механизм эволюции. Он расставил все точки над i и показал миру, как реально может действовать эволюция.
Идея естественного отбора основана на том, что, если популяции живых организмов демонстрируют вариации и если таковые вызваны генетическими изменениями, они будут наследоваться из поколения в поколение. Какие-то из этих вариантов будут воздействовать на характеристики, придающие определенным особям успешности в производстве потомства. Такая возросшая репродуктивная способность означает, что потомство, обладающее этими вариациями, составит более высокую долю в следующем поколении. В случае длинной шеи жирафа мы можем заключить, что случайное возникновение и накопление вариаций, слегка изменивших кости и мышцы шеи, позволили некоторым предкам жирафов доставать до чуть более высоких ветвей, есть больше листьев и получать больше питательных веществ. В результате получившие такую возможность оказались более живучими, более способными давать потомство, поэтому в стадах жирафов, бродивших по африканским саваннам, начали постепенно преобладать особи с длинными шеями. Данный процесс известен как естественный отбор, поскольку ограничения, накладываемые всевозможными естественными факторами, такими как борьба за пищу или за самок или наличие болезней и паразитов, приводят к тому, что некоторые особи получают больше шансов и, следовательно, чаще дают потомство.
Такой же механизм был выдвинут натуралистом и коллекционером Альфредом Уоллесом. И Уоллес, и Дарвин шли в русле размышлений о естественном отборе, опубликованных за несколько десятилетий до того шотландским агрономом и землевладельцем Патриком Мэтью в книге 1831 г. о корабельной древесине. Тем не менее Дарвин был первым, кто представил идею целиком убедительно, всесторонне проработанно и неотразимо привлекательно.
На самом деле люди без зазрения совести в течение тысяч лет использовали этот процесс для выведения организмов с особыми характеристиками. Это называется искусственным отбором, и в действительности Дарвин разрабатывал свои идеи о естественном отборе, наблюдая за тем, как голубятники отбирают особенные экземпляры для выведения разнообразнейших пород. Искусственный отбор может давать впечатляющие результаты. Мы таким путем превратили серых волков в лучших друзей человека, формируя породы собак от крохотного чихуа-хуа до здоровенного датского дога. Этим же путем из полевой горчицы получили брокколи, кочанную, цветную, кормовую капусту и кольраби. Эти превращения произошли за сравнительно небольшое число поколений, что говорит о великой мощи эволюционного процесса, который может идти своим чередом миллионы лет.
Естественный отбор ведет к выживанию наиболее приспособленных – Дарвин, кстати говоря, такой термин не употреблял – и устранению особей, неспособных конкурировать. Вследствие данного процесса в популяциях накапливаются специфические генетические изменения, в конечном счете приводящие к устойчивым изменениям формы и функции живых существ. Этим объясняется то, как у некоторых жуков возникают красные пятна на крыльях, а другие приобретают умение плавать, скатывать шары из навоза или способность светиться во тьме.
Естественный отбор – глубокая идея, чье значение выходит за пределы биологии. Она обладает как объяснительной способностью, так и практической утилитарностью в ряде других дисциплин, не в последнюю очередь – в экономике и информатике. Например, в наши дни некоторые аспекты программного обеспечения и некоторые проектируемые компоненты таких технических устройств, как самолеты, оптимизируются алгоритмами, имитирующими естественный отбор. Можно говорить, что эти продукты эволюционируют, а не конструируются в обычном смысле слова.
Для того чтобы эволюция происходила путем естественного отбора, живые организмы должны обладать тремя важнейшими свойствами.
Во-первых, они должны быть способны к воспроизводству.
Во-вторых, они должны обладать системой наследования, с помощью которой задающая характеристики организма информация копируется и передается потомству при размножении.
В-третьих, система наследования должна характеризоваться изменчивостью, наследуемой в процессе репродукции. Именно на изменчивости строится естественный отбор. Он превращает медленный и случайным путем образующийся источник изменчивости в представляющийся безграничным и постоянно развивающийся арсенал жизненных форм, существующий вокруг нас.
Добавим, что для успешности отбора живые организмы должны умирать. Тогда следующее поколение, которое в потенциале содержит генетические вариации, дающие конкурентные преимущества, может их собой заменить.
Три обязательных свойства непосредственно вытекают из концепций клетки и гена. Все клетки воспроизводятся в ходе клеточного цикла, и у всех клеток есть система наследования, состоящая из генов, копируемых и наследуемых в виде хромосом в процессе митоза и деления клеток. Изменение вносится появлением случайных мутаций, изменяющих последовательности ДНК, – подобных той, что привела меня к открытию гена cdc2, – как следствий редких ошибок в копировании двойной спирали или же повреждения ДНК воздействием окружающей среды. Клетки исправляют эти мутации, но не совсем успешно, в противном случае все особи какого-либо вида были бы идентичными и эволюция остановилась. Из этого следует, что частота ошибок сама попадает под действие естественного отбора. Если она слишком велика, хранящаяся в геноме информация деградирует и обессмыслится, а если слишком мала, уменьшится возможность эволюционного изменения. В долгосрочной перспективе самыми успешными будут виды, способные сохранять правильный баланс между постоянством и изменением.
