Помоги проекту - поделись книгой:
И все же, действительно ли разнообразие жизни на Земле увеличилось в 20 раз, или просто окаменелости не рассказывают о том прошлом, которое предшествовало появлению живых существ с твердыми раковинами, надежно сохранившихся в твердых породах в виде окаменелостей? Кембрийский взрыв скорее напоминает (или напоминал) процесс накачивания огромного надувного матраса. После того как некоторые морские организмы эволюционировали, обретя твердые раковины, неудивительно, что эти существа стали более успешными и модифицировались, обогатив фауну того периода. Если почти 20 млн лет биться над такими решениями, результат становится ожидаемым, не правда ли?
Для меня идея, что тогда разнообразие было большим, чем мы видим сегодня, разумна, но невероятна. Тогда постоянно происходили массовые вымирания (подробнее об этом в следующей главе), но они, видимо, не были, если так можно сказать,
В целом сложность формирования окаменелостей обуславливает появление огромного количества пробелов. Но иначе и быть не могло. Чем меньше организм, тем мягче его тело, тем он более древний и тем скорее он попадает в один из этих пробелов. Удивительно не то, что у нас нет больше примеров, подобных сланцам Бёрджесса; удивительно, что этот практически идеальный образец у нас все-таки есть.
Конечно, он скрывает еще больше секретов и тайн. Исследователи, работающие с имеющимися коллекциями окаменелостей, и карабкающиеся по скалам геологи продолжают пополнять и расширять палеонтологическую летопись Земли. Двигаясь в будущее, мы продолжаем все больше и больше узнавать о прошлом. С каждым днем время нашей жизни сокращается, и с каждым днем мы получаем доступ ко все большему периоду эволюционного времени. Я надеюсь, что когда-нибудь один из моих читателей (или даже я сам) найдет окаменелость, или хотя бы сам ею станет, пополнив палеонтологическую летопись для наших потомков.
14. Мы и массовые вымирания
Готовясь к дебатам с креационистом Кеном Хэмом в Кентукки, я прикинул, что на Земле сейчас существует около 16 млн видов живых организмов. Что если бы 14 млн из них вдруг внезапно исчезли? Звучит неправдоподобно, как в каком-то мрачном голливудском блокбастере? Но это именно то, что, судя по всему, происходило, по крайней мере, пять раз за последние полтора миллиарда лет. В каждом случае катастрофическое событие (или ряд событий) уничтожало до 90 % морских и наземных животных во всем мире, и все это происходило буквально в мгновение ока – по крайней мере, с точки зрения геологии. В отличие от зарождения жизни, массовые вымирания являются наиболее драматичным и загадочным событием в истории жизни на Земле.
Самые явные доказательства этих массовых вымираний находятся в породах, которые образуют или некогда образовывали океанское дно. Ученые устремляются к морю с массивными, но элегантными устройствами, чтобы извлечь цилиндрические образцы океанского дна, где в отложениях осадочных пород прослеживается некая систематичность. Оказавшись там, отложения практически не подвергаются атмосферным влияниям. Там нет ни ветра, ни дождей, ни циклов замерзания и оттаивания почвы. Возраст Земли составляет 4,54 млрд лет. Ее кора неоднократно трескалась, передвигалась, оттаивала и модифицировалась. Большая часть загадочной древней истории нашей планеты для нас утрачена. Тем не менее погребенные в древних отложениях, некоторые доказательства этих пяти вымираний еще сохраняются.
Одна из самых больших проблем в реконструировании массовых вымираний – это понимание того, что именно и когда произошло. Та к же как мы разделили живые организмы в иерархии типов – домен, царство, тип, класс, отряд, семейство, род и вид, – геологи разложили долгую историю нашей планеты на эоны, эры, периоды, эпохи и века. Так же как и биологи, которые для большего понимания отношений между живыми существами добавили другие термины, такие как надотряд и подвид, геологи аналогичным образом используют термин
Вы наверняка встречались с такими терминами, как мезозойская эра, юрский период и каменный век. Эти словосочетания происходят из геологии. На протяжении большей части истории Земли жизнь на планете всего лишь стремительно набирала обороты. В основном живые существа были представлены одноклеточными организмами или относительно простыми мягкотелыми животными. Практически все самое интересное началось как раз в последние 500 млн лет. Почти все существа, о которых вы когда-либо слышали, от трилобитов до динозавров и неандертальцев, появились именно в это время. Все эти годы в настоящее время считаются частью одного-единственного геологического эона, который носит замечательное имя: фанерозойский эон (от греческого «фанерос», то есть видимый, явный). Фанерозой, в свою очередь, делится на три геологические эры: палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра – это та, в которую мы живем. Грубо говоря, названия этих эр означают «старые животные», «средние животные» и «новые животные» (в том числе и мы). Наконец, эти эры делятся на эпохи. Наша эпоха называется голоцен, или «новая», и охватывает последние 10 тысяч лет, то есть примерно одну пятисоттысячную часть всей истории планеты. Взгляните на мою схему.
Все эти названия и даты имеют большое значение для палеонтологов, анализирующих историю эволюции. Кропотливо исследовав имеющиеся ископаемые свидетельства, они установили количество живых существ на Земле, особенно в океанах, в разные периоды в течение последних 500 млн лет. В процессе этих исследований они обнаружили относительно короткие промежутки времени, в которые количество разнообразия резко снижалось. Это были массовые вымирания. Я расскажу о пяти, известных нам вымираниях. Хотя я надеюсь, что мы все скоро признаем, что на самом деле их шесть и последнее происходит прямо сейчас.
Старейшее массовое вымирание называют ордовико-силурийским, от названий геологических периодов, во время которых это произошло (444 млн лет назад). Здесь мы потеряли около 85 % океанских видов. В то время на Земле еще практически не было жизни. Океан был местом сосредоточения всех процессов. Это было второе по величине массовое вымирание. Затем следовало Позднее девонское вымирание – около 364 млн лет назад. В этот раз мы утратили около половины животных и растений Земли.
Наиболее трагическим эпизодом в истории фанерозоя стало пермско-триасовое вымирание, или Великое пермское вымирание, произошедшее 251 млн лет назад. Будучи молодым инженером, я работал в Пермском бассейне в штате Техас и без труда находил древние ракушки на земле, болтаясь рядом с водопроводом нефтяной вышки, которую я обслуживал. Это тот же самый Пермский бассейн, о котором вы, возможно, слышали, если смотрели телевизионный сериал «В лучах славы», где рассказывалось о драме школьной футбольной команды из западного Техаса[6]. Судя по всему, во время пермско-триасового вымирания Земля потеряла около 75 % всех видов. Только представьте себе это! В результате в живых осталось только 25 % всех живых существ на планете. И я, и вы являемся потомками этого счастливого меньшинства – 25 %.
В центральной части штата Нью-Йорк, где я учился в колледже, можно запросто найти окаменелость трилобита, если прогуляться по восхитительным сланцевым ущельям, высеченным потоками воды. За неделю можно найти с десяток. Осознание того, что трилобиты жили здесь более 250 млн лет назад, начиная с кембрия и включая пермский период, несколько отрезвляет и поражает. И тем не менее все они, то есть буквально каждый из них, вымерли. Я бы не хотел, чтобы что-то подобное случилось и с нами, по крайней мере, не в ближайшее время. С другой стороны, пермско-триасовое вымирание расчистило путь появлению динозавров. Это в очередной раз показывает, как сильна тяга живых существ к выживанию и как упорно живые существа восстанавливаются… при наличии большого количества времени, конечно.
Следующим стало триасовое вымирание, случившееся около 200 млн лет назад. За этот период мы, судя по всему, потеряли около половины существовавших тогда видов. После стольких событий это уже звучит довольно привычно.
