© ИП Сирота Э. Л. Текст и оформление, 2017

© Оформление. ООО «Издательство „Э“», 2017

Самое общее определение эволюции – естественный процесс развития жизни на Земле. Эволюция – это постоянное установление хрупкого баланса между растениями, живыми организмами и средой, в которой они обитают. См. главу I

«Выживают не сильнейшие виды и не самые разумные, а предпочтительно те, кто лучше других приспосабливается к изменениям». Чарлз Дарвин. См. главу III

Это удивительное существо с птичьими крыльями и скелетом динозавра, ископаемые останки которого были впервые найдены в 1861 году. См. главу V

Причина общности строения кроется в общности происхождения – у всех позвоночных был один и тот же пятипалый предок. См. главу VII

Да, потому что киты произошли от наземных парнокопытных млекопитающих, которые когда-то вернулись в воду. См. главу IX

Расчеты показали, что для создания полноценного глаза понадобится 364 000 поколений моллюсков, или 500 тысяч лет. См. главу X

В процессе наследования участвуют гены – участки ДНК, в которых зашифрована информация о каждом конкретном признаке данной особи, от строения органов до цвета глаз. ДНК находится в ядре каждой клетки организма, в том числе и в половых клетках. См. главу XII

Это сообщество популяций, живущих на близлежащих территориях, занимающих сходные экологические ниши, особи которых могут скрещиваться между собой и давать потомство. См. главу XV

Самая простая классификация мутаций – это разделение их на полезные, вредные и нейтральные. См. главу XVI

Биологические виды сохраняют единство благодаря миграциям и скрещиванию между особями разных популяций. См. главу XXI

Паразитами называют организмы, существующие за счет других видов. Они используют хозяев в качестве источника питательных веществ или места обитания. См. главу XXIV

Начальные этапы химической эволюции происходили и происходят не только на нашей планете. В космосе присутствуют некоторые виды органических веществ, которые при определенных условиях могли бы привести к появлению живых клеток. См. главу XXVII

Рассматривая картину появления и развития жизни на Земле, невозможно не заметить, что все происходило по пути постепенного усложнения – это и называют прогрессом. См. главу XXIX

Когда-то, по вселенским меркам не очень давно, Земля покоилась под коркой снега и льда; сотни лет назад она представляла собой один огромный континент, окруженный океаном; до этого она была расплавленным и раскаленным шаром, а еще раньше ее не было вовсе. В природе нет постоянства – все, от галактик до микробов, непрерывно претерпевает изменения. Обычному человеку за его короткую жизнь заметить эти изменения непросто, но ученые, с их масштабным видением, давно установили, что эволюционные процессы затрагивают все системы: звезды и планеты, континенты и ландшафты, растительные и животные сообщества, социальные институты и т. д.

И все же, когда речь заходит об эволюции, чаще всего говорят о биологии и живых организмах. Таким образом, самое общее определение эволюции – естественный процесс развития жизни на Земле. К эволюционным процессам относят формирование приспособлений и адаптаций, образование новых видов и вымирание нежизнеспособных, генетические изменения, трансформацию экологических систем и биосферы планеты.

Эволюция – это постоянное установление хрупкого баланса между растениями, живыми организмами и средой, в которой они обитают. Условия меняются, организмы приспосабливаются, в результате их приспособления возникают новые факторы, которые, в свою очередь, снова требуют перемен. Условия жизни на нашей планете весьма многообразны, поэтому мы можем наблюдать огромное количество кардинально отличающихся друг от друга разновидностей живых существ.

Как получилось, что от одного общего предка произошли гиппопотамы, морские звезды, попугаи и мы с вами? Какие механизмы работали на протяжении миллионов лет, чтобы создать такую сложную систему, как глаз млекопитающего? Почему животные одного вида, живущие на разных континентах, отличаются? Каким образом изменения и приспособления передаются по наследству? На эти и многие другие вопросы, касающиеся развития жизни на Земле, дает ответы эволюционная биология. Сфера исследований этой науки – пути, по которым осуществляется эволюция, ее процессы, закономерности и механизмы.

Изучая историю разнообразных изменений, произошедших за миллионы лет в мире растений и животных, эволюционная биология создает целостную картину существования всего живого на нашей планете. Ее можно сравнить с фундаментом здания, в котором располагаются все остальные науки о жизни: генетика, экология, физиология, антропология, психология и т. п.

В наше время многие виды флоры и фауны находятся под угрозой вымирания, а какие-то уже исчезли с лица Земли из-за нарушения экологического баланса. Знание механизмов эволюции позволяет разработать превентивные меры для их сохранения. Оно же помогает противостоять мутациям вирусов и бактерий, вызывающих инфекционные заболевания, распознавать гены, вызывающие наследственные патологии, культивировать полезные для человека сельскохозяйственные растения. Практическая сфера применения эволюционной биологии очень широка, а ее теоретическая часть позволяет понять устройство живого мира и места человека в нем.

За время своего существования наука прошла долгий путь: возникали и рушились теории, гипотезы находили подтверждение или опровергались. В ХХI веке существует несколько эволюционных теорий, общепринятой считается синтетическая теория эволюции.

В античные века и во времена Средневековья ученые и естествоиспытатели были уверены в низменности видов флоры и фауны. Но уже в эпоху Возрождения возникли отдельные предположения о том, что виды могут меняться. Тогда были совершены многочисленные археологические открытия и стало очевидно: при том, что древние животные и растения схожи с современными, у них есть вполне заметные отличия. Ученые заговорили о трансмутации – изменении видов, заимствовав этот термин из алхимии. Тогда же было высказано предположение о вымерших разновидностях живых существ.

Разрозненных идей об изменчивости в XVII–XVIII веках существовало немало, но первым, кто разработал систематическое учение, стал Жан Батист Ламарк, разносторонний ученый из Франции. Он был человеком верующим, считал, что природу создал Бог, заложив в ней стремление к развитию и самосовершенствованию. А уж природа, реализуя свой потенциал, из пассивной материи создала все растения и животных, начав с простейших и постепенно перейдя к более сложным.

Свои революционные идеи Ламарк изложил в труде «Философия зоологии», опубликованном в 1809 году. Наименование «философия» не случайно, оно говорит об умозрительности теории и довольно вольной интерпретации известных фактов. Это был ранний этап развития науки, когда выводы делались логически, на основе принятых за аксиому нескольких постулатов, а не после экспериментальной проверки фактов. Поэтому многие из идей Ламарка в свете сегодняшних знаний не выдерживают никакой критики. Тем не менее для своего времени «Философия зоологии» была передовым трактатом, а изложенное в ней учение давало ответы на многие вопросы естествознания и задавало верное направление развитию биологии.

Движущей силой всех изменений, происходящих в природе, Ламарк объявил изначально присущее всему живому «стремление к совершенствованию».

Откуда оно взялось, естествоиспытатель не объяснял, да это и не было нужно: его современники понимали, что оно было изначально заложено Творцом. Благодаря этому стремлению, простейшие формы жизни стремятся стать более сложными, приобретая все новые черты, органы и привычки и поднимаясь вверх по эволюционной лестнице.

При этом простые существа, вроде инфузорий, по мысли Ламарка, постоянно самопроизвольно зарождаются из соединения живой и неживой материи. В трактате «Философия зоологии» описана концепция пяти элементов материи, из которых важнейшим является эфир – он, как тончайший флюид, циркулирует в материи и инициирует ее «оживление».

При жизни Ламарка были открыты такие необычные животные, как ехидна и утконос, находящиеся на стыке млекопитающих и рептилий; это открытие дало новый толчок размышлениям ученого. Он понял: виды непостоянны, они меняются, трансформируются, переходят один в другой. Люди этого заметить не могут, так как эволюция – процесс медленный, занимающий сотни и тысячи лет.

Главными эволюционными механизмами Ламарк считал упражнение органов и адаптацию. В качестве наглядного примера он обычно приводил жирафа: это животное, чтобы прокормиться высоко растущими листьями, было вынуждено постоянно вытягивать шею, в результате она достигла необыкновенной длины.

В 1831 году Чарлз Дарвин, двадцатидвухлетний выпускник Кембриджского университета, отправился в кругосветное путешествие на экспедиционном судне «Бигль». Это путешествие не только дало ему уникальный опыт, но и поставило перед ним вопросы, пытаясь ответить на которые он написал книгу «Происхождение видов», совершившую подлинный переворот в естествознании.

Первый из вопросов возник в Уругвае, где путешественники обнаружили останки древнего ископаемого, напоминающего современного броненосца, но гораздо более крупного и с отличающимся строением панциря. Размышляя об интересной находке, Дарвин задумался: неужели виды животных могут со временем подвергаться изменениям?

