Примерно каждые сто миллионов лет что-то здоровенное врезается в нашу планету. Случись такое сейчас, от нас бы ничего не осталось. Но, как ни странно, мы, по-видимому, обязаны своим существованием последнему крупному столкновению такого рода.
Около 65,5 милллона лет назад астероид примерно десятикилометрового диаметра рухнул на полуостров Юкатан (в нынешней Мексике). Слои пород взорвались, выбросив огромные тучи газов с высоким содержанием углерода и серы. Это привело к глобальной катастрофе. Вспыхнули пожары, небо потемнело. А потом Земля остыла. Полили кислотные дожди. В течение нескольких месяцев вымерли динозавры. Исчезли и почти все прочие морские и воздушные рептилии, а также аммониты и большинство птиц и сухопутных растений.
С млекопитающими вышло иначе. Не то чтобы их совсем не коснулись все эти несчастья: вымерла примерно половина видов. Однако кое-кто выжил. Это были зверьки небольшого размера, быстро размножающиеся и хорошо умеющие приспосабливаться к новым условиям. Они могли добывать пищу среди обильных жертв астероидного удара. Они умели зарываться в норы или иным образом прятаться, чтобы избежать пожаров и кислотных дождей. Как правило, они обитали в пресноводных экосистемах или рядом с ними. А такие системы в значительной степени подпитываются мертвой органической материей, так что они оказались устойчивее перед лицом катастрофы, чем океаны и безводные области суши.
Эти уцелевшие существа и унаследовали Землю. По мере постепенного восстановления биосферы млекопитающие заселили экологические ниши, оставленные динозаврами, а в конечном счете – и те, где когда-то обитали морские рептилии. Как показывает анализ окаменелостей, это произошло в ходе настоящего взрыва творческого потенциала эволюции примерно в течение 10 миллионов лет – между отметками на временной оси «65 миллионов лет назад» и «55 миллионов лет назад». Исследования «молекулярных часов», сопоставляющие геномы ныне здравствующих родственных видов с целью реконструировать их эволюционное древо, рисуют несколько иную картину, согласно которой эволюция млекопитающих, по-видимому, резко ускорилась лишь спустя более чем 10 миллионов лет после падения астероида.
Так или иначе, одна из зародившихся тогда эволюционных линий – линия приматов, т. е. наша с вами. Есть веские основания заявить: не упади астероид на Землю в том месте и в то время, нас бы сейчас здесь не было.
О пуленепробиваемости
Использует ли жизнь некий встроенный генератор случайности, позволяющий уцелеть при любом варианте развития событий? Такое предположение спорно, ибо опирается на неоднозначные эпигенетические идеи о признаках, которые наследуются без участия ДНК-кодирования. Однако мы знаем, что эволюция готова применять все доступные ей трюки – в том числе и те идеи, которые некогда считались противоречивыми, а теперь прочно вошли в научный обиход. Подробности излагает Генри Николс.
Однажды в паб зашел некий человек и объявил: «У меня тут появился новый взгляд на эволюцию. Есть на чем записать?» Бармен подал ему листок бумаги и ручку. Даже без улыбки. Впрочем, посетитель не шутил.
Это был не кто иной, как Эндрю Файнберг, ведущий генетик университета Джона Хопкинса в Балтиморе. А питейное заведение называется «Висельники, утопленники и четвертованные», и располагается оно, естественно, под сенью лондонского Тауэра. Запись на этом клочке бумаги сумела коренным образом изменить наше понимание эпигенетики, эволюции и широко распространенных заболеваний.
Прежде чем зайти в паб, Файнберг прокатился на колесе Лондонского глаза, забрался на Биг-Бен, побродил по Вестминстерскому аббатству. Там он, как нетрудно догадаться, отыскал места упокоения Исаака Ньютона и Чарлза Дарвина. Его поразил контраст между роскошной мраморной статуей моложавого Ньютона, величаво расположившегося под золоченым глобусом, и минималистским надгробным камнем Дарвина.
Файнберг огляделся, и его взгляд упал на мемориальную табличку физика Поля Дирака. Турист невольно задумался о квантовой теории и об эволюции. И у него возникла идея, что эпигенетические изменения (наследуемые изменения, не подразумевающие модификацию ДНК-последовательностей) могли бы вносить в экспрессию генов неопределенность гейзенберговского типа, что резко увеличивало бы шансы данного вида на выживание. Примерно это он и записал потом на листке, заглянув в паб.
Упрощенно говоря, идея Файнберга состоит в следующем. Жизнь обладает неким встроенным генератором случайности, позволяющим ей распределять ставки – «не складывать все яйца в одну корзину», или, как выражаются брокеры, хеджировать инвестиции. К примеру, такая черта, как способность накапливать жировые отложения, поможет в голодные времена, но эта же черта становится недостатком в тучные годы. Однако если хорошие, изобильные периоды продолжаются много поколений подряд, естественный отбор может вообще изъять из популяции ген, отвечающий за накопление жира. И когда потом вновь разразится голод, не исключено, что популяция попросту вымрет.
