Эволюция жизни

Биологическая эволюция — это процесс постепенного развития части природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. Существует несколько эволюционных теорий, объясняющих механизмы, лежащие в основе этих процессов. Чарльз Дарвин сформулировал теорию эволюции на основе естественного отбора. Эволюция происходит в течение периода времени, превышающего срок жизни одного поколения, и заключается в изменении наследуемых черт организма. Затем эти активно развивающиеся формы жизни, накапливают полезные признаки и усложняют свое строение, приспосабливаясь к окружающей среде. Но для преодоления ее негативного воздействия у живых организмов присутствует лишь ограниченный набор молекулярных механизмов, непосредственно влияющий на происходящие эволюционные изменения.

Если внимательно присмотреться к известным на сегодняшний день фактам, то предстает следующая последовательность событий. Жизнь возникала циклопическими волнами отчасти порожденных условиями внешней среды. Катастрофические события временами уничтожали все живущее на обширных пространствах, создавая тем самым условия для иных форм жизни. Происходила грандиозная смена флоры и фауны, наблюдаемая в геологических пластах. Эти периоды (докембрий, палеозойская эра, мезозойская эра и кайнозойская эра) достаточно хорошо изучены. Взаимодействие планет с объектами Солнечной системы часто приводило к роковым последствиям. Исследователи склоняются к выводу, что исчезновение некоторых сообществ растений и животных результат падения метеоритов, извержений вулканов или резкого изменения климата. Следы от ударов небесных тел в наши дни усматривают в различных крупных впадинах на поверхности Земли, одной из которых считается Каспийское море. Можно вполне обоснованно предположить, что особенно мощный удар астероида или кометы о Землю пришелся на южную и центральную части Тихого океана. Здесь не осталось никакой суши, за исключением осколков тихоокеанских островов. Главное направление удара пришлось на два Американских континента, вдоль западной окраины которых выросли громадные цепи Кордильер и Анд. Некоторые черты этой кольцевой структуры можно проследить в Индийском океане.

Совокупность всех экосистем на планете образует биосферу. Разного типа организмы составляют общую среду для преобладающих форм живой материи. Перемены в среде обитания влекли за собой и различные видоизменения связанных с ней форм жизни. Создания, жившие около миллиарда лет назад, настолько отличались от современных, что к ним даже неприменимы привычные нам принципы классификации. В них причудливо сочетались признаки от некоторых возможно ранее преобладавших типов, никогда не встречающиеся одновременно ни в одном из ныне живущих организмов. По ряду причин эти странные существа вымерли более полумиллиарда лет назад (в раннем кембрии). Затем на коротком отрезке времени (длительностью порядка десяти миллионов лет) и появились все наиболее распространенные типы живого. Но существующая биосфера не просто менялась — она усложнялась, становилась все более разнообразной. Вся дальнейшая эволюция — это непрекращающаяся гонка наращивания размеров и видоизменения форм. Что же до отсутствия ископаемых остатков различных переходных форм, то аргументом служит кратковременность их существования и очевидно небольшая их численность.

Общее состояние биосферы зависит от многих факторов: интенсивности солнечного света, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра и водных течений, радиоактивного излучения и множества других. Большинство живых организмов производят органические вещества из неорганических (из относительно простых молекул синтезируются более сложные — основа живой материи). В компонентах биосферы круговорот веществ и накопления энергии происходит в основном за счет процесса фотосинтеза. Содержащая хлорофилл ткань поглощает солнечную энергию и преобразует ее в энергию органических веществ: глюкозы, крахмала и целлюлозы. Впрочем некоторые, в основном бактерии, все же способны производить питательные вещества даже без солнечного света. Остальные используют только годные для них питательные вещества (так в водной среде фитопланктон служит пищей для зоопланктона). Находящиеся выше активные хищники питаются этими растительноядными формами, а отдельные и плотоядными. Живые организмы способны также разлагать фрагменты уже омертвевшей органики на составные части, подготавливая пищу для простейших микроорганизмов. Все эти формы живого отличают лишь способы преобразования материи и добычи энергоносителей.

