История зрения: путь от светочувствительности до глаза

Естественный отбор

В результате естественного отбора чаще выживают те, кто максимально адаптирован к окружающей среде. Термин популяризовал Чарльз Дарвин, сравнивая этот процесс с искусственным отбором, современная форма которого – селекция. Идея сравнения искусственного и естественного отбора состоит в том, что в природе тоже происходит отбор наиболее удачных, лучших организмов, но в роли оценщика полезности свойств выступает не человек, а среда обитания. Материалом как для естественного, так и для искусственного отбора служат небольшие наследственные изменения, накапливающиеся из поколения в поколение.

Доводы креационистов эмоциональны. Вероятно, креационизм и религия дают человеку смысл существования, чем и притягательны, а также возможность воспринимать свою жизнь как проявление какой-то цели и предназначения. Увы, вынужден разочаровать: наше существование – лишь следствие бесцельного развития живого мира под влиянием естественного отбора. Бессмертные репликанты-ДНК путешествуют во времени, а мы – лишь машины для их выживания. Но раз уж нам дан интеллект, никто не мешает самим устанавливать смысл и цели своего присутствия на Земле. Например, изучать природу и побуждать к тому же других путем написания книг.

Естественный отбор слеп, глуп и безэмоционален. Каскады химических реакций, идущих тем путем, что и вся система, сохранились, остальные – миллионы неудачных – канули в Лету. Они прервались, не произошли, не стали началом каскада превращений, который длится миллиарды лет. Все это время жизнь на планете Земля продолжается, постоянно проходя через сито изменяющихся условий существования. Ричард Докинз [2] называл естественный отбор слепым часовщиком (так называется его книга Blind Watchmaker), имея в виду, что он слепо и без эмоций создает шедевр, просто отсеивая все несовершенное. Это ответ на известную «Аналогию часовщика». Часы не могут возникать постепенно, шестеренка за шестеренкой, из-за случайных изменений. У них есть конкретный создатель. Правда, это не дядька с бородой на облаках, а слепой часовщик – естественный отбор.

2

Клинтон Ричард Докинз (род. 26 марта 1941 года) – английский этолог, эволюционный биолог, ученый и популяризатор науки. Стал известен в 1976 году, когда вышла в свет его книга «Эгоистичный ген», в которой обосновывается геноцентричный взгляд на эволюцию.

Рис. 1. Старинный часовой механизм

Слепой часовщик – это еще один ответ концепции неупрощаемой сложности. Часы – очень сложный механизм, они не могут возникнуть из-за случайных изменений. Однако в правильной дискуссии аналогия не может быть средством аргументации. Последовательные изменения и адаптация могут приводить к развитию очень сложных органов у животных, и глаз – яркий тому пример.

Надо сказать, что естественный отбор – не одно из равнозначных мнений о причине многообразия жизни на Земле наряду с креационизмом, а современное научное представление о таком многообразии. Естественный отбор – это не что-то, похожее на взрыв в типографии, в результате которого случайно набирается несколько томов «Войны и мира» (именно такой пример я слышал от креационистов); в нем нет случайного создания глаза, есть сито, позволяющее выжить тем, кто лучше других и чья случайность оказалась более удачной.

Зрение тоже произошло в результате естественного отбора, так возник и наш глаз, и совершенно непохожие на него прекрасные глаза других живых существ.

Рис. 2. Строение глаза

Мы не видим так, как другие живые организмы. Многие из них видят глазами, но при этом не осознают увиденный мир. Позже мы разберемся, что мы и сами-то неодинаковы. Все многообразие вариантов зрения повторяет многообразие жизни на Земле, появившееся благодаря биологической эволюции.

В этой книге я не буду углубляться в вопросы эволюции и доказывать то, что она есть, мысленно споря с креационистами. После Ричарда Докинза это вообще очень сложно сделать. Однако если для вас эти вопросы еще не решены окончательно, рекомендую обратиться к его книгам. В то же время мы будем постоянно вспоминать вопросы эволюции, разбирая различные аспекты, связанные с физиологией зрения. В любом случае будем опираться уже на биологическую эволюцию как на очевидный факт.

Случайность – фактор, предлагающий новые варианты. В плане эволюции – это случайное изменение в генетическом коде, которое может передаваться следующему поколению. В медицине такие случайности называют мутацией de novo [3] – то есть изменением в генетическом коде, возникшим вместе с организмом, причем изменение это не унаследовано от родителей. Мутация de novo только появилась, но в дальнейшем имеет шанс передаваться следующим поколениям.

3

Вновь, с самого начала.

Хорошее встречается и закрепляется

Бывала ли в вашей жизни абсолютно случайная ситуация, которая как-то помогла? Редко, но такое происходит. В большинстве случаев неожиданности нарушают привычный порядок вещей и приносят дискомфорт. Авария в метро, когда вы спешите на работу, протечка крана, пробки на дорогах. Неприятные случайности – как мутации, случайные изменения в геноме – редко приводят к удачным изменениям, которые бы повысили вероятность того, что организм будет более совершенным, и увеличат вероятность его выживания, а следовательно у него будет возможность оставить потомство. В лучшем случае новые мутации не скажутся никак, в худшем – проявятся наследственным заболеванием. Но бывает и так, что случайность ведет к положительным моментам: вы застряли в лифте и завели нужный деловой контакт. Если такая случайность меняет ген и помогает размножиться, то это изменение закрепится.

