухклеточную структуру, затем четырехклеточную и так далее до образования окончательного многоклеточного организма. Путем такого усложнения из колониальных скоплений клеток возникли многоклеточные образования, а из них сформировалась двуслойная гастрея с первичными ртом и кишкой.

К сказанному добавим, что образование первоначальных колоний из двух и тем более из нескольких клеток было единственным способом избежать поглощения одноклеточной жертвы одноклеточными же хищниками, типа амебы. Именно это первичное образование колониальных ассоциаций оказалось решающим шагом и условием всей последующей прогрессивной эволюции животных и растений.

Гипотеза фагоцителы русского ученого И.И.Мечникова исходила из выдвинутой им общей теории фагоцитарного иммунитета. Ради простого эксперимента, он воткнул кусочек шипа мандаринового дерева в личинку морской звезды и через сутки обнаружил вокруг него скопление клеток, пытающихся как бы вытолкнуть инородный предмет из тела животного, проще сказать, обратил внимание на образование гноя. Наблюдение настолько захватило эмоционального Илью Ильича, что он выбежал на берег Неаполитанского залива, где находилась биологическая станция, чтобы охладиться от пережитого волнения.

Изучая эмбриональное развитие низших многоклеточных губок и кишечнополостных, ученый установил, что при образовании двухслойной стадии (бластулы) происходит перемещение отдельных клеток в ее полости. Предками многоклеточных организмов могли быть шарообразные колонии гетеротрофных жгутиковых, которые плавали в воде и питались бактериями (фагоциты). Отдельные клетки фагоциты утрачивали жгутик и погружались вглубь колонии, выполняя функцию ее питания. Со временем разделение клеток по специализации функций приобрело постоянный характер, и колония одноклеточных превратилась в многоклеточный организм, который Мечников назвал фагоцителой, подчеркнув роль открытого им явления фагоцитоза в возникновении многоклеточной структуры.

Фагоцитарная теория была использована в медицине при объяснении и лечении воспалительных процессов, за которую автор получил Нобелевскую премию. Так, казалось бы, простой эксперимент с шипом привел к открытию огромного практического значения. По очень простому методу исследования оно напомнило обнаружение антибиотиков с наблюдения английского ученого А. Флемминга, который случайно увидел вокруг колонии грибка Penicillium свободное пространство, отделяющее ее от хищников-бактериофагов, и предположил, что клетки грибка выделяют какое-то не допускающее к ним вещество. Этим веществом оказался пенициллин, так началась великая эра промышленного производства антибиотиков.

До практического получения живой клетки дистанция огромного размера, сравнимая с полетами к далеким звездам. Пока имеем то, что имеем! В средствах массовой информации не сообщалось о последующих сенсационных решениях проблемы происхождения жизни, уж они бы этот момент не упустили.

На то и щука в море

Все возникает через борьбу

Гераклит

чтобы «карась не дремал», или «на то и волк в лесу, чтобы заяц ушами не хлопал» – пословицы, означающие приближение опасности, к которой следует быть внимательным и осторожным, а не плясать беззаботно под веселую песенку: «А нам все равно, не боимся мы волка и сову». В русском языке имеется множество изречений назидательного характера, способствующих выживанию в трудных, подчас экстремальных, жизненных условиях. Приведенные выше пословицы относятся к одному из них: дремать и пустозвонить некогда, надо быть начеку, живая природа полна коллизиями, в ней мало места нежной любви и согласию.

Разрешение противоречивых отношений между организмами лежит в основе эволюции живой природы, определяемой борьбой за существование и естественным отбором. Этими эволюционными факторами объясняются три фундаментальные проблемы: приспособленность организмов к среде (адаптация), многообразие растительных и животных видов (систематика), морфофизиологический прогресс (усложнение функционального строения).

Адаптивная эволюция животных

Термин «адаптация» (лат. adaptare – приспособление) в биологии употребляется в двух значениях: как процесс, и в этом смысле используется еще понятие «адаптациогенез», и как результат процесса, заключающийся в наличии полезных признаков у организмов. Для разделения этих двух аспектов в английском языке используют соответственно слова «приспособляемость» (англ. adaptability) и приспособленность (adaptation), в русском языке они редко употребляются.

