Станислав Романов

Глубокоуважаемый Чарлз Дарвин, это письмо вам пишет хоть и не состоявшийся ученый, но уже познавший горести учения и науки студент, коим Вы наверняка были сами. Несмотря на свой статус (ведь многие в своей жизни проходили через университеты и становились успешными и уважаемыми уже через много лет после обучения) я уверен, что смогу поселить в Вас хоть капельку доверия ко мне и к моим словам, тем более в своем письме я нисколько не буду пытаться опровергнуть Ваши утверждения, Ваши убеждения, но лишь показать Вам как Вы были правы, и, как мне думается, почему Вы оказались правы. Сам же я уверен, что Ваши работы в свое время были важны не только для научного сообщества, которому Вы открыли глаза на очень важный естественный принцип, по которому изменяется живая природа; Вы – я уверен, не специально – своими выводами заинтересовали в естественной науке множество совершенно разных и никак не связанных с наукой людей. Поверьте, это очень важная заслуга, ведь идея эволюции тем или иным способом подтолкнула массы к осмыслению бытия в отличном от религии свете, пусть даже – простите меня за мои слова, ведь я уверен, что это не Ваша вина – породив при этом такие извращенные трактовки смысла существования человечества, как евгеника (есть какая-то ирония в том, что эволюция сделала нас такими, чтобы мы использовали идею самой эволюции против нашего же вида).

Что ж, на самом деле я не собирался обсуждать всю Вашу работу за многие годы (уверен, Вы сейчас выдохнули с облегчением – Вам слишком часто, по-моему, присылали длинные и скучные письма). Дело в том, что недавно я познакомился с, пожалуй, самой известной Вашей работой «Происхождение видов путем естественного отбора», и хотел бы дать вам несколько комментариев по поводу одной единственной главы, а именно главы XIV, посвященной различным проблемам и трактовке Естественной системы классификации видов, которая сложилась еще задолго до ваших работ. Наверняка Вы спрашиваете себя, почему бы Вам не отложить это письмо подальше и больше никогда на него не смотреть, но я уверен, что смогу Вас заинтересовать. В действительности я являюсь гражданином Великой Мировой Российской империи и пишу это письмо из 2014 года (не хочу Вас пугать своим признанием, поэтому предупреждаю, что не затрону политики в своем письме). Надеюсь, я вставил это признание не слишком поздно, и Вы успели дочитать до этого места, чтобы узнать, что произошло в науке за почти 150 лет с момента первого издания Вашей замечательной книги.

Для начала мне бы хотелось рассказать вам то, что теперь знает каждый школьник (но к сожалению, не каждый взрослый человек): все живые организмы построены из клеток. Каждая клетка состоит из множества различных органических соединений: белки, сахара, липиды и нуклеиновые кислоты. Последнее название вы, возможно, читаете впервые. Я попытаюсь объяснить. В 1869 году Фридрих Мишер обнаружил в ядрах лейкоцитов ранее неизвестное вещество, которое назвал нуклеин. Позднее оказалось, что это вещество содержит белок и другое нелипидное соединение – полимерное производное пятиуглеродного сахара, каждая молекула которого присоединена к такой же через остаток фосфорной кислоты. Помимо этого, к каждой молекуле сахара присоединено гетероциклическое азотсодержащее основание. Такой полимер и был назван нуклеиновой кислотой. В 1882 году, как сейчас принято считать, Вальтер Флеминг впервые описал хромосомы (это название было придумано позже) – относительно крупные (по сравнению с другими элементами в клетке) плотные структуры, с характерной нитчатой формой, появляющиеся в ядрах клеток в процессе деления. Пока будем считать, что их количество одинаково в клетках организмов одного вида, и их количество в норме у многоклеточных должно быть четным (то есть в клетках у каждой определенной хромосомы есть своя «гомологичная» пара, а всего таких пар может быть от одной до сотен в зависимости от вида). В общем, хромосомы, это и есть то вещество, которое обнаружил Мишер.