Позже, неспешно перемещаясь по южноамериканскому материку в составе экспедиции, ученый заметил, что по мере изменения ландшафта растения и животные близкородственных видов сменяют друг друга. Почему на пятьдесят километров дальше обитает один вид попугаев, а в этом месте другой? Этому должна быть какая-то причина. Позже он ответит на данный вопрос: все дело в лучшей приспособленности к конкретным условиям среды.

Похожий феномен Дарвин наблюдал на богатых разнообразной флорой и фауной Галапагосских островах. Небольшие птички, называемые земляными вьюрками, обитали на каждом острове, но на одном они имели более широкий клюв, на другом – более яркую окраску перьев, на третьем – небольшой клюв и меньшие размеры. Было очевидно, что виды меняются. Но почему это происходит? «Эта проблема стала преследовать меня», – записал естествоиспытатель в дневнике.

Сразу по возвращении Дарвин занялся обработкой собранного материала, от чучел животных и засушенных растений до десятков исписанных блокнотов. Постепенно он включался в работу над главным трудом своей жизни – «Происхождением видов». От момента начала написания работы до момента публикации прошло около двадцати лет. За это время были перепроверены сотни фактов, разобраны десятки теорий и предположений, исследованы многочисленные возражения, которые могли бы возникнуть у противников. Решившись на издание революционной книги, Дарвин предстал перед ученым миром во всеоружии и был готов отразить все нападки, которые не замедлили последовать.

У ученого было немало предшественников, большинство из них встали на защиту дарвинизма. Чарлз Лайель, написавший «Принципы геологии», говорил об эволюции Земли, которая обрела свой нынешний облик постепенно, под влиянием естественных факторов среды. Томас Мальтус, издавший трактат «О народонаселении», ввел термин «естественный отбор», Дарвин впоследствии активно его использовал. Роберт Чамберс, опубликовавший провокационный для своего времени труд «Следы естественной истории творения», утверждал, что люди произошли от менее организованных предков.

Работая над «Происхождением видов», Дарвин сначала размышлял о зыбкости границ между различными видами, потом задумался о половом размножении и о том, зачем оно нужно природе. В итоге он пришел к проблеме впечатляющего масштаба: как возник и как развивался на протяжении своей истории весь органический мир. Вся деятельность ученого – это попытка решить эту проблему и, надо отметить, попытка весьма успешная.

Полное название главной книги Чарлза Дарвина – «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». В ней он объясняет, как в природе происходит развитие от простейших форм до самых сложных. Основная движущая сила эволюционного процесса – естественный отбор – процесс, в результате которого выживают и оставляют потомство те особи, которые наиболее приспособлены к условиям окружающей среды.

Первый постулат теории: особи одного вида отличаются друг от друга. Это можно проиллюстрировать простым примером: даже щенки, родившиеся от одной собаки, будут отличаться окрасом, размером, силой, выносливостью и т. д. То же самое относится к каждому виду растений и животных. Следующий постулат: все в природе размножается в геометрической прогрессии. Если бы не было препятствий для выживания любого вида, то через определенный промежуток времени особи этого вида заполонили бы всю планету. Но этого не происходит, потому что выживают далеко не все.

В природе идет непрерывная борьба за существование: с естественными врагами, с себе подобными, с окружающей средой. И выживают в этой борьбе лишь самые приспособленные к данным конкретным условиям. Это и есть естественный отбор, заставляющий виды изменяться, а природу – создавать удивительное многообразие.

Первым слабым местом вучении Дарвина было отсутствие переходных форм между видами, вторым – идея о том, что любой вновь приобретенный полезный признак может раствориться при последующем скрещивании с «нормальными» особями, такого признака не имеющими. Дарвин не знал, что вскоре после того, как он опубликовал «Происхождение видов», австрийский натуралист Грегор Мендель открыл законы наследования, которые подтверждали его теорию.

Одним из самых яростных ниспровергателей идей дарвинизма, в частности постулата о наследовании полезных для выживания признаков, был инженер и биолог-любитель Флеминг Дженкин. В своей статье «Происхождение видов» Дженкин возражал против идеи естественного отбора как движущей силы эволюционных изменений. Он утверждал: если появится особь с новым, полезным для выживания признаком, ей все равно придется скрещиваться с другими особями, у которых данного признака нет. Таким образом, этот признак исчезнет.

В качестве примера Дженкин приводил случай попадания белого человека на остров, населенный чернокожими. Если этот человек возьмет в жены женщину из аборигенов, их дети будут мулатами, а не белыми. А у внуков будет еще более темная кожа. Дарвин назвал эти утверждения «кошмаром Дженкина» – они могли разрушить его теорию!

Казалось бы, возразить Дженкину нечего, так и будет: белая кожа не сможет доминировать над черной. Но этот пример нельзя считать удачным, а постулат о растворении наследуемого признака – правильным. Во-первых, белая кожа – вовсе не полезный для выживания признак на африканском острове, во-вторых, гены, отвечающие за определенный признак, не растворяются и не смешиваются с другими генами, они наследуются дискретно. Это доказал своими экспериментами Грегор Мендель.

Во времена Дарвина считалось, что наследственность – слитное явление. При скрещивании признаки отца и матери смешиваются, и у потомства получается нечто промежуточное. На самом деле информация, заложенная в генах, не может изменяться. Из пары генов, отвечающих за определенный признак, один будет доминировать над другим, но они не смешаются.

Мендель проводил эксперименты с горохом. Так вот, если скрестить сорт гороха с желтыми семенами и сорт гороха с зелеными семенами, то у всех потомков первого поколения семена будут желтыми. Это закон единообразия гибридов первого поколения.

Во втором поколении (при скрещивании гибридов первого между собой) будет наблюдаться расщепление признаков 3:1. То есть у большей части растений гороха семена будут желтыми, у меньшей – зелеными. Это второй закон Менделя.

Третий закон наследственности гласит: если скрестить две особи, гены которых отличны по альтернативным признакам, то гены будут наследоваться независимо друг от друга. В этом случае возможны любые комбинации генов и, соответственно, признаков, за которые они отвечают. Например, при скрещивании двух видов гороха, с белыми цветками и желтыми горошинами и красными цветками и зелеными горошинами, могут возникнуть самые разные комбинации признаков: белый цветок и желтые горошины, белый цветок и зеленые горошины и т. д.

В начале ХХ века в биологии произошел синтез теории Дарвина и генетики, начавшейся с Грегора Менделя. В результате появилось современное эволюционное учение – синтетическая теория эволюции.

Палеонтология, стремительно развивавшаяся в XIX-ХХ веках, предоставила убедительные доказательства эволюции. Еще в XVIII веке археологи заметили, что древние ископаемые останки, обнаруживаемые в нижних геологических слоях, сильнее отличаются от современных видов, чем найденные ближе к поверхности. Это привело многих ученых к мысли о возможности эволюционного развития природы. Чем древнее растения и животные, тем меньше они похожи на те, что обитают на планете в наше время.

В то время, когда Дарвин работал над «Происхождением видов», в палеонтологической летописи было больше пробелов, чем заполненных участков. Сейчас пробелы успешно заполняются.

Методы современной науки позволяют с удивительной точностью определять, к какому периоду относятся те или иные ископаемые останки, как выглядели животные, которым они принадлежали, чем они питались, какой образ жизни вели и т. д.

Доказано, что первые простейшие микроорганизмы появились на Земле почти 4 млрд лет назад, многоклеточные организмы возникли около 1,7 млрд лет назад, высшие наземные растения образовались 450 млн лет назад, чуть раньше появились позвоночные животные. Усложнение и появление новых форм происходило постепенно и последовательно, между привычными нам видами существовало множество переходных форм, которые вымерли, но оставили после себя палеонтологические свидетельства.

Первые ископаемые останки археоптерикса, удивительного существа с птичьими крыльями и скелетом динозавра, были найдены в 1861 году. За два года до этого Дарвин обнародовал свою эволюционную теорию, вызвав взрыв в научном мире, так что эта находка пришлась как нельзя кстати. В переиздании «Происхождения видов» ученый пишет об археоптериксе как о промежуточном виде, находящемся на стыке между рептилиями и птицами.

Отпечатки крыльев и перьев позволяли отнести найденный экземпляр к птицам, но его скелет – когтистые пальцы на передних конечностях, строение хвоста, хищные зубы – говорил о том, что это динозавр. Динозавры появились раньше птиц, птицы – следующее звено эволюции. И, конечно же, этот переход произошел не мгновенно, из яйца динозавра не вылуплялся птичий птенец. Возникла переходная форма – археоптерикс. Он был найден не в единственном экземпляре; те археоптериксы, что жили позже него (на 30–40 млн лет), больше похожи на птиц и меньше на динозавров.