И вот, наконец, мы подходим к самому знаменитому и знаменательному массовому вымиранию – мел-палеогеновому, случившемуся 66 млн лет назад. Геологи предпочитают использовать заглавные буквы для обозначения геологических периодов. Почему бы нет? Это избавляет от труднопроизносимых слов и фраз. Двигаясь от глубокого прошлого к прошлому недавнему, мы встретили два периода, которые начинаются с буквы К (англ. C), карбон (каменноугольный период) и кембрий, которые сокращенно записываются как C и C-. Так меловой период получил сокращение К, а массовое вымирание, случившееся между меловым и третичным периодами, стали называть К-Т-вымирание. К происходит от немецкого слова
Это вымирание стало именно тем драматичным событием, которое ознаменовало собой конец эпохи динозавров (хотя я хотел бы напомнить людям, что нас по-прежнему окружают современные потомки пернатых динозавров – птицы). Оно известно большинству из нас, кто молод сердцем и очарован динозаврами. Также, скорее всего, не случайно, это вымирание открыло эру млекопитающих. Оно освободило место для нас.
Мы не можем быть абсолютно уверены в том, что именно вызвало каждое из этих массовых вымираний, но у нас есть довольно много отличных подсказок. Кроме того, мы создали множество математических моделей климата Земли. Мы делаем все возможное, чтобы оценить то, что могло привести к трагедиям такого масштаба. Мы исследуем скалы, окаменелости, проводим химические анализы. Мы производим расчеты и придумываем очень содержательные гипотезы о том, что же там произошло. Изучение прошлого очень полезно; оно позволяет нам совершенствовать прогнозы того, что может произойти на Земле снова, и, возможно, очень скоро.
У нас также есть прямой доступ к современной картине мира. Глядя на Землю из космоса, раз уж это позволяют наши сложные спутники, мы можем наблюдать за тем, как сегодня меняется климат. Однако мы также можем сравнивать климат Земли с климатом наших ближайших планетарных соседей, Марса и Венеры. Мы делаем выводы о том, что же может вызвать такое радикальное изменение климата целой планеты, приведшее к тому, что в такой короткий промежуток времени половина или даже почти все живые существа вымирают и исчезают.
Мы собираем подсказки, изучая Землю как сложную живую и планетарную экосистему. Если вы рассмотрите любую экосистему, в которой когда-либо жили – будь то лес, город, ферма, или, возможно, вы некоторое время находились в плавании по океану, – вы увидите, насколько эти системы сложны. Живые существа взаимодействуют со своим окружением всевозможными способами. Когда окружающая среда резко меняется, экосистемы также изменяются. Работая в компании «Боинг», я провел много прекрасных часов, путешествуя по горам в районе Сиэтла. Поднимаясь по склонам гористой западной части Северной Америки, можно оказаться в районах, где в последние несколько сотен лет произошли оползни. Здесь заметны радикальные различия между растительностью и фауной верхней и нижней части оползня, а также наглядны не изменившиеся приграничные области, где деревья и фауна живут точно так же, как жили до того, как падающие камни сокрушили и погребли под собой большое количество живых существ.
Чтобы вызвать массовое вымирание, оползень должен был иметь поистине глобальный масштаб. Что может привести к чему-то подобному? Для меня есть две версии, которые сразу приходят мне на ум. У геологов тоже.
Потенциально первым «спусковым крючком» вымираний могли стать вулканы. Если вам когда-нибудь выпадет возможность, я настоятельно рекомендую посетить Национальный вулканический памятник в штате Вашингтон в США – гору Сент-Хеленс, где целые экосистемы исчезли с лица Земли, когда 18 мая 1980 года верхушка горы обрушилась вниз. Бесчисленное количество птиц, рыб, насекомых и сотни крупных животных, таких как олени, полевки и еноты, погибли в одно мгновение. Все свидетельства их существования были либо погребены под тысячами тонн льда, камней и грязи, либо сожжены дотла. Если можете, слетайте на Гавайи, чтобы увидеть вулканы, из которых сочится горячее, раскаленное докрасна нутро горы. Лавовый поток здесь не останавливается; он сжигает все на своем пути. Представьте себе десятки или сотни вулканов, извергающих пепел и огонь на огромных пространствах поверхности планеты. В результате могло произойти такое резкое изменение в атмосфере Земли, что ни одно живое существо, тем более сложные системы живых существ, не смогло бы остаться в живых.
Мы знаем, что массовые извержения вулканов происходили, поскольку мы все еще можем наблюдать гигантские лавовые потоки. Эти всплески вулканизма содержат характерную породу, которая называется базальтовой. Когда она остывает, она часто образует огромные блоки, напоминающие гигантские кристаллы поваренной соли. Потоки лавы настолько стремительны, что геологи называют их «базальтовое наводнение». Некоторые из этих огромных потоков могли извергаться даже под водой – например, как в случае с гигантским плато Кергелен в южной части Индийского океана – радикально изменяя химический состав океана и атмосферы. Огромные излияния лавы в районе, где теперь располагается Сибирь, в настоящее время считаются лучшим объяснением опустошительного пермско-триасового вымирания. Исследователи также винят вулканы в вымирании конца триасового периода. И все же не забывайте: мы расследуем очень, очень древнее преступление.
В регионе Декан, в современной Индии, есть огромная зона вулканических скал. Границами этого района служат восточное и западное побережья Индии и горы Виндхья на севере. Обнажения этих слоев породы напоминают лестничные ступени, поэтому геологи и воспользовались для их обозначения скандинавским словом
Между слоями застывшей лавы на плато Декан находятся осадочные слои, сформированные древними морями. Геологическая датировка этих слоев показывает, что появились они между 60 и 68 млн лет назад и что извержение или извержения достигли своего пика около 65 млн лет назад – примерно в то же время древних динозавров постигла их трагическая судьба.
Могли ли эти базальтовые наводнения иметь какое-то отношение к исчезновению древних динозавров? Некоторые геологи, такие как Герта Келлер из Принстонского университета, приводят тому убедительные доказательства. Проведя некоторые полевые исследования в области траппов плато Декан, она заявила: «Нам впервые удалось установить прямую связь между основной фазой Деканского магматизма и массовым вымиранием». Она имела в виду древних динозавров и др.
Изучая окаменелости в древних отложениях в районе Деканских траппов, Келлер обнаружила, что биоразнообразие фораминифер (обширный отряд водных одноклеточных микроорганизмов) заметно сократилось к моменту извержений. По-видимому, имели место и значительные местные вымирания. Мощные извержения вулканов, которые сформировали траппы Декана, видимо, испускали ядовитые газы, создавая огромные слои пыли в атмосфере; эти выбросы отражали солнечные лучи, вызывая тем самым некоторое охлаждение Земли. Во время других эпизодов вулканы выбрасывали тонны газов с тепличным эффектом, которые очень быстро накаляли планету. Вот такое принудительное изменение климата.
Даже менее разрушительные геологические изменения могли бы привести к истреблению жизни. Например, смещение континентов и изменение прибрежных линий могли вызвать серьезные колебания в глобальном климате. Судя по всему, именно это и случилось во время ордовикско-силурийского вымирания, когда большая часть Земли была частью единого суперконтинента, мигрировавшего к Южному полюсу. В этот период Земля охладилась, сформировались огромные ледники, уровень моря понизился, и множество обитателей океана остались на обмелевших берегах. И все же некоторые вымирания, похоже, происходили быстро, и не только в геологических масштабах, но и с точки зрения человека.
Итак, мы подошли ко второму вероятному виновнику крупных вымираний: астероиды. Если на Землю упадет астероид, все может измениться в мгновение ока. Такое событие могло спровоцировать вымирание К-Pg, когда все вокруг, судя по всему, изменилось слишком быстро, по крайней мере, для того, чтобы можно было объяснить эти изменения вулканической активностью – в конце концов, не она одна могла стать причиной произошедшего. Сегодня ученые сходятся во мнении, что основной причиной исчезновения древних динозавров стал десятикилометровый булыжник, поразивший нашу планету в районе современного мексиканского побережья. Результатом столкновения можно считать различимый и сегодня 180-километровый кратер по имени Чиксулуб (народы майя произносили это как «ЧИК-су-луб»), что означает «дьявольская блоха». Наверное, блохи тогда были ну очень уж злобными. Некоторые ранние вымирания, возможно, также были результатом встречи с астероидом или группой астероидов, угодивших, например, в океан и потому не оставивших для нас свидетельств о себе.
