ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИИ ДАРВИНА 150 ЛЕТ
Илья ГУЛЬКАРОВ, Чикаго
ИЛИ КАК ВОЗНИКЛИ РАЗЛИЧНЫЕ ЭТНИЧЕСКИЕ ГРУППЫ ЛЮДЕЙ
Теория эволюции Дарвина — одна из самых фундаментальных идей в науке за всю историю нашего существования. 150 лет назад, в 1859 г., Дарвин опубликовал свою, ставшую теперь уже знаменитой книгу «К происхождению видов» (“On the Origin of Species”). Ни одна научная теория не вызывала столько обсуждений, трений и споров в обществе как теория эволюции. В то же время успехи эволюционной биологии и эволюционной психологии, а также эмбриологии и открытие ДНК подтверждают дарвинизм и развенчивают её критиков. Открытие молекул ДНК, генетического материала всех живых организмов на Земле, является строгим подтверждением теории и позволяет понять механизм эволюции на молекулярном уровне. Теория Дарвина навсегда изменила наше мышление о том, как зародилась и эволюционировала жизнь на Земле. Многие открытия и наблюдения последних лет ясно показывают, что эта теория правильно описывает происхождение видов. Огромные изменения, которые произошли в мире за примерно 4 млрд. лет и возникновение первых одноклеточных организмов — бактерий, положили начало развитию жизни на Земле. Все живые организмы, от простых организмов до сложных многоклеточных структур, включая человека, имеют общего предка (a common ancestor), а сами организмы постоянно усложнялись и изменялись в течение весьма длительного времени в цепочке превращений химия, биология, жизнь. Эти изменения включают и самого человека. Интересная теория космологической эволюции проф. Ли Смолина из института теоретической физики в г. Ватерлоо, Онтарио, Канада использует идеи дарвинизма, чтобы объяснить как огромное количество невидимых вселенных (“multiverse” universes) эволюционировали из одной подобно тому, как сложные живые структуры образовались из простой одноклеточной субстанции. Эта теория утверждает, что фундаментальные физические постоянные в различных вселенных немного отличаются друг от друга и лишь в одной из возможных вселенных имеется соответствующий набор постоянных, приведший, в конечном счете, к возникновению жизни, хорошо приспособленной к окружающей среде.
Следует также отметить, что социальная, далёкая от науки среда, не принимает дарвинизм даже сегодня, несмотря на наличие многочисленных объективных её подтверждений. Любопытный статистический анализ показывает, что 96% людей, изучавших эту теорию (например, в школе), соглашались, что она верна в то же время те, кто никогда не изучал её, почти полностью её отвергали (к сожалению, во многих американских школах сегодня не изучают эту теорию, считая её неправильной). Известный профессор молекулярной биологии доктор Син Кэрролл из Бостонского университета в его интересном интервью, опубликованном в журнале “Discover” за Март 2009 отмечает: «It is a blindness, not reasonable, not rational. Students must study evolution as a core subject in science from the early grades”. Проф. биологии и математики из Гарвардского университета Мартин Новак восклицает: “I am deeply fascinating by evolution!”
Каким же образом Дарвин пришёл к идее эволюции? Когда Дарвину исполнилось 22 года, он участвовал в длительной, пятилетней экспедиции по Галапагосским островам. Путешествуя от одного острова к другому и коллекционируя различные виды птиц, — от пересмешников до снегирей, — он, к своему удивлению, обнаружил, что на разных островах одни и те же виды птиц несколько отличались друг от друга. Он пришёл к выводу, что одинаковые виды птиц, разделённые пространством и временем, вследствие различных условий обитания на разных островах, отличаются друг от друга и изменяются (слово «эволюция» означает изменения во времени в ДНК or changes over time in DNA). Фундаментальная основа эволюции — это изменения в ДНК, связанные с изменениями окружающей среды во времени.
Если вы измените ДНК в гене эмбриона, цвет животного станет темнее; большее количество изменений в ДНК может привести даже к изменению размера того или иного органа. Различия между видами связаны с мутациями в генах, т.к. мутации в генах играют ключевую роль в формировании различных частей тела. Например, мутации в генах мух могут быть ответственны за появление новых крыльев или же напротив привести к их исчезновению, а также к отсутствию глаз или к неправильному расположению различных частей тела (скажем, ног на голове мухи вместо антенны). Все живые структуры имеют почти одинаковый набор генов, ответственных за строение различных частей тела. Мутации в генах ответственны таким образом за изменения в формировании структуры тела. Профессор Кэрролл в своём интервью отмечает: «When genetic potential met ecological opportunity, you got elephants and bison and giraffes. Ecology is like corking the bottle; take the cork out and things explode”. Небольшие изменения в геноме приводят к образованию нового вида. Соответствующая последовательность ДНК явилась важным звеном, которое обусловило появление первого человека.
