Древо жизни
Эволюцию часто описывают как дерево, ветви которого — потомки некоего общего предка, а гипотетический корень всего дерева - первая живая клетка. На самом деле отношения между видами, особенно у одноклеточных, гораздо сложнее, так что представить всю историю жизни в виде дерева невозможно.
Первые клетки сформировались 3,5-4 миллиарда лет назад, но последний универсальный общий предок ныне живущих организмов, по-видимому, напоминал современных бактерий или архей. Одно из главных свидетельств в пользу общего происхождения всех живых существ — система генетического кода, общая для всей органической жизни. Из этого единого корня растут многочисленные ветви разнообразных видов, ныне существующих и уже вымерших, — прекрасный образ. Вопрос только в том, насколько он точен.
«В теории происхождения жизни проблема универсального филогенетического древа одна из важнейших. Это воображаемое дерево слишком глубоко укоренилось в нашем представлении о биологии» Карл Везе
Лестница жизни
Эволюцию иногда ошибочно считают постепенным движением от примитивных форм к совершенству, с человеком в качестве венца творения. Начало этой идее положил Аристотель с его scala naturae, «великой иерархией жизни». Примерно в 350 году до н. э. греческий философ разработал систему, распределяющую всю природу — живую и неживую — согласно единому иерархическому порядку. На нижней ступени метафорической лестницы стояли камни, на верхней — человек (позже Библия слегка понизила наш статус, поместив человека после Бога и ангелов). Аристотель не был ни креационистом (не считал, что жизнь внезапно появилась из ничего), ни эволюционистом (не думал, что все виды живых существ произошли от общего предка). По современным понятиям он был этерналистом, то есть полагал мир существующим всегда. Аристотель также верил, что новая жизнь происходит из неживой материи в результате «спонтанного самозарождения» — к такому выводу он пришел, наблюдая за гниющим мясом, из которого со временем начинали выползать черви.
Теория самозарождения была окончательно опровергнута в 1859 году Луи Пастером. Иерархические же системы, подобные «лестнице жизни» Аристотеля, оставались в научном обороте более двух тысячелетий. В 1735 году шведский натуралист Карл Линней опубликовал свой фундаментальный труд «Система природы», в котором впервые использовал биноминальную номенклатуру для обозначения рода и вида организма (например, Homo sapiens). С этого началась история таксономии — группирования организмов на основании общих характеристик. Линней разделял природу на животных, растения и минералы. Идея древа жизни появилась столетие спустя. Один из первых известных примеров — «Эволюция человека», изображение огромного стилизованного дуба, созданное немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1874 году. На вершине дерева, однако, вновь оказался человек.
Древо жизни
В «Происхождении видов» Дарвина только одна иллюстрация: дерево, изображающее «наследование изменений» (эволюцию). Прямые (смена поколений) разделяются на «ветви» (изменчивость) — получается нечто отдаленно напоминающее латинскую букву V. Самые длинные «ветви», доходящие до вершины «V», включают ныне существующие группы организмов, остальные — вымершие. На «дереве» Дарвина не обозначены виды, но вслед за ним многие натуралисты начали представлять свои открытия в области истории эволюции именно в виде «деревьев». Хотя на вершине «эволюционного дерева» Геккеля был человек, Геккель стал одним из первых сторонников теории Дарвина и в 1866 году добавил к своему «дереву» еще две параллельные ветви, так что теперь растения, животные и простейшие изображались как отдельные группы.
Так как же реконструируется это «генеалогическое древо» жизни? Сегодня ученые используют метод, известный как кладистика (от греч. klados — ветвь): если у групп живых организмов есть общие характеристики, то предполагается наличие у них общего предка. Чем больше общих черт, тем ближе родство. Кладистика позволяет ученым составить филогенетическое древо (древо происхождения видов). В случае вымерших видов единственный способ обнаружить общие характеристики — анализ ископаемых. Для ныне живущих видов можно сравнивать не только внешние признаки, но и генетическую информацию. В середине 1970-х американский микробиолог Карл Везе сравнил РНК рибосомы — клеточной «фабрики» белка — разных видов. Он заметил, что у одной группы микробов, метаногенов, отсутствует фрагмент РНК, присутствующий у всех остальных бактерий, из чего следовало, что они принадлежат к отдельной таксономической группе. Везе предложил разделить живые организмы на три «надцарства» (теперь их называют «доменами»): эукариот (организмов, клетки которых имеют ядра) и две группы прокариот (безъядерных) — бактерий и архей.