Однажды я повстречал Вальтера Альвареса, ученого, который разработал и отстоял теорию, согласно которой астероид стал причиной вымирания К-Pg. Мы чудно отобедали. Он очень содержательный и воодушевленный человек, увлеченный педагог. Он также обладает редкой способностью смотреть на мир и видеть то, что другие люди не видят. Тем самым он немного напоминает мне Дарвина. Уолтер и его отец, геолог Луис Альварес, предложили идею о столкновении с астероидом в 1980 году, в то время, когда большинство его коллег полагали, что столкновения не так уж важны для истории геологии. Такая теория вызвала множество споров. С тех пор она была тщательно изучена и оценена по достоинству. В настоящее время практически все ученые сходятся во мнении, что эта теория весьма разумна и правдоподобна.
Когда Земля еще находилась в стадии формирования, она состояла из расплавленных металлов и минералов, затем все тяжелые материалы опустились вглубь, к ядру планеты. В связи с этим геологи не ожидали, что могут встретить в скалах на поверхности Земли иридий – тяжелый элемент, атомное число 77. В принципе, они не ошибались. Когда совсем незначительное количество этого металла было обнаружено в горных породах, возраст которых составлял 66 млн лет, а значит, сформированных именно в период вымирания, Альварес рассудил, что он мог попасть туда из астероида, поскольку астероиды содержат большее количество иридия по сравнению с земной корой. Видимо, астероид ударил близ Чиксулуба и раскололся, разбросав вокруг свои обломки.
Независимо от того, куда падают большие астероиды, они вызывают кипение морей, выбрасывают в воздух пыль и кислотные соединения и, возможно, вызывают выработку углекислого газа, скапливающегося над скалами и наполняющего воздух, создавая мощный парниковый эффект, – все это в свою очередь может изменить климат в мире быстрее, чем живые организмы успеют к нему приспособиться. Мощный удар может вызвать огромные волны в океане и в атмосфере, что может изменить погоду по всему миру на длительный период. Возможно, астероиды также способствовали высвобождению внутренней тепловой энергии Земли, тем самым приводя в действие земные вулканы. Среди научного сообщества есть такая шутка – хотя это и не шутка, – что динозавры погибли, потому что у них не было федеральной космической программы, чтобы спасти себя от этого астероида.
Примечательно, что падения других крупных астероидов, видимо, не вызывали массовых вымираний. С Чиксулубом что-то было не так. Конечно, это было необычайно крупное столкновение, но в то же время астероид мог попросту угодить в геологически чувствительную область. Эти вулканы в Индии, вероятно, также имеют отношение ко всей этой истории. К тому моменту, когда астероид столкнулся с Землей, экосистемы планеты уже находились в стрессовом состоянии. Кстати, мы тоже должны извлечь из этого урок. Экосистемы могут реагировать очень быстро, и чем больше оскорблений мы им наносим, тем сложнее им сдержаться. Современная человеческая деятельность создает все больший экологический дисбаланс. Сколько живых организмов на Земле смогут выдержать это?
Важный урок следует извлечь из судьбы нашей соседки – Венеры. Эта планета очень напоминает Землю по размеру и составу, но температура ее поверхности составляет около 460°С – там даже жарче, чем в вашей духовке. Температура Венеры отличается от земной не потому, что Венера немного ближе к Солнцу. Нет, Венера горячее, прежде всего, потому, что в ее атмосфере полно двуокиси углерода – парникового газа, который удерживает солнечное тепло в атмосфере планеты. Венера является наглядным примером экстремального изменения климата: возможности существовать в этих запредельно высоких температурах для жизни, какой мы ее себе представляем, нет. Чтобы Земля стала такой же, как и Венера, в геологии и химии планеты должны произойти большие изменения. Но люди уже сейчас выбрасывают угрожающе много углекислого газа в атмосферу Земли, заставляя наш климат двигаться именно в этом направлении. Накапливание углерода в атмосфере представляет собой просто ужасающую перспективу для планеты. Не хотелось бы стать похожими на Венеру, даже на толику.
Мы знаем, что небольшое охлаждение может привести к массовым вымираниям; судя по всему, это и произошло во время ордовикско-силурийского вымирания. Очень важно, что даже резкие перепады климата, очевидно, во многом способствовали массовым вымираниям пермско-триасового периода и вымиранию К-Pg, а, возможно, еще и некоторым другим.
Промышленные выбросы человечества являются одним из факторов, приводящих к изменению нашей планеты, но он не единственный. Со скоростью, затмевающей масштабы «большой пятерки» древних вымираний, мы губим бесчисленное количество видов, уничтожая места их обитания. Мы заставляем бесчисленные виды мигрировать, менять свое местожительство, изгоняем их из привычных экологических ниш. Повышенное содержание углерода в воздухе задерживает солнечное тепло в атмосфере; углерод также проникает в океан, образуя угольную кислоту (как в безалкогольных напитках), которая только усугубляет надвигающиеся на нас проблемы. Проблема не только в том, что экосистемы меняются; в принципе, условия на Земле меняются на протяжении всего времени, что существует планета. Проблема в скорости, с которой мы провоцируем эти изменения. Это поезд, который со стремительной скоростью несет нас к шестому массовому вымиранию.
Попробуем оценить текущую ситуацию беспристрастно, с точки зрения эволюции. Если мы уничтожим экосистемы, то место тех, кого мы погубим, займут новые организмы. И все же нетрудно догадаться, что, уничтожая экосистемы, от которых мы зависим, мы в первую очередь губим себя. Конечно, люди сообразительны и жизнелюбивы, и потому можно предположить, что случись что – некоторые из нас все же выживут. Только как быть с остальными? Каковы будут человеческие, а с ними и «экономические» потери – сколько наших генов, в том числе ваших, исчезнет навсегда?
Чем раньше мы начнем реагировать на изменения климата, тем лучше. Поверьте мне на слово! Просто взгляните на эоны, эры, периоды и эпохи… Может быть, в далеком будущем какое-нибудь разумное существо, копаясь в древних толщах, будет пытаться выяснить, что же случилось с
15. Древние динозавры и испытание астероидом
Когда я учился во втором классе, наша учительница г-жа Макгонагл, зачитывая отрывки из большой и увесистой книги, объясняла нам, почему вымерли древние динозавры. В то время, по-видимому, лучшей идеей относительно причины их гибели было появление млекопитающих. Наши предки каким-то образом завладели всеми пищевыми ресурсами динозавров или просто съели все их яйца. Даже будучи очень юным, я мог бы сказать, что сама госпожа Макгонагл к такому объяснению явно не склонялась. Я и сам с легкостью представлял себе анкилозавра, рыщущего в поисках какого-нибудь фрукта на завтрак, который незаметно для самого себя одной левой ногой втаптывает в землю целую семью древних кроликов. Видимо, главной идеей подобной теории было послание о неуязвимости человека к вымиранию, ведь в результате мы явно оказались в победившей команде. Но миссис Макгонагл определенно полагала, что эта идея просто не разумна, и я с ней в этом согласен.
Сегодня мы знаем гораздо больше о вымирании древних динозавров. Мы знаем, что они не были эволюционной ошибкой; неудачные случаи адаптации отсеиваются довольно быстро, а динозавры оставались в истории земли на протяжении примерно 160 млн лет (история человечества недотягивает и до одной тысячной этого срока). Мы знаем, что массовые вымирания являются результатом глобальных изменений окружающей среды. И теперь у нас есть убедительные доказательства того, что древних динозавров выживали с планеты особо экстремальные изменения: не стаи оголодавших млекопитающих, а череда продолжительных и ядовитых вулканических извержений и в придачу к ним гигантский огненный камень, свалившийся прямо с неба.
