Реферат: Эскиз к портрету биологической эволюции

Владимир Невский

История развития биологии сродни интеллектуальному детективу. Сначала – феноменологические дебри, несистемное накопление знаний, затем первые попытки систематизации. Когда стало ясно, что мир развивается, появились эволюционные гипотезы. Они отражали отдельные звенья этого сложного процесса, и, наряду с рациональными зернами, несли в себе множество домыслов и заблуждений, что неизбежно при развитии любой науки. Может быть, только физика способна соперничать с биологией по драматизму и изощренности методов поиска истины.

Продолжая аналогию с детективом, можно сказать, что «расследование» биологической эволюции затормозилось на modus operandi. Легче биологам-телеологам (как и теологам). Они не связаны поисками направляющей эволюцию силы, и собственно механизм эволюции воспринимается ими как атрибут живой природы. Возможно, что они во многом правы. Но пока мы не найдем этот механизм, мы не сможем ни приблизиться к Богу, ни исключить Его хотя бы из этой области мировоззрения.

Несколько слов о том, как суфии Г.Гурджиев и С.Мейен основали новое направление в биологии

Не стану называть свою «небиологическую», хотя и родственную биологии специальность, чтобы не вызывать досады у читателей-специалистов. Заранее прошу прощения за возможные, надеюсь, немногочисленные, «ляпы». Однако... Исследователь, пришедший со стороны другой науки, не обременен неизбежной для таких случаев ортодоксальностью. Например, вам не кажется, что биологическая эволюция представляется большей частью биологов как слишком самостоятельная, даже если она скоррелирована внешне (то есть формально) с климатическими событиями? Но процессы, протекающие в биологических системах, должны регулироваться системой более высокого ранга. В то же время, климатическая ритмика, по представлениям ортодоксальных дарвинистов, играет скорее роль «нерасторопного менеджера» естественного отбора. С другой стороны, восприятие отбора как направляющей эволюцию силы вызывает у многих ученых сомнение и даже некоторый внутренний протест. Такое неприятие может быть аргументировано логически (на эту тему есть сотни публикаций), но наиболее весомый аргумент – некая интуитивно ощущаемая неудовлетворенность. Впрочем, мы ушли немного в сторону. Могут ли астрономические (и, как следствие, климатические) ритмические события иметь другое, более прямое и эффективное воздействие на развитие жизни? Задавая такой вопрос, мы отталкиваемся от уже известных научных представлений. Можно вспомнить фазы ароморфозов и идиоадаптаций А.Н.Северцова, периоды когерентной и некогерентной эволюции В.А.Красилова и некоторые другие гипотезы концептуального характера.

Ключом к дальнейшим поискам может стать известная фраза Г.Гурджиева «все есть дыхание». Подчеркнем: именно дыхание, а не вибрации. Дыхание (многоплановое, образное, в чем-то аллегорическое понятие, как и многие другие, используемые мистиками и суфиями) – форма и способ развития всего живого, от отдельного организма до биосферы в целом и даже Вселенной.

Так где же «дыхание» биосферы? Или биологи воспринимают дыхание только буквально, как физиологическую функцию?

Оно было найдено Сергеем Викторовичем Мейеном, одним из самых ярких биологов-теоретиков минувшего века. Его название – фитоспрединг. Должен заметить, что, читая статьи С.Мейена, где изящество некоторых фраз наряду со слишком мудреной терминологией побуждает читателя к интересным ассоциациям и поискам «иного» смысла, находишь немало общих черт с тем же Гурджиевым. Кажется, что и сам Мейен был отчасти суфием.

Смысл и характер фитоспрединга заключаются в следующем:

Почти все надродовые таксоны высших растений появляются в экваториальном поясе на более низком стратиграфическом уровне, чем за его пределами. Другими словами, они имеют экваториальное происхождение. Во время потеплений эти надродовые таксоны мигрируют из экваториального пояса в более высокие широты. Это и есть собственно фитоспрединг. По мере удаления от экватора макроэволюционная активность высших растений снижается, и в арктическом поясе возможно в лучшем случае видообразование. А более успешную макроэволюцию высших растений в экваториальной зоне можно связать не с усилением, а ослаблением естественного отбора. Вообще, роль естественного отбора в начале становления таксонов уровня семейств и выше, по-видимому, не главная, а скорее эпизодическая. Особенности фитоспрединга и многие связанные и не связанные с ним аспекты биологической эволюции превосходно описаны в книге Ю.В.Чайковского «Элементы эволюционной диатропики». По мнению С.Мейена, решающую роль в эволюции играют селективно нейтральные сальтации.