В далекой древности человеку была очевидна удивительная приспособленность организмов к среде обитания, но ее происхождение представляло неразрешимую загадку. Нетрудно было догадаться, что обтекаемое тело у рыб способствует быстрому передвижению в водной среде, белая окраска шерсти у зайца зимой повышает шансы выживания при нападении хищников. В то же время многие из признаков не поддаются объяснению с научных позиций. Почему зайцы-беляки зимой имеют белую защитную окраску, а их родственники зайцы-русаки темную, хищные лисица и волк также не маскируются своей «одеждой» под снежный фон? Остается считать подобные несоответствия закону адаптации игрой случая.

Заяц-беляк

Сам факт борьбы за существование в живой природе был очевиден, но его объяснение скрывалось за учениями о воле господней, о неизбежной конкуренции за «место под солнцем», уводившими от познания истинных причин адаптивной эволюции организмов. Ч. Дарвин внес ясность в решение загадочной проблемы теорией естественного отбора, согласно которой в борьбе за существование выживают более приспособленные и на этой основе возникают новые организмы, как сложные по строению, так и более простые.

Чтобы гипотеза была признана научной теорией, требовалось доказать ее правильность на фактах. После выступления Дарвина первостепенной задачей становится изучение приспособлений диких животных как результата естественного отбора. Первые экспедиции направляются в экваториальные области, где в более сложных условиях среды возникают самые экзотические виды птиц и насекомых. В книгах английских биологов Г. Бетса «Натуралист на реке Амазонке» (1863), А. Уоллеса «Географическое распространение животных» (1871), немецкого путешественника А. Брема «Жизнь животных» (1863) приведен ярко иллюстрированный материал по адаптациям животных в доказательство теории естественного отбора. На его основе создаются классификации адаптаций по признакам окраски, формам тела, поведенческим реакциям, адаптивной организации популяций, видов, биоценозов и биосферы в целом.

С момента возникновения жизнь была организована в четыре основные формы: организменную, популяционную, биоценотическую, биосферную. Организменная форма представлена отдельными индивидами (особями), популяционная – группами особей одного вида, биоценотическая – системой взаимосвязанных популяций разных видов, биосферная – всеми формами жизни на планете. Соответственно этому делению строится классификация адаптаций.

Покровительственные окраски. Представляют собой наиболее доказательные факты приспособления отдельных организмов на основе естественного отбора. Наблюдения за выживаемостью богомолов зеленой и бурой окраски на деревьях и заборах показали избирательное их истребление птицами.

Уже отмечалось, что имеются факты, не соответствующие положению о естественном отборе как причине создания адаптаций. Белая окраска зайцев, горностаев, куропаток зимой значительно увеличивает шансы оставаться незамеченными. Большинство животных европейской зоны со снежным покровом (лисицы, волки, вороны) такого приспособления не имеют. Отсюда было выдвинуто понятие относительной целесообразности – полезного значения признаков в тех условиях, в которых они создавались. Белая окраска у зайца-беляка является защитной зимой, но не летом, поэтому имеет сезонное значение, является относительно полезной (целесообразной).

Защитная функция поведения. Для всех животных важнейшую роль в борьбе за существование играет активное поведение. Одноклеточные простейшие стараются избегать вредного воздействия яркого света, окрашенные личинки насекомых сохраняются на зеленом фоне ветвей и листвы, пчелы способны отыскивать своими локаторами медоносные растения за несколько километров и возвращаться к родным ульям. Некоторые животные формой тела поразительно схожи с частями растений и становятся совершенно незаметными для хищников, причем выбирают для маскировки подходящие места на деревьях. Поразительный пример сходства с листьями растения и затаивания в неподвижной позе демонстрирует листохвостный геккон, у которого даже трудно разобрать, где голова, а где туловище.

Листохвостный геккон

Эволюция шла по пути совершенствования форм поведения от беспозвоночных животных с примитивной ганглиозной системой управления внутренними процессами к позвоночным животным с централизованной регуляцией физиологического обмена веществ и поведенческих реакций. В итоге появился человек, обладающий второй сигнальной системой, на ее основе сознательным поведением и обменом информацией посредством членораздельной речи.

Популяционно-видовые адаптации. В природе организмы не живут изолированно друг от друга, как может показаться, на первый взгляд, они организованы в популяции, которые являются основной единицей существования и эволюции вида. Только фантасты и шарлатаны от науки показывают мифического «снежного» человека в виде отшельника, подобного некоему Робинзону Крузо. С момента эволюционного становления предки человека могли существовать в суровых условиях жизни только в организованных сообществах (микропопуляциях).