В сложных эукариотических организмах дальнейшая изменчивость вносится половым размножением при перемешивании части хромосом в ходе деления клеток, при котором образуются половые клетки (также называемые зародышевыми клетками: сперматозоиды и яйцеклетки у животных, пыльца и семязачатки у цветковых растений) во время мейоза. В этом главная причина, почему родные братья или сестры генетически отличаются друг от друга: если гены их родителей уподобить колоде карт, каждый из них – плод разной генетической «сдачи».
У многих иных организмов изменения вносятся непосредственно за счет прямого обмена ДНК между разными особями. Это обычно происходит в менее сложных организмах типа бактерий, которые могут обмениваться генами друг с другом, а также с более сложными организмами. Такой процесс называется горизонтальным переносом генов. Это одна из причин, по которым гены, делающие бактерии стойкими к антибиотикам, могут быстро распространяться через целые популяции бактерий и даже от одной чужеродной особи к другой. Из-за горизонтального переноса генов также трудно отследить начало в эволюционном времени некоторых родословных, поскольку генетическое наследование генов может переходить с одной ветви древа жизни к другой.
Каков бы ни был источник генетической изменчивости, для активации эволюционного изменения он должен сохраняться в последующей репродукции и генерировать популяции организмов, отличающихся в любых возможных аспектах, будь то незначительные расхождения в стойкости к болезням, привлекательность для другого пола, переносимость пищевых продуктов или сколь угодно иные свойства.
Одно из принципиальных следствий эволюции путем естественного отбора заключается в том, что все живые существа связаны между собой происхождением. Это означает, что, если проследить развитие древа жизни в обратном направлении, ветви будут все больше и больше сливаться в более крупные и наконец сойдутся в единый ствол. Отсюда вывод: мы, люди, родственно связаны со всеми живыми формами на планете. С некоторыми, такими как обезьяны, мы связаны близко, находясь на соседних веточках на краю древа жизни, с другими, такими как мои дрожжи, родство намного более отдаленное, потому что мы были «рядом» намного раньше, ближе к главному стволу древа жизни.
Наша непреложная связь с другой жизнью была наглядно показана мне, когда я отправился в трудный поход по влажному изумрудно-зеленому дождевому лесу в Уганде в поисках горных горилл. Я шел за проводником, и мы внезапно вышли на семейную группу. Я осознал, что сижу напротив величественного альфа-самца, который присел на корточки под деревом всего в двух-трех метрах от меня. Меня прошиб пот, и отнюдь не из-за жара и влаги. Как генетик я знал, что у меня с ним почти 96 % общих генов, но голыми цифрами многого не объяснишь. Когда его глубокосидящие умные карие глаза встретились с моими, я увидел, как в зеркале, многие черты моей человеческой природы. Эти обезьяны были настроены на одну волну друг с другом. И с нами. Многое в их поведении было неизбывно знакомым; явное сопереживание и любопытство. Мы с самцом рассматривали друг друга несколько минут. Это было похоже на разговор. Потом он вытянул руку, согнул вдвое деревце сантиметров пять в диаметре (пытался ли он мне что-то сказать?) и медленно полез на дерево, все это время не отводя от меня проницательных глаз. Эта драматическая и трогательная встреча наглядно показала, как близка наша связь с этими великолепными созданиями. Эта связь существует не только с гориллами, но и с другими обезьянами, млекопитающими и другими животными и даже – через более далекие во времени развилки общего семейного древа жизни – с растениями и микробами. На мой взгляд, это один из лучших аргументов в пользу того, что человечество должно заботиться обо всей биосфере; все разные формы жизни, с которыми мы делим одну планету, – наши родственники.
Еще более неожиданным образом я стал осознавать нашу глубинную связь с другими живыми существами, когда поставил перед собой вопрос: одинаково ли контролируют свои клеточные циклы делящиеся дрожжи и клетки человека? Я задавался этим вопросом в 1980-е гг., устроившись на работу в онкологический исследовательский институт в Лондоне. В связи с тем, что рак у человека вызывается аномальным делением клеток, большинство моих коллег из других лабораторий, ясное дело, гораздо больше интересовались механизмом управления делением клеток у людей, чем у дрожжей. К тому времени мне было известно, что контролировало деление клеток в дрожжах: механизм, в центре которого был ген с маловыразительным именем cdc2.