Любопытно, что глаза человека или глаза, например, клопа, мыши или мухи, хотя и используют различные оптические принципы, сформировались с помощью одного и того же гена и разделены по времени в 500 миллионов лет. Различные виды животных (например, тигр, лошадь или обезьяна) имеют одинаковый набор генов (similar genes), но различные подключения их ДНК внутри генома. Уже сегодня, используя компьютерные программы, учёные могут моделировать и объяснить причину отличий между различными животными, т.е. какие изменения необходимо внести в геном, чтобы воспроизвести крылья, когти, ноги или шерсть у животного.
6 млн. лет тому назад человек и шимпанзе имели общего предка и разделились вследствие изменений в их генах. Геномы человека и шимпанзе отличаются всего лишь на 1%, тем не менее, они имеют различное поведение, размер мозга и интеллект. Отличия в их генах имели драматический эффект и существенно повлияли на размер мозга. Интересно, что 300 млн. лет назад курица и то, что было предком обезьяны и человека, также имели общий корень (a root). Около 4 млрд. лет назад все живые организмы, включая растительный и животный миры, имели общего предка, которое явилось началом дерева жизни на Земле.
Наша цивилизация насчитывает сегодня почти 7 млрд. людей. Геномы любых двух людей совпадают на 99.5%. Естественно мы пытаемся понять, почему мы этнически разные, т.е. как возникли расы на Земле, закончилась ли наша эволюция, удаляемся мы всё более и более друг от друга или нет. Теория эволюции Дарвина даёт нам ключ к разгадке и ответы на эти вопросы. Как отмечалось выше, Дарвин обнаружил, что на разных островах одни и те же виды птиц несколько отличались друг от друга. Подобным же образом люди, живущие на разных континентах, разделенные пространством и временем, вследствие различных условий обитания на разных материках, несколько отличаются друг от друга и изменяются. Начнём с нашей недавней истории.
50,000-60,000 лет тому назад первые современные люди (Homo sapiens, Stone age) появились на востоке африканского континента (назовём их Adam and Eva). Эти люди являются предками всех землян, которые мигрировали на другие континенты по всему земному шару, заселяя последовательно юг и запад Африки. Поднимаясь выше, на север, они осваивали то, что мы сегодня называем Европой, Азией, Россией, Австралией, а также северную и южную Америку. 10,000 лет тому назад население Земли составляло уже около 10 млн. человек (почти в 700 раз меньше, чем сейчас), а во времена Римской империи население возросло до 200 млн. За последние 1500 лет население Земли росло по экспоненциальному закону и достигло 6.7 млрд. Согласно этому закону, если темпы роста сохранятся, то через 100 лет нас уже будет около 70 млрд. Число стран в мире и различных языков, с помощью которых общаются люди, возросло до 250 и продолжает увеличиваться, а эволюция землян ускоряется со временем лавинообразно.
Приведём результаты некоторых исследований. Геном человека существенно изменился за последние 40,000 лет. За 10,000 лет эволюция людей ускорилась в сотни раз и увеличивается намного быстрее, чем в любые другие периоды нашей истории. Различий между двумя видами сегодня в 160 раз больше, чем это следовало бы ожидать, если бы не было ускорения.
Мы адаптировали примерно 2000 изменений нашего генома и меняемся быстрее, чем в прежние времена. Все человеческие расы эволюционировали из одной и удаляются друг от друга всё дальше и дальше. Мы становимся менее похожими и не сливаемся в единую смешанную общность. Сегодня мы не такие, какими были люди 2000 или даже 1000 лет назад, что связано с изменениями в генетическом коде. Америка и остальной мир стали технологической цивилизацией лишь 200 лет назад. Сегодня трудно себе представить, что многих стран вообще не было на карте мира 200-300 лет назад.