В начале нашего столетия археологи обнаружили предка археоптерикса – микрораптора. Этот динозавр, начавший понемногу превращаться в птицу, имел четыре функциональных крыла, по крылу на каждой из четырех конечностей. Вполне вероятно, что в этой длинной цепочке постепенного преобразования динозавра в птицу, растянувшейся более чем на 100 млн лет, были и другие существа, останки которых пока еще не найдены.

Археоптерикс жил в конце Юрского периода (180–144 млн лет назад).

В то время территория современной Европы, где он обитал и где найдены его останки, была ближе к экватору и представляла собой архипелаг из островов, окруженных теплыми водами. Растения, покрывающие сушу, в основном были чем-то вроде современных южных кустарников, высотой около трех метров.

В этих кустарниках и обитали археоптериксы. Большинство ученых склоняется к мысли, что они не умели полноценно летать, размахивая крыльями, как настоящие птицы, но были способны к планирующему полету. При помощи длинных пальцев и когтей, имеющихся и на передних, и на задних конечностях, археоптериксы могли забираться на деревья и кусты и планировать вниз.

Очень вероятно, что археоптериксы были ночными хищниками (на ночной образ жизни указывает строение их глаз). Они охотились на мелких существ, обитавших на земле и у побережья лагуны. По сути, археоптериксы занимали ту экологическую нишу, в которой в наши дни находятся морские птицы: чайки, утки, пеликаны, бакланы. Их соседями были птерозавры – небольшие летающие динозавры, не склонные к превращению в птиц, компсогнаты – двуногие динозавры ростом около метра и маленькие ящерицы.

Археоптерикс – наполовину птица, наполовину пресмыкающееся – жил 150 млн лет назад

Утконос был впервые обнаружен европейцами в конце XVIII века на юго-востоке Австралии. Жан Батист Ламарк, узнавший о существовании данного вида, переходного между млекопитающими и рептилиями, пришел к мысли, что в природе происходит постоянное усложнение организмов

Знаменитое судно «Бигль», на котором Дарвин совершил кругосветное путешествие, у берегов Огненной Земли (Южная Америка). Рисунок кисти Конрада Мартенса

В XVII веке, на заре зарождения науки эмбриологии, среди исследователей превалировал преформизм. Согласно этой доктрине либо в сперматозоидах, либо в яйцеклетке (преформисты делились на два лагеря) содержится готовая уменьшенная копия человека, так называемый гомункулус. Этот гомункулус, оказываясь в матке, начинает расти, не претерпевая никаких трансформаций.

Преформисты и не подозревали о тех грандиозных изменениях, которые происходят с зародышем за время вынашивания беременности. Об этом заговорили последователи другого учения, эпигенеза. Правда, в XVII–XVIII веках не было представления о том, как передается наследственная информация, и эмбриональное развитие представлялось довольно загадочным процессом.

Как же все происходит на самом деле? Каждый многоклеточный организм, будь то ящерица, птица или человек, появляясь на свет в виде крошечной зиготы в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида, проходит невероятно сложный путь развития. Первый этап этого развития – дробление. Зигота, не меняясь в массе и объеме, делится на мелкие клетки, образуя зародыш. На следующем этапе происходит движение клеток и образование зародышевых листков, из которых впоследствии будут сформированы ткани и органы. Дальше зародыш растет, накапливает клеточную массу, клетки обретают специализацию, постепенно превращаются в специализированные органы.

Самое интересное в этом процессе то, что на ранней стадии развития зародыши схожих видов, к примеру, всех позвоночных, практически неотличимы друг от друга. Хотя впоследствии у них, конечно, появляются характерные признаки.

По легенде, однажды во время лекции английского эволюциониста Джона Холдейна, читаемой для широкой публики, в аудитории прозвучало: «Невозможно поверить, что, пусть даже за миллиарды лет, одна-единственная клетка настолько усложнилась и превратилась в такое совершенное устройство, как человеческий организм». Автором скептического замечания была дама. «Мадам, – обратился к ней мэтр, – вы тоже можете проделать этот фокус, и не за миллиард лет, а всего за девять месяцев».

Каким же образом происходит это чудо – постепенное строительство сложного многоклеточного живого организма из единственной клетки? Автор этого чуда – ДНК, которую часто называют чертежом или проектом будущего существа. На самом деле ДНК – не совсем чертеж, это скорее компьютерная программа, которая определяет, что и когда нужно сделать, чтобы в нужный момент у будущего птенца образовались и развились зачатки крыльев, у зародыша ящерицы – длинный хвост, способный к регенерации, а у человека – четыре конечности с пятью пальцами.

В молекуле ДНК, этом микроскопическом кладезе генетической информации, хранятся все сведения о том, как должен развиваться организм, как он будет функционировать после формирования. Все наследственные особенности данной особи зашифрованы в ДНК, и они самопроизвольно расшифровываются, когда это нужно.

Основоположником эмбриологии был русский ученый Карл Максимович Бэр. Он первым доказал, что развитие всех живых существ начинается в яйцеклетке, оплодотворенной сперматозоидом, и что зародыши разных животных очень похожи между собой. «У меня в спирту сохраняются два маленьких зародыша, – писал ученый, – которые я забыл пометить, и теперь я совершенно не в состоянии сказать, к какому классу они принадлежат. Может быть, это ящерицы, может быть – маленькие птицы, а может быть – и очень маленькие млекопитающие, до того велико сходство в устройстве головы и туловища у этих животных. Конечностей, впрочем, у этих зародышей еще нет. Но если бы даже они и были на самых ранних стадиях своего развития, то и тогда мы ничего не узнали бы, потому что ноги ящериц и млекопитающих, крылья и ноги птиц, а также руки и ноги человека развиваются из одной и той же основной формы».

1. На ранней стадии развития зародыша проявляются общие признаки данной группы видов.

2. Затем – менее общие и в самом конце – особенные.

3. По мере развития зародыш одного вида все сильнее отличается от зародышей других видов.

Человек, особенно наделенный аналитическим складом ума, стремится все систематизировать. Многообразие живого мира – растений, животных, насекомых – издавна бросало вызов ученым, вызывая в них желание соединить его в упорядоченную систему. Первые известные нам попытки предпринимались еще древними греками, в частности Аристотелем, Теофастом и Гептодором. Они делили животных на хладнокровных и обладающих горячей кровью, а растения – на травы и деревья.

За прошедшие с тех пор века биологическая систематика не раз менялась, ее современный вид сложился в начале ХХ века, когда уже существовала теория Дарвина, зародилась генетика и сформировалось представление о постепенном развитии живых организмов от простейших к самым сложным.

В основе классификации всего живого лежит иерархический принцип. Начальный элемент классификации – вид – это совокупность организмов, объединенных общими признаками (строение, поведение и т. п.), общей территорией проживания, способных к скрещиванию и производству потомства. Сколько же на нашей планете различных видов? Ответить на этот вопрос не так просто. Количество видов, описанных на сегодняшний день наукой, составляет приблизительно 1,7 млн. Неописанных гораздо больше. Исследователи считают, что одних лишь грибов на Земле около 5 млн видов (на сегодняшний день известно 100 тысяч).

Дети одних родителей обычно похожи, у двоюродных братьев и сестер тоже имеется определенное сходство, но оно менее заметно, у троюродных еще меньше общего. Сходство, как нетрудно заметить, зависит от степени родства. Чем меньше поколений между сравниваемыми особями и их предками, тем выше степень родства и больше сходство. Родные братья и сестры имеют общего предка в первом поколении, двоюродные – во втором, троюродные – в третьем.

Если взять виды одного рода в биологической классификации, то можно обнаружить их общего предка, отделенного относительно небольшим числом поколений. Если же виды будут принадлежать к разным отрядам, то количество поколений, за которыми скрывается общий предок, значительно вырастет.

К примеру, общий предок обычных домовых мышей существовал на Земле около 10 млн лет назад. Общий предок всех известных на сегодня кошек жил приблизительно в то же самое время. Так же, как и в наши дни, кошки охотились на мышей, а мыши убегали от кошек. Как ни трудно это представить, когда-то давно ситуация была совсем другой – кошки и мыши не враждовали, более того, они были одним существом. Общий предок современных мышей и кошек жил на нашей планете приблизительно 70 млн лет назад.

Все живые существа, наделенные четырьмя конечностями, имеют по пять пальцев на каждой из этих конечностей. Почему именно пять, а не четыре, три или семь? В чем магия этого числа? Никакой магии нет, все дело в общем предке.

Около 400 млн лет назад на Земле обитало некое пятипалое существо.

Среди его друзей и врагов были существа с другим количеством пальцев. Для нас это непривычно, а тогда было в порядке вещей. По прихоти эволюции все соседи нашего пятипалого предка вымерли, а он выжил и дал многочисленное потомство, разветвившееся в очень непохожие друг на друга роды и виды. Таким образом, причина общности строения кроется в общности происхождения.