Приведу пример. Предки млекопитающих обладали четырехкомпонентным зрением, то есть имели четыре типа колбочек, позволяющих отлично различать цвета. Тип колбочек зависит от типа фоторецепторного белка, опсина, который они содержат.

Четыре типа опсина появляются в колбочках потому, что есть гены, несущие информацию об их строении. Первые млекопитающие вели ночной образ жизни, в результате чего потеряли гены двух опсинов, и теперь большинство млекопитающих имеют двухкомпонентное цветовое зрение (бихроматы). В какой момент и почему это произошло? Кому мешало тетрахроматическое зрение, и зачем от него избавляться? Почему бы не оставить его на всякий случай? Вдруг пригодится когда-нибудь. Если у живого организма имеется четыре типа колбочек, двумя из которых он никогда не пользуется (или пользуется крайне редко), то два типа колбочек и два гена, кодирующих в них опсины, передающиеся из поколения в поколение, бесполезны. Кому они мешают? Они занимают полезное место на сетчатке. Если присутствуют никогда не работающие фоторецепторы, то плотность работающих будет ниже, следовательно, разрешение видимого изображения – меньше. Если вдруг случится мутация, в результате которой один тип колбочек перестанет функционировать и исчезнет, ее обладатель с большей вероятностью выживет, потому что освободится место для полезных колбочек и соответственно преимущества к выживанию. Переход на дихроматическое зрение оказался критичным для выживания первых млекопитающих. Забегая вперед, скажу, что морские млекопитающие утратили еще один опсин, стали монохроматами (различающими один цвет) – и выиграли.

Вот так, казалось бы, ухудшение функционирования органа по одному параметру дает существенные преимущества в другом. У современного человека потеря цветового зрения называется ахроматопсией: таким людям сложно ориентироваться днем, они не различают цвета. У первых млекопитающих потеря опсинов привела к повышению шансов на выживание.

Я подчеркиваю, что окружающая среда не стимулирует возникновение новых черт у живых организмов, а просто оставляет их живыми. Неудачники исчезли, и мы не видим ни их, ни потомства. Они просто не родились.

Как много времени нужно, чтобы измениться? Совсем чуть-чуть. Сколько нужно времени, чтобы голуби поменяли цвет оперения? Если вы много путешествуете, возможно, заметили, что в разных городах голуби разного цвета, а иногда и размера. Почему? Они такого цвета, какого цвета грунт, характерный для этого города. Это делает их менее заметными для тех, кто может на них напасть. В Москве голуби точно такого цвета, как московский асфальт. А как долго существует асфальт? Совсем недолго, если сравнивать со временем существования жизни на Земле. И если завтра придумают класть белый асфальт, скоро мы увидим белых голубей. Есть работы, показывающие, что избыточная пигментация оперения обусловлена тем, что токсины крови и тяжелые металлы связываются с пигментом, и голуби избавляются от них вместе с перьями. Сколько времени существуют вредные выхлопы? Цвет голубей изменился очень быстро и изменится снова. Почему? Потому что у них, как и у всего животного мира, тяжелая жизнь, и многое важно для ее сохранения.

К чему я это говорю? К тому, что не должно складываться впечатление, что какие-то события в эволюции – явление совсем маловероятное. На примере голубей мы видим изменения, происходящие в очень короткое время – одно-два человеческих поколения. И нет принципиальной разницы, цвет ли это оперения или количество опсинов в колбочках сетчатки. Огромное количество особей и сменяющихся поколений увеличивают вероятность, казалось бы, маловероятных событий.

Еще примеры? Раз уж мы отвлеклись на голубей, пожалуйста. Перьевая вошь живет в их оперении, питается частичками кожи и, собственно, перьями. Учеными найдена ископаемая вошь, жившая 44 млн лет назад с перьями в кишечнике, такая же живет сейчас. Это наводит на мысль, что она уже давно занимается одним и тем же и не собирается меняться глобально. Сара Э. Буш [4] и ее коллеги отловили 96 голубей разных цветов в районе Солт-Лейк-Сити, очистили их от паразитов и заразили другими, после чего дали голубям жить четыре года обычной жизнью. Через какое-то время исследователи заметили, что вши стали менять цвет в зависимости от цвета оперения голубей. Притом это происходило только в тех случаях, если голуби чистили перья. Когда исследователи не давали голубям этого делать, цвет вшей не менялся. Процесс чистки перьев в таком случае был естественным отбором и за четыре года полностью менял цвет популяции вшей, жившей на голубе. Вошь, которая случайным образом оказалась того же цвета, что и оперение голубя, не была вычищена, оставшись незамеченной, и стала прародительницей других вшей. Такая история повторилась на каждом голубе. Эти примеры показывают, что для изменений не надо много времени, многие из них могут произойти на наших глазах.

4

Сара Э. Буш (Sarah E. Bush) – доцент, профессор Университета штата Юта.