Судьба переселенцев из низких широт в высокие вполне предсказуема. Они либо исчезают при очередном похолодании, либо удерживаются на новом месте, но с незначительным изменением своей общей организации, давая начало новым видам, родам и, гораздо реже, более высоким по рангу таксонам, но не выше порядка.

Обратный процесс не симметричен прямому. Наступает похолодание, и из высоких широт в низкие сдвигаются не отдельные формы, а целый экотоп (относительно однородная среда с соответствующим биоценозом). Весь механизм получил образное название «помпа».

Мы обрисовали в самых общих чертах один период ритмического процесса, который зависит от климата. В свою очередь, изменения климата могут быть разложены на несколько порядков, или гармоник. И вот сейчас, анализируя поведение и преобразование низших таксонов в процессе фитоспрединга «и обратно», можно построить принципиальную модель формирования нового, более высокоорганизованного низшего таксона, скажем для простоты, вида. Итак, группа особей какого-то конкретного вида, находящегося в относительно благоприятных условиях, «уходит» из экваториальной зоны в области, которые впоследствии будут соответствовать субтропикам или умеренному поясу. В течение длительного времени она претерпевает различные изменения; но затем, рано или поздно, при похолодании целая куча разношерстных потомков этого вида возвращается назад. Именно здесь и происходит формирование нового вида-гибрида, совершающего грандиозный отрыв (сальтацию) от обеих родительских форм. В дальнейшем этот принципиально новый вид и дает начало новым таксонам высших порядков.

Нет смысла описывать все многообразие возможных изменений вида в процессе фитоспрединга (лучше сказать: биоспрединга). Отметим лишь самые общие. Главное: мы предполагаем, что в конце концов, после возвращения на историческую родину, этот модифицированный «блуждающий» вид или часть вида (подвид, раса) сохранит способность скрещиваться со своими оседлыми предками.

Особи «блуждающего» вида (подвида, расы) в процессе своего путешествия из низких широт в высокие и обратно могут испытать следующие изменения, обусловленные климатом во внеэкваториальных, более суровых местах обитания:

Изменения размеров. Их трудно отразить на уровне закона; и хотя для подобных ситуаций существуют определенные правила, они скорее отражают статистические закономерности.

Изменения морфологических пропорций, в том числе соотношений между размерами разных органов и вообще форм органов (аллометрия).

Оба этих варианта отражают географическую изменчивость фенотипа.

Изменение генотипа. Разумеется, оно должно быть не слишком большим, а таким, чтобы возможно было скрещивание с предками, которые остались на старом месте обитания. Среди возможных видов генотипической изменчивости есть один, который и обусловливает появление принципиально нового вида – это скорость онтогенеза (индивидуального развития организма, начиная с момента оплодотворения), уже записанная в генном аппарате «путешественников» к моменту их возвращения.

Строго говоря, последнее явление нельзя считать сугубо генетическим, оно сцеплено с фенотипом. Представители оседлого вида (подвида, расы) проходят свой жизненный путь с одной скоростью, представители блуждающего вида (подвида, расы) – с другой и, как правило, более высокой. Если состоится их взаимное скрещивание, то партнеры будут жить по разным временным законам индивидуального развития.

Следующий этап – формирование нового организма-гибрида. Вот здесь автор вынужден пожалеть о своем небиологическом образовании, так как генетическое закрепление результатов гибридизации находится на пределе воображения. Попробуем разобраться хотя бы с изменением фенотипа, и воспользуемся для этого «полулогическим-полуинтуитивным моделированием».

«Исторические» путешествия хвоща и сосны

Попытаемся для начала преобразовать сравнительно простой папоротник хвощ во что-нибудь более «совершенное».

В качестве прелюдии, видимо, есть смысл расшифровать несколько биологических терминов, без которых трудно что-либо объяснить.