Может возникнуть закономерный вопрос: разве у всех четвероногих имеется четыре пальца? У коров или лошадей, к примеру, никаких пальцев не наблюдается. Это действительно так. У сформировавшихся особей парнокопытных пальцев нет, но на стадии эмбрионального развития они присутствуют, преобразуясь затем в копыта. То же касается дельфинов и китов, у эмбрионов этих млекопитающих есть пальцы, и их тоже пять, правда, по мере развития они соединяются вместе.

«Что может быть любопытнее того, что пригодная для хватания рука человека, роющая лапа крота, нога лошади, ласт дельфина и крыло летучей мыши построены по тому же самому образцу и содержат одинаковые кости с одним и тем же относительным расположением? – восклицал в свое время Чарлз Дарвин. – Ничто не может быть более безнадежным, как попытка объяснить эту общность строения у членов одного и того же класса с точки зрения полезности или учения о конечных причинах».

Биогеография, наука, изучающая, как различные виды живых организмов распределяются по поверхности земного шара, зародилась в эпоху великих географических открытий. Отважные путешественники, бороздившие просторы неизвестных территорий, привозили из дальних странствий образцы невиданных растений и животных. Позже натуралисты и естествоиспытатели стали сравнивать их с видами, обитающими в их родных краях, и задумываться: почему они в чем-то похожи, а в чем-то различны, как можно объяснить то, что некоторые виды обитают лишь на отдельных территориях, а другие распространены по всему миру?

Думал об этом и Чарлз Дарвин, вернувшийся из кругосветного путешествия, где ему удалось наблюдать удивительное разнообразие флоры и фауны. Большинство ученых того времени объясняли многообразие видов разницей в климате, географическом положении и тому подобных физических параметрах. Но Дарвина, как и некоторых других исследователей, подобные объяснения не устраивали. Если говорить о климате, то в Южной Америке, некоторых частях Африки и Юго-Восточной Азии он почти идентичен, но при этом растительный и животный мир этих регионов имеет совсем немного общего. В Австралии обитают десятки видов сумчатых – от кенгуру до мышей и волков. В Африке, где условия жизни почти такие же, сумчатых нет вообще.

Климат и другие составляющие физического мира, конечно же, воздействуют на внешний облик растений и животных. Но важнейшим фактором, оказывающим гораздо более существенное влияние, является наличие или отсутствие общих предков и история их эволюционных изменений.

Удивительны не только различия у животных, но и сходства. Например, в Европе существует обыкновенный крот с почти отсутствующими глазами и короткими лапками, приспособленными к рытью подземных ходов. А в Австралии живет сумчатый крот, очень похожий на европейского, но с сумкой, в которой он вынашивает детенышей.

Австралия, как известно, особенный материк, удаленный от остальных и потому обладающий уникальной флорой и фауной. Здесь обитает огромное разнообразие сумчатых животных, которых нет больше нигде в мире (за редкими исключениями, например, опоссум в Америке). Так что наличие сумки у крота, вроде бы, понятно. Но почему сумчатый крот так похож на крота европейского? Первый ответ на этот вопрос: сходные условия, в которых протекала эволюция. И австралийскому, и европейскому кроту понадобились сильные лапы и не понадобились глаза. Вторая причина их сходства – общий предок.

На первый взгляд это кажется фантастическим: как у австралийского и европейского крота мог быть общий предок, ведь между их континентами пролегают тысячи километров воды? Сейчас это действительно так. Но когда-то никаких преград между Австралией и Европой не существовало, они были частью единого континента, включающего и все остальные современные материки. 230 млн лет назад большую часть земного шара занимала суша, меньшую – один гигантский материк, названный учеными Пангея. Вот на этой-то Пангее и обитали предки многих современных животных, в том числе и крота.

Почему родители похожи на детей, а потомки на предков? Потому что информация о том, как должны выглядеть детеныши того или иного вида, передается по наследству в молекуле ДНК. Абсолютно у всех организмов способы записи, передачи и хранения генетической информации одинаковы. Каждая живая клетка содержит в себе ДНК – программу, по которой клетка сначала строит себя, а потом функционирует.

Относительно недавно, в ХХ веке, в биологии произошел прорыв: было открыто существование генов и ДНК, началась расшифровка генома (совокупности всех генов) животных и человека. С одной стороны, геном – это что-то вроде компьютерной программы, а с другой – это летопись, в которой зашифрована история развития организма и его предков с самых древнейших времен. Любое живое существо получило свои гены от предков, предки – от еще более далеких предков, и так почти до бесконечности, до самого первого организма. Гены могут передаваться без изменений, а могут меняться, эти изменения называются мутациями. Случайные или вредные мутации постепенно нивелируются, полезные же, помогающие выживанию, закрепляются и передаются последующим поколениям.

Таким образом, геномы современных животных и растений содержат в себе информацию обо всех предыдущих поколениях. Исследуя геномы, можно составить родословное древо всего живого мира, проследить родство между семействами, классами, видами. К примеру, по расчетам молекулярной биологии, общий предок, от которого произошли люди и обезьяны, жил более 30 млн лет назад. Прародитель людей и кошек вымер около 80 млн лет назад. Соответственно, генетические последовательности в спирали ДНК человека и обезьяны имеют больше общего, чем человека и кошки.

Киты, дельфины и другие представители китообразных долгое время были загадкой для эволюционистов. Эти морские обитатели очень сильно отличаются от других млекопитающих своим анатомическим строением и физиологическими особенностями, и ученые никак не могли определить, от кого они произошли, хотя гипотез на этот счет существовало немало. Еще Чарлз Дарвин, в середине XIX века, выдвигал предположение, что киты произошли от наземных животных. Позже его предположение подтвердилось.

Это ответвление эволюции можно считать уникальным. Известно, что древние животные вышли из моря на сушу, научились ходить, утратили жабры и избавились от плавников. С китами, вернее с их далекими предками, произошел обратный процесс. По последней генетической теории, китообразные произошли от очень необычных на современный взгляд наземных млекопитающих. Ученые дали этому отряду имя мезонихии. Внешне представители этого отряда напоминали современных волков, но вместо когтистых лап у них были копыта, подобные коровьим. И поэтому их считают родственниками нынешним парнокопытным – коровам, лошадям, жирафам, бегемотам и т. д. Мезонихии жили на побережье, охотились на обитателей моря и постепенно стали приобретать черты, делающие их жизнь более удобной. Их конечности трансформировались в плавники, шерсть исчезла, тело стало более обтекаемым. Кончилось все тем, что они стали китами и дельфинами.

Человеческий глаз – невероятно сложное устройство, трудно представить, что нечто подобное могло появиться само собой, под влиянием естественных природных причин. Дарвин, работая над «Происхождением видов», не смог дать подробного объяснения эволюции глаза, состояние науки того времени этого не позволяло. Этот факт очень огорчал ученого, он понимал, что им воспользуются его оппоненты. Но он ни секунды не сомневался, что эволюция органа зрения имела место.

«Разум говорит мне, что если бы могли происходить постепенные переходы от простого несовершенного глаза к сложному и совершенному, то каждый уровень перехода был бы полезным для его обладателя, как это и есть, – писал Дарвин. – Если далее глаз непрерывно изменяется, и эти изменения наследуются, что также соответствует действительности, и если бы такие изменения были полезны для любого животного при изменяющихся условиях жизни, тогда трудность поверить в то, что совершенный и сложный глаз мог быть создан путем естественного отбора, хоть это и непостижимо для нашего воображения, не рассматривалась бы как ниспровергающая теорию».

Последователи теории божественного сотворения мира по сей день используют совершенство зрительного органа человека как аргумент в свою пользу. Как такой удивительный прибор мог возникнуть из-за каких-то случайных мутаций? – вопрошают они. Но так ли совершенны наши с вами глаза?

Человеческий глаз представляет собой одну из множества разновидностей этого органа, которые очень сильно отличаются друг от друга. У некоторых животных глаз всего один, у других их несколько, третьи, вроде стрекоз или раков, имеют фасеточные глаза (состоящие из множества граней). Человек, как и другие позвоночные, является обладателем пары глаз, основные элементы которых – глазное яблоко и хрусталик. Назвать этот прибор совершенным нельзя, он обладает рядом странностей.

Свет, попадая на хрусталик глаза, проходит сквозь него и падает на сетчатку, состоящую из светочувствительных клеток. Чтобы пробраться к слою фоторецепторов, свет должен пробиться через сеть нейронов и капилляров. Потому что нервные окончания прикрепляются к светочувствительным клеткам не сзади, как было бы логичнее, а спереди. Оптический нерв, в который они собраны, создает на сетчатке слепое пятно. Чтобы избавиться от этого пятна, глаз вынужден находиться в постоянном движении, создавая множество проекций изображения и непрерывно отправляя их в мозг.