Давайте повнимательнее посмотрим на астероид, который упал на Землю в конце мелового периода. Десятикилометровый камень может показаться не таким уж страшным, если сопоставить его с нашей планетой, диаметр которой составляет целых 13 тысяч километров. Правда, двигался он, вероятно, со скоростью около 20 километров в секунду, что составляет около 72 000 км/час. При таких скоростях астероид получает энергию тысячи миллиардов (триллиона) тонн в тротиловом эквиваленте. Такие масштабы даже трудно вообразить. Скорее всего, осколки от этого астероида взлетели вверх, в атмосферу, очутившись на высоте 200 тысяч километров – это половина расстояния до Луны. Наша планета была окружена облаком раскаленных камней на протяжении нескольких дней или даже недель. Часть этих осколков осталась в воздухе и продолжала заслонять собой Солнце. Некоторые рухнули вниз, вызывая обширные возгорания на Земле. Морские организмы просто заживо сварились. И древние динозавры либо погибали прямо там, где падали эти осколки, либо спасались, но потом уже не могли найти себе пропитания. А наши далекие-предалекие предки в это время сидели себе в пещерах и норах, вот так-то!
Мы во многим схожи с теми дремучими предками. У нас тоже есть волосы. Мы тоже дышим воздухом. Наши женщины выкармливают потомство своим молоком. У нас четыре конечности, на каждой – по пяти отростков, у нас стереоскопическое зрение. Чему тут не нравиться?.. И все это не только благодаря довольно крупному астероиду, расчистившему путь для нас с вами… но также благодаря тому, что мы не столкнулись с другим астероидом, который мог стать для нас таким же адским испытанием.
Обращая свой стереоскопический взгляд в ночное небо, мы часто задаемся вопросом, одни ли мы в космосе. Если кто-то утверждает, будто ни разу не думал об этом, то он определенно лжет. Каждый хоть раз задавал себе этот фундаментальный вопрос. Как вам такой вариант: может быть, мы никогда не слышали о ком-то или чем-то из другого мира, о какой-то другой цивилизации, потому что живым существам где-то в далеком космосе просто не удалось пройти испытание астероидом.
Нам с вами посчастливилось жить на планете с большой Луной. Когда-то, после целого ряда всемирных конфликтов, у нас появились две сверхдержавы. В результате ужасного террористического акта один из лидеров этих держав был убит, а его стратегия по освоению Луны превратилась в одну из генеральных политических линий, заставившую представителей нашего вида начать создание глобальных космических программ. В результате, если появится астероид, который сможет снова разрушить доминирующую форму жизни, эта доминирующая форма (мы с вами) будет готова так или иначе дать отпор этой каменной или ледяной глыбе.
У нас есть технологии для предотвращения еще одного массового вымирания. Мы могли бы как следует наподдать приближающемуся астероиду, и жизнь продолжала бы идти своим чередом. В настоящий момент в разработке находится целый ряд соответствующих технологий. Мы могли бы протаранить астероид ракетой, прикрепить ракету к нему или перенаправить его с помощью бомбы. При достаточном количестве топлива мы смогли бы изменить его траекторию с помощью массивного космического корабля. В Планетарном обществе мы рассматриваем вариант изменения траектории астероида с помощью лазера, работающего на аккумулированной солнечной энергии. Древние динозавры не могли сделать ничего подобного – насколько мы знаем. А мы можем.
Конечно, это размышления в стиле научной фантастики. Но я хочу подчеркнуть, что это далеко не бредовые идеи. Все это вполне обоснованно, хоть и звучит необычно. В результате изучения эволюции и стремлений узнать о том, откуда мы все появились, мы вышли на след этого космического гиганта-разрушителя. Это часть научного процесса, и он предлагает нам узнать нечто важное о том, как мы развивались, что в результате может помочь нам всем выжить.
Столкновение с астероидом по всем научным подсчетам является единственным предотвратимым стихийным бедствием. Так что, мои коллеги-земляне, давайте займемся делом и позаботимся о том, чтобы мы больше никогда не получили такого удара.
16. Прерывистое равновесие
Если вы еще не были в национальном парке Зайон, то я настоятельно рекомендую там побывать и посетить песчаные каньоны, где перед вами, слой за слоем, словно страницы в книге, раскрывается вся история Земли. Если вы хотите побольше узнать о том, как исчезали старые виды и появлялись новые, – это место отлично подойдет для вас. Местный пейзаж гипнотизирует – словно завороженный ты стоишь и пытаешься подсчитать количество геологических слоев. Слои формации охватывают промежуток от конца пермского периода и до раннего мелового периода. Это порядка 200 млн лет. Если посмотреть внимательно, слои здесь сложены, словно листы бумаги в лотке ксерокса; только эта кипа достигает тысячи метров в высоту.
Когда я смотрел на эти слои в 1997 году, во время съемок «Научного парня», у меня было особое ощущение, будто история Земли – это постоянный труд. Каждый тончайший слой казался уложенным в соответствии с особой системой. Ветер переносил песчинки, формируя огромные дюны. Время от времени все намокало. Время от времени все высыхало. Когда почва была влажной, кальцит – CaCO3(карбонат кальция) и гематит – Fe2O3 (оксид железа, также известен как ржавчина) растворялись в древних водах и цементировали песчинки, укладывая их плотными слоями. Ржавчина давала красивые красные тона. Эта сцена буквально завораживала всю съемочную группу и меня стройным ритмом узоров в песчаных отложениях.
Я не единственный, кто пережил подобные ощущения. Чарлз Лайель, известный геолог XIX века, испытывал схожие чувства.
Униформизм поразил Дарвина, будучи одним из путей развития природы, геологическим либо каким-нибудь иным. Он и его современники полагали, что виды появлялись медленно, но неуклонно, и так продолжалось с начала времен. Но действительно ли это так? Оказывается, это очень важный вопрос, необходимый для понимания того, откуда берутся новые виды, с его помощью можно совместить древние ископаемые свидетельства и современные генетические доказательства и провести идеи Дарвина в XXI век.
Изучая все окаменелости, которые только можно было найти, Дарвин и многие более поздние ученые столкнулись с настоящей загадкой. Оказалось, что многие виды животных и растений исчезли. Не хватало очень важных окаменелостей – например, останков древних видов птиц, разных переходных форм. Недостающие окаменелости Дарвин назвал «наиболее очевидным и тягчайшим возражением, которое можно выдвинуть против моей теории…». Это был головоломка, решить которую желали многие ученые, но она оставалась неразгаданной в течение долгого времени. Изысканность решения этой задачи и по сей день сбивает с толку миллионы людей. Креационисты и несведущие люди по всему миру продолжают сомневаться по поводу эволюции, отчасти из-за озабоченности по поводу недостающих окаменелостей, которая еще тогда владела Дарвином и другими исследователями XIX века.
Одной из проблем была нехватка информации. По сравнению с сегодняшним днем во времена Дарвина было гораздо меньше ископаемых, доступных для изучения. Доступные нам музеи и обширные коллекции тогда еще не существовали. Не было экономических возможностей делиться экземплярами, которые были на тот момент у ученых, не было передачи электронных изображений на портативных экранах и т. д. Большинство окаменелостей, обнаружение которых исследователи прогнозировали на основании своих исследований, еще не были найдены. Это особенно верно в отношении ископаемых останков, которые должны были соединить людей с предком, общим для нас и человекообразных обезьян, бонобо и шимпанзе. Эта единственная гипотетическая окаменелость получила название «недостающего звена». Я хорошо помню, как в детстве неуклюжих, неграмотных или некультурных сверстников называли «недостающим звеном». Мои родители называли одного из приятелей моей старшей сестры «недостающим звеном». Они считали, что в качестве жениха он ей не подходил. Хотя я уверен, что он был человеком, как и каждый из нас, а не «недостающим звеном» палеонтологической летописи. С другой стороны, мой бывший начальник…
На протяжении десятилетий с момента публикаций Дарвина полевые геологи и палеонтологи стали находить в раскопках тысячи и тысячи ископаемых. Они обнаружили удивительное количество останков древних динозавров, огромное многообразие вымерших млекопитающих и бесчисленное множество окаменелостей морских существ. Всего лишь через два года после того, как Дарвин выразил свою озабоченность по поводу недостающих окаменелостей, в Германии, например, была обнаружена знаменитая окаменелость птицеподобного
Вопрос о «недостающих звеньях» сохранился главным образом у людей, которые верили (и даже сейчас верят), будто возраст Земли не превышает десяти тысяч лет и что люди уникальны и не имеют никакой связи с древними предками какого-либо из миллиарда организмов, существовавших до нас. Необоснованно утверждая, будто никакой переходной формы между обезьяной и человеком не существовало, они вводят в заблуждение огромное количество умов.
