Генетика и эволюция жизни.
Чарлз Дарвин (1809–1882) был первым, кто ясно понял, что новые виды формируются в результате генетических изменений и что движущая сила эволюции — это естественный отбор. Дарвин только что окончил Кембриджский университет, когда его пригласили участвовать в многолетней экспедиции на корабле «Бигль», отправлявшемся в кругосветное путешествие. Кульминационным моментом экспедиции Дарвина стало посещение Галапагосских островов, где он обнаружил много новых видов, которые были во многом схожи, но явно отличались друг от друга на разных островах. Здесь эволюция видов от общего предка была очевидна. Собранный в ходе путешествия материал был очень богат; потребовалось несколько лет для его изучения и систематизации.
Дарвин держал при себе выводы об эволюции видов, сделанные им на основе собранного материала. Наконец в 1858 году письмо от его друга Альфреда Уоллеса (1823–1913), который в то время был на Малайском архипелаге, заставило Дарвина действовать: в письме Уоллеса содержалось краткое описание теории эволюции. На собрании Линнеевского общества в 1858 году Дарвин сделал общий доклад об открытиях, совершенных им и Уоллесом. Через год Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов», в которой он описал основную теорию (свою и Уоллеса): эволюция происходит путем естественного отбора небольших изменений унаследованных свойств. Эти изменения, происходящие от поколения к поколению, представляются нам как эволюция внутри популяции. Эволюция видов обусловлена усовершенствованием программы жизни. Когда существо умирает, программа переходит к следующему поколению, а естественный отбор следит за тем, чтобы существа с наилучшими программами преуспевали и воспроизводились.
Идею превращения одного вида в другой уже высказывали древние греки Анаксимандр и Эмпедокл, а позже об этом же говорил француз Жан Батист Ламарк (1744–1829). Но идея эволюции по Ламарку отличалась от идей Дарвина: Ламарк считал, что особенности, приобретенные существом в течение его жизни, наследуются его потомками. Например, шея жирафа длинная, потому что добывание пищи с веток деревьев немного удлиняло шею каждой особи, и поэтому каждый потомок наследовал шею, которая была немного длиннее, чем у его родителя. Согласно Дарвину, причина длинной шеи совсем другая: длинная шея способствует выживанию животного, поэтому небольшие внутренние изменения в генах в пользу длинной шеи дали предпочтение и были отобраны в течение многих поколений.
Немец Август Вейсман (1834–1914) в 1880-х годах разработал теорию передачи наследственных свойств через репродуктивные клетки — яйцеклетки и сперму. Сначала он был врачом и занимался микроскопическими исследованиями, но его зрение ухудшилось, и это вынудило его заняться теоретической работой. Его теория о том, что свойства каждого вида передаются репродуктивными клетками, дало новую жизнь эволюционной теории Дарвина о естественном отборе. Теория Вейсмана имела и важный социальный аспект: она показала, что моральные качества не передаются по наследству, а приобретаются путем обучения.
Как только Дарвин применил свою теорию к происхождению человека, у него начался конфликт с религиозными кругами. Вероятно, именно по этой причине он затягивал публикацию своей теории. Хотя сам Дарвин не участвовал в диспутах, мнение людей резко разделилось: у него появились сторонники и оппоненты. Говорят, во время дебатов между сторонником Дарвина Томасом Хаксли (устар. Гекели) и Оксфордским епископом Самюэлем Уилберфорсом последний спросил у Гекели, по линии деда или бабки тот ведет свое происхождение от обезьяны. Хаксли парировал, что обезьяну в качестве предка он предпочел бы человеку, который расходует свои способности и влияние на превращение серьезной научной дискуссии в балаган.
Впечатление, которое производит этот знаменитый анекдот, можно уравновесить тем, что ранее писал Уилберфорс в рецензии на книгу Дарвина «Происхождение видов»: он полагал, что научные теории следует оценивать лишь на научной основе и что нельзя отвергать какой-либо вывод только потому, что он кажется вам странным: «Настойчивые размышления Ньютона позволили ему в падении яблока открыть закон, управляющий величественным движением звезд. Если мистер Дарвин сможет так же аргументированно доказать нам наше происхождение от поганок, мы смирим свою гордыню и с характерной для философов скромностью признаем наше неожиданное родство с грибами».
После обсуждения всех известных ему в том далеком 1860 году фактов Уилберфорс заявил, что теория Дарвина, по его мнению, неверна. Но для наших современных спорщиков, у которых эволюция в целом и ее приложение к человеку все еще вызывают сильные эмоции, Уилберфорс оставил послание:
«Мы не симпатизируем тем, кто противится любому, пусть даже подозрительному факту в природе или же любому заключению, логически выведенному из этих фактов, лишь только потому, что, как им кажется, это противоречит учению Библии. Нам представляется, что подобные возражения отдают робостью, которая, в действительности, несовместима с твердой верой».
Основные свойства живого следуют из общности происхождения.
Вспомним, что сущность теории Дарвина состоит в появлении небольших изменений в генетическом материале и, в результате, в организме. В то время механизм этих изменений еще не был известен. Мы уже говорили, что избыточность генетического кода допускает некоторые изменения нуклеотидной последовательности без изменений в кодируемых белковых продуктах. Кроме того, аминокислоты, кодируемые подобными последовательностями, структурно похожи друг на друга. Далее, формирование конечных трехмерных белковых продуктов допускает такие изменения в коде, что созданные белки получаются не идентичными, но похожими и могут выполнять те же функции. Если аминокислота в белке заменена на другую, имеющую похожие химические свойства (тот же заряд или полярность), то в полипептидной цепочке она будет вести себя так же, как исходная, и создавать те же или похожие объемные структуры, которые будут выполнять те же функции. Поскольку именно функция белков является наиболее важным их свойством, которое необходимо сохранить, последовательности могут в некоторой степени изменяться при передаче генов от поколения к поколению, но трехмерная структура и функции генных продуктов (белков) остаются неизменными. На основании неизменных свойств ген, унаследованный от общего предка двумя линиями потомков, может быть признан как родственный (гомологичный) ген этих двух линий, хотя в каждой из них в нем накопился определенный уровень мутаций с момента отхода от общего предка. Так видоизменяются постулаты Дарвина.
Количество мутаций у двух родственных видов напрямую связано со временем, в течение которого они эволюционировали врозь, так что это различие можно использовать для статистических измерений родственных связей между двумя видами. Эти связи удобно изобразить в виде филогенетических деревьев, где ветви представляют родственные связи организмов, а длина ветвей указывает на генетическое расстояние (расхождение) между видами после их разделения. Большинство мутаций либо незначительны, либо вредны, но некоторые действительно способствуют выживанию. Таково современное представление о корневом механизме эволюции.
Все упомянутые выше основные свойства жизни, такие как структура и состав генетического материала, генетический код и 20 аминокислот, используемых во всех белках, а также аппарат трансляции, почти совершенно идентичны у всех видов, живущих сегодня на Земле. Очевидно, эти свойства были приобретены еще на ранних стадиях эволюции и, по-видимому, имелись у последнего общего предка в то время, когда из него выделились три ветви жизни. Связь всех этих форм жизни можно исследовать путем сравнения последовательностей тех РНК (например, 16S РНК), которые участвуют в трансляции — одном из наиболее эволюционно консервативных процессов. На основании последовательности 16S РНК первое филогенетическое дерево построили в 1990 году Карл Вёзе и его коллеги. Это дерево показывает, что сначала две линии прокариотов отделились от популяции последнего общего предка, а затем от них отделились эукариоты (рис. 28.10).