Здесь я бы хотел предупредить Вас, уважаемый Чарлз, что не буду давать Вам подсказку на один из самых мучительных вопросов для каждого человека – Вы не узнаете по существу ни своего будущего, ни будущего своих близких из этого письма, но проникните в будущее науки, в которую Вы внесли неоценимый вклад. Сейчас я ставлю перед собой очень сложную задачу, ведь мне придется вам рассказать то, благодаря чему Вы сможете взобраться на вершину научного олимпа. Но в наше время Вашу честность и этичность ставят в пример будущим ученым, поэтому я уверен – вы не станете использовать полученные знания для собственной выгоды. Я очень прошу вас после прочтения сего послания сожгите его, не дайте другим увидеть написанное. Не используйте полученную информацию для своих работ – дайте другим ученым сделать вклад в общее дело. Ведь множество из них сделают свои открытия, руководствуясь теми же идеями, что и Вы. Моя цель сейчас в том, чтобы убедить Вас в правильности выбранного Вами пути.

И все же о главном. В середине 19-го века Ваш современник Грегор Мендель сделал на горохе замечательное открытие: некоторые признаки родительских организмов наследуются потомками статистически достоверно так, будто оба родителя имеют для каждого такого признака два наследственных фактора, при этом передавая своему потомку только один из них. Сам признак определяется сочетанием тех определяющих этот признак факторов, которые потомок получил от обоих родителей. В наше время Мендель считается гениальным исследователем. В Ваше время его труды не были оценены по достоинству, но я призываю Вас, не способствовать его успеху – нам не нужно менять историю.

Сейчас хочу Вам напомнить, что биология не только невероятно обширная наука, но и наука исключений. Поэтому я сейчас упускаю очень много интересных и важных вещей, пытаясь донести до Вас вкратце самое важное перед тем, как добраться до сути.

Через много лет после смерти Менделя его законы были открыты заново и одновременно тремя разными учеными (вы наверняка уже тоже столкнулись с таким невероятным совпадением). Переосмысление законов наследственности позволило предположить Бовери и Сеттону, что носителями таких предсказанных Менделем факторов наследственности являются хромосомы. Всего через несколько лет для таких факторов был введен термин «ген» - единица наследственности (на самом деле последовательность открытий не такая равномерная и простая, но я излагаю подобным образом для простоты). Так как признаков тысячи, а хромосом в клетках – десятки, тона каждую хромосому должно приходится сотни таких генов. Вспомните, что хромосомы состоят из белков и нуклеиновых кислот. Было доказано, что вся наследственная информация (т.н. генетическая информация) хранится именно в нуклеиновых кислотах, а не в белках (вот тут, пожалуй, исключений пока не нашлось). В клетках существует два вида нуклеиновых кислот: производные сахаров дезоксирибозы и рибозы. Первые (дезоксирибонуклеиновые кислоты, ДНК) используются для хранения генетической информации, вторые (рибонуклеиновые кислоты) необходимы для перевода генетической информации в форму белков, которые реализуют эту информацию. А теперь мы подбираемся к сути письма.