Даже после обнаружения так называемого недостающего звена одна из самых больших загадок, волновавших Дарвина, осталась неразгаданной. Во всяком случае, заполнение палеонтологической летописи вызывало в нем все большую озабоченность. Во-первых, казалось, что новые виды появляются в геологической летописи слишком быстро. Размышляя на эту тему, Дарвин писал: «Почему же тогда каждая геологическая формация и каждый слой не наполнены такими промежуточными звеньями…?» Во-вторых, как только вид укоренялся, он и его потомки укоренялись и в летописи окаменелостей – их останки занимали слои в горных породах, в совокупности соответствующие довольно приличным промежуткам времени. Одни лишь трилобиты выживали в различных перевоплощениях в течение более чем 250 млн лет. Та к или иначе, эволюционные изменения, казалось, происходили очень быстро, но в то же время и очень медленно.
Чтобы понять смысл такого парадокса, необходимо объединить самые современные знания о новых экосистемах с изучением существ, которые жили в далекой древности. Конечно, было непросто заставить говорить каждого из них. Как писал мой коллега и друг Дон Протеро, «в то же время систематики (биологи, изучающие наименования и отношения организмов) были заняты описанием новых видов, но мало думали об эволюционных последствиях своей работы. У них просто не было общей нити, и, казалось, не будет никакого способа показать, что дарвиновский естественный отбор совместим с генетикой, палеонтологией и систематикой».
Эта задача была блестяще решена в 1972 году двумя начинающими (но в настоящее время очень хорошо известными) эволюционными биологами: Нильсом Элдриджем и Стивеном Джеем Гулдом. Они провели убедительные анализы огромного количества ископаемых и пришли к выводу, что, хотя у нас есть очень много окаменелостей, которые демонстрируют длинные ветви потомков, удивляет отсутствие окаменелостей, которые могли бы связать некоторые из этих ветвей с другими линиями. По-прежнему не было понятно, как именно динозавры стали тем, кого мы считаем современными птицами, хотя в целом курс этой эволюции был ясен. Точно так же не было ясно, как рыба в конечном итоге смогла научиться ходить по земле, или как наземные животные пошли обратным путем и в конечном итоге стали плавать – например, дышащие киты или улыбающиеся дельфины. Некоторые важные трансформации, казалось, происходили так быстро, что просто тонули меж строк (или цифровых битов) палеонтологической летописи. Именно это Элдридж и Гулд намеревались объяснить с помощью удивительно новаторского подхода к идеям Дарвина.
Вы, возможно, слышали определение, которое они придумали для этого феномена: «прерывистое равновесие». Я повстречал Стивена Джея Гулда на небольшом групповом ужине и могу засвидетельствовать, что он имел чертовски отменный словарный запас. Наряду со своим владением английским языком, он, казалось, практически свободно разговаривал на латыни. В любом случае прерывистое равновесие – это характеристика механизма воспроизводства видов. Кто-то типа меня мог бы назвать это «изоляцией видообразования» или «формированием генетического острова». Для меня это может звучать как: «Все в порядке, пока вода в ручье не поднялась». То есть, говоря по-биллнайски, «если вода в ручье поднимется, популяция может оказаться в изоляции на генетическом острове» (биллнайская речь подразумевает под собой слова и выражения, сформулированные Биллом Найем).
Какой бы термин вы ни использовали, важно знать, что ответ на загадки Дарвина заключается в размере популяций – в частности, небольших изолированных популяций. Дарвин описывал, как один вид порождает новый. Именно так было в отношении знаменитых «дарвиновских» вьюрков с Галапагосских островов. Важно отойти от униформистского понимания мира, чтобы понять механизм этих процессов. Когда небольшая группа организмов оказывается в изоляции (в изолированном районе леса, на другом берегу ручья, и т. д.), некоторые особи обнаруживают тенденцию к образованию новых видов. В пределах немногочисленной группы любая мутация распространяется быстрее, а успешная мутация выбивается в лидеры.
С момента публикации статьи Гулда и Элдриджа в 1972 году было проведено множество исследований как с реальными популяциями, так и с математическими моделями. Результаты объясняли, почему эволюция может казаться одновременно быстрой и медленной: она
Все это имеет огромное значение в контексте всех предыдущих переломов в эволюционном мышлении и в контексте псевдонаучных идей о естественной истории Земли, внушаемых креационистами молодому поколению. Прерывистое равновесие объясняет нехватку очень многих переходных форм в собраниях окаменелостей, хранящихся в научных институтах по всему миру. Представьте себе цепочку островов (Галапагосы), которые образуют архипелаг у западного побережья Тихого океана, – там, где сейчас находится Эквадор. Любая сильная буря может буквально смыть с материка некоторых животных и забросить их на эти острова (позже я расскажу еще кое-что на эту тему). Эти острова расположены достаточно близко к материку для того, чтобы большая волна или ветер могли перенести сюда организмы, но они слишком далеко для того, чтобы эти животные и их потомки имели возможность встречаться со своими континентальными родственниками уже после того, как они очутились на острове. Их популяции становятся изолированными. Эволюционные биологи часто используют термин «аллопатрические», от греческого словосочетания, означающего «другое отечество» или «другая родина».
По сравнению с материковыми птицами островные вьюрки образуют довольно немногочисленное племя, точнее, стаю. Если одному из них посчастливится вылупиться с клювом, который будет чуть более удобным при раскалывании орехов, чем клюв соседа, то это даст везунчику шанс на более сытую и привольную жизнь. Очень важно здесь то, что гены, отвечающие за появление более удобного клюва, в этой популяции в процентном соотношении будут составлять большую часть генофонда, чем если бы они встретились в многочисленной материковой популяции. Соответственно, гены потомков счастливчика, обладающих модифицированными клювами, также составят большую часть генофонда на этом острове. Как я уже сказал, это кажется очевидным, как только вы узнаете ответ. Наглядно мы можем пронаблюдать эти процессы на математических моделях. В них мы можем ускорить процесс эволюции посредством электронной компьютерной симуляции. Сразу же в глаза бросается эффект прерывистого равновесия. Это причина, почему мы просто не можем увидеть многие из переходных форм. Их, по сути, значительно меньше, а изменения происходят быстро. Очень немногие из этих промежуточных организмов сохранились до нашего времени, чтобы мы могли найти их, спустя миллионы лет после их исчезновения.
Если небольшая популяция получает хотя бы небольшое преимущество, то может получить и большее. Поскольку популяция, о которой мы ведем речь, оказывается изолированной, она может развить достаточно заметные отличия от своего родового племени или стаи, и в результате ее представители утратят способность успешного размножения с партнерами из прежней компании. Эти представители станут новым, отдельным видом. Если посмотреть на окаменелости особей, принадлежащих к довольно большой группе организмов, мы не сможем увидеть свидетельства промежуточных изменений, поскольку для такого количества представителей их было слишком мало. Осознав механизм формирования генетических островов и прерывистого равновесия, едва ли можно допустить, что все могло происходить иначе. Недостаток «недостающих звеньев» на самом деле является очередным доказательством эволюции. Это именно то, что мы ожидаем найти в природе. Будь палеонтологическая летопись идеальной – вот
Кстати, покуда я пишу здесь о несовершенстве палеонтологической летописи, имейте в виду, что это несовершенство с каждым часом становится все менее и менее несовершенным. Каждую неделю или около того палеонтологи открывают новое удивительное животное, обнаруживая его останки, заточенные в скалах. Недавно произошло открытие окаменелости двух с половиной метровой многоножки карбонового периода, то есть жившей около 300 млн лет назад. Окаменелость достаточно хорошо сохранилась, так что исследователи могут увидеть, что это животное было вегетарианцем – об этом свидетельствует его очень длинный кишечный тракт, а точнее, его отпечаток в фрагменте скалы. Я был в Государственном парке Эшфол в Небраске и видел семена, сохранившиеся в желудках двухтонных, давно вымерших северо-американских носорогов. Мы продолжаем искать новые окаменелости, чтобы узнать больше о нашем прошлом, но у нас уже есть достаточное количество информации – и мы работаем с ней.