Дерево, покрытое зеленью — одно из самых великовозрастных и самых высоких растений на земле. Величественные леса, покрывают пространства долин с полноводными реками, несущими свои воды в мировой океан. Под влиянием климатических изменений новые породы деревьев появлялись и исчезали в туманном прошлом Земли. Климат становился то прохладнее, то суше, и поэтому распространение этих гигантов иногда приостановилось. Вдоль побережья зимние дожди и летние туманы дают постоянную влагу, необходимую для жизни. Туман часто конденсируется в кронах деревьев, и вода каплями стекает вниз по стволам, обильно увлажняя почву. Очевидно там, где климат постоянно сухой, деревья не могут существовать, они теряют своей влаги гораздо больше, чем корни могут впитать. Взрослое дерево дает множество семян, но лишь малая часть их успешно прорастает, а те, что проросли, вынуждены выживать в условиях слабой освещенности. Относительно прямой ствол, малое количество сучьев и высокая плотность делают их структуру легкой, но прочной, а комбинация масел препятствует гниению и атаке насекомых. После стихийных бедствий леса оставляют за собой свободные площади, но природа дает возможность семенам вызревать в хорошо удобренной рыхлой почве. Совершенно разного вида и строения деревья присутствуют во всех известных на Земле экосистемах, начиная от эдиакара и заканчивая относительно недавно начавшейся кайнозойской эрой.

Развитие биосферы сопровождается экспансией существующих видов и сообществ. Процессы эволюции жизни, нарастание плотности ее физической массы требовали освоения новых мест обитания и экологических ниш, различные виды должны были приспосабливаться ко все более сложным и разнообразным условиям. Таким образом, по принципу обратной связи усложнение среды вело к усложнению организмов и их сообществ, и наоборот. Каждая среда обладает своими особенностями и свойствами, определяющими внешние условия для обитания различных форм живого. Самым же удивительным свойством жизни является ее самосохранение. Все живое, естественным образом, предрасположено к самосохранению, а единственная гарантия такового — повышение устойчивости против негативных воздействий среды. Просто поразительна способность экосистем планеты восстанавливать свое разнообразие после самых ужасных и фатальных катаклизмов, имевших место в прошлом, а эволюции — возвращаться на путь устойчивого синтеза и роста целой линии форм из квазистационарных образований (происходит смена исходных веществ).

Так что же движет происходящую эволюцию?

В целом информацию представляют некой субстанцией, подобно веществу или энергии. Отдельные виды этих сложных процессов играют заметную роль в развитии живой природы. Хорошо известно, что объекты материального мира находятся в состоянии непрерывного изменения, которое сопровождается обменом энергии. Изменение состояния одного объекта приводит к изменению состояния другого объекта, где порядок следования ряда таких объектов несет в себе некую информацию. В связи с этим очевидно, что подход к молекулярным биологическим проблемам может быть не только физико-химическим, но и информационным. Стоит отметить, что хотя информация повсеместно и служит человеку, однако, в первую очередь, она выступает как виртуальная, умозрительная реальность. И это и есть ее самое великое таинство. Двигаясь по пути познания, человечество издревле занимается кодированием информации в той или иной форме (речь, письменность и т. д.). Информация не существует сама по себе, для ее хранения и передачи требуются достаточно надежные способы кодировки и носители, поэтому она не подчиняется законам материального мира, здесь правят бал свои особые нормы и правила.

