Теория эволюции

Теория эволюции (дарвинизм) - это тот раздел биологии, который в результате засилья догматических взглядов пострадал в советское время в такой же степени, как и генетика. В СССР было издано незначительное число пособий по дарвинизму и теории эволюции, тогда как на Западе проводились тщательные эксперименты по проверке положений Дарвина, издавались оригинально составленные пособия. Вначале, как всякое другое учение (марксизм, маоизм, буддизм), учение носило имя учителя - "дарвинизм". Этот термин был предложен другом Дарвина - Т. Гексли и А. Р. Уоллесом - соавтором Дарвина по открытию принципа естественного отбора. Свое учение Дарвин изложил в трудах:

"Происхождение видов  путем естественного отбора, или  сохранение благоприятствуемых  пород в борьбе за жизнь" (1859),

"Изменение животных  и растений под влиянием одомашнений" (1868),

"Происхождение человека  и половой отбор" (1871).

Эксперименты по проверке положений дарвинизма в XIX столетии подтвердили верность дарвиновского механизма эволюции. Дарвинизм стал теорией. Эта теория хорошо разработана, экспериментально проверена и подтверждена. Она постоянно совершенствуется и соответствует обнаруженным фактам, удовлетворительно их объясняет. Современная теория эволюции представляет собой синтетическую науку, базирующуюся на всех науках биологического комплекса. Современная теория эволюции основана на учении Дарвина о происхождении жизни, возникновении разнообразия живой природы, адаптации и целесообразности у живых организмов, о возникновении человека, возникновении пород и сортов. Современный дарвинизм часто называют неодарвинизмом, синтетической теорией эволюции. Правильнее называть науку, изучающую процесс эволюции органического мира, эволюционной теорией. Биология сегодня представляет собой сложную, очень дифференцированную науку, изучающую сущность и закономерности биологической формы движения материи. Отдельные биологические науки различаются как объектами исследований, так и комплексом изучаемых проблем. Многие проблемы, исследуемые специальными науками, имеют общебиологическое значение, но ни одна наука не может заменить дарвинизм - эволюционную теорию. Как и всякая наука, эволюционизм имеет свой объект и предмет исследования, свои методы исследования, свои цели и задачи. Объект исследования теории эволюции: организмы, популяции, виды. Предмет изучения теории эволюции: процесс эволюции живой природы. Задачи теории эволюции:  изучение проблемы происхождения жизни на Земле, выяснение причин эволюции, определение закономерностей исторического развития живой материи, исследование развития царств живой природы, изучение происхождения и эволюции человека, прогнозирование эволюционных, микроэволюционных процессов, разработка способов научного управления микроэволюционными процессами

Значение эволюционной теории

Эволюционная теория - наука об органической эволюции. Она представляет собой теоретическую основу биологии: современная биология воспринимает эволюционную теорию в качестве руководящего принципа. "В биологии ничего не имеет смысла как в свете эволюции" (Добжанский). Эрнст Майр: "Нет такой области в биологии, где теория эволюции не служила бы организующим принципом". Благодаря теории эволюции, биология превратилась из кладовой фактов в подлинную науку, способную познать причинные связи между явлениями. Теория эволюции — основа селекции. Она также широко используется в решении медицинских проблем. Теория эволюции важна для понимания людьми процессов в природе, при организации и проведении природоохранных мероприятий. Стремительное изменение окружающей человека природы, вызванное его деятельностью, поставило проблему сохранения самой жизни на Земле. Теперь, когда осознано, что любым мероприятиям по освоению природных систем должно предшествовать экологическое обоснование, человечеству придется осознать и необходимость эволюционного анализа последствий вмешательства человека в природные объекты и процессы (смена биотопов, биоценозов, изменение состава биоценозов, изменение генофонда популяций). Изучение микроэволюционных процессов выявило значение минимальных численностей популяций. Оказалось, что сохранение числа особей в популяции менее определенного - минимального - числа, неизбежно ведет к вымиранию популяции из-за близкородственного спаривания. Теория эволюции важна для выяснения причин устойчивости организмов против пестицидов. Современное представление об эволюции живого позволяет улучшить генетико-селекционную работу по созданию новых пород и сортов.

