Раскрытие жизни

О дна из самых замечательных особенностей зарождающейся теории живых систем — необходимо вытекающее из нее новое понимание эволюции. Взгляд на эволюцию как на результат случайных мутаций и естественного отбора сменяется признанием творческого раскрытия Жизни, непрерывно возрастающего разнообразия и сложности — этих неотъемлемых характеристик всякой живой системы. Хотя мутация и естественный отбор по-прежнему признаются важными аспектами биологической эволюции, основное внимание ученых теперь сосредоточено на творчестве, непрерывном стремлении Жизни к обновлению.

Чтобы глубже понять фундаментальное различие между старыми и новыми взглядами на эволюцию, рассмотрим кратко историю эволюционной мысли.

Дарвинизм и неодарвинизм

Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX столетия Жаном Батистом Ламарком, натуралистом-самоучкой, который ввел термин биология и провел обширные исследования в области ботаники и зоологии. Ламарк наблюдал, как животные меняются под воздействием окружающей среды, и полагал, что они могут передавать эти изменения своему потомству. Именно эта передача приобретенных характеристик представлялась ему основным механизмом эволюции.

И хотя оказалось, что Ламарк в этом отношении ошибался, его признание феномена эволюции — появления новых биологических форм в истории видов — стало революционным открытием, в значительной степени повлиявшим на последующее развитие этого направления научной мысли. Ламарк оказал сильное влияние на Чарльза Дарвина, который начинал свою научную карьеру как геолог, но во время знаменитой экспедиции на Галапагосские острова заинтересовался биологией. Тщательное изучение фауны острова побудило Дарвина к размышлениям о влиянии географической изоляции на образование видов и привели его в конце концов к формулировке теории эволюции.

Дарвин опубликовал теорию в 1859 году в своей монументальной работе «Происхождение видов», а еще через двенадцать лет дополнил ее трудом «Происхождение человека», в котором концепция эволюционной трансформации одних видов в другие расширяется, включая человека. В основу теории Дарвина положены две фундаментальные идеи — случайное отклонение (позже его стали называть случайной мутацией) и естественный отбор.

Центральной в этой теории стала догадка, что все живые организмы связаны общим происхождением. Все формы жизни произошли от неких общих предков путем непрерывного процесса отклонений развития в течение миллиардов лет геологической истории. В этом эволюционном процессе производится гораздо больше разновидностей, чем может выжить, поэтому многие особи исчезают в результате естественного отбора; но некоторые варианты выживают и дают жизнь потомкам.

В настоящее время эти фундаментальные идеи подробно описаны и подтверждены обширным массивом свидетельств из биологии, биохимии и палеонтологии, и ни один серьезный ученый не подвергает их ни малейшему сомнению. Различия между классической теорией эволюции и зарождающейся новой теорией сосредоточены вокруг динамики эволюции — механизмов, посредством которых осуществляются эволюционные изменения.

Собственная концепция Дарвина относительно случайных отклонений базировалась на предположении, весьма характерном для взглядов XIX века на наследственность. Предполагалось, что биологические свойства особи представляют некую «смесь» соответствующих свойств ее родителей, которые вносят в эту смесь более или менее равный вклад. Это означало, что потомок родителя с полезным случайным отклонением унаследует лишь 50% нового свойства и впоследствии сможет передать только 25% этого свойства следующему поколению. Таким образом, новое свойство будет быстро затухать, сохраняя ничтожные шансы на сохранение в ходе естественного отбора. Сам Дарвин признавал, что Это серьезный недостаток его теории, который он не может исправить.

Интересно, что проблему Дарвина разрешил Грегор Мендель, австрийский монах и ботаник-любитель, и произошло это всего несколько лет спустя после публикации дарвиновской теории. Однако открытие Менделя не было замечено при его жизни и вновь увидело свет лишь в начале XX века, через много лет после его смерти. Основываясь на своих тщательных экспериментах с цветным горохом, Мендель пришел к выводу, что существуют «единицы наследственности» (впоследствии названные генами), которые не смешиваются в процессе воспроизведения, а, напротив, передаются из поколения в поколение, не меняя своей идентичности. Это открытие привело к предположению, что случайные мутации генов не исчезают в течение нескольких поколений, но сохраняются, чтобы в дальнейшем закрепиться — либо исчезнуть полностью — в ходе естественного отбора.