Наследственная информация фундаментальная основа процессов жизнедеятельности. Общеизвестно, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и пространстве нематериальным способом (для передачи массива информации расходуется некоторое количество энергии). Мир живого при этом не всегда однороден, возникают и новые направления. Кислород, в следствии его высокой химической активности, является главным поставщиком энергии для живых образований и его неоценимая роль совершенно очевидна. Биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных метанокисляющих архебактерий, между тем явно превосходит долю всей остальной. Доказано также, что в содержимом клетки находится информация обо всем организме в целом до мельчайших подробностей (многообразие клеточных организмов происходит от общего предка, отчасти поэтому из одной единственной клетки можно вырастить идентичную копию донора). А почему бы не предположить, что в ДНК или где-то еще глубже не находится и другая информация.., к примеру там закодированы принципы эволюционного развития сообществ животных и растений — доныне существующих, вымерших и надо полагать даже тех, что возможно будут позднее?

Предположим, что внутри каждого существа находится альбом с «чертежами» от относительно простых до разных сложных и высших форм организмов. Тогда должна существовать и программа, работающая с этой базой (сам принцип кодирования фрагментов эволюционного ряда в единой молекуле к тому же эффективная мера предосторожности от проникновения в биосферу чуждых элементов). Программа функционирует по вложенным алгоритмам, позволяющим оптимально и целенаправленно развиваться как отдельному организму, так и биосфере в целом. Все живое создается как бы из гигантского конструктора, из готовых узлов и элементов в различных комбинациях (каждый организм уникален). Развитие идет от менее совершенных форм к более совершенным, от простейших организмов к все более сложным их видам, но не хаотично, а целенаправленно. Эволюция, идущая таким образом, есть процесс распаковки ранее заложенной информации, варьирующийся в зависимости от внешних факторов. Таинственные структуры из молекул объединенных в интегрированные системы тканей и органов клеточных организмов, содержат массивы данных о биологических процессах. Реализация этой генетической информации осуществляется в два этапа. В клеточном ядре на основе молекулы ДНК синтезируется матричная РНК (транскрипция). При этом нуклеотидная последовательность ДНК «переписывается» (перекодируется) в нуклеотидную последовательность РНК. Содержащаяся в молекуле РНК информация определяет весь исходный набор и специфику синтезируемых белков, включая сложный механизм инициализации тех сборочных программ. Затем РНК переходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, и на ней, как на матрице, синтезируется полипептидная цепь белка (трансляция). Появление и развитие живой материи несомненно проистекает из возможности информации существовать в различных формах и видах, а самым удивительным свойством генетической информации является ее способность передаваться из поколения в поколение бесчисленное число раз путем простой смены носителей.

В природе существуют также и многие псевдоэволюционные изменения, которые можно наблюдать практически ежедневно, скажем метаморфозы насекомых. Гусеница и бабочка — это два организма, невероятно далекие друг от друга в смысле как анатомии, так и функций тела. Так что же происходит в коконе? Гусеница перестает существовать: она не умирает, а распадается на миллионы клеток. Образуется кашицеобразная масса, состоящая из физиологических жидкостей, воды, отдельных клеток и небольших фрагментов тканей. Часть клеток идет в пищу другим — организм этого удивительного существа продолжает жить, хотя и не напоминает теперь ни клетки гусеницы, ни, уж тем более, бабочки. С определенного момента, приводимые в действие таинственным приказом, те элементы начинают сгруппировываться в новую форму, ничем не похожую на предыдущее существо и строят из себя органы, которых не было у гусеницы: голову насекомого с эластичным полым хоботком, фасеточные глаза, туловище и брюшко, а сверх того две пары сказочно разукрашенных крыльев — чудо аэродинамики, вершина авиационных технологий и несомненно, художественной выразительности. А чтобы изумить нас еще больше, эти крылышки создаются изначально в смятом и скомканном виде, являя миру затем уже чудесный многоцветный орнамент, удвоенный в точном зеркальном отражении. Крылья выскользнувшей из куколки бабочки, распластываются и натягиваются на рамках из наполняемых воздухом трубок, унося вдаль это порхающее на бескрайних просторах и питающееся нектаром, беззаботное существо. На все те столь удивительные превращения уходит 2 — 3 недели, впрочем иногда этот период может занимать до нескольких месяцев.