Чарльз Дарвин («Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь») первым сформулировал гипотезу, согласно которой в основе механизма эволюции лежат два принципа: случайная изменчивость и затем естественный отбор более приспособленных особей. По предположению Дарвина, с некоторой (хотя и малой) вероятностью у отдельных особей случайно появляются новые полезные качества, в результате чего они получают преимущество перед другими и имеют больше шансов выжить в данной среде обитания. Поэтому приобретенные ими качества закрепляются и передаются потомкам. После того, как было открыто наличие генов и хромосом, дарвиновская теория эволюции была дополнена тем, что изменения (подлежащие затем естественному отбору) имеют своей причиной мутации в генах. Таким образом, говоря об эволюции, следует понимать её не как изменение признаков, а как изменение эмбриональных программ (например, удлинение шеи жирафа возникло не потому, что жираф тянулся к высокорасположенным листьям, но, как и любое другое изменение, является отражением изменения эмбрионального развития, вызванного мутацией). Мутации случайны, поэтому абсолютное большинство из них нейтральны или вредны. Конкуренция между организмами и связанный с ней естественный отбор «оценивает» вредность и полезность каждой из небольших  мутаций по их эффектам на размножение и на выживание мутировавших организмов в конкретных экологических условиях.  Как отметил Ч. Дарвин, природа не делает скачков и все большие изменения являются результатом длительной серии мелких изменений, каждое из которых полезно для выживания животного и поэтому закрепляется в ходе эволюции. В своей книге он пишет: «Несомненно, верно то, что новые органы, как бы созданные для некоторой специальной цели, редко или даже никогда не возникают сразу у одного какого-нибудь существа, – это выражено в старинном, хотя может быть, и несколько преувеличенном естественноисторическом изречении: «Natura non facit saltum» («Природа не делает скачков»). Ни одна сложная структура в принципе не может возникнуть сразу «готовой» в результате мутации с сильным эффектом. Фундаментальным представлением дарвиновской теории является то, что новые сложные признаки не возникают мгновенно, они формируются постепенно, путем длительного естественного отбора множества случайных мутаций со слабыми эффектами, каждый из которых – т.е.каждый этап накопления – «выгоден», и которые поэтому постепенно улучшают старые признаки.  Уже со времен самого Дарвина критики его гипотезы указывали, что постепенное накопление изменений возможно только там, где просто увеличивается или уменьшается уже имеющаяся форма, – например, становится длиннее хвост или короче шерсть. Так, удлинение шеи жирафа, которое дает ему возможность поедать листья с более высоких веток, создает ему эволюционное преимущество и поэтому представляется логичным, что оно могло возникнуть в результате серии небольших мутационных изменений программы развития шейных позвонков. Но подобным образом принципиально невозможно объяснить возникновение сложных органов, – таких например, как печень или мозг, или сложных программ поведения, таких как танец пчел – поскольку эти объекты и явления помогают выживанию только в том случае, когда они полностью «укомплектованы», а отдельные мелкие изменения не дают никакого эволюционного преимущества и поэтому не могли бы закрепиться. Довольно яркий пример такой сложной программы представляет танец пчел. Когда одна из пчел-разведчиц находит пищу, она возвращается в улей и сообщает другим пчелам о расположении корма пчелиным «танцем». В танце углы поворота тела и биение крыльев кодируют информацию о расстоянии до корма и о направлении по отношению к солнцу, причем учитывается изменение расположения солнца в связи со временем возвращения в улей. Пчела-разведчица должна представить информацию, а рабочие пчелы должны понять ее. Очевидно, что подобная система не может возникнуть в результате постепенного накопления небольших изменений, т.к. если она не является точной и полной (например если разведчица может показать информацию, но рабочие пчелы не могут ее понять, или если информация не полна, или если не учитывается изменение положения солнца и т.п.), то вся система становится бесполезна и не улучшает возможности добывать корм, а поэтому она (или ее «зачатки») должны были бы отмереть, а вовсе не закрепиться в ходе эволюции. Примеров таких систем в биологии множество, и дарвинизм принципиально не может объяснить их возникновение. Дарвин и сам признавал, что его теория не дает удовлетворительного объяснения механизма возникновения сложных структур. Он писал: «Предположение о том, что глаз, со всеми его филигранными механизмами регулировки фокуса хрусталика, настройки на яркость света и коррекции сферических и хроматических аберраций, возник в результате естественного отбора, – может показаться, будем смотреть правде в глаза, в высшей степени абсурдным». Далее Дарвин выдвигает предположение о том, что глаз млекопитающих возник в результате постепенных изменений светочувствительных мембран примитивных организмов. Однако это предположение не дает описания того, как формируется каждая промежуточная ступень и почему каждая из ступеней, взятая сама по себе, полезна для выживания организма, и аргументы в пользу этой гипотезы чрезвычайно слабы. Вообще, дарвинизм это единственная область современной биологии, где соображение «возможности», предположение о том, что «так могло бы быть», принимается научным сообществом как достаточное. И причина того, что  несмотря на эту очевидную слабость дарвинизм остается весьма распространенным среди биологов, состоит  в том, что единственной альтернативой теории Дарвина до последнего времени считался креационизм – который, как мы об этом уже упоминали, в своей классической форме неприемлем с научной точки зрения из-за противоречия множеству фактов из палеонтологии, геологи и т.д., и кроме того, не дает экспериментально проверяемых предсказаний, и потому научно неинтересен. Таким образом, в рамках науки у идей дарвинизма вообще не было конкурентов, так что у биологов практически не было выбора в этом вопросе. Однако, как мы уже отметили, за последние годы в придачу к исходным проблемам дарвинизма, (таким как возникновение сложных структур), добавилось много новых, т.к. возникло множество новых научных данных, которые весьма трудно или невозможно объяснить в рамках дарвинизма. Эти данные делают необходимым сформулировать альтернативную эволюционную гипотезу, которая бы объясняла существующие противоречия и была бы экспериментально проверяемой.