Если бы глаз создавал разумный конструктор, он бы расположил нервные окончания позади сетчатки и процесс зрения проходил бы гораздо проще. Но у эволюции выбора нет: она создает нечто лучшее из того, что есть в наличии, по многу раз меняя старые конструкции.

Эволюция глаза, как предполагают биологи, началась с того, что у неких живых существ 550 миллионов лет назад появились светочувствительные клетки. Благодаря этому новшеству существа смогли отличать свет от тьмы, что оказалось полезным для выживания и поэтому закрепилось в череде поколений. Впоследствии, в результате случайных мутаций, зрительная поверхность искривилась, и благодаря этому качество восприятия улучшилось. Теперь обладатели зачатков глаз могли определять, в какой стороне находится источник света. Благодаря дальнейшим мутациям возник глазной бокал – выпуклость в промежуточном мозге. На протяжении миллионов лет он сужался у основания и расширялся в средней части – это уже был глазной пузырь. Благодаря сужению и прохождению света через узкую диафрагму, зрение улучшилось. Светочувствительные клетки начали формировать сетчатку глаза. Образовалось глазное яблоко с хрусталиком посередине, который стал своеобразной линзой.

Ученые воссоздали процесс эволюции глаза при помощи компьютерного моделирования, в качестве объекта исследования был выбран глаз моллюска – довольно сложный орган, но не настолько сложный, как глаз человека. Расчеты показали, что для создания полноценного глаза из первичной группы светочувствительных клеток понадобится 364 000 поколений моллюсков. А так как у моллюска смена поколений происходит ежегодно, то зрительный орган мог сформироваться за 500 тысяч лет. По меркам эволюции это на удивление короткий срок. При этом нужно отметить, что моллюски существуют на планете несколько миллионов лет, так что возможностей для формирования глаза у них было предостаточно, и они воспользовались ими в полной мере.

Все живое на нашей планете так или иначе питается от солнечной энергии. Прямые потребители света, идущего от солнца, – растения с зелеными от хлорофилла листьями, в которых происходит процесс фотосинтеза. Это удивительное приспособление природы – преобразование света в органические вещества, способные питать самые разные виды животных. В ходе эволюции образовалась сложная пищевая цепочка, в начале которой находится солнечная энергия. Через растения она попадает в травоядных животных, затем в хищников, после этого – в падальщиков. Завершается цепочка бактериями и грибами, ответственными за разложение.

Для начала остановимся на первых потребителях света, растениях. Зачем природа создала высокие деревья, а не ограничилась травой или, в крайнем случае, кустарниками? Высота нужна деревьям для того, чтобы быть ближе к солнцу, к питанию, а значит, и выживанию. В своей естественной среде обитания – в лесу – каждое дерево вынуждено конкурировать с себе подобными за энергию солнца. Нетрудно заметить, что в густом лесу стволы у деревьев снизу голые, вся листва или хвоя сосредоточена вверху, там, где можно поймать фотоны. Лишь одиноко стоящие деревья могут иметь пышную крону и ветви, свисающие до земли.

С прагматичной точки зрения стволы деревьев – это избыточная роскошь, на которую тратится драгоценное питание. Если бы природа создавала себя по разумному замыслу, скорее всего, высоких деревьев бы не было. Ведь эти метры древесины нужны лишь для поднятия листьев повыше, туда, где никто не мешает подставлять их солнечному свету. Разумный архитектор сделал бы все деревья одинаково низкими и сэкономил тем самым ресурсы. Но эволюция – это не разумный архитектор, а цепь случайных мутаций, закрепляющая полезные изменения. Высокие деревья получают преимущества в конкурентной борьбе, поэтому высота закрепилась в череде поколений.

Среди самых быстрых животных планеты можно обнаружить и хищников, и их жертв. Это понятно: первым скорость нужна, чтобы догнать свой обед, вторым – чтобы убежать и выжить.

Львы и гепарды мгновенно разгоняются до автомобильных скоростей, газели и антилопы бегают почти так же быстро, но они более выносливы, хотя и не так молниеносны, как их преследователи.

Естественный отбор миллионы лет заставлял обоих ускоряться, чтобы сохранить равновесие. Хищники не стали настолько быстрыми, чтобы уничтожить всю добычу, а их добыча, в свою очередь, не научились бегать настолько быстро, чтобы стать абсолютно недосягаемой для хищников. Данную ситуацию некоторые биологи называют эволюционной гонкой вооружений. Каждая из сторон постоянно наращивает свои «боевые качества» и ни одна не готова уступить. Хищники развивают остроту зрения, скорость, внезапность, отращивают длинные когти и острые зубы, учатся создавать приманки и устраивать засады. Те, кто вынужден убегать и защищаться, образуют на своем теле панцири, приобретают шипы и иглы, вырабатывают защитную окраску или отпугивающие запахи.

Эта непрекращающаяся ни на секунду гонка вооружений происходит в эволюционном, а не в реальном времени, и не между каким-то конкретным хищником и его жертвой, а между генофондами видов.

То, что естественные враги – хищники и их жертвы – находятся в состоянии конкуренции, вполне понятно.

Но есть еще один аспект конкуренции в живом мире – это конкуренция между особями одного вида. Когда лев гонится за стаей газелей, газели соревнуются в скорости не только со львом, но и друг с другом. Сильнейшие особи победят, слабая достанется на обед хищнику. Конкуренция между добычей и хищником называется асимметричной. Конкуренция в пределах одного вида – симметричной.

Обе эти разновидности относятся и к растениям, и к животным. Деревья сражаются друг с другом за место под солнцем – это симметричная конкуренция, или гонка вооружений. Плющ душит дерево, чтобы воспользоваться его стволом и стать выше и ближе к солнцу, – это ассиметричная конкуренция.

Лев идеально приспособлен для того, чтобы убивать газелей. Газели как будто специально созданы для того, чтобы убегать от льва. Зачем природе нужно это противостояние, в котором нет и не может быть победителя? На этот вопрос нельзя дать ответ с рациональной точки зрения. Так нужно эволюции. Цель естественного отбора – выживание генов и их совокупностей. Вся жизнь на Земле существует для того, чтобы эта задача выполнялась.

Биолог-эволюционист Эрнст Геккель еще в конце XIX века нарисовал иллюстрацию, демонстрирующую сходство зародышей разных видов животных на ранних стадиях развития: рыба, саламандра, черепаха, курица, свинья, корова, кролик, человек

В современной классификации живых организмов растения и животные занимают далеко не центральное место – потому что по количеству существующих разновидностей они значительно уступают бактериям или одноклеточным археям

Гиппопотам – ближайший из ныне живущих родственников кита. Когда-то их общий предок предпочел вернуться с суши в море

Кости конечностей позвоночных похожи друг на друга, несмотря на все различия во внешнем строении и функциях конечностей

То, что дети похожи на родителей, ягнята – на овец, щенки – на собак, а проросший желудь – на дуб, люди, естественно, заметили очень давно. И пытались объяснить разными теориями. К примеру, древнегреческий врач Гиппократ, живший в V веке до н. э., считал причиной наследственности некий «экстракт», который есть и у матери, и у отца. Экстракты обоих родителей встречаются в зародыше и влияют на то, как будет выглядеть ребенок и какими он будет обладать особенностями.

Его соотечественник Аристотель, живший чуть позже, в IV веке до н. э., выдвигал идеалистическую гипотезу образования наследственности. Нематериальную субстанцию, ответственную за передачу наследственных признаков, он называл энтелехией.

По мысли философа, энтелехию ребенку передает отец, от матери зародышу достается материальное начало, в котором и воплощается энтелехия.

По-настоящему научное изучение явлений наследственности началось лишь в XIX веке; одним из первых ученых, занявшихся этой проблемой, был Проспер Люк. Он провел огромную исследовательскую работу о наследовании потомками разных качеств предшествующих поколений и на ее основе написал обширный трактат. Люк выделил три разновидности наследственности: избирательную (рассматриваемый признак переходит от одного родителя), смешанную (материнские и отцовские черты в данном признаке смешиваются) и комбинативную (появляется признак, которого не было ни у одного из родителей).

Следующий значительный шаг в изучении механизмов наследования сделал Эрнст Геккель. Он первым отметил, что наследоваться могут как врожденные признаки, перешедшие от предыдущих поколений, так и приобретенные, появившиеся недавно.

Чарлз Дарвин тоже пытался создать теорию наследственности, которая бы объясняла все аспекты этого явления, но в XIX веке, когда еще не было понятия о генах и ДНК, это было попросту невозможно.

В соответствии с определением современной биологии, наследственность – это способность организмов повторять в ряду поколений комплекс признаков (внешнее строение, химический состав, особенности физиологии, обмена веществ и т. п.). Наследственность обеспечивает сохранение видов на протяжении длительного времени. Некоторые виды существуют десятки и даже сотни миллионов лет. За это время они подверглись изменениям, но все же сохранили характерные черты – благодаря наследственности.