Гаметофит – половое поколение в жизненном цикле растений, развивающихся с чередованием поколений. Образуется из спор; продуцирует гаметы. В эволюции высших растений происходит постепенная редукция гаметофита.

Спорофит – бесполое поколение растений, жизненный цикл которых проходит с ритмическим чередованием половой и бесполой фаз. Продуцирует споры. Образуется после оплодотворения – слияния мужских и женских гаплоидных гамет в зиготу, из которой развивается многоклеточный зародыш, дающий начало взрослому растению.

Спорангий – многоклеточный орган, в котором образуются споры. У равноспоровых папоротников спорангии одного типа, и споры их прорастают в обоеполые заростки. У разноспоровых папоротников спорангии двух типов (микро- и мегаспорангии), продуцирующие микро- и мегаспоры, из которых развиваются мужские и женские заростки.

Гетерохрония – изменение в процессе эволюции темпов эмбриогенеза различных органов.

Гетеротопия – изменение в процессе эволюции места эмбриональной закладки того или иного органа.

Неотения – задержка онтогенеза у некоторых видов организмов с приобретением способности к половому размножению на стадии, предшествующей взрослому состоянию.

Главная особенность (в данном контексте) хвоща заключается в том, что его цикл развития состоит из двух фаз, или состояний. Первое – гаметофит, другое – спорофит. Эти образования не могут совмещаться. Споры хвоща прорастают на земле в маленький заросток. Заростки раздельнополые. На нижней стороне заростка формируются половые органы – архегонии (женские) и антеридии (мужские). После оплодотворения яйцеклетки вырастает листовидное тело – спорофит. У взрослого хвоща-спорофита споры содержатся в колоске-шишечке.

Теперь смоделируем фитоспрединг данного вида с возвращением его, через некоторое время, назад. Наиболее вероятный период подобных ритмов – от 20...40 тысяч до нескольких миллионов лет. Какой-то один, или даже не один, вид (подвид, раса) сохраняет способность скрещиваться с оседлым предковым видом. Напомню, что вернувшийся, измененный вид, способный к таким контактам, отличается обычно более скорым онтогенезом. Гаметы особи блуждающего вида участвуют в оплодотворении яйцеклетки особи оседлого вида. Новый гибрид-спорофит будет отличаться прежде всего ускоренным формированием спорангиев и спор, тогда как вегетативная часть будет развиваться по старому, экваториальному сценарию. Это, собственно, и есть та самая гетерохрония (с возможной гетеротопией), которая, по мнению Р.Гольдшмидта, изменяет ход индивидуального развития и приводит к возникновению нового фенотипа и нового вида. Но ее источник – не системная макромутация, как считали Р.Гольдшмидт и его единомышленники, а гибридизация. В результате, во-первых, споры начнут прорастать на материнском растении (внутри «шишечки-спорангия»), а не на земле. Если они успеют произвести гаметы, то и оплодотворение может произойти на материнском растении. Гаметофит как фаза развития растения резко сокращается (редуцируется). Происходит нечто похожее на неотению, если, вопреки очевидной логике, считать гаметофит стадией старости. Во-вторых, именно здесь, видимо, произойдет окончательное разделение спорангиев на два вида – микроспорангии и макроспорангии (мужские и женские); точнее, не разделение, а, для начала, обособление. Спороносные колоски у хвоща уже обладают дифференциацией спор, и логично ожидать, что у «хвощевого гибрида» эта обособленность станет еще более явной вплоть до полного разделения спорангиев. Дело в том, что теперь для нормального самоопыления микроспорангии должны располагаться выше макроспорангиев. Возможный «технический» вариант такого процесса известен – это ярусная неотения (редукция верхних ярусов растений), которая, возможно, действует одновременно с главным процессом. Отбор проявится чуть позднее, а пока формирование нового вида происходит скорее при его молчаливом согласии.