 Новые данные, не описываемые теорией Дарвина

Данные палеонтологии: проблема отсутствия переходных форм в ископаемых отложениях

В соответствии с теорией Дарвина эволюция представляет собой медленное накопление мелких изменений. Но если это так, то в результате эволюции должно было быть образовано множество переходных форм, дающих «непрерывный» переход от одного вида к другому; а тогда в окаменелых отложениях мы должны были бы находить массу «бракованного (промежуточного) материала», постепенно формировавшего тот или иной признак. Ч. Дарвин в книге «Происхождение видов» подчеркивает этот момент: «Если моя теория верна, то обязательно должны существовать переходные формы, связывающие виды между собой. Доказать их существование можно только с помощью ископаемых останков». В разделе под названием «Трудности теории» в его книге он пишет так: «Если на самом деле виды произошли друг от друга, постепенно развиваясь, то в таком случае, почему мы не сталкиваемся с бесчисленным количеством переходных форм? Почему в природе все на своих местах, а не в хаосе? Должны быть бесчисленные переходные формы в многочисленных слоях земли... Почему каждое геологическое строение и каждый слой не наполнены этими связующими звеньями? Геология не смогла выдвинуть поэтапного процесса, не обнаружила переходных форм и, возможно, в будущем это будет самым веским аргументом против моей теории». Единственным объяснением, которое Дарвин в предлагал для решения данной проблемы была нехватка в те годы палеонтологических находок. Он утверждал, что «при более детальном изучении останков, переходные формы будут обязательно найдены». Во времена Дарвина геолого-палеонтологический материал был действительно очень скудным, но с тех пор прошло полтора столетия и в огромном накопленном за это время палеонтологическом материале  учеными было обнаружено множество «внутриродовых» переходных форм, например переходные формы в ряду эволюции лошадей или обезьян. Однако, при этом, не были найдены никакие переходные формы, связанные с появлением новых сложных систем, – например, новых органов. Таким образом, палеонтологические находки не дают никакой возможности объяснить процесс возникновения происхождения новых типов многоклеточных организмов – которые, в частности отличаются друг от друга появлением новых систем органов,  и которые хорошо изучены. (Мы не будем обсуждать возникновение и эволюцию бактерий и одноклеточных простейших, т.к.  данные палеонтологии и геохимии о них лишь минимальны, и они не позволяют предложить разумную научно проверяемую гипотезу). Подчеркнем еще раз, что дарвинизм может неплохо объяснить микроэволюцию, т.е. эволюцию видов внутри рода; т.к. в таких рамках отличия одного вида от другого являются во многом, скорее количественным, чем принципиально-качественным. Наше же внимание будет сфокусировано прежде всего на проблеме скачков в эволюции, т.е. на появлении новых сложных систем и связанное с этим появлением новых типов и классов животных.