В процессе наследования участвуют гены – участки ДНК, в которых зашифрована информация о каждом конкретном признаке данной особи, от строения органов до цвета глаз. ДНК находится в ядре каждой клетки организма, в том числе и в половых клетках. Когда образуется зародыш, он уже содержит в себе ДНК, унаследованную от родителей. Во время деления клеток ДНК копируется, поэтому ее присутствие в каждой клетке организма сохраняется.

Индивидуальный набор генов каждой конкретной особи называется генотипом. Но на то, каким будет индивидуум, влияют не только гены, но и окружающая среда. Под ее воздействием генотип может изменяться, образуя фенотип – продукт взаимодействия генотипа и окружающей среды, сочетание структурных черт и поведенческих особенностей.

Невозможно найти два абсолютно одинаковых дерева ни в лесу, где растения попадают в почву в разное время и подвергаются различным воздействиям, ни в саду, где саженцы высаживаются одновременно и уход за ними идентичен. Нет совершенно одинаковых коров в стаде или уток в стае. Каждое животное индивидуально, имеет свои уникальные черты. Биологи называют это свойство живой природы наследственной изменчивостью. Наследственной – потому, что изменение признаков может передаваться по наследству.

Нет ни одного органического вида, в котором отсутствовала бы изменчивость. При этом повлиять на трансформацию признаков могут даже очень незначительные изменения в уходе, питании, климате и т. д. Чарлз Дарвин выделял четыре вида изменчивости: групповую (теперь ее называют модификационной), неопределенную индивидуальную (генотипическую), коррелятивную и компенсаторную. Первая связана с одновременными изменениями у целой группы потомства. Например, выдалась экстремально холодная зима, и шерсть у всех ягнят стала гуще, чем обычно. Вторая – это незначительные отличия в пределах одной разновидности (немного разная окраска крыльев божьей коровки, стручки бобовых, отличающиеся формой и размером). Третий вид изменчивости происходит из-за того, что воздействие на организм часто бывает комплексным. Меняется один орган, а вслед за ним и другой. К примеру, если у аистов удлиняется шея, то и ноги становятся более длинными. В соответствии с четвертым видом, интенсивное развитие одних органов и систем может стать причиной угнетения других: мясные породы коров дают, как правило, немного молока.

Натуралисты XVIII–XIX веков относились к внутривидовой изменчивости довольно пренебрежительно. Им казалось, что отклонения от усредненного типичного представителя вида только портят общую картину, внося беспорядок в классификацию. Дарвин был первым из биологов, кто догадался, что изменчивость – это не просто пустая прихоть природы, а источник эволюционных преобразований видов. Изучив изменчивость, поняв ее механизмы, можно получить ключ к процессу эволюции.

В ХХ веке биологи и генетики активно включились в изучение наследственной изменчивости. Среди тех, кто внес наиболее значительный вклад в эту область можно назвать советских ученых Вавилова, Добржанского, Четверикова. Они на протяжении многих лет собирали материал, позволивший в итоге сделать научно обоснованные выводы. Было обнаружено, что большинство изменчивых признаков являются таковыми, потому что в популяции присутствует множество генов, ответственных за данные признаки. Они могут меняться и комбинироваться, создавая различные варианты.

Кроме явной изменчивости, той, которую можно видеть невооруженным глазом, существует и скрытая. Впервые об этом заговорил Сергей Сергеевич Четвериков. Его статья, посвященная данной проблеме, до сих пор считается основополагающей в современной теории эволюции. Каждая популяция каждого вида подвержена огромному количеству скрытых мутаций. У одного животного или растения появляется один нетипичный признак, у другого – другой. Среди этих мутаций есть и летальные, из-за которых особь погибает. Большая часть мутаций нивелируется, не передается по наследству. Поэтому вид в целом сохраняет более или менее однообразное строение, физиологию, химический состав и т. д.

Во второй половине ХХ века появились методы, недоступные ранее: цитологические и биохимические исследования, молекулярная биология, генетические расчеты. Все это продвинуло изучение наследственной изменчивости на новый уровень. Выяснилось, что генетическая изменчивость гораздо более многообразна, чем можно было предположить.

Внешне очень схожие особи могут сильно отличаться генетической картиной. Их хромосомы (структуры, содержащие ДНК и гены) могут быть различны, но различия эти скрыты внутри клетки, в хранилище генетической информации. Что из этого следует? То, что запасы изменчивости всех видов практически бесконечны, а значит, у эволюционного процесса имеется огромное количество материала. Какие бы изменения ни произошли, эволюция может дать на это ответ новыми приспособлениями.

Чарлз Дарвин, так же как и большая часть биологов того времени, считал единицей эволюционного процесса вид. Но современная теория эволюции выбирает на эту роль более мелкое сообщество живых организмов, популяцию. Итак, что же такое популяция животных или растений? Это общность организмов данного вида, в течение длительного времени занимающего определенную территорию (ареал обитания). Это совокупность особей, имеющих общий генофонд; в результате скрещивания внутри популяции происходит ее воспроизведение; популяция относительно обособлена от других групп животных – и географически, и репродуктивно. Популяция входит либо в состав вида, либо в состав подвида.

Эволюция является очень долгим и постепенных процессом: на то, чтобы закрепились те или иные признаки, уходят тысячи и даже миллионы лет.

Это не то, что происходит с отдельной особью, эволюцию нельзя увидеть своими глазами, на это не хватит жизни. Каждый организм в популяции имеет индивидуальный генотип – совокупность всех генов. Он выглядит и ведет себя так, как ему предписывают гены. Генофонд популяции – это все генотипы, вместе взятые. Эволюция происходит не на уровне отдельной особи, а на уровне генофонда. Какие-то из генотипов выживают и дают успешное потомство, другие не размножаются, третьи погибают. Так в генофонде происходит отбор жизнеспособных генотипов.

Механизм отбора и передачи успешных генотипов очень прост. Если особь, сформировавшаяся в соответствии с заложенной в нее генетической программой, хорошо приспособлена к той среде, в которой оказалась, то она доживает до детородного возраста. И оставляет потомство, которому передается, полностью или с некоторыми изменениями, ее генотип. Если же личные характеристики особи не позволили ей выжить, то вместе с ней погибает и присущий ей генотип. Таким образом, удачные для существующих условий среды генотипы накапливаются в популяции, а те, что приспособлены плохо, постепенно из нее изымаются.

Постоянства в природе нет, все меняется, время от времени происходит смена внешних условий: повышается или понижается влажность, температура и т. п., изменяется ландшафт, естественные враги приобретают новые приспособления, конкуренты за ресурсы активизируются или, наоборот, исчезают. Те признаки, которые были полезны для выживания вчера, сегодня могут оказаться ненужными и даже вредными. На смену тем генотипам, которые были успешны еще недавно, приходят новые, успешные сейчас. Генофонд популяции меняется.

Ареал вида может быть огромным и занимать целые континенты. В этом случае разнообразие генотипов внутри него особенно велико. Часть вида может жить на побережье, часть в горах, часть на равнине. И у каждой из этих частей будут свои полезные признаки. Таким образом, возникнут серьезные отличия. Но они далеко не всегда приводят к разделению вида на подвиды, потому что внутри вида постоянно происходит обмен особями – миграции, скрещивания. Поэтому вид может очень долго сохраняться более или менее неизменным.

Процесс эволюции генофонда не имеет завершения. Он не может закончиться окончательной и полной победой того или иного генотипа популяции. Условия обязательно изменятся, и понадобится новая кровь, вернее новые гены.

Отличить корову от лошади, козу от барана, а кошку от собаки совсем несложно. С такой задачей легко справится пятилетний ребенок. Если же животные – близкие родственники в системе биологической классификации, то разобраться, кто есть кто, уже сложнее. Не каждый ребенок определит, чем отличается песец от лисы. А между тем лиса и песец – представители разных родов. Когда речь идет о видах, относящихся к одному роду, произвести правильную классификацию смогут только специалисты. Например, отличить ландыш майский от ландыша горного. Несмотря на то, что морфологический критерий не является абсолютно надежным, для определения и различения видов он используется в первую очередь.

В 1735 году шведский натуралист Карл Линней издал труд «Система природы», в котором «разложил по полочкам» все накопленные к тому моменту сведения о разнообразии растений и животных. До этого в мире флоры и фауны царил хаос: ботаники и зоологи находили и описывали все новые виды, сведения копились, но никакой системы не было. Хотя понятие вида существовало и до Линнея так называли группы похожих друг на друга особей, например, чайка, медведь, уж, пшеница, клевер и т. п. Единственной причиной отнести тот или иной организм к определенному виду были его морфологические признаки, то есть внешнее сходство.