Как информация, записанная в хромосомах – частицах ничтожного размера – позволяет получать такие поразительно разнообразные и приспособленные к окружающей среде формы жизни? Начну ответ издалека. Дело в том, что любой белок – это последовательность альфа-аминокислот. Функция каждого белка записана в его аминокислотной последовательности; изменишь последовательность – получишь, строго говоря, белок с другими свойствами. Такая приуроченность функции белка к его последовательности уже позволяет представить такую систему, в которой информация о каждом белке организма записана на определенном материальном химическом носителе с помощью специального кода. В природе этот код – генетический код – реализуется через последовательность гетероциклических азотсодержащих оснований, присоединенных последовательно к остаткам сахаров в нуклеиновых кислотах. В природе таких гетероциклических оснований используется пять. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), а в РНК те же самые, за исключением тимина – вместо него используется урацил (У). В клетке хранителем генетической информации является ДНК – составной элемент хромосом. У всех ядерных организмов (эукариот) ДНК заключена в ядре, однако существуют и одноклеточные организмы, у которых ДНК не окружена ядерной оболочкой, а находится непосредственно в цитоплазме (безъядерные прокариоты). Ген – это нечто иное, как последовательность оснований – маленький участок – на молекуле ДНК. Определенная хромосома несет определенные гены, то есть информацию об определенных белках организма. Чаще всего среди многоклеточных каждая хромосома в ядре имеет пару (гомологичную хромосому), в которой гены и их взаимное расположение то же самое, но не обязательно последовательность оснований в каждом гене та же самая – они могут немного отличаться в разных генах. Перед обычном делении клетка удваивает каждую свою хромосому, а во время деления распределяет все хромосомы поровну между дочерними клетками так, что в обоих клетках набор хромосом является совершенно идентичным. При половом размножении гаметы получаются при специальном – редукционном делении. Здесь же перед разделением дочерних клеток хромосомы не удваиваются, но в дочерние клетки они распределяются таким образом, чтобы ни в одной клетке не оказалось пары гомологичных хромосом (соответственно в дочерних клетках число хромосом уменьшается вдвое по сравнению с материнской клеткой). Из-за этого результатом полового размножения и является перенос от одного родителя лишь единственного фактора наследственности из двух имеющихся.

Как информация, записанная в ДНК, переносится в структуру белка? Генетический код основывается на соответствии определенного сочетания трех оснований одной единственной аминокислоте. Из четырех оснований можно составить 64 разных триплета. Не так ли? Всего клетки используют 20 аминокислот. Значит каждой аминокислоте, очевидно, может соответствовать несколько триплетов. На молекуле нуклеиновой кислоты триплеты помещаются последовательно, не пересекаясь друг с другом и без каких-либо «знаков препинания». Значит, если в белке 100 аминокислот, то ген, который кодирует этот белок должен содержать, как Вы успели догадаться, 300 оснований. Но не все так просто, как кажется. Перед тем, как превратить последовательность оснований гена в последовательность белка, происходит очень сложный процесс, который заключается в синтезе РНК по определенному участку ДНК, этот синтез в клетках жестко регулируется. Теперь, по молекуле РНК синтезируется белок. В эукариотических клетках РНК синтезируется прямо с ДНК в ядре, затем переносится из ядра в цитоплазму, где по ней считывается аминокислотная цепь белка. У прокариот же РНК синтезируется с ДНК прямо в цитоплазме, и там же с нее считываются белки. Синтезом белка в любой клетке занимается огромный молекулярный комплекс из десятков белков и нескольких молекул РНК, называемый рибосомой. Наличие большого числа таких комплексов является необходимым условием жизнедеятельности любой клетки.

Что Вам теперь должно быть ясно. В каждой клетке имеются особые молекулы, состоящие из ДНК и белков. В генах – последовательностях ДНК - кодируется генетическая информацию, необходимую для создания всех необходимых белков клетки. Перед тем, как синтезировать белок, генетическая информация от каждого гена переносится в форму молекул РНК, с которых происходит синтез аминокислотной последовательности белка по принципу триплетного кода: один триплет – одна аминокислота, но одной аминокислоте соответствует несколько строго определенных триплетов генетического кода. В процессе деления клетка полностью копирует свои хромосомы и передает их дочерним клеткам, либо распределяет гомологичные хромосомы равномерно по дочерним клеткам. Во втором случае из материнской клетки образуются гаметы. Что ж, я упоминал, что последовательности оснований в одинаковых генах между хромосомами могут отличаться. Это действительно так. Как уже было замечено, свойства белка зависят от его аминокислотной последовательности, незначительные отличия в последовательностях белка внутри вида приводят к тому, что один и тот же признак может иметь множество проявлений (например, цвет глаз у плодовой мушки) у разных особей. Если вспомнить, что одной аминокислоте еще и несколько триплетов соответствуют, то становится ясно, почему замены оснований могут не влиять на функции белка (т.н. синонимичные замены оснований). В то же время, некоторые замены оснований могут быть для функций белка фатальными. В одной популяции один и тот же гену разных особей может отличаться в отдельных участках своей последовательности; такие версии гена, возникшие в результате мутаций, называются аллелями данного гена. Число аллелей некоторых генов может насчитывать до нескольких десятков, а может и сотен.