До этого момента я в основном говорил об изменениях (ну ведь это самое интересное…), однако застой – это также одна из важнейших характеристик эволюции. Популяции в экосистемах, как правило, стремятся оставаться в равновесии. Действительно, почему бы и нет? Если они остаются в одной местности и получают то же самое количество солнечного света и продовольственных ресурсов в течение многих лет, то их представители рождаются и умирают, но при этом общая картина остается примерно одинаковой. Время от времени можно услышать термин «живое ископаемое». Даже я использую это словосочетание. Несмотря на то что значение этого выражения мне нравится, само оно по сути совершенно бессмысленно. Ископаемое – это то, что откопали. Если организм жив, стало быть, он не может быть мертв и закопан… Тем не менее такое выражение является употребительным и, скорее всего, обозначает организмы, в течение долгого, долгого геологического или эволюционного времени остававшиеся неизменными.
Вы наверняка видели, а может быть, у вас даже есть раковина моллюска наутилус. Эти замечательные морские существа по мере своего роста выстраивают все новые камеры своей раковины, которые в результате образуют логарифмическую спираль. У них есть то, что мы могли бы назвать камерой обскура для глаза. И это было у них последние 500 млн лет. Животные, живущие сегодня, не могут быть ископаемыми. Но ведь они точно такие же, как и их предки, которые вымерли. Возможно, вы видели изображения целаканта. Эта рыба считалась вымершей. У исследователей были только ее окаменелые останки, пока в 1939 году у южного побережья Африки не была обнаружена популяция, живущая так, как жили их предки в течение последних 65 млн лет. Кстати, наутилус и целакант находятся под угрозой исчезновения – и все из-за человека. Мы убиваем их ради ракушек и нашего любопытства. Мы действительно рискуем в ближайшее время превратить этих живых животных в мертвые ископаемые, а это весьма удручающее и безнадежное состояние.
Для таких существ, как наутилус и целакант, жизнь без изменений, происходящих от поколения к поколению, служит свидетельством неизменности условий существования, которое сохраняется на протяжении длительного времени. Эти животные продолжают накапливать мутации в генах, но стабильность окружающей среды не дает преимущества этим изменениям. И совсем не случайно эти животные обитают в океане. Именно в океане шансы на статичность окружающей среды гораздо выше; по крайней мере, так и было до того, как появились люди. Вы наверняка не раз использовали выражение «экологический баланс», или «равновесие в природе». Но когда речь идет о крупных изменениях – скажем, по соседству произошло извержение вулкана или огромная буря снесла вас в море, и вам повезло очутиться на необитаемом острове, – популяции становятся изолированными. Вот тогда все происходит быстро.
Я жил на северо-западном побережье Тихого океана довольно долго. Я до сих пор частенько туда приезжаю. Один только запах вызывает во мне прилив воодушевления, не говоря уже об альпийских просторах и плодородных бухтах и заливах. Так вот в какой-то момент в отношении одной птицы, не представлявшей особой экономической и какой-либо иной ценности для людей, намеревавшихся спилить старинные деревья и пустить их на пиломатериалы, велись ожесточенные споры. Предки этих птиц долгое время жили в хвойных лесах и питались полевками и мышами. Затем появились люди и начали как оголтелые рубить деревья. Людям нужна была древесина для постройки домов и разных сооружений. Старый строевой лес – это лучшие пиломатериалы из всех возможных. Бревна получаются гладкие, мелкозернистые, с небольшими выщерблинами. Они великолепны с эстетической стороны и идеально подходят для строительства крепких домов – достаточно плотные, чтобы противостоять сильным ветрам и в то же время вполне эластичны, чтобы сохранить конструкцию во время мощных землетрясений.
Итак, если вы одна из пятнистых сов,
Популяции живых организмов, как правило, стремятся сохранять равновесие, но экосистема и так работает с горящим табло «Внимание, опасность!»; на некоторых представителях и популяциях уже можно ставить точку. Это может очень быстро изменить привычное положение вещей. История эволюции – это история равновесий, прерываемых большими изменениями. Нам очень важно минимизировать эти «точки», сохранив «бессоюзное повествование» жизни, ради всех живых существ, которые пока не настолько эволюционировали, чтобы самим влиять на сохранность и здоровье мира – нашего и наших потомков.
17. Непредвиденные обстоятельства, бутылочное горлышко и основатели видов
Как появляются разные виды? Это фундаментальный вопрос. Когда Чарлз Дарвин формулировал свои идеи, никто даже понятия не имел о ДНК или генах. Ученый был в состоянии вывести принципы естественного отбора, но он был практически полностью ограничен внешними и внутренними формами жизни. Сегодня мы можем заглянуть в код жизни, скрытый внутри каждого живого существа. Мы можем понять механизм эволюции. Мы можем посмотреть на молекулярные записи, свидетельствующие о том, как зарождаются новые виды и как через какое-то время они разделяются. Революция в генном картировании породила революцию в эволюционной теории.
В 1973 году американо-украинский генетик Феодосий Добржанский составил убедительное эссе «Ничто в биологии не имеет смысла, не будучи рассмотренным в свете эволюции». Ему, как правило, приписывают начало дискуссии или интеллектуального диалога, который часто называют «новым синтезом» эволюции. Добржанский ввел биохимические подробности и роль технического описания гена: специфическую последовательность нуклеотидов (также известную как генетический код), которые составляют часть хромосомы. Описанный таким образом, ген представляет собой строительный чертеж, который в конечном счете определяет порядок аминокислот, необходимых для создания специфического белка. Достаточно понятно? На самом деле это фантастически сложно, и биологи до сих пор изучают подробности того, как это работает. Тем не менее эта молекулярная точка зрения абсолютно, полностью, всячески согласуется с наблюдениями и выводами, которые сделал Дарвин: ДНК направляет строительство последовательностей химических веществ; эти химические вещества влияют на конфигурацию всего организма; эта конфигурация влияет на то, насколько вероятно, что организм будет воспроизводить и продолжать распространять все больше копий кода.
Влияние Добржанского было настолько глубинным, что мы часто о нем забываем. Он связал явление мутации гена – природных ошибок, которые случаются при создании копий сложных или комплексных молекул – с счастливыми случайностями, которые, в терминологии Дарвина, становятся привилегией некоторых потомков. Если мутация имела ценность для потомков, то она будет передаваться дальше и дальше.
До этого синтеза, способ, которым вид становился обособленным или появлялись новые виды, был не совсем ясен. Исследователи вполне резонно предполагали, что каждый представитель определенного вида имеет довольно много общих генов. Отличия одного представителя от другого они связывали с генами, пусть даже вариации в пределах одного рода были не особенно многочисленны. Согласно их рассуждениям, разный цвет волос у детей, рожденных от одних и тех же родителей, был обусловлен генетическим и в меньшей мере наследственным фактором. Благодаря «современному синтезу XX века» стало ясно, что каждый признак представителя вида заложен в его генах. В настоящее время мы принимаем эту идею как должное. Именно она дала ученым понимание того, что нужно, чтобы стать видом. Гены мутируют из поколения в поколение, и в результате мы получаем представителей, утративших способность спариваться с особями их изначального вида; так вид становится самостоятельным.