На протяжении XVIII века система Линнея распространилась и прижилась в научном мире, в начале XIX века Жорж Кювье внес в нее уточнения. Он ввел понятие типа – высшей на тот момент категории классификации. После этого, по мере совершения новых открытий в биологии и генетике, система неоднократно изменялась и дополнялась. Важный вклад в классификации принадлежит русскому ученому Андрею Семенову-Тяншанскому, который разграничил подвиды и дал им определения.

С тех пор как появились современные генетические и молекулярно-биологические методы исследования, устанавливать границы между видами стало проще. У каждого вида имеется собственный кариотип – набор хромосом, отличающийся от кариотипов других видов количеством, размерами и строением. К примеру, у человека всего 46 хромосом, у шимпанзе – 48, и они отличаются своими характеристиками. Зная кариотип особи, можно понять, к какому из близкородственных видов она относится. Кроме кариотипа в установлении вида помогает изучение строения молекул белка, сравнение последовательностей ДНК, физико-химические и иммунологические исследования.

Тем не менее ни один из перечисленных методов не является абсолютно точным. В некоторых случаях далекие друг от друга виды (к примеру, разные виды семейства кошачьих) имеют идентичные кариотипы. У бурозубок, маленьких зверьков из семейства землеройковых, обратная ситуация: кариотипы разных популяций одного вида очень сильно отличаются. Определенные группы генов могут быть одинаковыми и у растений, и у животных. К примеру, в обыкновенном горохе присутствует ген, который встречается и у человека. Таким образом, чтобы получить точное представление о границах видов, нужно использовать комплексный подход.

Важный критерий определения и изучения вида – это ареал его обитания, а также экологическая ниша, которую он занимает. Под экологической нишей биологи подразумевают условия окружающей среды, которые необходимы данному виду для выживания. Во многих случаях вид занимает более или менее цельную, ограниченную изменением ландшафта, территорию. Но иногда ареал обитания вида разорван, и вид по тем или иным причинам разбит на популяции, изолированные друг от друга. Бывает и такое, что ареалы разных видов, находящихся в близком родстве, перекрываются, виды вместе обитают на одной территории.

Территориальная изоляция вида редко бывает полной, а репродуктивная – почти всегда. Особи одного вида скрещиваются между собой, но не с другими видами. Правда, и из этого правила есть исключения. Все мы слышали о лиграх или тигрольвах – гибридах льва и тигра. Подобные казусы случаются и среди других видов флоры и фауны.

Когда говорят о виде на временной шкале, то имеют в виду связь между популяциями, которые существовали в разное время, но при этом обладают общими характеристиками, позволяющими отнести их к одному виду. Некоторые биологи предлагают называть такие общности эволюционными видами.

Медвежонок похож на свою маму, потому что в его генах, передавшихся по наследству, заложена информация о мохнатой шкуре, острых когтях, умении лазать по деревьям и т. д.

Деревья в лесу тянутся ввысь, чтобы получить свою порцию солнечного света – главного источника энергии жизни

Стручки фасоли, выросшие на одном кусте, немного отличаются друг от друга формой, размерами и т. д. Это иллюстрация наследственной изменчивости, присущей всем растениям и животным

В биологии и экологии популяцией называют сообщество живых существ одного вида, живущих на определенной территории

Если бы гены всегда передавались от поколения к поколению в неизменном виде, то эволюция была бы невозможна. Передаваясь от предков потомкам, ДНК копируется, но зачастую копия отличается от оригинала, очень незначительно, едва заметно. Но в этих незначительных, случайных ошибках и кроется секрет прогресса, развития и многообразия всего живого. Эти ошибки, возникающие в генах, называются мутациями.

Мутации могут появиться у любого организма в любых условиях существования, даже самых благоприятных. Но этот процесс особенно активизируется при вредных и нежелательных воздействиях: стрессы, вирусы, климатические катаклизмы, физическое и химическое влияние. По расчетам генетиков, приблизительно треть всех человеческих генов содержит в себе те или иные мутации. Почему же мы этого не замечаем? Во-первых, речь не идет о каких-то экстремальных изменениях организма, как в фильмах ужасов. Во-вторых, далеко не все мутации себя проявляют, а если это и происходит, то не всегда явно. Чаще всего человек (животное, растение) становится носителем мутантного гена, который может активизироваться в следующих поколениях.

Самая простая классификация мутаций – это разделение их на полезные, вредные и нейтральные. Большая часть возникающих мутаций относится к последним. Они никак не влияют на фенотип, не помогают и не вредят организму, просто остаются в генах «на всякий случай». Вторая по численности группа – вредные мутации. Эти изменения нарушают нормальное функционирование органов и систем, создают отклонения в развитии и часто приводят к гибели. Вредные мутации постепенно выбраковываются природой из генофонда.

Полезных мутаций меньше всего, к ним относят те, что помогают организму лучше приспособиться к окружающей среде. Полезность мутаций зависит от множества факторов, их нужность для выживания не всегда сразу очевидна. Например, мутация, помогающая насекомым-вредителям выжить, возникла в их генах задолго до того, как появились ядовитые инсектициды. Какое-то время она была не нужна, но, когда возникли экстремальные условия, очень пригодилась.

Практически все масштабные мутации отбраковываются естественным отбором. Фенотип организма – его внешний вид, внутренняя структура и т. п. не могут сильно и внезапно измениться. Природа не делает скачков – говорят биологи. Сохраняются и накапливаются мелкие, незначительные мутации.

Все мутации возникают случайно. Среди неспециалистов бытует мнение, что мутация – это прямой ответ на сильное влияние извне. Если вернуться к насекомым, поедающим культурные растения, то выстраивается такая схема: на вредителей побрызгали ядом, они мутировали, приспособились и выжили. На самом деле все обстоит не совсем так. Прямых и быстрых изменений в фенотипе не происходит. Для того чтобы приспособиться, вид «находит» в своем генотипе подходящие мутации. Особи, у которых они имеются, выживают и дают потомство, немного меняясь в угоду изменившимся обстоятельствам. Правда, количество мутаций под воздействием инсектицида, действительно, увеличивается, но они случайны и не направлены.

Если говорить о ДНК в терминах кулинарии, то это рецепт создания данного организма. Еще ее можно назвать программой, по которой происходит развитие. Но это не чертеж, где все абсолютно точно рассчитано заранее. Особь растет и развивается в соответствии со своей программой (генотипом), одновременно на нее воздействует среда, в результате получается уникальный фенотип, неповторимое создание природы. Генотип влияет на фенотип, и очень существенно. Обратного же влияния не существует. Внешний вид и поведение организма не могут повлиять на его гены.

Направленных мутаций не бывает: организм и даже популяция, и вид в целом не могут знать, какие мутации могут понадобиться в следующем поколении. Все происходит случайно. Но выбор у эволюции, благодаря накопленным мутациям, довольно велик.

Мутации меняют гены, их порядок и расположение, создают копии. Все это усложняет организм и создает площадку для эволюционных изменений. Генотип особи и генофонд вида – это своеобразная мастерская, где природа находит инструмент, необходимый для выживания в данный момент.

В теории, если рассматривать генетический состав популяции с точки зрения статистики, количество тех или иных генов у разных поколений должно быть примерно одинаковым. Предположим, у популяции бузины, растущей на окраине леса, имеется 2 % генов, отвечающих за небольшое изменение окраски цветов. Казалось бы, ровно такой же процент этих генов должен быть у следующего поколения. Вполне возможно, что так и будет. Но может вмешаться случай и изменить генетический состав популяции. Например, именно та часть кустов бузины, что содержит вышеупомянутый ген, погибнет от лесного пожара. Значит, данный вариант гена (аллель) исчезнет из популяции, его не будет у следующих поколений.

Дрейф генов – это случайное, непредсказуемое изменение вариантов генов в популяции. И одна из движущих сил эволюционных изменений. В разных популяциях одного вида дрейф генов протекает по-разному, поэтому со временем между популяциями может возникнуть немало отличий. В некоторых случаях эти различия могут привести к появлению новых видов. Надо сказать, что это происходит не так уж часто и требует большого количества времени. Чаще всего различия нивелируются благодаря скрещиванию между популяциями. Но гены не перестают дрейфовать случайным образом, и со временем появляются новые отличия.

Количество особей в популяции непостоянно, изменения численности биологи называют популяционными волнами. В благоприятный период численность может сильно вырасти, при каких-то катаклизмах (похолодание, нехватка пищи, активизация врагов) – упасть до минимума. В момент спада дрейф генов становится решающим фактором для эволюционного процесса. Большая часть популяции гибнет, какое-то количество генов исчезает, разнообразие генофонда резко уменьшается. В популяции остаются гены, носителями которых были выжившие особи. Они и передаются следующим поколениям, исходный генетический состав популяции меняется. Это называется эффектом бутылочного горлышка.