Что мы получили в итоге? Этот гипотетический гибрид очень напоминает высокоорганизованный разноспоровый папоротник вроде сальвинии или селагинеллы – «нечто» на пути к голосеменным. Как осуществляется генетическое закрепление этой природной находки – вопрос уже совсем другой, и лежит он, скорее всего, в русле традиционных представлений синтетической теории эволюции. Ясно, что подобная гибридизация вряд ли будет слишком массовым явлением, но она не будет и редкой. Уже первое поколение получит совершенно иной фенотип при сравнительно небольших изменениях генотипа (категоричность такого заявления, возможно, преувеличена). Впоследствии, рано или поздно, в приэкваториальной зоне наступят неблагоприятные времена, например, похолодание или аридизация климата – и тогда новый вид получит некоторое преимущество перед своими предками. Он унаследует экологическую устойчивость блуждающего вида и более высокую репродуктивность оседлого вида. Правда, это заключение – не факт, а скорее вероятностная оценка.

Такое же моделирование можно применить для преобразования какого-либо вида отдела голосеменных. Представим хорошо известную сосну и отправим ее искать свое счастье туда же, куда ранее мы отправили хвощ. Правда, по мнению С.Мейена, предков покрытосеменных следует искать среди беннетитов, но разница между последними и «сосной» в данном случае не принципиальна. После перекрестного опыления растений оседлого и блуждающего видов (подвидов) и последующей гибридизации семена соснового гибрида формируются быстрее, чем вегетативная часть и собственно вместилище семян, то есть шишки. В первом же поколении появляются репродуктивные органы, совершенно непохожие на прежние. Чешуи шишек не успевают «одеревенеть» к моменту созревания семян. Во-вторых, рост пыльцевой трубки после опыления, видимо, будет происходить гораздо быстрее, чем положено по обычному сценарию; и механизм блокировки оплодотворения второй яйцеклетки вторым спермием просто не успеет «сработать». Возникает двойное оплодотворение, при котором эндосперм выступает в роли опаздывающего и потому отстающего в развитии семени. Но в этом случае ресурсы растения и энергия расходуются на прирост массы, а не на завершающее формирование семени. И к моменту созревания семян шишка будет скорее напоминать гроздь черемухи. Прошу прощения за такую скороговорку – пояснения и детализация смысла последних пяти предложений требует уже «конкретного» профессионализма. Цветок в этом, то есть первом, периоде биоспрединга еще не вырисовывается. Видимо, он возник позднее, при втором или третьем «заходе». Но логично предположить, что и цветок – тоже продукт неотении.

Помесь шакала и ящерицы

Теперь попытаемся смоделировать появление млекопитающих животных. Этот процесс с точки зрения логического моделирования более понятен, чем тот же процесс в растительном мире.

Предположим, что какой-то вид пресмыкающихся (условная «ящерица») дивергировал в процессе биоспрединга; но после продолжительной жизни порознь, в различных климатических областях, два вида или подвида сошлись вновь где-то в приэкваториальной зоне. При спаривании самки «оседлого» вида с самцом блуждающего вида, скорость онтогенеза которого выше, первый и главный эффект проявляется сразу. Эмбрион будет развиваться быстрее обычного, тогда как оболочка яйца за отведенный и, по-видимому, несколько меньший, чем положено, срок, полностью сформироваться не успеет. Появляется нечто принципиально новое – живорождение. Этап второй – появление млечных желез у самок. Ясно, что они должны появиться на том месте, которым самка высиживает яйца. Поскольку новорожденный появился на свет не внутри скорлупы и к тому же несколько раньше положенного срока (по сравнению с экваториальным сценарием), он наверняка будет испытывать дефицит жидкости. В этом смысле давно высказанная гипотеза трансформации некоторых сальных или потовых желез в млечные кажется весьма правдоподобной и, по сути, единственной. У организма самки появилась новая функция – поиск специальной жидкости для сохранения жизни новорожденному. Новая функция требует соответствующего органа. Он формировался достаточно долго (возможная переходная форма – простейшие однопроходные млекопитающие). Далее производится корректировка и шлифовка новой формы отбором. У нее есть одно неоспоримое потенциальное преимущество – лучшая сохранность потомства в неблагоприятных условиях. Интересно, что в данном случае нет нужды в гипотезе «перспективных монстров» (гипотеза и терминология Р.Гольдшмидта), без которых предположение о системных макромутациях, то есть значительных, многофакторных перестройках генома ряда особей, просто несостоятельно. Брачные партнеры не имеют резких морфологических отличий. Здесь как бы сходятся «стенка на стенку» два фенотипически похожих друг на друга вида или подвида. Новый вид, который в данном случае можно обозвать «помесью шакала и ящерицы» – эпитет из лексикона Ходжи Насреддина – появляется в узкой граничной зоне (видимо, не случайно упомянутый ранее Г.Гурджиев нередко цитировал муллу Насреддина).

