Журнал «Компьютерра» № 35 от 25 сентября 2007 года
Шрифт:
Колония еще не организм, потому что естественный отбор продолжает действовать на уровне отдельных бактерий. Но эксперименты можно и продолжить. Сначала надо понять, что должно произойти, чтобы решить проблему обманщиков. И так далее, по пути хотя бы к подобию настоящего многоклеточного организма.
А взять всем известный пример эволюции микробов – появление устойчивости к антибиотикам. Прослежено, каким образом она вырабатывается и передается. У микробов, как и в целом в природе, есть приспособления для ускоренной передачи полезных признаков. Представление, что все мутации случайны, что вся эволюция основана только на случайных мутациях, – сильно устарело.
С появлением новых молекулярных методов исследования стали ясны детали истории и биологии некоторых из них. Например, чем питались австралопитеки, зачем-то поменявшие кроны деревьев на трявянистые равнины? Раньше полагали, что австралопитеки были падальщиками, доедали то, что оставляли насытившиеся гиены и саблезубые тигры. По другим версиям, они унаследовали от своих обезьяньих предков растительноядность. Оказалось, что эти гипотезы можно проверить, изучив изотопный состав зубной эмали австралопитеков. Австралопитеки действительно добывали пищу в саваннах, но их диета была чрезвычайно разнообразной: от кореньев и плодов до насекомых и падали. Мясная доля в их рационе со временем возрастала: у самых древних австралопитеков больше изотопов, маркирующих растительные компоненты пищи, а у поздних таковых гораздо меньше. Вероятно, древние гоминиды постепенно учились отгонять хищников от недоеденной добычи. Жившие одновременно с австралопитеками парантропы, видимо, тоже были всеядными (всем другим лакомствам предпочитавшие термитов). Раньше предполагалось, что мощные зубы и челюсти были нужны парантропам для пережевывания жесткой волокнистой пищи – в основном кореньев и плодов. Новые данные об их рационе заставляют пересматривать эту гипотезу: сейчас неясно, зачем парантропам понадобились столь внушительные челюсти и зубы.
По изотопному составу коллагена костей определили и рацион живших после австралопитеков человека умелого и питекантропа. Они были мясоеды, и пищей им служили остатки трапез крупных хищников. В тех случаях, когда на костях травоядных жертв имеются и следы зубов хищников, и следы каменных рубил, – царапины, оставленные каменными орудиями, всегда располагаются поверх зубных отметин. Похоже, что Человек умелый не мог добыть себе мясо охотой и добирался до туши уже после хищника. А питекантропы умели более эффективно отгонять хищников от жертвы – может быть, из-за того, что ростом стали повыше, а может быть, они пользовались для этого огнем. Ведь именно питекантропы стали первыми обитателями Земли, кому покорился Красный цветок.
Пищевые пристрастия потомков питекантропов не изменились: они остались верны мясной диете. Однако уже гейдельбергский человек не удовлетворился презренным занятием падальщика и стал учиться охоте. В его арсенале появилось копье. В Германии, в Шенингене, найдены охотничьи метательные копья возрастом 400 тысяч лет – из стволов елей, без наконечников, заостренные огнем. Центр тяжести у них находится в 1/3 длины от острия – точно как у современных метательных копий.
Неандертальцы и сапиенсы тоже умели пользоваться копьями. Но копья у этих видов были разными. Неандертальцы использовали древко с каменным наконечником для ближнего боя, а у сапиенсов копье с наконечником служило для дальних бросков. Ближний бой с хищником не сулит ничего хорошего, поэтому находят множество костей неандертальцев с характерными повреждениями, полученными в подобных схватках. Такие же повреждения встречаются и у кроманьонцев, но не столь часто. Сапиенсы держались подальше от крупного зверя и убивали его с безопасного расстояния. И неандертальцы, и первые сапиенсы были мясоеды, почти весь их рацион состоял из животной пищи. Сапиенсы, в отличие от неандертальцев, разнообразили свое меню рыбой и моллюсками. Переход к земледелию, разумеется, повлиял на ход эволюции. Ведь это привело к резкому увеличению доли растительной пищи, и человек изменил своей исконной диете.
