В этой небольшой главе мы поговорим о том, как устроена современная теория эволюции. И посмотрим, с чего же миллиарды лет назад начала свой эволюционный путь древняя фауна. Какими были первые организмы, которые дали начало всему биологическому царству животных?
Дарвин устарел! А что вместо него?
Наука сильна тем, что непрерывно развивается. Прежние теории, считавшиеся незыблемыми, подвергаются переоценке. Главное, что может заставить научную теорию покинуть пьедестал, – появление новых фактов, которые данные теория не объясняет.
Законы Ньютона, которые мы все изучали в школе, прекрасно описывали окружающий нас мир много лет. Но новые открытия в сфере космоса и мира микрочастиц дали ученым понять, что ньютоновская механика не способна объяснить эти явления.
Что же произошло с законами Ньютона? Ведь они, строго говоря, неверны, и микрочастицы, а также гигантские объекты вроде черных дыр, им не подчиняются. Законы Ньютона просто стали частным случаем. Они прекрасно описывают явления на уровне так называемого макромира – то есть объектов от скоплений молекул до планет. Примерно так и работает каждая научная теория. Подобная история происходит и с теорией естественного отбора Дарвина в наши дни. Эволюция в живом мире – это неоспоримый факт, который никто не подвергает сомнению. Вопрос касается лишь нюансов – что выступает движущей силой тех или иных изменений. В дарвинизме основных факторов четыре.
Естественный отбор. Ключевой фактор по Дарвину. Особи отбираются по признакам, максимально благоприятным для выживания. Небольшие наследственные изменения накапливаются из поколения в поколение. А признаки, мешающие выживанию, со временем исчезают.
Борьба за существование. Борьба с целью выжить и оставить потомство. Это может быть борьба с другими видами за экологическую нишу. Борьба внутри самого вида за место под солнцем и борьба с негативной окружающей средой.
Наследственная изменчивость. Появление и накопление мутаций, которые впоследствии могут появиться у потомства. Причем нельзя предугадать, у какого поколения они проявятся.
Изоляция. Когда популяция оказывается в изоляции – например, при переходе через горы без возможности вернуться обратно, – она начинает эволюционировать сама, отдельно от собратьев.
Действительно, как показали многочисленные исследования, естественный отбор – единственная известная причина, почему адаптации закрепляются. Но существует много эволюционных факторов, никак не связанных с адаптацией.
Интересный факт
«Это всего лишь теория!» – любят говорить некоторые про теорию эволюции. Но теория в науке – это не «всего лишь».
Теория в науке – это объяснение какой-то обширной части или механизма природы, – экспериментально или по наблюдениям доказанное и научно признанное.
Путаницу вносят часто и сами ученые. Ведь, строго говоря, теория струн – это не совсем теория, а гипотеза. Ведь научно подтвердить теоретические выкладки не удалось. Как и «теорию Большого взрыва». Так назвали сериал, хотя сами ученые считают Большой взрыв гипотезой.
А вот теория относительности – именно теория, потому что ее теоретические выкладки удалось подтвердить наблюдениями. Это же касается и теории эволюции.
Сейчас науке известно еще много неадаптивных причин, приводящих к эволюции. Это, например, генетический дрейф, мутации. Или, например, поток генов, когда идет перенос аллелей генов из одной популяции в другую.
Изучением подобных причин занимается синтетическая теория эволюции, которая включает в себя также данные генетики, палеонтологии и других дисциплин, которые были недостаточно развиты во времена создания Дарвином его теории естественного отбора. Это не значит, что Дарвин был не прав. Просто его теория естественного отбора – лишь частный случай более глобальной эволюционной теории. По сути, синтетическая теория эволюции просто взяла за основу естественный отбор Дарвина и добавила все новые факторы, которые были открыты позднее. Так мы получили полную картину развития живой природы.
Итак, все живое на Земле непрерывно эволюционирует. И за миллиарды лет из простейших организмов появились мы с вами. И прежде чем перейти к изучению более сложных форм жизни, давайте посмотрим, с чего в принципе начиналось все живое на нашей планете.
«Трехмерные коврики для ванны». Как выглядели первые в мире животные
Как вы думаете, какие из самых ранних окаменелостей были найдены на нашей планете? Ранние формы жизни были простейшими. Однако одинокие бактерии заметных следов не оставили. Жизнь на Земле зародилась как минимум 3,7 миллиарда лет назад. Но потребовалось очень много времени, чтобы она достигла развитой многоклеточной стадии. И стала оставлять заметные следы.