Осторожно подведенные итоги. Что же дальше?

Как мы видим (точнее, предполагаем), сначала происходит почти мгновенная и радикальная перестройка репродукции и репродуктивных органов. Вегетативная часть растений или собственно тела животных изменяются позже. Иными словами, процесс формирования принципиально нового вида как следствия гибридизации и гетерохронии начинается с репродуктивных органов и постепенно распространяется на весть организм. Разумеется, это происходит не в течение одного поколения; но достаточно быстро, что позволяет назвать процесс появления этого вида сальтационным. Здесь мы в значительной степени вернулись к представлениям еще одного выдающегося биолога-теоретика – А.Ванделя. Отличие данной гипотезы от мнения Ванделя заключается все в том же – в причине и механизме гетерохронии.

Почему биоспрединг (точнее: обратимый биоспрединг) в таких случаях приводит к прогрессивному развитию, то есть к структурно-функциональному усложнению организмов? Согласно нашему «моделированию», послебиоспрединговая гибридизация и последующая гетерохрония производят резкую функциональную перестройку ряда особей. Перестройка неизбежно требует соответствующей компенсации в виде такого же по масштабу изменения органов или появления новых. И, по-видимому, в кризисных случаях появление новых органов представляется единственным выходом. Структура организма отвечает на внезапный функциональный диссонанс собственным усложнением. Новые органы появляются в области «функционального расстройства»; процесс структурно-морфологической реорганизации сводится к метаморфозу тканей.

Здесь необходимо сделать одно важное замечание. За два столетия биологи произвели тысячи и тысячи экспериментальных скрещиваний между родственными видами и подвидами. И, судя по описаниям их результатов, только что рассказанная история прямо не подтверждается. В чем дело? Возможны по меньшей мере три ответа. Во-первых, различия в скорости развития у скрещиваемых в опытах видов (подвидов) недостаточны для требуемой сальтации. Другими словами, в лаборатории недостижим генетический эффект обратимого биоспрединга. Во-вторых, у опытных организмов может оказаться значительно большее генетическое расхождение, причем по целому спектру аллелей, чем то, которое необходимо для столь «тонкой» гибридизации. Именно по этой причине опытные гибриды развиваются со скоростью, характерной для материнского вида. Но наиболее вероятным кажется третье объяснение: что бы мы с этими опытными особями ни делали, ничего интересного у нас (и у них) не получится. Ведь опыты проводились с лягушками, морскими ежами, мышами и прочими «не передовыми», к настоящему времени, видами. Даже мыши – не передовой вид. Но обратимый биоспрединг обеспечивает качественную сальтацию только у тех видов, которые достигли наивысшей структурно-функциональной сложности. Эволюция идет «прыжками вверх» от достигнутого к тому моменту уровня. Все то, что находится «ниже передового уровня», развивается «вширь», то есть в этом случае виды, изменяясь, остаются в пределах одного и того же включающего их высшего таксона.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод. Новый вид с большой вероятностью даст филетическую линию, которая впоследствии начнет ветвиться и, таким образом, станет родоначальником ряда низших таксонов. Но в биоспрединг вовлечены многие виды, и если прогрессивное развитие затронет несколько видов, относящихся к одному роду, то и в новом статусе они составят «сообщество», которое биологи могут счесть одним родом. В любом случае появление нового высокорангового таксона будет монофилетическим, но предками его способны оказаться разные виды и даже виды разных родов и, возможно, семейств.

Итак, в общих чертах обрисован принципиально действующий (в ранге гипотезы) механизм эволюции. Но этот механизм «работает» только у многоклеточных организмов и, более того, у организмов тех высших таксонов, которые достигли определенного уровня структурной и функциональной сложности. Как развивались простейшие – это один из наиболее важных нерешенных вопросов. Непонятно также, почему усложнению подвержены не все, а только наиболее «продвинутые» в структурном и функциональном смыслах таксоны.