Открытие Менделя не только сыграло решающую роль в становлении теории эволюции Дарвина, но и сформировало новое поле исследований — изучение наследственности путем исследования химической и физической природы генов1. Британский биолог Уильям Бэйтсон, страстный приверженец и популяризатор трудов Менделя, в начале века назвал эту новую область генетикой. Между прочим, своего младшего сына он назвал Грегором в честь Менделя.

Комбинация дарвиновской идеи постепенных эволюционных изменений с открытой Менделем генетической устойчивостью привела к образованию синтеза, известного как неодарвинизм, который сегодня преподается на биологических факультетах мира как общепризнанная теория эволюции. Согласно неодарвинистской теории, все эволюционные вариации являются следствиями случайных мутаций, т. е. случайных генетических изменений, за которыми следует естественный отбор. Например, если какой-либо вид животных нуждается в густой шерсти, чтобы выжить в холодном климате, он не отвечает на эту потребность отращиванием шерсти, но, вместо этого, развивает все виды случайных генетических изменений, и те особи, чьи изменения вызвали появление густой шерсти, выживают и производят потомство. Таким образом, по словам генетика Жака Моно, «одна лишь случайность лежит в истоках всякого новшества у всех обитателей биосферы»2.

По мнению Линн Маргулис, неодарвинизм фундаментально несостоятелен не только потому, что основан на давно устаревших редукционистских понятиях, но и потому, что был сформулирован на неадекватном математическом языке. «Язык жизни — это не просто обычная арифметика и алгебра, — утверждает Маргулис, — язык жизни — это химия. Практикующим неодарвинистам не хватает соответствующих знаний, например, в микробиологии, биологии клеток, биохимии... и экологии микробов»3.

Одна из причин того, что в наше время ведущие эволюционисты не владеют надлежащим языком для описания эволюционных изменений, по мнению Маргулис, кроется в том, что большинство из них связаны с зоологической традицией и, следовательно, привыкли иметь дело лишь с небольшой, сравнительно недавней частью эволюционной истории. Новейшие исследования в области микробиологии несомненно указывают на то, что главные направления эволюционного творчества сформировались задолго до того, как на сцене появились животные4.

Похоже, что центральная проблема неодарвинизма состоит в его редукционистской концепции генома — набора всех генов организма. Великие достижения молекулярной биологии, часто именуемые «разгадкой генетического кода», вылились в тенденцию изображать геном в виде линейной цепи независимых генов, каждый из которых соответствует конкретному биологическому признаку.

Однако исследования показали, что отдельный ген может влиять на широкий спектр признаков и, наоборот, часто один лишь признак определяется множеством генов. Таким образом, остается загадкой, как такие сложные структуры, как глаз или цветок, могли развиться путем последовательных мутаций отдельных генов. Настоятельная необходимость изучения координирующей и интегрирующей деятельности всего генома очевидна, однако этому решительно препятствует механистическое мировоззрение, царящее в традиционной биологии. Лишь совсем недавно биологи пришли к пониманию генома живого организма как глубочайшим образом переплетенной сети и начали изучать деятельность этой сети исходя из системной точки зрения5.

Системный взгляд на эволюцию

Поразительным проявлением генетической целостности стал теперь Уже основательно подтвержденный факт, что эволюция не всегда совершалась в виде непрерывных постепенных изменений, обусловленных Продолжительными цепочками последовательных мутаций. Результаты изучения ископаемых материалов ясно показывают, что на всем протяжении эволюционной истории встречались продолжительные периоды стабильности, или стазиса, не отмеченные генетическими отклонениями, а затем эти периоды сменялись внезапными резкими переходами. Вполне нормальными являются устойчивые периоды протяженностью в сотни тысяч лет. Чтобы не ходить далеко, человеческое эволюционное приключение тоже началось с миллиона лет стабильности первого гоминида, Australopithecus afarensis6. Новая картина эволюции, известная как «пунктирные равновесия», показывает, что внезапные переходы были вызваны механизмами, совершенно отличными от случайных мутаций неодарвинистской теории.

Важным аспектом классической теории эволюции является идея о том, что в ходе эволюционных изменений и под давлением естественного отбора организмы постепенно приспосабливаются к окружающей среде, пока не достигнут состояния, достаточно благоприятного для выживания и воспроизведения. В новом системном подходе, наоборот, эволюционные изменения рассматриваются как результат присущей жизни тенденции к созданию нового, причем этот процесс может сопровождаться, но может и не сопровождаться адаптацией к изменяющимся условиям.