Следует упомянуть следующую особенность: ни одна клеточная система не способна со стопроцентной точностью копировать ДНК и хранить ее в неизменном состоянии, и еще одно – под действием неблагоприятных воздействий внешней среды (на молекулярном уровне это могут быть перегревание, пересыхание клеточного содержимого, воздействие окислителей, избыточного солнечного излучения) могут происходить изменения в последовательностях ДНК. Два этих пункта – это материальная основа мутаций. Для того, чтобы передаться нашим потомкам, мутация должна произойти либо в половых клетках, либо в их непосредственных предшественниках.

Мутация – причина появления новых белков с новыми функциями. В то же время, мутагенез – совершенно случайный процесс (по крайней мере абсолютное большинство мутаций бесспорно происходят случайно). Очевидно, не все мутации приводят к хорошему исходу точно так же, как и то, что не все мутации летальны. Поэтому в эволюции организмы всячески приспосабливаются к устранению мутаций, создавая системы репарации ДНК, системы проверки правильности созревания РНК, системы проверка правильной структуры белка, но возможности мутировать эти системы не лишают – наоборот, существуют примеры, когда организмы специально создают мутации в свою наследственную информацию. По этим причинам новые белки возникают очень редко, а процесс эволюции, результатом которого является видообразование, людям зафиксировать в реальном времени очень трудно (а может и невозможно). В настоящее время предполагается, что самыми быстроэволюционирующими белками являются биндины, обеспечивающие видоспецифичное связывание спермия с яйцеклеткой у беспозвоночных – у близких видов эти белки всегда существенно различаются.

Поскольку каждый наследуемый признак организма есть следствие наличия определенной последовательности оснований в ДНК, которая изменялась независимо от человека в течение миллионов лет по одним и тем же законам (обратного никто пока не доказал), а из всех возможных мутаций лишь малая их часть (так распорядилась природа) может быть закреплена в общем фонде (по открытым Вами же законам), то кажется логичным использовать последовательности оснований ДНК для поиска родственных друг с другом видов. Действительно, если мы представим историю путешествий одного единственного гена (то есть последовательности оснований в ДНК, кодирующей белок) от родителей к потомкам в течении многих поколений (построим филогенетическое дерево), учитывая появление мутаций в некоторых узлах этого дерева, то для нас не будет сомнений, что некоторое число потомков на этом дереве в зависимости от числа поколений, отделяющих их от общего предка, будут иметь все же похожие последовательности оснований для данного гена. Сравнивая последовательности одинаковых генов у разных организмов мы можем с какой-то точностью судить об их родстве.

Подобный взгляд лег в основу метода классификации, названного молекулярной филогенетикой. Данная система имеет ряд явных преимуществ по сравнению с классической филогенетикой, учитывающей совокупность выделенных признаков, распределенных по степени важности для нахождения родства. Самое важное, как я считаю, это отсутствие человеческой субъективности при определении родства. Ведь выбирая важность определенных признаков по сравнению с другими, человек определенно оказывается в плену у своих убеждений, так как никто кроме природы не знает истинного значения каждого признака в жизни организмов. Против человеческой логики в молекулярной филогенетике становится скупой математический аппарат, который рассчитывает вероятность родства организмов на основе данных о последовательностях их генов. Помимо этого, молекулярная филогенетика позволяет нам с какой-то точностью определять время, когда разделились виды. Действительно, если положить, что мутации в данном гене происходят с постоянной частотой (для многих генов показана линейная зависимость между числом различий в последовательностях у исследуемых организмов и временем, которое прошло с момента расхождения организмов по геологическим данным), то зная эту частоту можно определить то время, когда предковые последовательности данного гена в двух исследуемых организмах были одинаковыми. Подобный метод называется методом молекулярных часов.