Но если в воздействии генов сохраняется кое-какая неопределенность, некоторые особи все-таки могут продолжать накапливать жирок, хотя гены у них такие же, как и у собратьев. В хорошие времена такие особи, возможно, умерли бы в молодости, но при наступлении голодных времен они-то, вероятно, только и выживут. В мире, где ни в чем нельзя быть уверенным заранее, неопределенность с точки зрения долгосрочной перспективы может играть в выживании популяций ключевую роль.
Из этой идеи следуют далеко идущие выводы. Мы уже знаем, что существует своего рода генетическая лотерея: каждая оплодотворенная человеческая яйцеклетка содержит сотни новых мутаций. Многие из них не оказывают никакого воздействия на организм, однако некоторые могут оказаться полезными или вредными. Если Файнберг прав, идет еще и эпигенетическая лотерея: у некоторых людей вероятность заболеть онкологическими, психическими или сердечно-сосудистым заболеваниями меньше – по сравнению с другими людьми, обладающими точно такой же ДНК.
Чтобы оценить значение файнберговской идеи, совершим небольшой экскурс в начало XIX столетия, когда французский зоолог Жан-Батист Ламарк сформулировал идею (которая к тому времени уже широко распространилась в научных кругах), что «приобретенные признаки» могут передаваться от родителей к потомству. Он полагал: если жираф будет постоянно тянуться вверх, пытаясь достать до листьев на вершинах деревьев, его шея удлинится и его потомство унаследует более длинную выю.
Вопреки многих книгам и статьям, Дарвин тоже полагал нечто подобное, а именно что условия, в которых обитает организм, могут приводить к наследуемым модификациям. Согласно дарвиновской гипотезе пангенезиса, эти приобретенные изменения способны оказаться как вредоносными, так и благотворными: скажем, сын может заполучить подагру из-за того, что отец слишком много пил. Естественный отбор, по мнению Дарвина, благоприятствует полезным изменениям и отсеивает вредные. Собственно, Дарвин считал, что приобретенные модификации как раз и обеспечивают изменчивость, которая необходима для эволюции, протекающей путем естественного отбора.
Гипотезу пангенезиса так и не приняли ни при жизни Дарвина, ни позже. В ХХ веке стало очевидно, что основой наследственности служит ДНК, а мутации, модифицирующие ДНК-последовательности, как раз и являются источником изменчивости, на которую опирается естественный отбор. Факторы, связанные с воздействием окружающей среды (экологических факторов, к примеру, радиации), способны вызывать мутации, и те передаются от родителей потомству, однако их эффект носит случайный характер. Биологи отвергли идею, согласно которой адаптивные признаки, приобретенные в течение жизни особи, могут передаваться ее потомству.
Но еще в прошлом веке постоянно выявлялись странные случаи: было очевидно, что порой характер наследования признаков не согласуется с идеей о том, будто наследственность сводится лишь к ДНК. Например, когда беременным крысам вводили фунгицид винклозолин, фертильность их потомков мужского пола снижалась по меньшей мере на протяжении двух поколений, хотя винклозолин не меняет ДНК самцов.
Сегодня никто не сомневается, что экологические факторы способны вызывать изменения у потомства животных, даже если при этом ДНК не меняется. Удалось выявить множество различных эпигенетических механизмов – от добавления временных «меток» к ДНК или белкам, вокруг которых она обернута, до появления определенных молекул в сперматозоидах или яйцеклетках.
При этом ожесточенные споры вызывает роль эпигенетических модификаций в эволюции. Некоторые биологи (наиболее известная среди них Ева Яблонка из Тель-Авивского университета) полагают, что наследуемые эпигенетические изменения, возникшие под влиянием среды, являются адаптивными чертами. Эти ученые называют такие изменения «неоламаркианскими». Сегодня раздаются громкие голоса, заявляющие, что подобные процессы диктуют необходимость заново пересмотреть эволюционную теорию.
Однако большинство биологов пока далеки от того, чтобы с этим согласиться. По их мнению, идея о том, что адаптивные изменения родителей могут передаваться потомству посредством эпигенетических механизмов, сомнительна хотя бы из-за того, что, подобно генетическим мутациям, эпигенетические изменения, приобретаемые как результат действия экологических факторов, носят случайный характер и зачастую оказывают вредное влияние на организм.
Наследование приобретенных признаков может рассматриваться разве что как источник изменчивости, на основе которой затем действует естественный отбор. Эта позиция гораздо ближе к дарвиновской идее пангенезиса, чем к заявлению Ламарка о том, что намерения животного могут сформировать облик его потомства. Но даже такая позиция отнюдь не бесспорна: приобретенные изменения редко держатся дольше одного поколения.