Соответственно, системные биологи стали изображать геном как самоорганизующуюся сеть, способную к спонтанному производству новых форм порядка. «Мы должны переосмыслить эволюционную биологию, — пишет Стюарт Кауффман. — Большая часть порядка, который мы наблюдаем в организмах, может быть прямым результатом не естественного отбора, но естественного порядка, привилегию работать над которым получил отбор... Эволюция — это не просто "починка на скорую руку"... Это внезапно возникающий порядок, выпестованный и отточенный отбором»7.

Всеобъемлющая новая теория эволюции, основанная на недавних открытиях, еще не сформулирована полностью. Однако модели и теории самоорганизующихся систем, о которых шла речь в предыдущих главах этой книги, открывают возможность такой формулировки . Пригожинская теория диссипативных структур показывает, как далекие от равновесия сложные биохимические системы вырабатывают каталитические циклы, приводящие к неустойчивым состояниям и способные производить новые структуры более высокого порядка. Манфред Эйген предположил, что подобные каталитические циклы могли сформироваться еще до появления жизни на Земле, открыв тем самым предбиологическую фазу эволюции. Стюарт Кауффман использовал двоичные сети в качестве математических моделей генетических сетей живых организмов и смог вывести из них несколько известных особенностей видоизменения и эволюции клетки. Умберто Матурана и Франциско Варела описали процесс эволюции в контексте своей теории автопоэза, рассматривая эволюционную историю вида как историю его структурного сопряжения. И, наконец, Джеймс Лавлок и Линн Маргулис в своей Гайя-теории исследовали планетарные измерения раскрытия жизни.

Гайя-теория, равно как и ранние работы Линн Маргулис в области микробиологии, выявила несостоятельность узконаправленной дарвинистской концепции приспособления. В реальном живом мире во всей его целостности эволюция не может быть ограничена приспособлением организмов к окружающей среде, поскольку сама эта среда формируется сетью живых систем, способных к приспособлению и творчеству. В таком случае, что же и к чему приспосабливается? Каждый к каждому — это коэволюция. По словам Джеймса Лавлока:

Эволюция живых организмов настолько тесно сопряжена с эволюцией окружающей их среды, что вместе они составляют единый эволюционный процесс9.

Таким образом, фокус нашего внимания смещается от эволюции к коэволюции — непрерывному танцу, хореография которого обусловлена тонким взаимодействием конкуренции и кооперации, созидания и обоюдного приспособления.

О дна из самых замечательных особенностей зарождающейся теории живых систем — необходимо вытекающее из нее новое понимание эволюции. Взгляд на эволюцию как на результат случайных мутаций и естественного отбора сменяется признанием творческого раскрытия Жизни, непрерывно возрастающего разнообразия и сложности — этих неотъемлемых характеристик всякой живой системы. Хотя мутация и естественный отбор по-прежнему признаются важными аспектами биологической эволюции, основное внимание ученых теперь сосредоточено на творчестве, непрерывном стремлении Жизни к обновлению.

Чтобы глубже понять фундаментальное различие между старыми и новыми взглядами на эволюцию, рассмотрим кратко историю эволюционной мысли.

Дарвинизм и неодарвинизм

Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX столетия Жаном Батистом Ламарком, натуралистом-самоучкой, который ввел термин биология и провел обширные исследования в области ботаники и зоологии. Ламарк наблюдал, как животные меняются под воздействием окружающей среды, и полагал, что они могут передавать эти изменения своему потомству. Именно эта передача приобретенных характеристик представлялась ему основным механизмом эволюции.

И хотя оказалось, что Ламарк в этом отношении ошибался, его признание феномена эволюции — появления новых биологических форм в истории видов — стало революционным открытием, в значительной степени повлиявшим на последующее развитие этого направления научной мысли. Ламарк оказал сильное влияние на Чарльза Дарвина, который начинал свою научную карьеру как геолог, но во время знаменитой экспедиции на Галапагосские острова заинтересовался биологией. Тщательное изучение фауны острова побудило Дарвина к размышлениям о влиянии географической изоляции на образование видов и привели его в конце концов к формулировке теории эволюции.

Дарвин опубликовал теорию в 1859 году в своей монументальной работе «Происхождение видов», а еще через двенадцать лет дополнил ее трудом «Происхождение человека», в котором концепция эволюционной трансформации одних видов в другие расширяется, включая человека. В основу теории Дарвина положены две фундаментальные идеи — случайное отклонение (позже его стали называть случайной мутацией) и естественный отбор.