Яркий пример действия этого эффекта – популяция гепардов. Относительно недавно она оказалась на грани вымирания, по подсчетам генетиков выжило буквально несколько особей (некоторые даже приводят точное число – семь). Генетическое многообразие популяции свелось к минимуму, сопротивляемость болезням и другим воздействиям упала, поэтому хищникам угрожает полное исчезновение. Морские слоны тоже едва не исчезли в XIX веке, когда на них велась промышленная охота. Но популяция смогла восстановиться, так как сохранившийся набор генов оказался довольно жизнеспособным.

Еще одно явление, связанное с дрейфом генов, называется эффектом основателя. Иногда небольшая часть популяции отделяется и основывает собственное, новое сообщество. В этом сообществе будут присутствовать гены тех индивидуумов, которые вошли в него изначально. Генетическое разнообразие в новой популяции будет меньше, чем в основной, а распределение генов станет нехарактерным.

Эффект основателя особенно заметен среди растений и животных, населяющих острова. В каждой изолированной группе имеется свой набор генов, а возникающие новые мутации все больше отделяют группы друг от друга.

В Карибском море есть остров Тринидад, где в естественной среде живут рыбки гуппи, которых мы привыкли видеть в аквариумах. Часть рыбок обитает в верхней части острова, часть – в нижней. В верховьях рек рыбкам практически ничто не угрожает, жизнь у них легкая и привольная. В низовьях рек и озерах водится множество хищников, в огромных количествах уничтожающих гуппи. Разные условия жизни привели к тому, что эволюционные изменения у этих групп рыбок шли в разных направлениях. Рыбки, живущие в нижней половине Тринидада, научились размножаться в юном возрасте (пока их не успели съесть хищники) и производить очень большое количество мелкого потомства (чтобы хоть кто-то выжил). У их родственников из верховьев рек половая зрелость наступает позже, а мальки гораздо крупнее, так как им ничто не угрожает.

Пример с гуппи – прекрасная иллюстрация одной из форм естественного отбора, который называют движущим. Он действует тогда, когда изменяются условия окружающей среды. Генофонд популяции перераспределяется таким образом, чтобы максимально приспособиться к новым факторам. Если «верхних» гуппи поместить в места, где живут «нижние», они тоже начнут меняться и через некоторое время их внешний вид и поведение будут такими же, как у коренных обитателей.

Вторая, противоположная, форма отбора – стабилизирующая. Она работает в тех случаях, когда популяция долгое время остается в постоянных, не меняющихся условиях. В этом случае эволюция не замирает, как можно было бы предположить. Отбор продолжается, он происходит в пользу средних цифр. Для примера возьмем такое качество, как плодовитость. Казалось бы, чем больше детенышей, тем лучше. На самом деле многочисленное потомство труднее прокормить. А если детенышей мало, велики шансы, что никто из них не выживет. Поэтому эволюция в стабильных условиях существования выбирает среднюю плодовитость.

При движущем отборе в ход идут крайние формы признаков, помогающие приспособиться к тем или иным переменам. При стабилизующем – средние, которые дают возможность усовершенствовать те или иные функции. Третья форма отбора, дизруптивная, близка к первой. Отличие в том, что в случае движущего отбора используется один из крайних признаков, а в случае дизруптивного (разрывающего) – оба сразу.

Чтобы было понятнее, обратимся к примеру. Возьмем некий полевой цветок, который цветет все три месяца лета. При этом его, вместе с другими травами, косят в июле. Значит, преимущества получат те растения, которые отцвели рано и успели сбросить семена в июне, или те, что цветут уже после покоса, в августе. В результате образуются две разновидности этого цветка: раноцветущая и поздноцветущая.

Последняя форма отбора – половой отбор – в классификации стоит особняком. Его действие направлено на успех в размножении и, соответственно, привлекательность для противоположного пола. Приспособленность самца зависит от его способности понравиться самке, для этого обычно используется яркая окраска и ритуалы ухаживания. Приспособленность самки зависит от ее умения выбрать для своих детей отца с наилучшими генами, повышающими шансы на выживание.

Схема эффекта бутылочного горлышка: если из-за какого-то экстремального воздействия численность популяции резко уменьшается, у следующих поколений будет меньше разнообразия в генах, ведь часть генетического материала исчезнет

Виды бабочек, или чешуекрылых, внешне отличаются друг от друга размером, формой крыльев, вариантами окраски

Черные тетерева яростно сражаются за самку – это одна из форм борьбы за существование. Победитель получит возможность передать свои гены потомкам

Приспособленность каждого животного, его успешность с точки зрения эволюции измеряется потомством. Чем больше потомства оставила данная особь, тем большее ее генов перешли в следующее поколение

Самый известный из вымерших видов – динозавры. Эти потрясающие животные жили в Мезозойскую эру и исчезли с лица земли 65 миллионов лет назад

Миграции особенно распространены среди перелетных птиц, которые постоянно перемещаются из одной области обитания в другую и обратно

Покровительственная окраска и форма тела богомола позволяют ему притворяться частью растения – так он адаптировался к окружающей среде

Шары омелы, прикрепляющиеся к деревьям, – это растения-полупаразиты. Омела берет у растения-хозяина минеральные вещества и воду, а органические вещества создает сама за счет фотосинтеза

Человек, так же как горилла, лемур, макака и многие другие обезьяны, относится к отряду приматов. Эволюция нашего вида, ушедшего в развитии так далеко от своих далеких предков, тесно связана с эволюцией приматов. Эта группа млекопитающих появилась на свет приблизительно 90 миллионов лет назад и беззаботно существовала практически на всей планете на протяжении десятков миллионов лет, пока не наступило глобальное похолодание. Оно произошло 30 миллионов лет назад и погубило огромное количество приматов; выжили лишь те, что обитали в Африке, на юге Азии и Америки. От них и произошли все современные виды обезьян и мы с вами.

Приматы – это теплолюбивые лесные млекопитающие, приспособившиеся к лазанию по деревьям. Общие признаки всех представителей этого отряда – пятипалые конечности, упор во время ходьбы на всю стопу, наличие ключиц (у тех видов, что приспосабливаются к быстрому бегу, они утрачиваются), питание одновременно животной и растительной пищей. Как можно заметить, все эти признаки присутствуют и у человека.

Приматы были довольно гибкой группой животных, способных приспосабливаться к самым разным условиям – поэтому они существуют до сих пор и имеют огромное количество разновидностей. Разделение приматов на три ветви произошло около 7–8 миллионов лет назад. Предки людей пошли своим эволюционным путем, предки горилл и шимпанзе – своим.

Древнейшие из предков человека, жившие 5,5–4,5 миллионов лет назад – ардипитеки. Они относятся к факультативным двуногим, этот термин означает, что ардипитеки могли передвигаться и на двух ногах, по земле, и на четырех, когда лазали по деревьям. Они были размером с современных шимпанзе, обитали в поймах рек и могли употреблять в пищу практически все.

Следующая ступень эволюции человека – австралопитеки, их возраст приблизительно 4 миллиона лет. Они ходили на двух ногах, хотя при этом сильно сутулились, так как еще не приобрели привычку сильно отрывать от земли передние конечности. Считается, что именно австралопитек впервые взял в руки палку или камень, чтобы каким-то образом упростить свои задачи в борьбе или добывании пищи. Их внешность была не такой пугающей, как у предков: нижние челюсти стали уже, клыки уменьшились и не так выпирали.

Около двух миллионов лет назад появился первый представитель рода Homo, что означает «человек». Его эволюция пошла по пути увеличения мозга, что привело к удивительным результатам. Человекумелый научился не только использовать палки и камни, но и самостоятельно изготавливать примитивные орудия труда. Позже появился человек работающий, который умел охотиться и трудиться, да к тому же обладал зачатками речи, вслед за ним – человек прямоходящий, который применял огонь для обработки пищи. Эволюция Homo происходила не линейно, было много различных ответвлений в разных регионах, но все они вымерли.

В наши дни остался только один вид рода Homo – человек разумный, или Homo sapiens. Его предки жили около 300 тысяч лет назад в Африке, откуда распространились по всему миру. За эти 300 тысяч лет произошли все те эволюционные изменения, которые превратили древнейших Homo sapiens в современных людей.

Гориллы, так же как и люди, относятся к классу приматов. Наш общий предок парапитек когда-то был единым видом, который впоследствии разделился, и каждое ответвление пошло своим эволюционным путем

Существует мнение, что в далеком будущем люди эволюционируют в киборгов – симбиоз биологического организма и компьютера.

Все породы собак – от мелкого йоркширского терьера до огромного водолаза – произошли от одного общего предка и относятся к одному виду. Это иллюстрация микроэволюции

Когда-то Земля была безжизненным шаром, образовавшимся из газопылевого облака. Для того чтобы на ней зародилась жизнь, ей пришлось пройти долгий эволюционный путь