Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Закрытие раздела "Электронный архив журнала" с 1 июля 2017 г.
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР

Главная тема:

Градус страстей


Органические молекулы в космосе
 
 

 Самое интересное 
Самые яркие статьи за все годы существования журнала. Пока выложены только статьи 2007-2010 годов, но мы работаем над продолжением этого.
Несходящийся пасьянс биологической системы

Борис Жуков

В английском языке слово sheep (овца) не имеет множественного числа — им называют как отдельное животное, так и целое стадо. Нам это кажется странным, но в нашем языке тоже есть такие слова — например, «плотва» или «саранча». Вряд ли наши предки думали, что две плотвички ничем не отличаются друг от друга. Но, видимо, их сходство было для людей куда важнее, чем отличия. Человек давно заметил, что окружающие его животные и растения существуют в виде больших общностей — видов, члены каждой из которых гораздо более сходны друг с другом, чем с другими созданиями. Виды явно отличаются друг от друга — и в то же время многие из них похожи. Невозможно спутать лошадь с ослом — но нельзя и не заметить, что эти животные гораздо больше похожи друг на друга, чем любое из них — на корову или овцу. Такие слова, как «утки», «олени» или «мухи», обозначают целые группы видов, выделяющихся своим сходством среди прочих. Отсюда было уже недалеко до идеи, что все разнообразие живых существ можно свести в единую систему. Попытки такого рода предпринимались еще в античности. Но особенно остро нужда в ней стала ощущаться в Новое время: после великих географических открытий в Европу хлынул целый поток странных и причудливых животных и растений из далеких земель. Живые существа оказались невероятно разнообразными, и это разнообразие нужно было как-то упорядочить.

Иерархия и эволюция

Эту задачу решил знаменитый шведский натуралист XVIII века Карл Линней. В его «Системе Природы» (так назывался главный труд Линнея, опубликованный в 1735 году) весь окружающий мир делился на три царства: животное, растительное и минеральное. Каждое царство, в свою очередь, состояло из нескольких классов, классы — из отрядов, отряды — из родов, а роды из видов. Позднее другие ученые дополнили линнеевскую систему еще двумя основными категориями — семейством (между родом и отрядом) и типом (между царством и классом) — и множеством вспомогательных.

Все это весьма похоже на устройство армии: дивизия состоит из полков, полк — из батальонов и так далее вплоть до отдельного солдата. При этом солдат не может числиться одновременно в двух ротах, а два полка не могут носить один номер. Правила линнеевской системы еще строже: в ней вообще никакие две группы не должны называться одинаково, а каждый вид обязан принадлежать к какому-то роду, семейству и так далее — и притом только к  одному.

Такие системы — их называют иерархическими — хороши тем, что позволяют упорядочить сколь угодно большое число объектов так, что до каждого из них можно добраться всего за несколько шагов. Но почему живая природа устроена именно таким образом? Сам Линней, будучи добрым христианином и не сомневаясь в библейском рассказе о сотворении мира, полагал, что таков был замысел Творца. Но это объяснение ничего не объясняло. Почему Творец, которому ничего не стоило сделать каждый вид непохожим на другие, придал им глубокое внутреннее сходство? Почему это сходство может иметь разные степени: человек похож на обезьяну явно больше, чем на собаку, на собаку — больше, чем на лягушку, на лягушку — больше, чем на рыбу и так далее. Почему, наконец, распределение организмов по систематическим группам столь неравномерно: класс насекомых представлен десятками отрядов, из которых один только отряд жуков насчитывает около 350 тысяч видов, а класс гинкговых состоит из единственного отряда, семейства, рода и вида — дерева гинкго?

Только сто с лишним лет спустя, с появлением эволюционной теории Чарлза Дарвина, все эти вопросы получили простой и убедительный ответ: сходство организмов отражает их родство. Разные существа похожи друг на друга, потому что они происходят от общего предка, а степень сходства зависит от того, насколько давно они разделились. Род — это группа видов, которые недавно были одним видом. Если хотя бы часть из них не вымрет, а продолжит эволюционировать, они породят новые виды, и тогда каждый из них станет родом, а объединявший их род — семейством. А то, что один род состоит из сотен видов, а другой — из одного-единственного, так это уж кому как повезло: эволюция не ставила себе целью обеспечить равномерное и справедливое распределение видов по группам.

Непохожие родичи, неродные двойники

Из этого следовало, что система живых форм должна отражать их эволюционные связи и учитывать только те признаки, которые унаследованы от общих предков, а не возникли независимо. А это уже не всегда совпадало с внешним сходством: очень похожие друг на друга животные могли иметь совершенно разное происхождение. Например, в Австралии, где до геологически недавнего времени из млекопитающих водились только сумчатые, возник целый ряд форм, словно копирующих зверей Старого Света: сумчатый лев и сумчатый крот, сумчатая летяга и сумчатая куница, даже сумчатый саблезубый тигр.