Проблема механизмов биологической эволюции может быть решена в ближайшем будущем. Для этого, помимо других исследований, нужно найти те процессы, которые будут напоминать обратимый биоспрединг, только не для суши мезозоя – кайнозоя, а для архей-протерозойской прибрежной зоны или изолированных водоемов. Даже не будучи биологом, можно предложить несколько вероятных «кандидатов» на эту роль. Все они, разумеется, имеют в конечном итоге климатическую природу. Это может быть изменение солености и солевого состава вод, изменение температуры, электрохимических и оптических характеристик воды, наконец, изменения рН замкнутых водоемов. Но наиболее вероятный механизм эволюции доклеточных организмов и прокариот, по-видимому, связан с колебанием уровня первичного океана и уходом значительной части воды из океана в атмосферу и обратно, а также с приливами и отливами. В этом случае главными факторами эволюции будут периодически сменяющие друг друга гидролиз и дегидратация.

Я предвижу целую кучу профессиональных и непрофессиональных вопросов. Например, как «обезьяна стала человеком» и возможна ли дальнейшая морфофизиологическая эволюция, отталкивающаяся от уровня homo sapiens? Совершенно очевидно, что биоспрединг по отношению к человеку работать уже не будет. Здесь биологическая эволюция уступает место социальной. Также маловероятно появление принципиально нового вида на основе цветковых растений. Современная скорость изменения природы просто не даст такой возможности. Антропогенный фактор уже вполне соизмерим с климатическим, и его ослабления не предвидится. Прогрессивное биологическое развитие как таковое закончилось. Правда, необходима существенная оговорка: речь идет о природе естественной, а не лабораторной.

Тут же возникает едва ли не абсурдное, но вполне закономерное предположение. А что, если гетерохрония и неотения проявляются и в развитии сознания? Представьте себе некий переходный этап, нечто вроде революции, когда сознание людей (и общественное самосознание тоже, включая национальное) сдвигается в сторону «детского мировосприятия» и «детского» принятия решений. Правда, из настоящего контекста мы должны заключить, что это «не есть плохо». Это закономерно. Современный способ накопления знаний и связанный с ним образ жизни напоминает ту самую узкую специализацию, то есть, по сути, бесперспективную ветвь эволюции, выход из которой можно найти в «социальной неотении». И не исключено, что именно такой качественный сдвиг ждет нас уже в неотдаленном будущем.

После всего сказанного возникает ощущение, что мы сдвинулись на шаг к ортогенезу. Я уже не говорю о том, что противоречия этой гипотезы с ортодоксальной синтетической теорией эволюции весьма существенные; она скорее эпигенетическая. В ортогенезе роль Творца «запрятана» так глубоко, что для окончательного ответа нужно решить еще много принципиальных вопросов, связанных с развитием (эволюцией?) неживой природы и ее структурно-динамическим сцеплением с живой. К Творцу мы почти не приблизились, но и не сделали обратного шага. Правда, на границе логического и интуитивного восприятия мира по-новому, и уже не впервые, несколько проявилось самое непонятное и завораживающее свойство мироздания – время. Это как раз то свойство, важность и «сакральность» которого оценил в свое время С.Мейен. Боюсь, что словами эта мысль выражается лишь приблизительно и далеко не адекватно. Контакт и взаимопроникновение (оплодотворение?) двух почти однородных материальных объектов, отличающихся друг от друга своим «внутренним временем», приводит к качественной перестройке и появлению третьего объекта с принципиально новыми, прогрессивными свойствами. Может быть, где-то здесь и «зарыта» суть эволюции природы?

Список литературы

КрасиловВ.А. Нерешенные проблемы теории эволюции. – Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1986.

МейенС.В. География макроэволюции у высших растений // Журнал общей биологии. №3, 1987.

НазаровВ.И. Учение о макроэволюции: на пути к новому синтезу. – М.: Наука. 1991.

ЧайковскийЮ.В. Элементы эволюционной диатропики. – М.: Наука, 1990.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.n-t.org/