Самые первые многоклеточные отпечатки оставлены 2,1 миллиарда лет назад. Называются они Grypania spiralis. Эти гигантские по меркам бактерий (1 сантиметр) организмы, скорее всего, представляли собой колонии бактерий.
Следующим заметным этапом в развитии фауны стала так называемая эдиакарская биота. Впервые появилась она 665 миллионов лет назад. Но стала активно развиваться 635 миллионов лет назад, когда Земля оттаяла после глобального оледенения. Тогда льдом был покрыт даже экватор.
Любопытно, что вся фауна того периода оставила окаменелые отпечатки даже обычными мягкими тканями – падальщиков не существовало, и организмы разлагались медленно под воздействием микробов. Эти окаменелости отвечают на вопрос, когда появились и какими были первые «сложные» животные. Эти морские существа называются дикинсонии. Они появились 560 миллионов лет назад. Большинство в длину были от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Самые крупные достигали 1,4 метра в длину. Довольно тонкие – максимальная толщина 1 сантиметр.
Самые хорошо сохранившиеся следы дикинсонии найдены на побережье Белого моря и в Австралии. Скелета у них не было – дикинсонии состояли из мягких тканей, как современные медузы. Но они были жестче медуз – у них был гидроскелет, в волокнах которого жидкость находилась под давлением большим, чем у окружающей среды.
Дикинсонии были одиночками и не взаимодействовали друг с другом. Все окаменелости найдены отдельно друг от друга; как описывают находки ученые, вокруг каждого существа была «полоса отчуждения». Найденные близко друг от друга окаменелости оказались деформированы, чтобы не нарушить «личное пространство». Сначала их хотели отнести к отдельной категории организмов, были попытки назвать их грибами, но в 2018 году по следам специфических белков дикинсонии причислили к царству животных. Еще у них была интересная особенность, сильно отличающая дикинсонии от современных животных. Рост этих организмов был изометрическим. То есть росли они равномерно во все стороны, сохраняя пропорции. У современной животной пропорции тела у детенышей и взрослых сильно отличаются. Однако биологи Калифорнийского университета все же нашли у дикинсонии механизмы, которые есть и у современного человека! «Дикинсонии выглядели как трехмерные коврики для ванной на морском дне», – говорит одна из авторов исследования Мэри Дрозер.
Дикинсонии использовали механизм под названием «апоптоз». Организм человека использует его, в частности, для борьбы с раком. Злокачественные клетки распадаются, и их поглощают макрофаги – клетки, которые съедают бактерии и любые чужеродные элементы. Этот важный иммунный механизм современных животных дикинсонии использовали для восстановления поврежденных участков тела. Любопытно, что спустя столько лет у нас сохраняется преемственность с древней жизнью!
Глава III. Как геология меняет биологию
Поверхность нашей планеты – совершенно не стабильное образование. Одни участки суши опускаются, другие поднимаются. Иногда эти процессы сопровождаются масштабными катастрофами.
Север против Юга. Гражданская война среди животных
В истории хорошо известна Гражданская война в Северной Америке, которая получила название Война Севера и Юга. Но в истории американского материка этот случай не первый.
Много миллионов лет назад Южная и Северная Америки были разделены проливом. Примерно 3 миллиона лет назад Америки воссоединились. И по перешейку животные принялись путешествовать в новые для себя регионы: из Северной Америки в Южную и наоборот. Эта история получила в биологии название Великий межамериканский обмен.
Хотя обменом, честно говоря, назвать это сложно. Выглядело это иначе: толпы диких суровых животных из Северной Америки нагрянули на юг и уничтожили древнюю фауну. Миграция из Северной Америки стала настоящим бедствием для тропических видов животных. Они массово проигрывали конкуренцию, а «североамериканцы» вытесняли их и захватывали экологические ниши. Из-за этой миграции исчезло много сумчатых Южной Америки (да-да, там тоже были свои «кенгуру»), было уничтожено много птиц. Полностью вымерли южноамериканские копытные – довольно вялые и неповоротливые жертвы северных хищников. Их нишу заняли североамериканские лошади и олени.