Наиболее важным следствием современного синтеза является то, что он позволяет ученым понять, как популяции разделяются на различные виды. Он определяет один из ключевых механизмов, работающих за кулисами разнообразия жизни. Давайте копнем поглубже и рассмотрим это на примере популяции жуков – их на свете более чем достаточно. На данный момент известно 350 тысяч видов, и наверняка осталось еще немало популяций, с которыми нам только предстоит познакомиться. Предположим, они живут в лесу. В какой-то момент в горах, у подножия которых находится наш лес, в результате обильного снегопада осадков выпадает больше, чем обычно, в предыдущие десятилетия. Снег тает, и вниз устремляются более мощные потоки воды, прокладывая русло новой реки прямо через долину – естественную среду обитания жуков. Жуки, обитающие в лесной почве у подножия деревьев, оказываются разделенными на две группы левобережных и правобережных жителей. Они больше не могут общаться, не могут заниматься совместными делами, в том числе откладыванием яиц.
Продолжая несовершенное копирование генов в обеих популяциях, передавая их из поколения в поколение, в конечном итоге левобережные и правобережные жуки получают совершенно отличный друг от друга набор генов и больше не могут иметь общее потомство. Две популяции в нашем упрощенном, но вполне закономерном примере превратились в разные виды. Меж тем в силу вступают и другие природные селективные факторы. Левобережники живут на том берегу реки, где роковой снегопад затопил почву и тем самым погубил обширную полосу деревьев – в результате затопления корни деревьев лишились доступа кислорода. Некоторым особям из популяции левобережников может посчастливиться иметь чуть отличающиеся челюсти или мандибулы, которые будут позволять им немного лучше пережевывать сухую древесину погибших деревьев. Они будут питаться лучше. Их яйца будут выдерживаться в лучших условиях – более приспособленные мандибулы также позволят жукам выгрызать в древесине более удобные «колыбельки», сохраняющие подходящую для яиц температуру лучше, чем у их сородичей. Так, на свет будет появляться все больше левобережников с более приспособленными мандибулами и способностью выгрызания колыбелек. Тем временем правобережники живут точно так же, как жили до наводнения. Их среда почти не изменилась, но тем не менее лево- и правобережные популяции расходятся.
Есть и другие последствия таких событий, разворачивающихся в отношении изолированных популяций организмов. В нашем примере с жуками и катастрофическим наводнением особи обеих популяций, скорее всего, не сохранят свои размеры. По моим подсчетам, левобережная популяция жуков должна значительно уменьшиться в размерах. Территория их обитания будет затоплена тающим снегом. Правобережные жуки находятся на внутренней стороне излучины реки, и очень немногие из них утонули в том снежном потоке, что сформировал реку. Они практически сохранили численность своих представителей. Что же касается насекомых, обитающих вокруг, то их количество могло увеличиться в разы. Если вы когда-нибудь были в Миннесоте в июле, то эти мухи… ну, короче, они бесчисленны и очень злобны. Будь их всего 10 млн и жизнь миннесотского байдарочника уже стала бы куда менее хлопотной (причем в буквальном смысле). Так вот предположим, что у нас есть 10 млн жуков на правом берегу, которые обладают теми же генами, что и до наводнения.
На левом берегу у нас только 10 тысяч жуков, которые выстояли в воображаемом стихийном бедствии. Жуки и сами по себе размножаются как сумасшедшие, а те, у кого челюсти лучше подходят для жевания сухой древесины, будут справляться с этим особенно хорошо. В довершение всего хищники, которые питаются жуками и другими насекомыми, например богомолами или крохотными птичками наподобие крапивниц, конечно, не обрадовались романтическому изменению пейзажа. Они больше не могут находить жуков в загроможденной местности, заваленной погибшими деревьями, и это в результате приводит к тому, что жуки на левом берегу станут размножаться более успешно. Предположим, что в рамках этого мысленного эксперимента популяции в конечном итоге стабилизируются, отношения хищника и жертвы урегулируются, зафиксировав определенную численность с каждой стороны. И даже если левобережная популяция достигнет того же размера, что и популяция на правом берегу, их гены на левом берегу будут иметь гораздо более скудное разнообразие, потому что все они – потомки гораздо менее крупной популяции. Это явление называется эффектом генетического бутылочного горлышка – предки жуков прошли через «сужение» их генофонда, что аналогично прохождению узкого горлышка бутылки.
Есть кое-что замечательное в отношении бутылочного горлышка. Мы можем измерить гены в разных популяциях и с большой долей вероятности сделать заключение о том, кто в растительном мире и в мире животных для кого является предком. На основании этого заключения мы можем делать выводы о естественной истории целых континентов и экосистем. Итак, с помощью инструментов современного секвенирования, или генного упорядочивания (в том числе некоторых удивительных химических реагентов и исключительных аппаратов), мы можем исследовать ДНК из крови различных жуков и определить, какие популяции имеют большее генетическое разнообразие. Популяция, пережившая наводнение, могла бы иметь меньшее разнообразие, чем популяция, которая не так сильно пострадала в стихийном бедствии. Это то, чего можно было ожидать. И главное, примерные механизмы этого процесса были понятны еще до того, как стало известно о ДНК и генном секвенировании.
Наглядный, а главное, реальный пример эффекта бутылочного горлышка можно наблюдать на Галапагосских островах. Молодой Дарвин во время своего путешествия обратил внимание, что птицы на острове, в частности вьюрки, были очень похожи. Тем не менее они также имели небольшие, но характерные различия в клювах. И Дарвин сумел сделать выводы из увиденного.
Допустим, что вы – счастливый вьюрок, летающий по просторам материковой части, где теперь расположен Эквадор; и вдруг начинается чудовищная буря, циклон, накрывающий несколько сотен километров. Пока вы и еще несколько членов вашей стаи лениво чирикаете, обсуждая сорта орехов, вас подхватывает сильный ветер и выносит в океан. Вам приходиться усиленно работать своими крылышками, чтобы спастись. Многие ваши товарищи довольно быстро выбиваются из сил и исчезают в пучине океана. Но вы и еще несколько счастливчиков в конечном итоге оказываетесь на острове. Здесь много орехов – видимо, много лет назад некоторые семена были заброшены сюда ветром во время подобной бури. Орехи вполне съедобны. Вас и нескольких ваших друзей нередко дразнили на материке из-за вашего крючковатого клюва. Зато здесь он отлично пригодился – им очень удобно раскрывать скорлупки орехов. Вы организуете новое сообщество и размножаетесь в течение многих лет. Поколения ваших потомков летают над скалами и деревьями, болтают об орехах и судачат о соседских вьюрках.
Затем еще одна огромная буря проходит через этот остров. Мощные бури – довольно частое явление в этой части света. Несмотря на опыт своих предков или, возможно, как раз благодаря ему, эти пра-пра-пра- (много раз пра-) правнуки птиц также уносятся ветром в океан, многие из них и в этот раз тонут, но некоторые все же приземляются на соседнем острове, расположенном чуть западнее. Новая популяция выходит на новый старт, и т. д. С каждым последующим сильным штормом и высадкой на все новом острове вьюрки создают в архипелаге Галапагос популяцию или сообщество, которое растет и размножается из одного набора генов, а, значит, по своей сути имеет все меньшее и меньшее разнообразие.
Дарвин появился на научной арене задолго до того, как стало известно о генетическом разнообразии. С того времени очень многие исследователи дополнили его теорию, предложив множество новых идей. Генетический набор популяций вьюрков ожидаем в случае их переноса в этой части Тихого океана. Например, в Галапагосском регионе есть игуаны, которые напоминают тех, что живут на материке, но при этом они другие. Во-первых, они могут плавать. Игуаны, живущие в джунглях, этого не умеют. Иногда бури бывают достаточно мощными для того, чтобы забросить на острова и более крупных животных, но в данном случае игуаны прибыли другим путем. Вдоль побережья, заросшего густыми лесами, нередко дрейфует множество бревен или поваленных деревьев. Если вы ящерица, ползающая по деревьям, то что вам остается делать, если ваше дерево очутилось в море? Держаться покрепче. В конечном итоге, если вы окажетесь на острове, вы изо всех сил начнете делать то, что необходимо для жизни – а значит, вплотную займетесь вопросом размножения с другой приплывшей на дереве игуаной. Мы можем исследовать их гены и сравнить с генами игуан, оставшихся на материке, чтобы получить результат, предсказанный эволюционной теорией: уменьшение разнообразия с востока на запад вдоль всего архипелага.