Популяционно-видовые адаптации связаны с размножением организмов, начиная с образования брачных пар и заканчивая воспитанием и защитой потомства. Они не всегда столь очевидны как индивидуальные, подобно покровительственной окраске, и требуют определенного абстрактного восприятия. К таким адаптациям относится мутабильность – частота возникновения мутаций на один ген или на одно поколение. Средняя мутабильность у плодовой мушки дрозофилы по окраске глаз (желтые, бесцветные) составляет одно изменение на сто тысяч особей, частота заболеваний гемофилией у человека одно на двадцать тысяч здоровых людей. Приведенные примеры относятся к отрицательным мутациям, в качестве адаптивного признака вида, мутабильность регулируется отбором. Высокая концентрация вредных мутаций, как и низкая частота полезных мутаций уменьшают приспособленность популяции и эволюционную пластичность вида в целом. Поэтому для экологической устойчивости и способности вида к эволюционному развитию необходима оптимальная величина мутационной изменчивости.

Биоценотические адаптации. Представляют класс приспособлений у системы взаимосвязанных популяций разных видов – биоценозов (или экосистем). Типичным примером простого биоценоза является зеленая роща из разных видов растений, которыми кормятся насекомые, грызуны, копытные, представляющие пищу паразитам и хищникам. Следовательно, биоценоз состоит из двух блоков: продукционного и деструкционного. В продукционном блоке зелеными растениями из углекислого газа, воды и солнечного света путем фотосинтеза создаются органические вещества (глюкоза). В деструкционном блоке органика потребляется растительноядными и плотоядными животными, в том числе человеком.

Таким образом, если популяционная форма организации жизни обеспечивает размножение организмов, биоценотическая форма ее существование и развитие. Поэтому связи в биоценозе между организмами разных видов и являются его адаптациями. Особенно наглядно они проявляются в системе «жертва-хищник»: волки снижают численность жертв и тем самым поддерживают ее на оптимальном уровне, что препятствует полному уничтожению кормовых растений и массовому распространению среди них болезней. Все пищевые отношения между организмами разных видов имеют для каждого из них определенное полезное значение, а вместе они составляют систему адаптаций биоценоза как целостного образования.

Биосферные адаптации. В свою очередь, взаимосвязанные биоценозы создают высшую форму организации жизни на планете – биосферу, со своим специфическим комплексом адаптаций. Фотосинтезирующий блок Мирового океана в виде гигантской массы фитопланктона, вместе с лесами Амазонии и Сибири, являются основными поставщиками атмосферного кислорода для всех организмов. Биосфера находится под защитным от космической радиации озоновым экраном, которая в свободном доступе к земной поверхности губительна для всего живого. В начале эволюции жизни на Земле не было свободного кислорода, фотосинтезирующие организмы не только создали самозащиту от радиации, но и обеспечили процесс кислородного дыхания для всего живого. В этих двух полезных функциях заключается основная адаптация биосферы.

Образование видов

Первобытному человеку был очевиден сам факт видового многообразия животных и растений, но недоступен пониманию процесс образования видов. Для ответа на вопрос оставалось снова просить помощи у всевышних сил и не получить ничего сколько-нибудь вразумительного.

Научное понятие «вид» впервые четко сформулировал Джон Рей (1686) по трем основным критериям: морфологической определенности, эколого-географической приуроченности, размножению по поколениям. Зайцы-беляки похожи друг на друга по внешнему виду, обитают в лесной зоне, имеют сходное с родителями потомство. Отсюда определение понятию: вид есть совокупность одинаковых по внешним признакам и поведению индивидов, обитающих на одной территории и оставляющих похожее на себя потомство. С таким определением понятия появился инструмент для практической систематизации (классификации) видов.

Впервые с научных позиций объяснение видообразования получает в теории эволюции на основе естественного отбора (natural selection, по Ч. Дарвину). Эволюционный процесс начинается с наследственной изменчивости (мутаций), поставляющей материал отбору в виде отклоняющихся от родительских признаков, полезность которых оценивается выживанием в борьбе за существование. Секрет явления борьбы за существование, как фактора эволюции, заключается в том, что организмы конкурируют между собой не непосредственно, а на фоне общих условий среды. Хищник гонится за двумя зайцами, и выживает тот из них, кто оказывается более приспособленным по скорости бега в сравнении с его неудачным собратом. Дарвин раскрыл этот простой секрет в понятии «внутривидовая борьба за существование», как главный фактор эволюции, и увековечил свое имя.