А вот обратная миграция эффекта не дала. Южноамериканские животные не выдерживали конкуренции с северной фауной, которая занимала их экологические ниши. Один из самых знаменитых представителей древней фауны Южной Америки – древний енот-гигант, которого биологи прозвали Чапалмалания. Современный енот весит всего 7 килограммов. А представьте такого же, но в 10 раз больше? Когда палеонтологи раскопали останки енотов-гигантов, они приняли их за древних медвежат. А когда реконструировали этих животных, выяснили, что внешне они очень напоминают больших панд. Этот зверь, если бы дожил до наших дней, точно стал бы любимцем всех детей. На Земле он жил одновременно с нашими предками.
Сейчас на нашей планете живет примерно пять с половиной тысяч видов млекопитающих. При этом за 65 миллионов лет, с момента гибели динозавров, вымерло 10 тысяч видов млекопитающих. Человек не так уж и разрушительно действует, как мы привыкли думать, – на нашу деятельность можно списать исчезновение не более 200 видов. Остальные звери вымерли, проиграв конкурентную борьбу в ходе эволюции.
Древний крупный енот Чапалмалания – вырастал до полутора метров в длину. Весил такой зверь до 80 килограммов. Еноты-гиганты были всеядными. Их основной рацион: яйца, насекомые и фрукты. Появились еноты-гиганты в Южной Америке 5,3 миллиона лет назад, а исчезли – 1,8 миллиона лет назад. Чапалмалании были мягкими и неагрессивными по характеру. Они вполне подходили на роль потенциальных домашних питомцев, считает американский палеонтолог Колин Харрисон. И это сослужило им плохую службу. Они не выдержали конкуренции с агрессивной североамериканской фауной. Несколько всеядных видов зверей, и особенно североамериканские медведи, в конкурентной борьбе вытеснили гигантских енотов. Хищники – псовые и кошачьи – тоже сильно потеснили чапалмаланий.
Эта история очень показательна. Животные, которые развивались в более суровых условиях, оказались лучше подготовлены к выживанию. А в Южной Америке тропики расслабили местных животных. Всегда много пищи, не надо спасаться от холода, а значит, нет мотива развиваться. И раз уж мы говорим об экосистемах Северной и Южной Америк, нельзя не обойти вниманием два следующих парадокса.
Верблюды появились в Северной Америке 4 миллиона лет назад. Как они попали в Африку?
Верблюды – уникальные животные. Появились в Северной Америке, широко распространились по всему континенту и… исчезли. А вот в пустынных регионах Евразии стали процветать. Верблюды обладали эволюционным преимуществом, что позволило им распространиться по всему миру. Ведь эти животные крайне неприхотливы, особенно для крупного травоядного. Давайте посмотрим, как верблюды проделали такой долгий путь эволюции и за счет чего смогли добиться успеха.
Первый предок верблюда появился около 45 миллионов лет назад. Был он довольно мелким – размером с кролика – и имел по четыре пальцах на каждой лапе. Никакого горба у него тогда еще не было. Более поздние особи вырастали до 80 сантиметров в длину. Средний вес – 25 килограммов. Прошло 15 миллионов лет, и предок верблюда вымахал до размера козы. Основной рацион – мягкие листья лесных растений. Он умел вставать на задние ноги – об этом можно судить по строению пальцев и по тому, что передние ноги короче задних. Это ему было нужно, чтобы доставать до листьев повыше. Самые высокие верблюды вырастали до 3,5 метра в холке – сейчас средний верблюд достигает двух метров. Но когда добываешь листья с деревьев, большой рост – это выгодно. Ну а современному пустынному едоку колючек поддерживать такой гигантский рост буквально не по зубам. Разнообразие верблюдовых поражало – десятки видов размером от козы до маленького жирафа. Самыми поражающими воображение были, конечно, альтикамелусы и оксидактилусы. Это самые крупные верблюдовые за всю историю планеты. Их образ жизни напоминал образ жизни жирафов. Они освоили обширные территории Северной Америки, но затем таинственно исчезли. Остались только их родственники в Южной Америке.
Три миллиона лет назад произошел так называемый Великий межамериканский обмен. Панамский перешеек поднялся из глубин и соединил две Америки. По этому перешейку животные стали активно мигрировать с севера на юг и наоборот (подробнее об этом событии я рассказывал в статье, ссылку на которую вы найдете в конце этого материала). Так в Южной Америке застолбили нишу ламы, альпаки и другие родственники верблюдов. А вот в своей первоначальной среде обитания они полностью исчезли. Виноваты климатические изменения и первые поселенцы, которые нашли американских верблюдов очень вкусными. Поэтому в Северной Америке их уже давно нет. Зато они появились на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Да еще как! Главная особенность современных верблюдовых – конечности с мягкими подушечками и двумя пальцами, на конце которых тупые искривленные когти.