Особенности развития биологических видов обусловлены жестко ограниченными пределами. Например высшие организмы большую часть информации об окружающем мире воспринимают в видимом диапазоне спектра (у птиц зрительное восприятие распространяется чаще на ультрафиолетовый, а для некоторых животных — на область инфракрасного излучения). Процесс жизнедеятельности всех этих форм тесно связан с лучами света и сопутствующими благоприятными климатическими условиями. Многие виды живого обладают также неким внутренним источником энергии, они способны обходится без пищи длительное время (для этого необходимо поступление в живую ткань образованных ранее питательных веществ). И кроме того в клетках, органах и тканях происходит газообмен с окружающей средой (формы живого от нее крайне зависимы). Эти функции в организме животных объединяет сложная транспортная система кровообращения. Однако распределение потока солнечного излучения в среде их обитания периодически меняется. Поэтому занимаемый биологическим видом ареал во многом определяется интенсивностью обмена веществ и зависим от циклически повторяющихся сезонных и суточных условий (от смены времени года, дня и ночи).

Сложные биологические процессы влияют на многие аспекты жизнедеятельности организма. Обыкновенная кисть руки — это орган, с помощью которого мы познаем реальный мир. Притягиваем что-нибудь к себе или отталкиваем. Мы используем руки для того чтобы разводить костер, шить необходимую одежду, ваять скульптуру и управлять автомобилем. Конечно, таким уникальным именно этот биологический вид делает человеческий мозг, с его бесконечными творческими возможностями, но только не будь у нас рук, все великие мысли, рожденные мозгом, оставались бы лишь невоплощенными идеями. Скелет передних конечностей у самых разных позвоночных — от лягушек до слонов, от летучих мышей до людей — имеет один и тот же план строения: фаланги пальцев соединяются с костями запястья, а те прилегают к двум костям предплечья, которые идут к одной длинной кости, сочлененной с плечевым суставом. По научным данным этот орган появился у форм живого не позднее 380 миллионов лет назад. Исследователи полагают, что подобные конечности развились на основе мощных плавников одной из существовавших в те времена групп кистеперых рыб. Внутри этих плавников было несколько коротких и толстых костей, очень похожие на кости наших рук. Со временем у потомков этих рыб возникли и мелкие косточки, соответствующие костям наших запястий и пальцев. Затем пальцы оформились и отделились друг от друга, что позволило этим созданиям пробираться сквозь густую подводную растительность, хватаясь за нее. Такие «руки» выглядели более экзотично, чем в наши дни: у одних видов было по семь пальцев, у других — по восемь. Но к тому времени, когда позвоночные выбрались на сушу, около 340 миллионов лет назад, их число сократилось до пяти.

Разнообразие передних конечностей велико и среди ныне существующих видов, от ласт дельфина до крыльев орла и рук шимпанзе. Изучая этот орган, ученые начинают понимать, какие именно молекулярные изменения приводят к подобным мутациям; осознавать, что несмотря на довольно многочисленные различия, передние конечности на эмбриональной стадии развиваются по единому плану. Присутствует система генов, отвечающих за формирование этого органа, и все разнообразие передних конечностей предопределено возможными трансформациями в этой системе. Одни гены отвечают за образование запястья, другие — за пальцы. Подчиняясь заложенной в гены программе, пальцы могут удлиняться или частично исчезать, а когти превращаются в ногти. И насколько непохожими внешне нам не кажутся крыло грифа и лапа льва, принципиальная разница между ними закодирована в их геноме. На данный момент это наиболее обоснованное предположение, способное объяснить феномен схематичного развития невероятно сложных клеточных конструкций (в организме на протяжении всей жизни происходит физиологическая регенерация — предыдущие поколения клеток сменяются новыми, которым «уходящие» передают свою наследственную информацию).

Как же происходит переход одного вида в другой?

Эволюция сложноустроенного организма является следствием изменения его наследственных признаков. Относительно спонтанные мутации происходят в геномах практически всех форм живого. Эти мутации и создают генетическую изменчивость. Затем, по средствам естественного отбора, закрепляются лишь те мутации, которые увеличивают их приспособленность к среде обитания. В мире одноклеточных уже присутствует разделение по обмену веществ на растения и животных. Путем фотосинтеза первые из них создают себе пищу сами, вторые этого не могут и нуждаются в готовых органических веществах. Такой подход необходим целому ряду организмов для их выживания и размножения; один из самых заметных для наблюдения результатов эволюции — адаптация (поведенческая, морфологическая или физиологическая). В долгосрочной перспективе процесс завоевания жизненного пространства обнаруживает тенденции к появлению других видов: например, после разделения существующей популяции организмов на новые, особи из которых не могут скрещиваться. Многое при этом зависит от характерных качеств среды обитания (водной, наземно-воздушной, почвенной или организменной). Подобное видообразование наблюдалось многократно — как в контролируемых лабораторных условиях, так и в природе.

Очевидно с самого момента появления форм живого они приспосабливались к внешним условиям своего существования. Эти условия в силу нестабильности астрономических, тектонических, климатических и многих других факторов, а также нарастающей экспансии самой жизни, постоянно менялись. Но даже самый беглый взгляд на развитие биологических видов убеждает в том, что этот процесс ускоряется во время стресса, то есть ситуации, возникающей в результате резкого и неблагоприятного изменения внешних условий. Это хорошо известно на примере бактерий. Оказываясь в состоянии физиологического стресса, допустим голодание или появление в окружающей среде антибиотиков, они очень быстро отвечают на эту угрозу появлением множества новых мутантных разновидностей, среди которых обнаруживаются особи, успешно выживающие в новых условиях (становясь резистентными к антибиотикам или приобретая способность усваивать прежде несъедобную пищу). Бактерии целенаправленно отвечают на возникшую потребность приспособиться и выжить. В лабораторных условиях их популяция, поддерживаемая в крупном сосуде, за несколько недель, благодаря спонтанным мутациям и естественному отбору, приобретает способность использовать в качестве нового источника углеводов различные типы сахаров.

У более сложных организмов движущие силы направленного развития аналогичны. В стрессовой ситуации, при резком изменении климата, сокращении кормовой базы или других неблагоприятных внешних факторах происходит эволюционный скачок. Запускается тот же самый скрытый молекулярный механизм и у особей угнетаемого вида, в большом количестве появляются новые мутантные формы, способные выжить в новых условиях. В частности, хорошо известно, что в периоды продолжительного похолодания тело млекопитающих для теплоизоляции покрывается шерстью, это не раз происходило в ходе их эволюции. Далее уже происходит естественный отбор и выживают сильнейшие, наиболее приспособленные к внешним условиям особи. Постепенно из них формируется новый вид. Не обязательно в процессе эволюции выживет именно новый вид, но шансов, скорее всего, у него больше. Возможно, выживут оба: может статься представители того же вида, проживающие в других более благополучных ареалах, вряд ли нуждаются в подобных новшествах. Таким образом и получается разнообразие видов на планете.

Информационно-молекулярные технологии правят в этом мире с момента образования форм живого, и только наступивший век кибернетики, с его фундаментальными открытиями в науке и технике, позволил это заметить. Увидеть закономерность и конечную целесообразность всех происходящих эволюционных изменений. Следовательно, основы эволюции, причины возникновения и развития живой природы на нашей планете следует искать в направленности этих процессов и событий, которые обеспечиваются едиными информационными технологиями. Поэтому сама биосфера так же, как ноосфера, техносфера и инфоносфера, является законным следствием последовательной, направленной эволюции органического мира.