Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Онтогенезы основаны на самоорганизации. Нельзя понять эволюцию, не понимая, что такое самоорганизация и как она работает. К сожалению, понять это не очень просто, потому что наши мозги плохо приспособлены для этого. Но мы все же постараемся.
Всем хорошо знаком такой наглядный пример самоорганизации, как образование морозных узоров на стекле. При этом у нас на глазах из «простого» (из хаотического движения молекул водяного пара) рождается «сложное» — изысканные ледяные картины. Мы знаем, что эти узоры никто не рисует, они образуются сами. Мы не считаем это чудом (хотя это очень похоже на чудо!) и не привлекаем для объяснения сверхъестественные силы (хотя и говорим полушутя, что это художества Деда Мороза).
То же и с развитием многоклеточного организма. Оно еще больше похоже на чудо. Из комочка клеток, возникших в результате первых делений зиготы, — одинаковых клеток, у которых нет ни целей, ни планов, ни разума, — сам собой, словно по мановению волшебной палочки, развивается сложнейший организм.
Как это получается? Как получается, что клетки зародыша, исходно одинаковые, в какой-то момент вдруг «понимают», что одни должны стать печенью, другие — костями, третьи — мозгами? Казалось бы, должен быть какой-то «центральный управляющий орган». Где же он?
Удивительно, но никакого управляющего центра нет. Множество одинаковых объектов — например, делящихся клеток — могут формировать сложные структуры, создавая видимость осмысленного поведения, без всякого централизованного руководства. Это и есть самоорганизация (или самосборка). И если она вызывает у нас ощущение чуда, то это проблема нашей психики, а не объективной реальности.
—————
Предопределенность
Однажды великий биолог Джон Холдейн (1892–1964), известный своими афоризмами, читал публичную лекцию, после которой одна дама встала и сказала: «А все-таки я не могу поверить, что из одноклеточного организма само собой могло развиться такое сложное и совершенное существо, как человек, даже если у него были на это миллиарды лет». Холдейн ответил: «Мадам, но вы сами это проделали. И у вас ушло на это всего девять месяцев».
Конечно, мы могли бы на это возразить, что между онтогенезом и эволюцией есть принципиальная разница: в случае онтогенеза исходная клетка (зигота) содержит некую генетическую «программу развития», сложившуюся в ходе предшествующей эволюции. В случае эволюционного развития аналогичной программы нет.
Но если подумать, это различие хоть и существует, оно, возможно, не настолько глубоко, как кажется на первый взгляд. Ведь на самом деле в зиготе нет «программы развития» в чистом виде. Если рассматривать геном как программу, то это не программа развития эмбриона. Это программа поведения клетки — одной клетки, и не более того.
Самосборка организма из множества делящихся клеток с одним и тем же геномом — процесс относительно жестко детерминированный, и детерминирован он как раз генетической программой поведения клетки. На генетическую программу накладываются модифицирующие или корректирующие ее факторы среды. Но ведь и эволюция тоже процесс отчасти детерминированный и во многом зависящий от генома эволюционирующих организмов. Может быть, эволюцию тоже можно рассматривать как своего рода самосборку, ход которой предопределен, с одной стороны, геномом эволюционирующего организма, с другой — факторами среды.
Наследственная изменчивость и дифференциальное размножение — это механизм самоорганизации, благодаря которому из простейших существ сами собой с неизбежностью развиваются те самые endless forms most beautiful and most wonderful («бесчисленные прекрасные и удивительные формы»), о которых с восхищением писал Дарвин в заключительном разделе «Происхождения видов». Все это поразительное многообразие жизни было в каком-то смысле «закодировано» в самых первых живых существах, в их ДНК или РНК, и в условиях среды, где им предстояло эволюционировать. Конечно, с учетом того, что условия среды будут многократно изменены самими эволюционирующими существами.
—————
Принципы онтогенеза (индивидуального развития) многоклеточных контринтуитивны, трудны для понимания, потому что мозг Homo sapiens плохо приспособлен для понимания процессов самоорганизации. Наше мышление адаптировано для постановки целей и поиска путей их достижения. Мы должны все контролировать (или понимать, кто контролирует и почему), иначе ничего не будет, кроме хаоса (отсюда, кстати, и живучесть креационизма, и конспирологические мифы о всесильных «мировых закулисах»).
Поэтому когда мы видим, как из чего-то простого само собой вдруг образуется что-то сложное, нам это кажется чудом, и мы начинаем подозревать воздействие какой-то особой организующей силы. Мы начинаем изобретать лишние сущности. В биологии таких сущностей напридумано множество: от вмешательства инопланетян и Божественного сотворения до ламарковского стремления к совершенству, радиальной энергии Тейяра де Шардена, активности Ю. В. Чайковского и т. д.
Ну а в данном случае, который показан на рисунке, — в случае самосборки снежинки из хаотически движущихся молекул воды — совершенно очевидно вмешательство Деда Мороза.
Где закодировано строение снежинки? Пожалуй, мы не сильно ошибемся, если скажем, что оно закодировано в свойствах молекулы воды в таком же смысле, в каком взрослый фенотип закодирован в геноме зиготы. И внешняя среда в обоих случаях сильно влияет на результат.
Контринтуитивность онтогенеза (как и эволюции) порождает множество проблем, и многие теоретики действительно на этом спотыкались. Попробуем разобраться постепенно.
Рассмотрим простой комочек клеток — ранний зародыш, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном. Геном определяет свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, третьи дают начало нервной системе.
Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Наконец, яйцеклетка с самого начала имеет простенькую разметку: один ее полюс отличается от другого по концентрации целого ряда веществ. Реальные яйцеклетки животных поляризованы, в частности, за счет того, что на одной их стороне содержится больше запасных питательных веществ (желтка), чем на другой.
Программа поведения у всех клеток зародыша изначально одна и та же, но она может состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из них данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное правило выглядит примерно так: если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие. Основное действие клетки — включение или выключение определенных генов. Это меняет свойства клетки, она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.
Правила поведения клетки определяются системой взаимодействий между генами — генно-регуляторными сетями. На физическом уровне правила «сделаны» из рецепторов, транскрипционных факторов, энхансеров, сигнальных молекул и белков, осуществляющих синтез и транспортировку этих молекул. Например, правило «Если получен сигнал А, начни выделять вещество Б», может быть сделано из рецептора вещества А, который активирует транскрипционный фактор В, который прикрепляется к энхансеру Г, расположенному около гена Д, который кодирует фермент, отвечающий за синтез вещества Б.
Сигнальные вещества, на которые клетки эмбриона реагируют, меняя свое поведение в зависимости от их концентрации, называются морфогенами. В приведенном примере в роли морфогена выступает вещество А.
Но как же все-таки получается, что клетки зародыша, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, тем не менее ведут себя по-разному? Дело в том, что на самом деле они находятся в разных условиях. Так получается само собой в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация морфогена А выше (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), в ком-то ниже.