Как верблюды попали из Америки в Евразию
Верблюды, какими мы их знаем, тоже появились в Северной Америке – около 3,5 миллиона лет назад. Они уже питались не мягкими листьями, а обгладывали жесткие кустарники. В Евразию они пришли около 2,5 миллиона лет назад по Берингову перешейку. Берингов пролив регулярно в истории нашей планеты то поднимается, то снова тонет (как сейчас). И по нему животные мигрируют из Северной Америки в Евразию и наоборот. Таким образом в Северную Америку пробрался в свое время и человек. Выходцы с территории Алтая прошли по Берингову перешейку в Аляску. А затем заселили весь континент. В Евразии они быстро распространились. Во времена господства мамонтов много верблюдов обитало на территории современной России – останки, не считая Сибири, находят в Поволжье, Ростове и даже Подмосковье. Они оказались идеально приспособлены для суровых пустынных условий. У них здесь нет ни конкурентов, ни опасных врагов. От хищников они отбиваются, кусаясь и пинаясь. Могут и убежать в случае опасности, разогнавшись до 64 километров в час.
Верблюд может съесть до 135 килограммов растительности за день и наесться впрок. Верблюд способен выпить до 113 литров (!) воды за раз. Ее он хранит в желудке и использует по мере надобности. Он также может выживать в течение длительного времени без воды. Этому помогает накопленный в горбе жир. У него густая шерсть, которая помогает регулировать температуру тела и защищает от палящего солнца пустыни. У верблюдов уникальная пищеварительная система, которая позволяет им потреблять жесткую колючую растительность, которую другие животные не могут переварить. У одногорбого верблюда горб может весит до 36 килограммов! Ноздри верблюда закрыты, чтобы песок и пыль не попадали внутрь, пока он идет по пустыне. Эта адаптация позволяет ему легче дышать в пыльной и ветреной среде. Такое строение возникло в ходе естественного отбора в саванном ландшафте Северной Америки.
Первые верблюды были одомашнены около 4 тысяч лет назад. Сперва их ели, но потом стали использовать как транспортное средство. Никто из животных даже близко не мог показать такую эффективность в пустынных краях. Верблюды переносят до 50 % своего веса, при этом способны пройти 40 километров за сутки. У них мало потовых желез, из-за чего они почти не потеют. Их моча очень концентрирована, что помогает уменьшить потерю воды. Поэтому они умеют беречь воду. Одногорбый верблюд, также известный как арабский, популярен на Ближнем Востоке, а двугорбый верблюд – в Центральной Азии.
Грызунов в Южной Америке изначально не было. Откуда они появились там 40 миллионов лет назад?
Как вы думаете, что общего между капибарой и шиншиллой? Кроме того, что они – грызуны и популярны у детей за милый внешний вид. У них – общий предок с весьма интересной эволюционной историей. Изначально грызунов в Южной Америке не было. Когда ученые обнаружили останки первых грызунов, живших 41 миллион лет назад, они поначалу не могли понять, откуда те взялись. Основная гипотеза – в Южную Америку грызуны попали из… Африки. Тогда единый материк уже раскололся, но расстояние было все еще относительно доступным для миграции. И грызуны попали из Африки в Южную Америку, пересекая пролив на бревнышках. Шиншиллы откололись от этой группы грызунов около 30 миллионов лет назад и стали эволюционировать в условиях высокогорья.
История капибар гораздо интереснее. Капибары появились примерно 10 миллионов лет назад. Грызуны прекрасно адаптировались к жизни в роскошных условиях тропиков Амазонки. Раньше их конкурентами были крупные травоядные, включая копытных, которые в изобилии плодились в Южной Америке. Были здесь и гигантские ленивцы, и даже грызуны покрупнее. Но затем поднялся Панамский перешеек и соединил Северную и Южную Америки. И сюда хлынули толпы голодных североамериканских хищников, которые уничтожили большинство местной крупной травоядной фауны. Капибары же выжили, заполнив возникшую нишу. Полуводный образ жизни и умение ориентироваться в сумерках спасли их от агрессивных североамериканских хищников. Больше всего же от своего первого предка – древнего грызуна – сохранили морские свинки, считают ученые.