Данные палеонтологии: Кембрийский взрыв

Древнейшие остатки организмов на Земле датируются возрастом 3,5 млрд. лет. Окаменевшие части этих микроорганизмов хорошо сохранились и позволяют сделать заключение об их сходстве с современными бактериями и простейшими. Позже появляется наиболее древний и низкоорганизованный тип многоклеточных – губки. Эти первичные многоклеточные еще не образуют тканей, их клетки слабо дифференцированы и способны к взаимной трансформации. В течение сотен миллионов лет почти никаких изменений не происходит.  Линия развития настоящих многоклеточных начинается с типа кишечнополостных примерно 600 млн. лет назад или чуть позже. При этом, в кембрийских слоях, (это слои, датируемые примерно 570–520 млн. лет назад, различные типы многоклеточных организмов во множестве «вдруг» появляются сразу, причем в необыкновенном изобилии и разнообразии (так называемый «кембрийский взрыв»). Найденные в этом слое живые организмы имеют такие развитые и сложные физиологические системы, как глаза, жабры и система кровообращения. Наиболее удивительно то, что во время кембрийского взрыва одновременно появляются все существующие сегодня типы многоклеточных животных с громадным разнообразием тканей, органов и систем органов. Необходимо отметить, что появление всего этого разнообразия произошло практически одновременно (в масштабе геологии), а вовсе не на протяжении 50 млн. лет Кембрийского периода, т.к. все эти группы найдены во всем кембрийском слое. С тех пор, за более чем 500 млн. лет, на Земле не появилось ни одного нового типа (= принципиально иного строения тела) животных. Различные типы беспозвоночных – кишечнополостные, членистоногие, моллюски, иглокожие – весьма существенно отличаются друг от друга планами строения тела; при этом  связующие «звенья» между ними напрочь отсутствуют, и ни один класс ископаемых беспозвоночных не связан с другим какими бы то ни было промежуточными формами. Если бы, как утверждает Дарвин, эволюция происходила путем случайных небольших изменений – то переходные формы кембрийских существ должны были бы рождаться и умирать миллиардами. Однако, ничего подобного не наблюдается в наших палеонтологических коллекциях. Таким образом, одновременное появление всех существующих типов указывает на то что идея Дарвина о том, что более сложные типы организмов развились из более простых путем многошагового постепенного усложнения, – не имеет подтверждения в палеонтологии. Особенность (и подобие) человеческой речи и пения птиц состоит в том, что обе эти функции обучаемы (т.е. человек не рождается уже умеющим говорить, он учится этому от других людей в процессе взросления, и также птицы учатся петь одна у другой) – и оказалось, что эта обучаемость в обоих случаях зависит от гена FoxP2 (и если он поврежден, то данная особь – не обучаема). Интересно отметить, что ген FoxP2 имеется не только у человека и птиц, но он был найден и у многих других животных, включая, например, даже таких молчунов, как крокодилы. Однако у поющих птиц и у человека этот ген активно включается в определенной зоне мозга, зоне Брока, в то время как у неговорящих и непоющих животных этот ген хотя и имеется, но в зоне Брока не функционирует. И еще раз отметим, что ни у общих предков, ни даже у близких видов, никакой похожей функции не существует. Таким образом, мы сталкиваемся с проблемой возникновения новых сходных качеств в параллельных ветвях эволюции, которых не было у общего предка, и эти качества контролируются одним и тем же образом. Все это наводит на мысль, что подобные качества и функции были «внедрены» в организмы заранее, хотя они и никак не проявляли себя у их общих предков.  Отметим еще одну особенность Hox-генов, отвечающих за основные программы развития организма. Исследования показали, что последовательность Hox-генов на хромосоме в точности соответствует порядку развития сегментов, которые они кодируют (т.е. они выстроены на хромосоме в точном порядке «от головы до хвоста» животного). Такая система расположения генов в хромосоме никак не объясняется концепцией Дарвина, в представлении которой различные элементы возникали в случайной последовательности. Более того, эта последовательность не следует ни из каких известных соображений строения хромосом и генетики вообще. С другой стороны, соответствие порядка «записей в хромосоме» функциональным свойствам генов и порядку кодируемых ими органов наводит на мысль о заранее задуманном точном плане организма – плане, которого можно было бы ожидать от инженера, заранее чертящего план будущего дома.