Центральной в этой теории стала догадка, что все живые организмы связаны общим происхождением. Все формы жизни произошли от неких общих предков путем непрерывного процесса отклонений развития в течение миллиардов лет геологической истории. В этом эволюционном процессе производится гораздо больше разновидностей, чем может выжить, поэтому многие особи исчезают в результате естественного отбора; но некоторые варианты выживают и дают жизнь потомкам.

В настоящее время эти фундаментальные идеи подробно описаны и подтверждены обширным массивом свидетельств из биологии, биохимии и палеонтологии, и ни один серьезный ученый не подвергает их ни малейшему сомнению. Различия между классической теорией эволюции и зарождающейся новой теорией сосредоточены вокруг динамики эволюции — механизмов, посредством которых осуществляются эволюционные изменения.

Собственная концепция Дарвина относительно случайных отклонений базировалась на предположении, весьма характерном для взглядов XIX века на наследственность. Предполагалось, что биологические свойства особи представляют некую «смесь» соответствующих свойств ее родителей, которые вносят в эту смесь более или менее равный вклад. Это означало, что потомок родителя с полезным случайным отклонением унаследует лишь 50% нового свойства и впоследствии сможет передать только 25% этого свойства следующему поколению. Таким образом, новое свойство будет быстро затухать, сохраняя ничтожные шансы на сохранение в ходе естественного отбора. Сам Дарвин признавал, что Это серьезный недостаток его теории, который он не может исправить.

Интересно, что проблему Дарвина разрешил Грегор Мендель, австрийский монах и ботаник-любитель, и произошло это всего несколько лет спустя после публикации дарвиновской теории. Однако открытие Менделя не было замечено при его жизни и вновь увидело свет лишь в начале XX века, через много лет после его смерти. Основываясь на своих тщательных экспериментах с цветным горохом, Мендель пришел к выводу, что существуют «единицы наследственности» (впоследствии названные генами), которые не смешиваются в процессе воспроизведения, а, напротив, передаются из поколения в поколение, не меняя своей идентичности. Это открытие привело к предположению, что случайные мутации генов не исчезают в течение нескольких поколений, но сохраняются, чтобы в дальнейшем закрепиться — либо исчезнуть полностью — в ходе естественного отбора.

Открытие Менделя не только сыграло решающую роль в становлении теории эволюции Дарвина, но и сформировало новое поле исследований — изучение наследственности путем исследования химической и физической природы генов1. Британский биолог Уильям Бэйтсон, страстный приверженец и популяризатор трудов Менделя, в начале века назвал эту новую область генетикой. Между прочим, своего младшего сына он назвал Грегором в честь Менделя.

Комбинация дарвиновской идеи постепенных эволюционных изменений с открытой Менделем генетической устойчивостью привела к образованию синтеза, известного как неодарвинизм, который сегодня преподается на биологических факультетах мира как общепризнанная теория эволюции. Согласно неодарвинистской теории, все эволюционные вариации являются следствиями случайных мутаций, т. е. случайных генетических изменений, за которыми следует естественный отбор. Например, если какой-либо вид животных нуждается в густой шерсти, чтобы выжить в холодном климате, он не отвечает на эту потребность отращиванием шерсти, но, вместо этого, развивает все виды случайных генетических изменений, и те особи, чьи изменения вызвали появление густой шерсти, выживают и производят потомство. Таким образом, по словам генетика Жака Моно, «одна лишь случайность лежит в истоках всякого новшества у всех обитателей биосферы»2.

По мнению Линн Маргулис, неодарвинизм фундаментально несостоятелен не только потому, что основан на давно устаревших редукционистских понятиях, но и потому, что был сформулирован на неадекватном математическом языке. «Язык жизни — это не просто обычная арифметика и алгебра, — утверждает Маргулис, — язык жизни — это химия. Практикующим неодарвинистам не хватает соответствующих знаний, например, в микробиологии, биологии клеток, биохимии... и экологии микробов»3.

Одна из причин того, что в наше время ведущие эволюционисты не владеют надлежащим языком для описания эволюционных изменений, по мнению Маргулис, кроется в том, что большинство из них связаны с зоологической традицией и, следовательно, привыкли иметь дело лишь с небольшой, сравнительно недавней частью эволюционной истории. Новейшие исследования в области микробиологии несомненно указывают на то, что главные направления эволюционного творчества сформировались задолго до того, как на сцене появились животные4.

Похоже, что центральная проблема неодарвинизма состоит в его редукционистской концепции генома — набора всех генов организма. Великие достижения молекулярной биологии, часто именуемые «разгадкой генетического кода», вылились в тенденцию изображать геном в виде линейной цепи независимых генов, каждый из которых соответствует конкретному биологическому признаку.