Правда, австралийских сумчатых зверей никто никогда и не объединял с их плацентарными «тезками». А вот, скажем, группу «толстокожих», долгое время существовавшую в зоологии, пришлось упразднить: собранные в нее животные, несмотря на изрядное сходство, произошли от разных предков. Носороги оказались дальними родичами лошадей, бегемоты — свиней, а у слонов нашлась и вовсе неожиданная родня: сирены (крупные морские и речные звери, никогда не выходящие на сушу) и даманы — небольшие животные, напоминающие сурка или морскую свинку. По тем же соображениям верблюдов и лам пришлось отделить от копытных, зайцеобразных — от грызунов и так далее.

В некоторых случаях у специалистов просто не хватает духу строго следовать принципу родства. Известно, например, что птицы произошли от пресмыкающихся. Но не от всех сразу, а от одной конкретной группы древних рептилий — архозавров. От этой же группы происходят и другие современные существа — крокодилы, и их родство с птицами куда теснее, чем со змеями или черепахами. Если систематика основана на родстве и только на родстве, то крокодилов нужно выводить из класса рептилий и объединять с птицами. В первой половине — середине ХХ века некоторые зоологи предлагали такой пересмотр: выходили вполне солидные монографии, в которых крокодилы были объединены с птицами и противопоставлены прочим рептилиям. Но успеха эти предложения не имели. Слишком уж сильно такое объединение противоречит внутреннему ощущению любого зоолога: рептилии и птицы в их нынешнем объеме — естественные группы, хорошо отличающиеся от ближайших родичей (в том числе друг от друга) и довольно цельные внутри себя. Перенос крокодилов к птицам нарушил бы эту цельность.

Впрочем, ситуации, когда происхождение той или иной группы и ее родственные связи точно известны, случались нечасто (до недавнего времени — но об этом несколько позже). Гораздо чаще систематикам нужно было определить (хотя бы предположительно) то и другое по имеющимся признакам и на этом основании найти для изучаемой группы место в системе. Но как отличить признак, возникший независимо, от «фамильного»?

В поисках опоры

Если бы в разнообразии живых форм царил полный хаос, можно было бы со спокойной совестью махнуть рукой на идею «естественной системы» и классифицировать организмы так, как нам удобнее, — хоть по алфавиту (благо таких классификаций могло быть сколько угодно). Если бы, наоборот, все они подчинялись единым, «сквозным» законам — можно было бы надеяться выявить эти законы и строить систему в соответствии с ними. Но, увы, закономерности есть, и игнорировать их невозможно, но каждая из них действует только в пределах некоторой группы, а вне ее превращается в нечто необязательное. Скажем, для всех млекопитающих обязательно живорождение, и это можно считать характерным признаком данного класса (исключение составляют лишь утконосы и ехидны — параллельная эволюционная ветвь, приобретшая основные черты млекопитающих независимо от настоящих зверей). Среди птиц, напротив, нет ни одного живородящего вида. Но в прочих классах позвоночных никакого общего правила нет: живорождение известно у рептилий, амфибий, настоящих и хрящевых рыб, причем во всех этих классах живородящие формы возникают явно независимо друг от друга.

Поначалу ученые полагали, что сложные органы или черты, повышающие сложность строения всего организма, возникают в эволюции крайне редко — и значит, всех, у кого есть такой орган или черта, можно считать родственниками. Однако еще в XIX веке выяснилось, что предки млекопитающих и птиц приобрели теплокровность и четырехкамерное сердце независимо друг от друга (а сегодня мы знаем, что эти признаки возникали и в других группах древних рептилий). Или другой пример: мало какой орган сравнится по сложности и совершенству с нашим глазом. Но из сравнительной анатомии известно, что в разных группах животных глаза возникали независимо десятки раз, а глаза головоногих моллюсков поразительно похожи на глаза позвоночных — но при этом некоторые особенности их строения исключают происхождение от общего предка.

Выход был только один: рассматривать много разных признаков и выяснять, какие из них в данной группе эволюционно устойчивы, а какие —легко изменяются. Скажем, даже совершенно не сведущий в ботанике человек легко отличит лист рябины от дубового или кленового. Но в систематике растений форма листьев почти не учитывается. И если вы спросите ботаника, почему тот пренебрегает столь очевидным признаком, он в ответ достанет из гербария ветку дуба маньчжурского — с цельными листьями, похожими на ольховые, но с самыми настоящими желудями. Или целое растение лютика кашубского, у которого прикорневой лист — цельный и круглый, а все прочие — рассеченные, как и у других лютиков. Или ветку орешника, на которой рядом с обычными овальными будут расти странные трехлопастные листья — как будто кто-то хотел сделать из них кленовые, да недоделал. Можно ли строить систему по признакам, которые так сильно различаются не только у близких видов, но даже у одного и того же индивидуума?

Призраки признаков

В результате ученые все чаще пренебрегали очевидным сходством, отдавая предпочтение признакам, на которые неискушенный человек просто не обратил бы внимания, — таким, как копытца даманов, выдающие их родство со слонами. Дошло до того, что некоторые систематические группы выделены на основании признаков, которых у многих их представителей... попросту нет. За примерами далеко ходить не надо: мы сами принадлежим к типу хордовых, то есть животных, обладающих хордой — упругим коллагеновым тяжом, проходящим вдоль спины. Но на самом деле никакой хорды ни у кого из нас нет: она возникает на ранних стадиях эмбрионального развития, а затем рассасывается, замещаясь позвонками. Тем не менее эта недолговечная структура выдает наше родство не только с миногами и осетрами (у которых хорда сохраняется на всю жизнь), но и с совсем уж странными существами — асцидиями. Представьте себе: сидит на дне моря, намертво прикрепившись к камням, нечто вроде небольшого пластикового мешка с двумя трубками и качает сквозь себя морскую воду. Ни органов чувств, ни скелета, а внутреннее строение настолько примитивно, что артерии не отличаются от вен, и кровь время от времени меняет направление течения. Что общего может быть у такого создания с человеком? Однако когда русский зоолог Александр Ковалевский изучил развитие асцидии, оказалось, что «в детстве» (на стадии личинки, живущей всего несколько дней) она способна к активному движению, обладает органами чувств, относительно сложной нервной системой и... хордой. А значит, приходится нам хоть и дальней, но несомненной родней.

Вообще разные стадии жизни одного существа нередко играли с зоологами (а иногда и с ботаниками) обидные шутки: они настолько сильно отличались друг от друга, что их описывали как самостоятельные виды. То же самое нередко происходило с самцами и самками одного вида.

Мы уже писали (см. «З-С», № 8/09) о трех «семействах» глубоководных рыб, оказавшихся самцами, самками и мальками одного и того же вида. Бывали и ситуации еще более курьезные: в свое время морские зоологи описали гектокотиля — червеобразное существо, довольно часто  встречающееся в мантийной полости самок глубоководных осьминогов-аргонавтов. Его сочли паразитом, но никак не могли найти ему место в системе — пока не выяснилось, что это... половой орган самцов-аргонавтов — щупальце, которое после созревания в нем спермы отделяется от тела самца и в автономном режиме отправляется на поиски подходящей самки.

Иного не дано?

Подобные случаи могут показаться забавными казусами, но на самом деле за ними стоит общая проблема. Последовательно эволюционная (филогенетическая) систематика неизбежно опирается на порочный круг: на основании сходства (не важно, чего — формы тела или особенностей эмбрионального развития) она делает некие предположения о родстве, а затем на основании этих предположений оценивает значимость и эволюционный вес той или иной черты сходства. Скажем, погонофор (донных беспозвоночных, обитающих в глубоководных районах океана) их первооткрыватели — датские зоологи — на основании строения тела сочли кольчатыми червями или, по крайней мере, их близкими родственниками.  Позднее, когда стали известны особенности их развития, известный советский зоолог Артемий Иванов сблизил их с совсем другой группой — вторичноротыми (к которым помимо нас, хордовых, относятся иглокожие и несколько экзотических типов с малым числом видов). Тем самым полностью обесценив систематическую значимость тех признаков, которые датчане считали ключевыми: если построения Иванова верны, то морфологическое сходство погонофор с кольчецами может быть только параллелизмом, случайной прихотью эволюции. И наоборот: если правы датчане, то с точки зрения систематики сходству эмбрионального развития погонофор и вторичноротых — грош цена.

Логическая порочность основ филогенетической систематики время от времени приводила к бунту против самого принципа классификации по родству. Так, например, выдающийся отечественный биолог и неустанный критик господствующих взглядов Александр Любищев предлагал заменить в систематике и сравнительной анатомии «исторический» подход на «конструктивный». По его мысли, система природы должна опираться на общие закономерности многообразия живых форм безотносительно к их приспособительному значению и филогенетическим связям. Такая система должна быть основана не на гипотетическом родстве организмов, а на их существенных и доступных наблюдению свойствах. При этом она вовсе не обязана быть иерархической: одно и то же существо вполне может входить одновременно в разные группы. Никого же не удивляет, что в таблице Менделеева, скажем, кислород принадлежит одновременно ко второму периоду и к шестой группе. Так и те же погонофоры моли бы находиться в одной «строке» с кольчатыми червями и в одном «столбце» со вторичноротыми. Правда, для построения такой системы нужно сначала создать теоретическую морфологию, включающую не только реально существующие формы, но и те, которые могли бы существовать.