Тем не менее, исследования в молекулярной филогенетике имеют и ряд проблем. Например, дерево генов, построенное по данным о последовательностях оснований в ДНК, и дерево видов, построенное методами классической филогенетики, на самом деле не являются равнозначными. Дело в том, что дерево генов рассматривает события мутаций, в то время как второе дерево указывает на события видообразований. Это, в частности, не позволяет использовать метод молекулярных часов для видов, которые лишь недавно отделились друг от друга. Существенные отличия между двумя деревьями вносит т.н. дрейф генов – потеря некоторых аллелей из популяции, такое может произойти, например, из-за вымирания существенной части особей в популяции. Также, если после появления мутации произошло два события видообразования с небольшим промежутком времени между собой, то порядок ветвлений на генетическом и видовом деревьях могут отличаться.

Важным оказывается то, что разные гены эволюционируют с разной скоростью. Существуют, например, гены, которые в определенных своих участках совершенно не терпят мутаций, отчего даже у далеких видов они почти совсем не отличаются. Примером таких генов являются гены рибосом. Такие гены позволяют сравнивать очень давно разошедшиеся виды. Например, простейших и млекопитающих. Исследования по таким генам позволяют сравнивать очень крупные таксономические категории, такие как Тип.

Результаты, которые были получены с помощью молекулярной филогенетики стали для нее не меньшей проблемой. Например, данные, основанные на сравнении последовательностей ДНК множества беспозвоночных заставляют отказаться от сближения членистоногих с кольчатыми червями, а плоских червей с круглыми. Вместо этого так называемая экдизозойная гипотеза сближает метамерных членистоногих с круглыми червями, не имеющими сегментации, в группу Линяющих (оказывается, и такой морфологический признак, как наличие линьки в жизненном цикле, оказался решающим для этой группы), а метамерных кольчатых червей вместе с моллюсками вообще сближает с плоскими червями в группу Спиральных (общие для всей этой группы морфологические сходства можно обнаружить лишь на этапах дробления зиготы). Построенная на молекулярных данных система коренным образом заставила пересмотреть пути эволюции многоклеточных животных. Последние данные часто не встречают поддержки среди многих привязанных к морфологическим критериям специалистов в классификации. Подобные перестройки в Естественной системе показывают, насколько сильно мы можем ошибаться, основывая свои рассуждения даже на самых логически оправданных сходствах между признаками различных организмов (это также можно понять, глядя на разнообразие систем классификации организмов, которые были построены за многие годы до использования молекулярных методов классификации). Но я совсем не утверждаю, что классическими методами невозможно построить правильной Естественной системы (в конце концов какое бы противоречие не создавалось молекулярной филогенетикой, исследователи дают новую интерпретацию морфологическим различиям, меняют приоритетные признаки и в конце концов получают то же филогенетическое дерево).

Еще один пример того, как молекулярная филогенетика изменила взгляды на эволюционные отношения организмов, является разделение организмов на три домена. В последней трети XX века исследования Карла Вёзе показали, что одна из молекул РНК в рибосомах не только консервативна и эволюционирует с постоянной скоростью, но и позволяет достоверно разделить все исследованные живые организмы на три группы – домены. Первый домен образуют все эукариоты. Все безъядерные организмы которые раньше объединялись в одну группу прокариот несмотря существовавшие тогда взгляды, достоверно разделились на два домена – эубактерий и археобектерий. Как дальше оказалось, различия между ними и правда являются существенными: археобактерии несут признаки, промежуточные между эубактериями и эукариотами, многие известные сейчас археи населяют преимущественно суровые экологические ниши (термофильные источники, соленые озера, подводные вулканы). Поэтому сейчас подобное разделение прокариот на архей и эубактерий общепризнанно.

Несмотря на большие достижения в филогенетике, современных методов пока не достаточно для построения полного дерева, отражающего эволюционные связи между организмами на Земле. Тем не менее, совершенно разные данные говорят о том, что все живые организмы на нашей планете произошли от одного единственного предка (сейчас его называют LUCA – last universal commonancestor). Например, генетический код «универсален». За небольшими исключениями, характерными для некоторых крупных таксонов, триплеты кодируют одинаковые аминокислоты во всех живых организмах. Более чем вековой опыт исследований в области химии живых организмов говорит о биохимическом единстве живого мира. Так, у всех эукариот биохимические схемы разложение глюкозы совершенно одинаковые. Более разнообразными в биохимическом плане являются прокариоты, которые, очевидно, являются предками всех эукариот.

