Живые ископаемые и генетика

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

На небольших скалистых островках Новой Зеландии живет удивительная трехглазая ящерица, или туатара, — самое древнее на Земле сухопутное позвоночное, родная «тетушка» динозавров. Динозавры давно уже вымерли, а туатары, которые появились раньше их, еще живут. Другое, еще более древнее существо — мечехвост, полурак-полускорпион, и сейчас благополучно ползает по дну океана у берегов Индонезии, Китая, Карибского моря. Четыреста миллионов лет назад на суше жили только скорпионы. В море тоже «скорпионов» было немало. Большие, иные метра два длиной, бронированные чудовища — ракоскорпионы. Их потомки, мечехвосты, дожили до наших дней и почти не изменились. Местами мечехвостов так много, что их ловят сетями, сушат, толкут и вывозят на поля как удобрения.

По соседству с мечехвостами по волнам Тихого океана плавают похожие на сторуких улиток наутилусы — прародители осьминогов и каракатиц. Переживших свою эпоху животных, таких, как гаттерия, мечехвост и наутилус, ученые называют реликтовыми видами, а люди, склонные к метафорам, — живыми ископаемыми.

Но чтобы увидеть живых ископаемых, так сказать, в натуре, совсем не обязательно путешествовать далеко. У порога нашего дома, на чердаке, в погребе сотни живых ископаемых деловито ткут свою паутину. Ведь все пауки — животные древнейшие. За 400 миллионов лет, с тех пор как появились они на Земле, восьмирукие ткачи почти не изменились.

Часто думают, что живые ископаемые уцелели лишь в небольшом числе и близки к вымиранию, потому что плохо переносят современные условия жизни. Это правило, может быть, и верно по отношению к некоторым из них, но не ко всем. Каждый день миллионы людей моются, например, скелетом живого ископаемого, которое и не думает вымирать. Живет в море всюду. Это губка — причудливое создание, самое древнее из древних многоклеточных животных. Еще миллиард лет назад жила она в океанах.

Живые ископаемые — почти всегда обитатели уединенных островов, плоскогорий, пустынь, озер, морей, так или иначе отрезанных от мира небольших районов. Обычно условия жизни в местах их обитания за миллионы лет почти не изменились. В этом и секрет удивительного консерватизма реликтовых животных. Раз не менялись внешние условия, следовательно, и не было причин приспосабливаться, приобретать новые привычки и органы.

Но мы знаем, что сотни видов других животных, которые жили бок о бок с живыми ископаемыми в тех же, по существу, относительно постоянных условиях, за миллионы лет своей эволюционной истории сильно изменились. Так сильно, что теперь совсем не похожи на своих древних предков, что общего, например, между маленьким эогиппусом, ростом с лису и похожим на тапира древним зверем, и его потомком — современной лошадью? Близкие родичи той же гаттерии за двести миллионов лет, пока она прозябала в своем однообразии, неузнаваемо изменяясь, произвели на свет и гигантов динозавров, и черепах, и змей, и птиц, и зверей.

В чем дело? Почему одни животные так консервативны, что веками сохраняют свой облик и инстинкты, а другие легко теряют их в перипетиях эволюции, образуя все новые и новые формы, виды и разновидности? Одни миллионами лет попирают землю ногами своих однообразных потомков, другие совершенно исчезают с лица Земли.

Для объяснения этой загадки в разное время было придумано много всевозможных и часто фантастических гипотез. Вот одна из них.

Возможно, все дело в наследственности. Законы ее у всего живого на Земле одинаковые, но свойства вещества, определяющего наследственные задатки, разные: у одних гены более устойчивые, у других менее.

Каждый вид животных, как бы тщательно просеянный через сито естественного отбора, оставившего ему лишь наиболее подходящие для жизни качества, за миллионы лет своей эволюции отлично приспосабливается ко всему, что его окружает. Ну и хорошо: казалось бы, жить бы ему теперь да жить, ни о чем не тужить. Но есть две естественные и неизбежные причины, которые постоянно стремятся разрушить благоденствие.

Во-первых, условия жизни все время меняются. Во-вторых, с каждым поколением постоянно меняется и наследственность. Так что изо дня в день, из века в век в самих организмах идет тайная работа стихийных сил, меняющая наследственность. Поэтому даже если окружающий мир и не изменился, природные свойства организмов перестают со временем ему соответствовать, как соответствовали раньше, и естественный отбор своим авторитетным вмешательством должен снова и снова исправлять неполадки, отбирать, сортировать, уничтожать негодных.

В ядрах клеток животных и растений в особых микроскопических нитях — хромосомах, как печенье в пакетах, плотно упакованы гены — небольшие группы атомов, которые управляют развитием из семени или яйца всего живого на Земле. План строения организма, цвет каждого его волосика и чешуйки, форма каждого лепестка и каждое инстинктивное движение психики закодированы тайнописью химических радикалов в молекулах. Наследственную информацию, записанную языком химии в генных структурах, они проносят через тысячелетия.

Гены очень малы: в человеке, например, во всех клеточках его тела (а их 60 триллионов!) генов не больше, чем молекул в двух с половиной кубических сантиметрах воздуха. Из-за малых размеров своих они с трудом противостоят тепловым ударам атомов. Действуют на них и космические, ультрафиолетовые и рентгеновы лучи, некоторые вещества, например иприт, перекись водорода, кумарин. Высокая температура тоже нарушает нормальную структуру генов. После этих нарушений возникают так называемые мутации, то есть внезапные изменения наследственности.

У одних животных и растений мутации появляются чаще, у других реже. Зависит это и от условий, в которых они живут, и, конечно, от свойств их наследственного вещества. У плодовой мухи дрозофилы, например, каждый ген, мутируя, изменяется приблизительно один раз в 40 тысяч лет. Но так как генов очень много, то получается, что каждый двадцатый ее потомок несет в своей наследственности хотя бы один изменившийся ген. Примерно такая же частота мутации, по-видимому, и у человека. Вдвое выше она у всем известного полевого цветка — львиного зева. А вот у ячменя, пшеницы и овса мутации очень редки.

Некоторые ученые доказывают, что у древних животных, доживших до наших дней без особых изменений, и у животных, чей эволюционный путь еще молод, наследственное вещество отличается некоторыми деталями своего строения. Русский биолог Б. Медников, например, установил, что у таракнов, поденок, стрекоз, которые появились на Земле 300 миллионов лет назад, больше в РНК гуанина и цитозина, а у мух, комаров и слепней (их эволюционный возраст не превышает 100 миллионов лет) — аденина и урацила. А известно, что наследственное вещество, в котором преобладают гуанин и цитозин, более стойко переносит повышение температуры и другие «неприятности». Значит, у древних животных оно более устойчиво и с меньшей легкостью изменяется под ударами разнородных стихий.

Естественно, что и мутаций в их клетках меньше, а потому такие животные лучше сохраняют от поколения к поколению свои старые признаки. А теперь представьте, что условия жизни на Земле быстро изменились. Что произойдет с животными?

Очевидно, те, у которых мутации редки, получат меньше шансов выжить, чем виды с большой изменчивостью. Первые, скорее всего, вымрут. Среди потомков вторых, наверное, найдутся такие мутанты, которым нетрудно будет приспособиться к новым условиям. Эти «выродки» с точки зрения нормы прежнего вида и дадут начало поколениям молодых разновидностей, которые выживут в новых условиях борьбы за существование и с веками произведут новый вид животных.

Нелегкую задачу задали ученым своим внезапным, как взрыв динамита, исчезновением мамонты и динозавры. Много было придумано разных гипотез, чтобы как-то понять и объяснить их дружное вымирание. Некоторые полагали, что динозавры — вегетарианцы. Гигантские (и маленькие!) ящеры, заполонившие всю нашу планету 100—150 миллионов лет назад, съели всюду хвощи, папоротники и другие древние растения, которыми они питались. Есть им стало больше нечего, и от голода они начали вымирать. А потом погибли будто бы и хищные динозавры, которые питались вегетарианцами.

Другие думают, что, может быть, взрыв сверхновой звезды или другие какие-нибудь космические явления погубили ящеров. Третьи обвиняют маленьких насекомоядных зверьков, родившихся в ту эпоху и пожиравших, надо полагать, немало динозавровых яиц.

Возможно, все это было на самом деле и ускорило вымирание ящеров, но главная причина их массовой гибели, наверное, все-таки не в этом. Скорее всего, произошли какие-то вредные изменения в самой наследственности динозавров. Ведь мутации с определенной частотой шаг за шагом изменяли и их наследственность. А многие из мутаций очень опасны, летальны, как говорят, генетики. Появившись у потомков, они быстро их губят (часто еще в зародыше), если сразу проявляют свое зловредное действие. Но многие его сразу не проявляют, потому что рецессивны, то есть до поры до времени скрыты в хромосомах, подавленные действием более сильных нормальных генов. Но как только одинаковые рецессивные гены-мутанты попадут к какому-нибудь потомку одновременно от двух родителей (то есть, говоря языком генетики, станут гомозиготными), они тут же обнаруживают дурной нрав, извращая на свой лад развитие и обмен веществ несчастного существа, получившего их в дар ко дню рождения.

Значит, так: наследственность каждого вида и каждого существа в отдельности несет в себе тайный груз до времени безвредных, но потенциально очень опасных рецессивных генов. А хромосомы иных видов буквально перегружены ими.

Если у каких-нибудь процветающих животных мало врагов в природе (как было, например, у динозавров), в их наследственности накапливается много вредных генов, так как естественный отбор в лице хищников, пожирающих, как теперь установлено, в первую очередь больных и ненормальных животных, не выметает сразу из жизни все мелкие недостатки, вызванные прямо или косвенно этими генами. И тогда при размножении чаще случаются встречи двух однотипных рецессивных генов в наследственности потомков. Наконец, многие из них так часто станут соединяться в гомозиготном сочетании, что почти каждый детеныш будет рождаться бесплодным, уродливым, так или иначе нежизнеспособным. Тут и наступит роковое и неизбежное вымирание даже в условиях, вполне благоприятных для гибнущего вида.

Такое несчастье, по-видимому, и случилось с динозаврами и другими животными, внезапно и бесследно исчезнувшими.

Автор: Игорь Акимушкин.