Этот вид новых популяций, закрепляющихся и осваивающих определенную местность, доселе им незнакомую, мы называем «основателями». Они создают новые сообщества так же, как люди-основатели учреждают компании или ведомства. Только эти основатели из животного мира боролись за свою жизнь и, в частности, за жизни своих потомков.
В общем, основатели появляются из генетического бутылочного горлышка и сами же его создают. Ведь численность основателей, начинающих новую жизнь в незнакомой им местности, будет меньше, а следовательно, и генное разнообразие в этой небольшой популяции также будет меньше, чем можно увидеть у исконных племен или общин, из которых они появились. Популярный пример такого явления – поселенцы в Южной Африке. Приплыв из Голландии, они, видимо, завезли с собой ген, который делает человека восприимчивым к болезни Хантингтона – дегенеративного заболевания головного мозга. Люди, страдающие этим заболеванием, часто совершают резкие движения, особенно лицом и плечами и к тому же имеют определенную форму слабоумия. На мысе Доброй Надежды в Южноафриканском регионе людей с таким заболеванием гораздо больше, чем среди всего остального мирового населения. Города Кейптаун и Йоханнесбург были основаны сравнительно небольшой группой голландцев, в которой кто-то нес в себе этот неприятный ген. Когда на юге Южной Африки образовывалось местное сообщество, гены этой африканской популяции прошли через бутылочное горлышко. Еще один знаменитый пример – это превалирование гемофилии в кровных представителях британской королевской семьи.
Феномен бутылочного горлышка и основателей привели ученых к размышлениям о роли случайности в эволюции. Ученые давно спорят о важности смены условий обитания для биологического и особенно генетического разнообразия. Я бы мог сформулировать проблему следующим образом: Необходимы ли крупные или незначительные катастрофы, и в том числе опустошительные массовые вымирания, для того, чтобы создать новые виды? Примером подобной взаимосвязи являются жуки из нашего эксперимента. Это увлекательный вопрос, ибо он возвращает нас к более глубокому: откуда мы все взялись? Взгляните иначе: где бы мы были, если бы не тот хаос на Земле в свое время?
Теперь, когда геологи узнали, что конкретно они ищут, и сконструировали специальное оборудование для своих поисков, они открывают десятки метеоритных кратеров по всей земле. Ставший роковым для динозавров камень, который 66 млн лет назад упал в районе современной Мексики, едва ли был единственным. Представьте, что вы жук из нашей истории, и вдруг где-то поблизости, поджигая все вокруг, падает гигантский, добела раскаленный камень – ясное дело, что дело плохо, ведь вы и все ваши товарищи могут мгновенно превратиться в чипсы! Хотя, не исключено, что вам повезет и вы сможете пройти по краю пропасти. Вы и несколько ваших товарищей выживут, и впоследствии перед вами откроется совершенно новый пейзаж с очень немногими выжившими живыми существами вокруг. Кроме того, в течение какого-то времени, возможно десятилетий, у вас будет очень мало конкурентов. Даже если вы не будете исследовать окружающую местность, а просто начнете пожирать побеги молодых растений, всходящих на новой, обогащенной питательными веществами почве, то, возможно, яйца, которые вы умудритесь отложить, смогут выжить уже в первый сезон, и ваше потомство будет резвиться в обновленном ландшафте в течение многих лет. Огромная успешная популяция укоренится, хотя генное разнообразие в ней будет гораздо меньше – по крайней мере, ваши гены там будут.
Насколько мы можем судить, падение астероидов – это не единственная катастрофическая проблема, с которой сталкивается жизнь. Огромные потоки базальтовых вулканических извержений, подобные тем, что некогда изливались в Сибири и Индии, отравляли атмосферу земного шара пылью и вредными газами, по крайней мере, 15 раз за известный нам период геологической истории Земли. Глобальные похолодания, возможно, привели к периодам, когда вся планета была заключена в ледяной саркофаг. Движения материков неоднократно вызывали кардинальные изменения в климате, циркуляции в химическом составе океана. Были, вероятно, и другие тяжкие испытания, о которых мы даже пока не знаем. И были, конечно, значительно меньшие, но зато бесчисленные экологические кризисы (засухи, наводнения и т. д.), которые уничтожали целые популяции и создавали благоприятные условия для появления новых основателей.
Эволюционным биологам, таким как Добржанский и более современный влиятельный американский исследователь Стивен Джей Гулд, можно адресовать вопрос: сколько таких событий было необходимо, чтобы получить такое разнообразие, какое мы наблюдаем в мире сегодня? Сколько непредвиденных обстоятельств нужно живым существам, чтобы получить достаточно мутаций для всех нас, обитателей Земли?
Некоторые ученые-эволюционисты считают, что катастрофы не влияли на то, что все мы имеем четыре конечности и челюсти, поскольку это следствие конвергентной эволюции. Они утверждают, что жизнь на Земле выглядела бы примерно так же, как она выглядит сегодня, независимо от того, сколько счастливых совпадений произошло или миновало нашу планету. Некоторые из этих ученых говорят о том, что Земле были необходимы катастрофы для освобождения так называемых экологических ниш для новых видов ради биологического разнообразия. Они указывают на массовые вымирания из палеонтологической летописи и заявляют, что без этих мировых «откатов» мы бы не увидели животных, растений и микробов, которых мы можем наблюдать сегодня. Вы можете перенести это утверждение из мирового масштаба в масштаб локальный и все равно получите то же самое. Без крупных изменений в окружающей среде или без регуляции численности видов посредством модели «хищник-добыча», у нас не было бы этого разнообразия.
Почему этот вопрос вызывает у некоторых весьма образованных и опытных биологов такое возбужденное волнение, мне не совсем понятно. Очевидно, что нам нужны и конвергенция, и случайности. Мы должны повиноваться законам физики, и мы должны пользоваться возможностями. Взглянув на виды, обитающие в Австралии или Новой Зеландии, вы поймете, что я имею в виду. В Австралии в природных экосистемах можно встретить похожих собак и кошек. Там есть и падальщики, которые бродят стаями, и ночные охотники, в одиночку рыщущие в поисках пищи.
Могли бы мы наблюдать сегодня австралийских собак и кошек, если бы Австралийский континент в свое время, скажем, в ледниковый период, когда снег и лед сковали воды морей, не был соединен сухопутным мостом с материком? Действительно ли каждой экосистеме необходимы эти групповые падальщики или одинокие охотники? Являются ли они естественным следствием существования многоклеточных животных, питающихся растениями, и того, что питает растения? Заполняются ли эти экологические ниши естественными формами жизни на Земле, или это просто случайные потомки потомков? И если некоторые из видов давным-давно канули в глубины геологической истории, то не появится ли у них аналогов сегодня?
Для меня очевидно, что оба этих фактора актуальны. Мы не можем сказать наверняка, какое количество ног – четыре, восемь или десять – стало бы наилучшим решением проблемы мобильности. Зато мы можем сказать, что все структуры, существующие на данный момент, занимаются решением одних и тех же физических и химических задач посредством тех инструментов, коими природа наделила их, то есть всех землян. Но я не вижу никаких доказательств того, что во всем этом принимала участие некая суперсила (или супергерой). Задумайтесь, ведь есть неопровержимые доказательства того, что ее нет, по крайней мере, в вопросе выбора победивших и проигравших особей.
Вы можете исследовать эту тему глубже и решить для себя, какой фактор кажется вам более значимым: конвергентные формы, такие как крылья и ноги, цветы и стебли? Или случайные события: наводнения, астероиды, ледники и т. д.? Я не вижу никаких разумных гипотез, способных объяснить все происходящее в мире без упоминания как конвергенции, так и случайностей в природе. Ну а как иначе? Ведь если бы все было по-другому, то все было бы по-другому!
Поделиться книгой: