Эволюция органического мира

У дятла клюв работает как долото, а язык — как гарпун с зазубринами и вдвое длиннее клюва. У крота передние лапы вывернуты наружу и превращены в лопаты, а глаза почти не видят. Кит формой тела неотличим от гигантской рыбы, но дышит лёгкими и кормит детёныша молоком. Каждый организм устроен как будто под свою задачу, и объяснить это надо было хоть как-нибудь.

Долгое время объяснение сводилось к тому, что всё живое было создано сразу в готовом и неизменном виде. Но накапливались наблюдения, в эту картину не укладывавшиеся. В горных породах находили кости животных, которых нигде нет; у одних видов обнаруживались бесполезные органы, вроде остатков тазовых костей у кита, никогда не ходившего по суше; на соседних островах жили близкие, но всё-таки разные виды.

Человеком, который свёл разрозненные наблюдения в работающее объяснение, стал Чарлз Дарвин. С 1831 по 1836 год он совершил кругосветное плавание на корабле «Бигль» и вёл подробные записи. Особенно важными оказались Галапагосские острова у берегов Южной Америки: на разных островах архипелага жили птицы, похожие во всём, кроме формы и размера клюва. У одних клюв был крепкий и толстый — они разгрызали твёрдые семена; у других тонкий и острый — они доставали насекомых. Выглядело это так, будто один исходный вид, попав в разные условия, разошёлся на несколько.

Двадцать лет Дарвин собирал доказательства и проверял себя, прежде чем в 1859 году выпустить книгу «Происхождение видов путём естественного отбора».

Эволюция в его изложении — это необратимое историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением организмов, возникновением новых видов и приспособленностью к условиям среды. Ключевое слово здесь историческое: изменяется не отдельная особь за свою жизнь, а вид в ряду поколений. Отдельный жираф не может вытянуть себе шею; шея удлиняется у вида за множество поколений.

Сила у эволюции, по Дарвину, не одна: работают три фактора, и по отдельности ни один из них ничего не объясняет.

Первая — наследственная изменчивость. Особи одного вида не одинаковы: одна бабочка чуть темнее, другая светлее, один заяц быстрее, другой медленнее. Различия эти возникают случайно — из мутаций и из новых сочетаний родительских генов — и не подстроены под нужду. Важно, что речь именно о наследственной изменчивости: загар или накачанные мышцы потомству не передаются и потому материалом для эволюции служить не могут.

Вторая — борьба за существование. Любой вид способен размножаться быстрее, чем позволяют ресурсы. Одна треска мечет миллионы икринок, одуванчик рассеивает сотни семян, но численность вида из года в год примерно постоянна — значит, до размножения доживают немногие. Борьбу за существование делят на три вида: с особями своего вида (самая острая — им нужно ровно одно и то же), с особями других видов (хищник и жертва, конкуренты за корм) и с неблагоприятными условиями (засуха, мороз, бескормица).

Третья — естественный отбор. Выживают и оставляют потомство не случайные особи, а те, чьи признаки оказались полезны в данных условиях. Именно отбор превращает случайную изменчивость в направленный процесс: изменчивость поставляет варианты, отбор просеивает их.

Лучше всего механизм виден там, где он успевает сработать на глазах у человека. Классический случай — берёзовая пяденица, бабочка, отдыхающая днём на стволах деревьев. До промышленной революции в Англии преобладала светлая, крапчатая форма: на светлых, покрытых лишайником стволах её не видели птицы. Редкие тёмные особи существовали и раньше — они появлялись за счёт мутаций, — но их склёвывали первыми. Когда копоть заводов покрыла стволы, положение перевернулось: теперь заметной стала светлая форма, а тёмная оказалась незаметной. За несколько десятилетий в промышленных районах тёмные бабочки стали преобладать. Ни одна бабочка при этом не «потемнела»: изменился состав популяции, потому что выживали и размножались разные особи.

Тот же механизм работает и там, где он нам мешает: бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам не потому, что «привыкают», а потому, что редкие устойчивые особи выживают после лечения и дают потомство.

Прошлое живой природы нельзя увидеть напрямую, поэтому доказательства собирают из разных наук, и сходятся они в одном.

Палеонтологические. Изучением ископаемых остатков занимается палеонтология. В породах разного возраста находят разные организмы, и чем древнее слой, тем проще устроены его обитатели. Особенно ценны переходные формы — организмы, соединяющие признаки двух больших групп. Археоптерикс имел перья и крылья, как птица, но при этом зубы, длинный костистый хвост и когти на крыльях, как у пресмыкающегося. Кистепёрые рыбы обладали мясистыми плавниками с костным скелетом, из которых могла развиться конечность наземного животного.

Сравнительно-анатомические. Сравнение строения разных видов обнаруживает общий план. Передняя конечность человека, крыло летучей мыши, ласт кита и лапа крота выглядят по-разному и служат разному, но состоят из одних и тех же костей в одном и том же порядке — это гомологичные органы, и объяснить их сходство можно только общим происхождением. Сюда же относятся рудименты — недоразвитые органы, утратившие своё значение: копчик и аппендикс у человека, остатки тазовых костей у кита, недоразвитые глаза у крота. И атавизмы — признаки далёких предков, изредка проявляющиеся у отдельных особей: сплошной волосяной покров на теле, добавочные пары сосков, очень длинный хвостовой отросток. Разница между ними важна и спрашивается: рудименты есть у всех особей вида, атавизм — редкое отклонение у отдельной особи.

Эмбриологические. Зародыши позвоночных на ранних стадиях поразительно похожи: у зародыша рыбы, ящерицы, птицы и человека есть хвост и зачатки жаберных щелей. Чем ближе родство, тем дольше сохраняется сходство.

Биогеографические. Распространение видов по планете объясняется историей материков. На изолированной Австралии сохранились сумчатые млекопитающие, почти исчезнувшие на других материках; на океанических островах, никогда не соединявшихся с сушей, нет местных наземных млекопитающих и земноводных.

Отдельного упоминания стоят «живые ископаемые» — виды, почти не изменившиеся за десятки миллионов лет: дерево гинкго, рыба латимерия, ящерица гаттерия. Они показывают, что эволюция не обязана быть быстрой: там, где условия стабильны, отбору нечего менять.

Итог работы отбора — приспособленность: соответствие строения, окраски и поведения организма условиям, в которых он живёт.

Виды приспособлений, которые спрашивают, стоит держать вместе с примерами. Покровительственная окраска делает животное незаметным на фоне среды: зелёный кузнечик в траве, белая шерсть зайца-беляка зимой, пятнистая шкура олешка в пятнах солнечного света. Расчленяющая окраска — полосы зебры и тигра: они разбивают контур тела, и силуэт перестаёт читаться. Предупреждающая окраска, наоборот, кричаще яркая: чёрно-жёлтая оса, красная с чёрным божья коровка, ядовитые лягушки. Смысл её обратный — чтобы хищник запомнил и не пробовал дважды. Мимикрия — подражание защищённому виду: безобидная муха-журчалка окрашена под осу и потому её не трогают. Маскировка — сходство с предметом: палочник неотличим от сучка, а рыба-игла от водоросли.

Теперь главное, что требуется на экзамене. Приспособленность всегда относительна. Она полезна только в тех условиях, для которых сложилась, и при перемене условий может оказаться бесполезной или даже вредной. Заяц-беляк, побелевший к зиме, прекрасно скрыт на снегу — но в бесснежную зиму он виден издалека и заметнее, чем был бы серым. Колючки спасают ежа от лисы, но не от филина, который бьёт его сверху. Крепкий клюв, удобный для твёрдых семян, бесполезен, если семена исчезли, а остались насекомые. Ни одно приспособление не делает организм защищённым вообще.

Отсюда же следует форма правильного объяснения, и это самая частая потеря баллов во второй части. Неверно: «заяц побелел, чтобы его не видели», «жираф вытянул шею, чтобы доставать листья», «природа наделила ежа колючками». Всё это приписывает организму или природе намерение, которого нет.

Верное объяснение строится всегда одинаково, в три шага. Первый: среди особей вида случайно появлялись наследственные различия (более светлые и более тёмные, с более длинной и более короткой шеей). Второй: в данных условиях носители одного из вариантов чаще выживали и оставляли потомство. Третий: из поколения в поколение доля этого признака росла, и он закрепился в виде. Запомните эту схему дословно — она подходит к любому вопросу «почему организм так приспособлен».

Кодификатор требует знать не только механизм, но и результат — общий ход развития растительного и животного мира. Запоминать его проще не списком, а как историю освоения суши: почти все крупные усложнения связаны с выходом из воды.