Ученые пока не могут составить единое филогенетическое древо для всех организмов. Систему с тремя доменами можно считать общепринятой, но даже следующий таксономический уровень — царства — часто вызывает споры. Структура филогенетического древа зависит от того, какие характеристики используются для сравнения, а единого мнения о том, какие из характеристик наиболее важны, не существует. Кладистика тоже создает проблемы для таксономии: в «правильном» филогенетическом древе в одной ветви должны быть все потомки одного общего предка, и никаких других организмов. Ветви, в которых это правило не соблюдается, называются «парафилетическими». Рептилии, например, группа парафилетическая, потому что в нее не входят птицы. Птицы же, несмотря на свою теплокровность, — потомки динозавров, то есть рептилий, следовательно, строго говоря, птицы — тоже рептилии.
Паутина жизни
Общее происхождение подразумевает переход признаков от предыдущего поколения к следующему за счет «вертикальной» передачи генов, но организм может получать новую генетическую информацию не только от родителей, но и в результате так называемой «горизонтальной» передачи генов. Именно из-за горизонтальной передачи генов американский биохимик У. Форд Дулитл в 1999 году заявил, что «история жизни не может быть представлена в виде дерева». У многоклеточных эукариот горизонтальная передача генов — явление достаточно редкое, но среди прокариот встречается регулярно: в 2008 году немецко-израильский биолог Тал Даган обнаружила, что у 181 вида прокариот более 80 процентов генов в какой-то момент участвовали в горизонтальной передаче. Так что, по крайней мере, у прокариот эволюционное древо на самом деле напоминает паутину.
Возможно, и не существует никакого единственно верного «древа жизни»? Все зависит от того, что представляет собой каждая его ветвь. Дарвин и его последователи изображали «дерево видов» на основе анатомических признаков, но с помощью анализа ДНК современные биологи могут построить «дерево генов». Если каждая ветвь символизирует передачу генома в результате вертикальной эволюции, история жизни в целом может отдаленно напоминать дерево: в стволе у него три домена, ветви прокариот соединены «лозой» горизонтальной передачи генов. Кстати, если первые клетки были в чем-то похожи на прокариот, возможно, наш общий предок — не один вид, но целое сообщество свободно обменивающихся генами микроорганизмов.
Горизонтальная передача генов
Генетический материал одного организма может быть включен в геном другого. В 1928 году бактериолог Фредерик Гриффит обнаружил, что пневмококки переходят из неболезнетворной формы в смертельно опасную, усвоив «трансформирующий фактор» (теперь мы знаем, что речь идет о ДНК) мертвых бактерий. Такая «горизонтальная» передача генов распространена среди микробов и вирусов, но редко встречается у многоклеточных организмов. Обычно передача происходит между тесно связанными видами, например симбиотическими партнерами или паразитом и его хозяином. Гены бактерий и грибков обнаруживаются у многих «простых» животных, в том числе губок, насекомых и нематод. Передача генов позвоночным особенно редка, но ДНК регулярно переносится между геномами вирусов и другими мобильными генетическими элементами. Генная инженерия - искусственная форма горизонтальной передачи генов. Многие ее противники высказывают опасения, что измененная ДНК может передаться другим видам. Это возможно, но, учитывая редкость такой передачи в природных условиях, риск представляется минимальным.
Филогенетическое древо жизни
Ученые не могут пока создать единое древо жизни. Здесь организмы сгруппированы в шесть царств (ветвей), два домена (заглавными буквами) и две империи (прокариот и эукариот). Универсальный общий предок (LUCA - Last Universal Common Ancestor) - последний по времени вид, от которого происходит вся ныне существующая на Земле жизнь.