  Новая модель эволюции 

В связи со всеми вышеупомянутыми проблемами, мы предлагаем ниже новую модель эволюции. Наша модель предполагает, что многоклеточные организмы появились в начале Кембрийского периода в результате особого события, «вмешательства извне», когда организмы получили «универсальный геном». Мы не знаем природы этого события и оставляем вне нашего рассмотрения вопрос о том, было ли это «актом Творения» или вмешательством какой-то другой, внешней по отношению к нашей жизни на земле Силы; но мы считаем, что не представляется возможным объяснить существующие факты как естественный «внутриземной» процесс. Итак, наша модель предполагает, что все многоклеточные организмы, относящиеся к различным типам, обладали универсальным геномом. Все эти группы появились одновременно (Кембрийский взрыв в палеонтологии), и поэтому геномы различных многоклеточных так похожи. В универсальном геноме была записана информация об устройстве всех основных сегментов и систем органов у всех типов животных. Тем самым, организм, принадлежащий к каждому из типов, имел в своих генах информацию о развитии любого другого типа. Однако в одних организмах включались одни программы развития, а в других – другие. Эта разница во включении программ определила то, что одни животные стали червями, а другие хордовыми. Другими словами, мы утверждаем, что черви не обладают сердцем, легкими и мозгом не потому, что этого нет в их геноме – но из-за того, что требующиеся для этого эмбриональные программы не «включаются» у них – несмотря на то, что код этих программ закодированы в их геноме. Это не означает, что исходные программы кембрийского периода полностью соответствуют существующим сегодня. Программы развития в универсальном геноме могли изменяться, при этом они могли как локально улучшаться, так и что-то терять. Более того, наша модель не отрицает, что локальные улучшения могли происходить даже и в соответствии с концепцией Дарвина, т.е. «небольших случайных изменений и закрепление полезных из них» – однако, с точки зрения нашей концепции, это касается только деталей, и «доводка» происходит после того, как все основные органы уже существуют (или, иначе говоря, после того, как с самого начала базовая информация об устройстве основных систем была заложена в организмы). При этом, поскольку самыми примитивными многоклеточными являются кишечнополостные, то мы предполагаем, что искать универсальный геном нужно именно у них. В рамках дарвинизма совершенно непонятно, каким образом у медуз мог «случайно» возникнуть столь сложный и абсолютно «бесполезный» орган, не дающий эволюционных преимуществ и не существующий ни у одного из близких видов. Однако, в соответствии с новой моделью эволюции, этот феномен легко объясним: программа развития глаза уже существовала у медуз и могла в результате мутации случайно включиться у вида, которому она не предназначена. При этом программа эта, конечно, не идеальна и, более того, могла слегка «подпортиться» в результате неиспользования в течение долгого времени или в результате самой мутации; а поэтому хрусталик обладает неправильным фокусным расстоянием. Интересно отметить, что у кишечнополостных также присутствует ген Pax6, который нужен для развития глаз у млекопитающих и у насекомых (у самих кишечнополостных глаз, естественно нет). Более того, если взять этот ген у анемоны и подсадить слепой мухе, то у нее тоже появится глаз, как это и в опыте с  пересадной мухой гена Pах6 от млекопитающих. Таким образом, и морфологически и генетически системы зрения у нас и у медуз очень сходны.  Аналогично этому «природному эксперименту» прямая проверка нашей гипотезы заключалась бы в том чтобы «включать» у примитивных организмов программы развития органов, которых у них нет, но которые при этом есть у более сложных организмов. Например, направлением экспериментов могла бы быть попытка с помощью пересадки «включателя» получить четырехкамерное сердце (и, соответственно, двух кругов кровообращения) у лягушки. Как известно, у лягушек и других амфибий сердце трехкамерное, и венозная кровь смешивается с артериальной. Переход к четырехкамерному сердцу – это развитие принципиально новой системы, связанное с большим количеством изменений в кровеносных сосудах, которое представляет собой гигантский эволюционный скачок. Однако этот скачок в ходе эволюции происходил, по крайней мере, три раза, и при этом (по Дарвину) независимо – у млекопитающих, у птиц и у крокодилов. Поэтому мы можем предположить, что и для более простых, в эволюционном смысле, существ требуется лишь небольшое изменение для «включения» этой программы, и его нам будет несложно получить экспериментальным путем.  Предложенная выше модель эволюции является улучшенной и конкретизированной версией идеи Intelligent design или «разумный замысел». Мы не знаем, каким образом возник универсальный геном, был ли он создан и заложен Божественной волей, «инопланетянами» или это произошло как-то иначе (точно также, как как Гамовская теория «Большого взрыва» не объясняет, почему произошел этот «взрыв» или «кто» его запустил; она лишь дает объяснение эволюции Космоса после Большого взрыва, и позволяет экспериментально проверить предсказания, связанные с ним. Наша задача – создать научную (проверяемую) модель развития эволюции после создания универсального генома и предсказать, на основании этого, результаты эксперимента. В любом случае эта новая научная модель дает нам совершенно иную картину окружающего мира, чем та, которая рисуется идеями Дарвина.