Генетические факторы эволюции

Современная эволюционная биология уходит корнями в дарвинизм. Дарвинизм — это система идей, предложенная Чарльзом Дарвином 150 лет назад. Он определял эволюцию как процесс изменений, который происходит от предков к потомкам с некоторыми модификациями в процессе естественного отбора при воздействии постоянно меняющейся окружающей среды. Современная эволюционная биология все еще находится под большим влиянием этих идей. То есть мы все еще объясняем большинство особенностей живого мира через призму естественного и в некоторых случаях полового отбора.

Такой подход, безусловно, прослеживался в первых изданиях знаменитого «Происхождения видов» Дарвина. Но нам известно, что в последнем издании книги, вышедшем ближе к концу его жизни, Дарвин занимает не такую однозначную позицию. Долгое время его идеи противопоставляли, например, идеям другого известного британского ученого — Дарси Томпсона, который утверждал, что разнообразие живого мира обусловлено закономерностями изменения размеров, а также тем, что внутренние генетические механизмы и физические законы имеют инструментальный характер и лежат в основании разнообразия природы.

В последнем издании «Происхождения видов» Дарвин явно находится под влиянием этой идеи. Он больше не пытается объяснить все через естественный отбор. Более того, в письмах по поводу последнего издания он пишет своим коллегам, что эти внутренние силы, законы роста, скорее всего, не менее важны. Он не только начинает рассматривать их наравне с естественным отбором, но и утверждает, что в природе существует несколько интересных феноменов, которые могут лучше объясняться законами роста, а не естественным отбором.

Законы роста становятся неотъемлемой частью дарвиновского объяснения эволюции. В его подходе появляется больше нюансов, и это большой урок для нас. Немногие осознают, что Дарвин обращал внимание на достижения эмбриологии (то, что мы называем сегодня биологией развития). Он тщательно изучал работы Бэра, Геккеля и других биологов развития того времени. Он явно был уверен, что внутренние генетические силы так же важны, как изменения окружающей среды, которые он объясняет в своих работах о естественном отборе.

Зачастую общее представление о дарвинизме сводится к естественному отбору. Но даже сам Дарвин приводил пример, где естественный отбор был лишь частью картины. Например, так он описывал процесс преадаптации. Что такое преадаптация? Это когда определенная черта или орган появляются до того, как в них возникает необходимость. Организм принимает ее, а эволюция использует для других целей.

Один из примеров — череп млекопитающих, состоящий из нескольких частей. Общепринятое объяснение такой ситуации заключается в том, что млекопитающим необходимо проходить через родовой канал так, чтобы не повредить череп и мозг. Дарвин заметил, что некоторые элементы строения черепа, присущие млекопитающим, также есть у рептилий и птиц, которым не нужно проходить через родовой канал. Следовательно, такой череп нужен для чего-то совершенно другого. Несмотря на то что эта черта полезна и хорошо адаптировалась у млекопитающих, изначально она появилась для других целей.

Он приводил несколько других примеров подобной адаптации. Например, перья, которые современные птицы используют для полета, изначально появились для терморегуляции. Они впервые возникли у предков современных птиц, чтобы защитить их от холода и изменения температуры. Мы можем сказать, что позже, судя по пигментации на перьях, они использовались в процессе полового отбора. Различная окраска перьев использовалась для маскировки женскими особями, пытающимися спрятаться в гнезде, и мужскими — для привлечения внимания. Перья были у некоторых динозавров, но они не были похожи на перья современного петуха. Они однозначно использовались не с целью полета. В ходе эволюции перья приспособились к выполнению нескольких новых функций, в том числе к активному полету.

Можно привести несколько примеров, когда адаптационная эволюция попадает под влияние самой черты, изначально появившейся для чего-то другого. Например, элементы черепа, о которых я уже упоминал, изначально развились у птиц как нечто, позволяющее черепу расти по частям, а не в форме цельной кости. В контексте развития намного сложнее изменить цельную кость, чем отдельные элементы. Это была бы очень ограниченная система. Развитие нескольких элементов черепа привело к увеличению гибкости: животные смогли достаточно просто увеличивать размер мозга и менять форму черепа. Но опять же, это все появилось еще до того, как эти элементы стали использоваться млекопитающими, которым нужно пережить прохождение через родовой канал. Это хороший пример преадаптации, вызванной внутренними причинами.

Мы должны помнить, что не стоит применять адаптационное объяснение ко всему — нужно также учитывать генетические причины развития многих феноменов. Важно знать, что для того, чтобы произошла эволюция, появился новый вид, организм или черта, необходимо понимать, как работает генетическая программа производства нового животного или новой черты. Тогда новая форма организма станет доступна естественному отбору. Механизм развития меняется, а механический уровень развития становится источником эволюционных изменений.

Для объяснения невероятного разнообразия, которое мы видим вокруг нас, — все эти миллионы видов растений и животных, особенно многоклеточные животные и растения, которые принимают различные формы и размеры, — необходимо объединить достижения эволюционной биологии (понимание влияния экологии и окружающей среды, которая сегодня особенно изменчива) и генетическую информацию, известную нам об этих видах. У некоторых видов способность изменяться может быть незначительной, у других — намного более развитой. Мы не сможем полноценно объяснить разнообразие жизни на нашей планете, не зная, как меняются виды сейчас и как они менялись в прошлом. Более того, мы не сможем объяснить будущие изменения разнообразия, которые возникнут в связи с изменением окружающей среды. Для сохранения разнообразия нам прежде всего нужно понять, как оно возникло. Мы должны понять, как возникло взаимодействие между генетическими факторами и факторами окружающей среды.

Главный вызов современной биологии — объединить достижения и идеи двух очень разных отраслей: генетики (генетика развития, популяционная генетика и так далее) и экологии (лучшее понимание окружающей среды и ее изменений). Таким образом мы сможем объяснить существующее разнообразие и предсказать будущие изменения.