Однако эта соблазнительная альтернатива так и осталась нереализованной. Примеров явных параллелизмов, не объяснимых ни общностью происхождения, ни сходством выполняемой функции, набралось немало, но они остались каплей в море разнообразия живого. Точнее, множеством разрозненных капель: как уже говорилось, в разнообразии живых организмов не удалось обнаружить «сквозных», справедливых для всех групп закономерностей, подобных тем, которые привели в свое время Менделеева к созданию его системы. И даже если то или иное существо принадлежит к такому ряду, это ничего не говорит о его «существенных свойствах». Ну, допустим, мы убедились, что у брюхоногих моллюсков и раковинных амеб фораминифер (микроскопических существ, которым мы обязаны существование писчего мела) раковины образуют поразительно сходные наборы форм. Факт сам по себе, безусловно, интересный — но какое новое знание об этих двух группах мы можем из него извлечь?

Измеритель родства

В результате принцип классификации «по родству» сохранил свое безраздельное господство в биологической систематике. Но как же все-таки быть с тем, что такая система основана, в сущности, на домыслах? Вот если бы можно было наблюдать родственные связи групп организмов непосредственно! Или хотя бы найти какой-то универсальный показатель, однозначно отражающий это родство...

В самые последние годы ХХ века эта, казалось бы, несбыточная мечта вдруг стала явью: биологи научились «читать» молекулярные «тексты» — последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК. Систематиков особенно интересовали разночтения — «буквы», которыми отличаются друг от друга однотипные гены разных видов. Такие разночтения, как и любые изменения в геноме, возникают случайно, а если они не сказываются на функции гена, то и их закрепление в качестве видовой нормы — дело случая. Понятно, что одна и та же «опечатка» может возникнуть независимо у разных видов (тем более, что в нуклеиновом «алфавите» всего четыре «буквы»). Однако независимое возникновение хотя бы двух десятков одинаковых опечаток уже равносильно чуду. Следовательно, чем больше совпадающих вариантов обнаруживается в генетических «текстах» двух организмов, тем ближе родство между ними. Сравнивая разночтения, биологи могут определить, какие из них возникли раньше, какие — позже. Это позволяет восстановить последовательность разделения в эволюции различных систематических групп. При этом геном одинаков во всех частях тела того или иного организма и на всех стадиях его жизни.

«Молекулярная филогения» успешно разрешила ряд старых споров — в частности, ее данные доказали, что первооткрыватели погонофор были правы: эти существа действительно родственны кольчатым червям, а не вторичноротым. Именно прямое сравнение генетических текстов позволило выяснить истинную природу «семейств» глубоководных рыб и найти место в системе целому ряду странных существ, родственные связи которых прежде вызывали споры или были вовсе непонятными. В то же время молекулярные методы буквально перевернули основы зоологии беспозвоночных, опровергнув многие казавшиеся очевидными представления (например, о родстве членистоногих с чрезвычайно похожими на них кольчатыми червями). Но эта тема требует отдельного разговора. Нам сейчас важно, что универсальный ключ к системе Природы найден, и теперь ботаникам и зоологам не надо сопоставлять множество различных признаков и спорить о том, какие из них важнее.

Так ли это? И да, и нет.

Дело в том, что система живых организмов и их родственных связей должна включать в себя не только ныне живущие, но и вымершие, ископаемые формы. Среди последних немало явных родственников тех или иных современных существ, но есть и группы, положение которых в системе природы еще только предстоит установить. Однако у окаменелостей нет никаких нуклеиновых кислот: их ткани давно заместились минеральными соединениями, хранящими лишь форму древних организмов. Палеонтологам волей-неволей приходится работать по старинке, опираясь лишь на морфологические признаки и интуитивно определяя их эволюционный «вес». Но ведь нельзя же строить одну систему для ископаемых существ, а другую — для современных!

Поэтому молекулярная революция в систематике не отменила старых методов, но поставила перед учеными задачу: найти среди традиционных признаков такие, которые наиболее полно и точно отражают родственные связи и эволюционный путь их обладателей. Строго говоря, именно эту задачу биологическая систематика и связанные с ней дисциплины и пытаются решить со времен если не Линнея, то Дарвина. Разница лишь в том, что сейчас во многих случаях стало возможным проверить, насколько верны те или иные решения. И уже с учетом этого знания подходить к тем группам, для которых это проверить нельзя.

ЗС 06/2011

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source