К.МсАuliffe в своей статье “Are we still evolving?” (“Discover”, March 2009) дискутирует, какие изменения произошли с людьми в процессе эволюции: y европейцев скулы наклонены назад, глазные яблоки несколько удлинены, носовая перегородка высокая, тогда как у азиатов скулы смещены вперёд, глаза округлены, а носовая перегородка низкая. У австралийцев скулы толще, зубы увеличены по сравнению с другими этническими группами. Анализ различий в ДНК у 270 людей из Японии, Китая, Нигерии и северной Европы показывает, что эти различия унаследованы. Культурные различия людей указывают на то, что наша эволюция даже ускоряется, и мы можем оценить скорость эволюции. Это ускорение началось сравнительно недавно. Интересно, что ускорение нашей Вселенной (т.е. её быстрое расширение) также началось сравнительно недавно, и мы сегодня знаем, что, в конечном счете, это ускорение приведёт к её гибели. Нет ли какой-нибудь взаимосвязи между ускорением Вселенной и бурным ростом нашей цивилизации? В то же время многие люди не допускают, что эволюция и время могли существенно изменить наш мозг, хотя и очевидно, что новые поколения людей гораздо быстрее адаптируются к новым технологиям по сравнению с прежними поколениями. Если вы каким-то чудесным образом оживёте и окажетесь среди новых поколений людей, скажем через 200 лет, то эта новая жизнь вам покажется не только малопонятной, но и совершенно невозможной, вследствие огромных изменений в обществе, к которым вы не приспособлены. Пишу об этом потому, что некоторые энтузиасты хотят участвовать в программе глубокого охлаждения тела после их смерти, когда успехи медицины, как они надеются, помогут оживить их для новой жизни через сотни лет.
Культурные и демографические сдвиги объясняют нашу трансформацию, и в частности, различия в цвете кожи. Люди с тёмной кожей имеют проблемы вырабатывать витамин Д из ультрафиолетового излучения Солнца, если они живут в северных широтах. Европейцы и азиаты за последние 20,000 лет стали светлее вследствие двух десятков мутаций, которые уменьшили выработку кожного пигмента меланин. Интересно, что ни у кого из землян не было голубых глаз всего лишь10,000 лет назад. Голубой цвет глаз появился у людей, живущих в определённой местности и имеющих светлую кожу, как результат эволюционного процесса. Мутации генов, произошедшие 8000 лет назад в северной Европе, обусловили тот факт, что 80% европейцев лучше усваивают лактозу по сравнению с 20% азиатов. 35,000 лет назад малярия приводила к летальному исходу гораздо чаще, чем за последние 5000 лет вследствие образования 25 новых генов и новой группы крови у жителей Африки (Сахара). Наш мозг эволюционирует даже быстрее по сравнению с эволюцией нашего тела. Уже выявлены гены, которые ответственны за наше долголетие. Исследование генома танзанийцев показывает, что дети, ощущающие заботу своих бабушек, имеют больше шансов выжить и живут дольше (the “grandmother effect”). Старые мужчины могут передать свои гены более молодым женщинам, если они находятся с ними в близкой связи. Сперматозоиды современных мужчин существенно отличаются от сперматозоидов мужчин, живших 5000 лет назад, но старые люди не вносят существенных изменений в геном человека и поэтому не подвержены заметной эволюции.
Согласно оценкам, 40% нейротрансмиттеров, включающих серотонин (регулятор настроения), глютамин (регулятор возбуждения или агрессии) и допамин (регулятор внимания), появились за последние 10,000 лет. У домашних собак уровень глютамина ниже, чем у диких животных, что связано с соответствующими изменениями в их генах. Сверхактивные дети с дефицитом внимания, имели в два раза меньше допамина по сравнения с детьми, не имеющими этих проблем, поэтому таким детям рекомендуют увеличить потребление допамина. В то же время эти дети могут иметь экстраординарные способности, в среднем они даже умнее и сфокусированы скорее на многих направлениях, чем только на одном. У евреев, особенно живущих в северной Европе, больше в процентном отношении шахматных гроссмейстеров, Нобелевских лауреатов, выдающихся музыкантов, у них выше результаты IQ (140 вместо 115-120 в среднем). Возможно, это связано с условиями их жизни, когда в течение почти 2000 лет изгнаний им запрещали заниматься определёнными видами работ, поэтому они вынуждены были совершенствоваться в тех областях, где невозможна были дискриминация. Японцы, имея довольно скудные ресурсы, успешно развивали различные технологии и вышли на передовые позиции во многих областях, связанных с интеллектуальными видами деятельности.
Приспособительные возможности жизни на Земле удивительны, т.к. оказалось, что жизнь возможна в самых невероятных условиях, что не может не поражать воображение. Недавно учёные обнаружили косяки рыб (snail fish) или морские слизни размером до 30 см в южной части Тихого Океана на северо-восточном побережье Японии на глубине около 8 км, куда совершенно не проникает солнечный свет, т.е. там абсолютная темнота, температура близка к 0˚С и давление превышает атмосферное в сотни раз. Они питались маленькими креветками и производили достаточно большие икринки. Учёные полагают, что эти рыбы появились там сравнительно недавно вследствие эволюции, когда на таких глубинах оказалось достаточно кислорода. Учёным казалось, что жизнь в таких экстремальных условиях просто невозможна. Я видел видеозапись «танцев» этих рыб на Internet и удивился, что они двигались довольно быстро и держались стаями. Эта самая большая глубина, где обнаружена жизнь. Эта жизнь ставит перед теорией эволюции несколько вопросов: возможна ли жизнь на ещё больших глубинах, на других планетах в весьма суровых условиях или существуют ли вообще пределы существования жизни?
Другое интересное открытие было сделано недавно в Новой Гвинее, где обнаружены необычные организмы в горах на высоте около 5 км, в том числе кенгуру, живущие на деревьях, и змеи с зелёной кровью. Анализ генетического материала позволяет понять, происхождение этих организмов от их прародителей и изучить, почему они приобрели иные формы. Интересные останки ископаемой рыбы (Tiktaalik roseae или большая пресноводная рыба) обнаружены на арктическом побережье Канады в 2004 на расстоянии 1200 км от северного полюса. Эта рыба является важным недостающим звеном между жизнью в воде и на суше. Она выползла на берег около 375 млн. лет назад и её исследование позволяет углубить наше понимание важных эволюционных сдвигов, а также понять, каким же образом жизнь из воды стала заполнять сушу. Это странное образование имело комбинацию из четырёх частей тела животного, черепа, шеи, рёбер и с более примитивными челюстью, плавниками и чешуёй рыбы («рыба-животное»). Исследования 70 видов растений и животных, найденных на севере Мексики в пустыне с 400 прудами в среде строматолитов, т.е. очень старых камней (возраст этих строматолитов около 4 млрд. лет) позволяют понять механизмы образования первой жизни на Земле. Этих организмов нет нигде в мире и эта местность в Мексике является Меккой для учёных, которые исследуют, каким образом и когда одноклеточные бактерии стали многоклеточными, а также период, известный в науке как Cambrian explosion, т.е. период бурного возникновения многоклеточных организмов с твёрдой оболочкой, скелетом и мощным панцирем, происшедшим около 540 млн. лет назад.
Известны бактерии, которые трудно уничтожить с помощью антибиотиков (antibiotic or drug-resistant bacteria), т.к. они очень быстро изменяют свою генетическую форму. Учёные пытаются разрабатывать новые антибиотики, которые бы позволили регулировать, т.е. уменьшить скорость эволюции таких микробов и, в конечном счете, вылечить инфицированного этими микробами больного. Биоинженерия и биотехнология ищут пути изменения генома животного и человека, а также возможности манипулирования со стволовыми клетками. Довольно скоро возможности эволюции лягут на наши плечи, правда, с непредсказуемыми последствиями. Генетическая инженерия, в конечном счете, может привести даже к усилению эволюции. Растяжение молекул ДНК поможет контролировать активность генов и создавать новые гены с различными свойствами. Манипуляции с генами могут быть использованы для терапии больных с генетическими повреждениями и такие исследования уже проводятся в различных исследовательских центрах мира.
Подведём итоги. Теория эволюции Дарвина навсегда изменила наше мышление и наше понимание истории возникновения жизни на Земле. Сегодня у нас имеется огромное количество данных, согласно которым эволюция произошла именно так, как это предсказывал Дарвин. Две основные идеи этой теории (весь растительный и животный миры имеют единое начало и что эволюция продолжалась в течение всей нашей истории) нашли сегодня многочисленные подтверждения. Наша эволюция продолжается и сегодня. Мир, в котором мы живём, включая нашу Вселенную, находится в состоянии беспрерывного развития и изменений. Мы непрерывно изменяемся и сами. Эти изменения дают нам ответ на вопрос, каким образом возникли различные этнические группы людей и даже предсказать наше будущее: появятся ли новые виды людей, отличные от современных; люди с новыми группами крови или даже с другим цветом; будут ли новые технологии изменять нас быстрее и быстрее и что может стать результатом этих ускорений; в чём состоит секрет появления людей с экстраординарными способностями (как, скажем, Эйнштейн, Шекспир, или Моцарт); будут ли разгаданы механизмы таких способностей и распространены на других людей; научимся ли мы исправлять повреждённые гены; сумеем ли мы в конечном итоге создать совершенного человека.