Однако исследования показали, что отдельный ген может влиять на широкий спектр признаков и, наоборот, часто один лишь признак определяется множеством генов. Таким образом, остается загадкой, как такие сложные структуры, как глаз или цветок, могли развиться путем последовательных мутаций отдельных генов. Настоятельная необходимость изучения координирующей и интегрирующей деятельности всего генома очевидна, однако этому решительно препятствует механистическое мировоззрение, царящее в традиционной биологии. Лишь совсем недавно биологи пришли к пониманию генома живого организма как глубочайшим образом переплетенной сети и начали изучать деятельность этой сети исходя из системной точки зрения5.

Системный взгляд на эволюцию

Поразительным проявлением генетической целостности стал теперь Уже основательно подтвержденный факт, что эволюция не всегда совершалась в виде непрерывных постепенных изменений, обусловленных Продолжительными цепочками последовательных мутаций. Результаты изучения ископаемых материалов ясно показывают, что на всем протяжении эволюционной истории встречались продолжительные периоды стабильности, или стазиса, не отмеченные генетическими отклонениями, а затем эти периоды сменялись внезапными резкими переходами. Вполне нормальными являются устойчивые периоды протяженностью в сотни тысяч лет. Чтобы не ходить далеко, человеческое эволюционное приключение тоже началось с миллиона лет стабильности первого гоминида, Australopithecus afarensis6. Новая картина эволюции, известная как «пунктирные равновесия», показывает, что внезапные переходы были вызваны механизмами, совершенно отличными от случайных мутаций неодарвинистской теории.

Важным аспектом классической теории эволюции является идея о том, что в ходе эволюционных изменений и под давлением естественного отбора организмы постепенно приспосабливаются к окружающей среде, пока не достигнут состояния, достаточно благоприятного для выживания и воспроизведения. В новом системном подходе, наоборот, эволюционные изменения рассматриваются как результат присущей жизни тенденции к созданию нового, причем этот процесс может сопровождаться, но может и не сопровождаться адаптацией к изменяющимся условиям.

Соответственно, системные биологи стали изображать геном как самоорганизующуюся сеть, способную к спонтанному производству новых форм порядка. «Мы должны переосмыслить эволюционную биологию, — пишет Стюарт Кауффман. — Большая часть порядка, который мы наблюдаем в организмах, может быть прямым результатом не естественного отбора, но естественного порядка, привилегию работать над которым получил отбор... Эволюция — это не просто "починка на скорую руку"... Это внезапно возникающий порядок, выпестованный и отточенный отбором»7.

Всеобъемлющая новая теория эволюции, основанная на недавних открытиях, еще не сформулирована полностью. Однако модели и теории самоорганизующихся систем, о которых шла речь в предыдущих главах этой книги, открывают возможность такой формулировки . Пригожинская теория диссипативных структур показывает, как далекие от равновесия сложные биохимические системы вырабатывают каталитические циклы, приводящие к неустойчивым состояниям и способные производить новые структуры более высокого порядка. Манфред Эйген предположил, что подобные каталитические циклы могли сформироваться еще до появления жизни на Земле, открыв тем самым предбиологическую фазу эволюции. Стюарт Кауффман использовал двоичные сети в качестве математических моделей генетических сетей живых организмов и смог вывести из них несколько известных особенностей видоизменения и эволюции клетки. Умберто Матурана и Франциско Варела описали процесс эволюции в контексте своей теории автопоэза, рассматривая эволюционную историю вида как историю его структурного сопряжения. И, наконец, Джеймс Лавлок и Линн Маргулис в своей Гайя-теории исследовали планетарные измерения раскрытия жизни.

Гайя-теория, равно как и ранние работы Линн Маргулис в области микробиологии, выявила несостоятельность узконаправленной дарвинистской концепции приспособления. В реальном живом мире во всей его целостности эволюция не может быть ограничена приспособлением организмов к окружающей среде, поскольку сама эта среда формируется сетью живых систем, способных к приспособлению и творчеству. В таком случае, что же и к чему приспосабливается? Каждый к каждому — это коэволюция. По словам Джеймса Лавлока:

Эволюция живых организмов настолько тесно сопряжена с эволюцией окружающей их среды, что вместе они составляют единый эволюционный процесс9.

Таким образом, фокус нашего внимания смещается от эволюции к коэволюции — непрерывному танцу, хореография которого обусловлена тонким взаимодействием конкуренции и кооперации, созидания и обоюдного приспособления.