Неандертальцы и сапиенсы в течение многих тысячелетий обитали на одной территории. Воображение рисует жестокие схватки между агрессивными приземистыми неандертальцами и тощими хитрыми сапиенсами. Но если битвы и случались, то, видимо, не они сыграли главную роль в вымирании неандертальцев. Неандертальцы и сапиенсы были приспособлены к различным климатическим условиям и тяготели к разным ландшафтам. В израильских пещерах Схул и Казеф найдены многочисленные остатки древних людей и их орудий. Ничего удивительного в том, что древние люди жили в пещерах, нет. Удивительно чередование обитателей этих пещер, не раз переходивших "из рук в руки": до 130 тысяч лет назад там жили неандертальцы. Между 130 и 80 тысячами лет – люди современного типа. Выше – опять находятся кости неандертальцев возрастом 65—47 тысяч лет. Еще выше – снова сапиенсы. Очевидно, что первая попытка сапиенсов закрепиться в этом районе закончилась неудачей. В заманчивом жилище вновь поселились неандертальцы. Нет никаких признаков того, что в этой борьбе сапиенсы располагали более совершенной технологией, чем неандертальцы: в этом отношении они были равны. Исследователи предполагают, что свою роль тут сыграли изменения климата: при похолоданиях одерживали верх неандертальцы, при потеплениях – более теплолюбивые сапиенсы. Примерно 75 тысяч лет назад действительно было похолодание, которое могло способствовать «возвращению» неандертальцев и отступлению сапиенсов. Кроме того, известно, что пребывание неандертальцев в этих местах сопровождается более засушливым климатом, а сапиенсов – более влажным. Древние сапиенсы явно предпочитали более комфортный климат, нежели неандертальцы.
Почему же сапиенсы в концов концов взяли верх над сильными, выносливыми и неглупыми (объем их мозга не уступал нашему) неандертальцами? Некоторые специалисты считают, что главной причиной была более совершенная общественная организация сапиенсов, их способность к согласованным коллективным действиям. Об этом свидетельствуют более развитые лобные доли головного мозга сапиенсов. Одна из важнейших функций лобных долей как раз и состоит в способности обуздывать собственные желания, если те идут вразрез с волей коллектива.
Как оптимизируются мутации?
А.М.: Хорошо изученный пример – изменение генома в иммунной системе. Это сочетание целенаправленного и случайного поиска. Если в организм проник незнакомый микроб, клетка иммунной системы "не знает", какой нуклеотид нужно заменить в своей ДНК, чтобы убивать именно этот микроб. Но клетка умеет целенаправленно редактировать свой геном. Популяция антител формируется в организме в два этапа. Сначала, в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития, определенным образом варьируются определенные участки определенных генов клеток иммунной системы. Из полученного множества лимфоцитов выбраковываются те, которые производят аутоиммунные тела (нападающие на сам организм). Остальные размножаются, и в итоге организм получает набор лимфоцитов, которые атакуют практически любые молекулы, кроме тех, что есть в организме. На этом этапе набор заготовок комбинируется в нескольких миллионах вариантов, и из них в каждом лимфоците собирается один ген антитела. А вот когда в организм попадает инфекция, начинается второй этап, точная подгонка антител. Лимфоциты, которые лучше всего атакуют нового возбудителя, начинают вносить случайные, точечные мутации в гены своих антител. Механизм этого процесса расшифрован. После мутаций проверяется, что получилось. Если не удалось убить нового возбудителя, мутирование продолжается, и так до тех пор, пока не будет нащупан эффективный вариант антитела. Тогда соответствующий лимфоцит начинает бурно размножаться. В итоге мы получаем приобретенный иммунитет. Мутации случайны, но конечный результат закономерен и предсказуем. Мы знаем, что дней через пять после прививки, допустим, оспы нужные антитела появятся.
Но как возникли эти механизмы? Как определились места, где допускаются мутации? Как возник сам генетический код? Такие вопросы можно продолжать бесконечно.
А.М.: Да, и я отвечу только на первый из них: точно известно, откуда в иммунной системе взялись белки, отвечающие за вырезание и комбинирование кусочков генома. Они были получены извне. Существуют похожие на вирусы мобильные генетические элементы – транспозоны. Они не так легко, как вирусы, передаются "по горизонтали", но иногда это случается. Главная же особенность транспозонов в том, что они очень хорошо умеют вырезать куски генома и переставлять их с места на место. Они этим живут испокон веков. Вот они-то и принесли эти механизмы в организм позвоночных.
Простейший такой элемент имеет только один ген – ген фермента транспозазы. Этот фермент находит в чужом геноме нужное место и встраивает туда свой мобильный элемент. Когда-то в ходе эволюции произошло важнейшее событие – позвоночные животные вступили в симбиоз с этими элементами, и функция, которая эволюционно возникла для размножения транспозонов, пригодилась для создания приобретенного иммунитета.
Это очень важный принцип эволюции – а может быть, и самый главный. Без симбиоза темпы эволюции были бы в миллионы раз меньше.
Сама эукариотическая (имеющая ядро) клетка возникла в результате серии последовательных симбиозов безъядерных прокариотических клеток – они превратились в митохондрии и другие органеллы. Если бы этого не произошло, на Земле до сих пор жили бы только бактерии – ведь в природе так и не появились многоклеточные прокариотические организмы. Они не раз вплотную подходили к многоклеточности – но не могли преодолеть некий предел сложности организации.