Растения. Начало — одноклеточные водоросли в древнем океане; тела, разделённого на органы, у них нет, всасывают воду всей поверхностью. Первыми на сушу вышли предки мхов: у них появились стебель и листья, но настоящих корней и проводящих сосудов нет, вода поднимается медленно — поэтому мхи остались низкорослыми и живут в сырых местах. Следующий шаг — папоротники, хвощи и плауны: настоящие корни и проводящая ткань позволили им вырасти в высоту, и в каменноугольном периоде они образовали древовидные леса, из которых потом получился каменный уголь. Но размножение у них по-прежнему требует воды: сперматозоид должен доплыть до яйцеклетки. Эту зависимость разорвали голосеменные: у них появились пыльца, переносимая ветром, и семя с запасом питательных веществ — и хвойные смогли занять сухие и холодные области. Вершина ряда — покрытосеменные (цветковые): цветок, привлекающий опылителей, и плод, защищающий семя и помогающий его распространить. Именно они господствуют сегодня.

Животные. Ряд начинается с одноклеточных и кишечнополостных, у которых всего два слоя клеток и кишечная полость с одним отверстием. Дальше — черви с двусторонней симметрией и сквозным кишечником, моллюски с раковиной и сердцем, членистоногие с наружным скелетом и членистыми конечностями; членистоногие первыми из животных вышли на сушу. Среди хордовых ряд идёт так: рыбы — жаберное дыхание, двухкамерное сердце, один круг кровообращения; земноводные — первые наземные позвоночные, но кожа голая, дыхание частично кожное, размножение по-прежнему в воде, трёхкамерное сердце; пресмыкающиеся — сухая чешуйчатая кожа и яйцо с плотной оболочкой, благодаря которым размножение перестало зависеть от водоёма; птицы и млекопитающие — теплокровность и четырёхкамерное сердце, позволившие занять самые холодные области планеты, а у млекопитающих вдобавок живорождение и выкармливание детёнышей молоком.

Общее направление читается одной фразой: усложнение строения, всё большая независимость от среды и всё лучшая забота о потомстве.

Третий элемент раздела — доказательства животного происхождения человека. Разговор здесь строится симметрично: сначала что роднит человека с другими животными, потом чем он от них отличается.

Признаки, по которым человека относят к типу Хордовых и классу Млекопитающих: внутренний скелет с позвоночником, четырёхкамерное сердце и теплокровность, лёгочное дыхание и диафрагма, волосяной покров, потовые и млечные железы, живорождение и вскармливание детёныша молоком, семь шейных позвонков — столько же, сколько у мыши и у жирафа.

Признаки отряда Приматов: пятипалая хватательная конечность с противопоставленным большим пальцем, ногти вместо когтей, ключица, глаза, направленные вперёд, что даёт объёмное зрение, крупный головной мозг и рождение обычно одного детёныша с долгим сроком заботы о нём.

Рудименты и атавизмы как доказательства мы уже разбирали, здесь они прямо о человеке: копчик — остаток хвостовых позвонков; аппендикс — остаток отдела кишечника, в котором у травоядных предков переваривалась растительная пища; мышцы ушной раковины, у человека почти бездействующие; третье веко в углу глаза. Атавизмы — сплошной волосяной покров на теле, добавочные соски, удлинённый хвостовой отросток у новорождённого — встречаются редко и у отдельных людей.

Эмбриологические доказательства: зародыш человека на ранних стадиях имеет хвост и зачатки жаберных щелей, а на шестом месяце внутриутробного развития тело покрыто тонким волосяным покровом.

Отличия человека от животных принято делить на две группы. Связанные с прямохождением: S-образный позвоночник, пружинящий при ходьбе; широкий таз, поддерживающий внутренние органы; сводчатая стопа, гасящая удар; грудная клетка, расширенная в стороны, а не спереди назад; свободная от опоры рука, способная к тонкой работе. Связанные с трудом и общественной жизнью: значительно больший объём головного мозга с развитой корой, членораздельная речь, абстрактное мышление, изготовление орудий труда, передача опыта следующим поколениям не через гены, а через обучение.

Последнее отличие и есть самое существенное. Биологическая эволюция человека продолжается, но развитие человечества давно определяется не ею, а передачей знаний и общественным опытом, для чего не нужно ждать смены поколений.