С появлением соответствующих методов наиболее существенным в классификации видов разумеется стал генетический критерий (анализ ДНК организмов). В современных исследованиях по систематике прокариот отсутствие генетического анализа считается недопустимым. Тем не менее своей условности система классификации не потеряла. В некоторых случаях единственным способом различить два вида является их генетический анализ, естественный пример этого – виды близнецы. Существую случаи, когда два совершенно неотличимых морфологически организма генетически различаются достаточно хорошо, чтобы считаться разными, но близкими видами (на умозрение систематиков). А когда же дело доходит до опытов со скрещиваниями, то картина становится гораздо сложнее. Например, может оказаться так, что организмы с противоположных окраин ареала скрещиваться и давать потомство не могут, тогда как те же самые особи с прекрасно дают потомство с особями, населяющими середину ареала. В то же время, существуют примеры, когда разными видами считаются генетически сходные линии организмов с разобщенными ареалами. В целом, генетический анализ – это легкий инструмент, отчего отношение к классическим остальным критериям становится иногда пренебрежительным. Так, наверное, на каждой студенческой конференции можно увидеть работы, в которых студенты только на основании различий в одном или нескольких генах предлагают разделить какой-нибудь вид насекомых на несколько видов.

Морфологические подобия, как теперь ясно, какими бы близкими не казались признаки, в ряде случаев не отражают сколь угодно близкого родства организмов. В таких случаях говорят о конвергенции (сходный план строения в силу общего предназначения органа), конфлюэнции (схожесть вплоть до мельчайших подробностей) или параллелизме (сходство из-за параллельной эволюции после далекого разделения предков). Некоторые сходства, видимо, отражают не родство, а лишь закономерность процессов эволюции. Например, обычно новообразуемые органы закладываются в организме в нескольких экземплярах, структурно одинаково устроенных, без порядка (принцип полимеризации, или множественной закладки). В процессе эволюции число органов уменьшается, они дифференцируются по морфологии и по функции, упорядочиваются (принцип олигомеризации). Так возникает сериальная гомология. Подобное можно говорить о сегментации кольчатых червей и членистоногих, неродственных друг другу по данным молекулярной филогенетики.

Сильным доказательством близости на эволюционном дереве всегда считалось сходство в эмбриональном развитии. Тем не менее, попытка найти эволюционные связи между крупными таксонами многоклеточных по их самым ранним стадиям развития, по-моему, всегда превращалась в череду догадок и допущений, все сводилось к попыткам «вывести» один тип дробления из другого. Подобное можно сказать и про морфологию, когда создаваемые системы, «выводившие» одни признаки из других (строение полостей тела, приобретение симметрии, развитие нервной системы, сегментация тела и т.д.), но не способных объяснить, например, сложно устроенную половую систему примитивных плоских червей, и другие неинтересные для обывателя нюансы. Получается, любая система, построенная на морфологических, эмбриональных критериях воспринималась субъективно как более или менее пригодная. В нашей стране говорят «доверяй, но проверяй» - это в полной мере относится и к Естественной системе. Так как число видов на Земле сейчас оценивается несколькими миллионами организмов, то и проводить ревизию с помощью генетических методов придется еще очень долго. Еще дольше придется новую Естественную систему пере- и перепроверять.

Таким образом, группировка живых организмов в стройную систему – задача совсем не простая, требующая широкой биологической базы и отличного понимания механизмов эволюции, а также необходимой доли харизмы (чтобы заставить научный свет поверить в твои результаты). Вам же я хочу напоследок сказать, что именно Ваша теория дала людям понимание смысла в упорядочивании организмов в конкретные категории. Дополненная современными знаниями о механизмах хранения, реализации, и передачи генетической информации от родителей к потомкам, она превратилась в синтетическую теорию эволюции, и теперь общепризнана в научном мире. А в Российской империи Ваши работы ценят особенно.