Постепенно полезные признаки усиливаются в том же направлении, происходит отклонение от родительской формы настолько, что образуется новый вид. Так в теорию эволюции вводится еще одно понятие – дивергенция, или отхождение от прежней формы, схема видообразования и более крупных таксонов (родов, отрядов, классов) приобретает аналогию с разветвленным древом. Логически стройная картина эволюции подтверждается фактами практической селекции, где исходной является также наследственная изменчивость, борьба за существование исключается, естественный отбор заменяется искусственной селекцией (artificial selection).

Итак, число видов в разных группах животных очень сильно различается от нескольких до сотен тысяч. Объяснить столь огромное расхождение можно двумя эволюционными факторами: генетическим разнообразием исходных групп и способностью адаптироваться к разным условиям среды. Первый фактор определяется наличием в генофонде популяций широкой мутационной изменчивости, второй – мобилизацией ее соответственно новым требованиям экологической среды (адаптивной дивергенцией).

Прогрессивная эволюция

Существует высказывание, что если хотя бы один факт противоречит концепции, ее надо отправить на свалку и не пытаться искать выход из безнадежного положения. Свободное падение тела на поверхности Земли есть непреложный факт, подтверждаемый каждым на собственном опыте, к примеру, в приземлении на скользком тротуаре. Закон Ньютона о всемирном тяготении объясняет его и с научной точки зрения. На околоземной орбите закон опровергается невесомостью физических тел, космонавты свободно «плавают» внутри корабля. Не следует ли из этого факта ошибочность закона Ньютона? Все дело в том, что любой естественный закон работает в определенных условиях, космический корабль находится на удаленным от Земли расстоянии, на котором закон всемирного тяготения перестает действовать.

Нечто подобное происходит при анализе морфофункционального прогресса, с которым столкнулся Дарвин в попытке объяснить его теорией естественного отбора. В самом деле, и земляной червь, и обезьяна приспособлены к условиям своей среды и не нуждаются в совершенствовании морфофизиологической организации. Выходит, что адаптивная эволюция, объяснимая принципом естественного отбора, не соответствует ему для случаев прогрессивного усложнения организмов. Данное расхождение теории и практики оставалось в свое время одним из самых серьезных возражений дарвинизму.

Противоречие разрешилось в предложении разделять понятия морфофизиологического и биологического прогресса. Согласно первому, показателями прогресса являются высота организации, оцененная по сложности строения организма, а также физиологической экономичности затрат вещества и энергии. По обоим критериям обезьяна несравненно прогрессивнее червя. Биологический прогресс характеризуется числом видов в группе организмов, общей численностью особей, экологической экспансией занимаемого пространства. По этим показателям черви вообще не подлежат сравнению с обезьянами: представлены множеством видов и гигантской численностью, заселяют огромное жизненное пространство. Изложенная выше систематика животных наглядно демонстрирует постепенное усложнение морфологического строения и функций организма от простейших до млекопитающих.

Исследование проблемы эволюционного прогресса включает еще много предполагаемых знаний, начиная с определения исходной группы в каждом классе животных, вставшей на путь морфофункционального совершенствования, движущих сил и закономерностей этого процесса. Трудности решения данных задач хорошо видны при изучении происхождения человека. Прежде всего, встает вопрос, является ли возникновение гомо сапиенса фактом морфофизиологического прогресса или рядовым событием по пути эволюционной специализации?

С точки зрения общественного прогресса, появление человеческого вида в биосфере со всеми неописуемыми последствиями цивилизации является живым экспонатом биологического и социального прогресса. Морфофизиологическая же организация сапиенса в сравнении с исходными австралопитеками, за исключением эволюции головного мозга, изменилась не настолько, чтобы рассматривать это эволюционное событие в масштабе истинного прогрессивного преобразования.

***

Из краткого обзора систематики животных видно, насколько многообразны их формы, созданные в процессе эволюции от одноклеточных организмов до класса млекопитающих включительно. Систематические единицы (тип, класс, семейство, отряд, вид) являются зафиксированными вехами на магистрали прогрессивного развития животного мира. Эволюция от простых организмов к сложным по строению происходила в результате борьбы за существование и естественного отбора. Борьба за существование возникала из противоречивых отношений между организмами на фоне одинаковых требований к среде, которые разрешались в процессе выживания и размножения более жизнеспособных (естественного отбора).

Палеонтологам, биологам-эволюционистам, селекционерам удалось собрать информацию о происхождении одних видов от других на общей магистрали исторического развития органического мира, пытаться воссоздать вымершие виды путем «оживления» их ДНК, селекционным путем получить новые формы животных и растений. В целом этой информацией заполнены страницы величественной книги «Эволюция живой природы».

На пути реартиации

Бог не может изменить прошлое,