Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира

Научный редактор Сергей Ястребов

Редактор Анна Щелкунова

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Корректоры М. Миловидова, О. Петрова

Компьютерная верстка А. Фоминов

© Винарский М., 2020

© Бондаренко А., художественное оформление, макет, 2021

© ООО “Альпина нон-фикшн”, 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

“Ах, как много на свете кошек…”

Вместо предисловия

…И не только кошек, но и крокодилов, улиток, стрекоз, ленточных червей, медуз и широконосых обезьян. Есенин прав: “Нам с тобой их не счесть никогда”. Давно канули в прошлое те времена, когда один человек, даже такой гениальный, как Аристотель или Линней, мог охватить своим пытливым умом все известные науке виды животных, населяющих Землю. Сегодня ни один специалист не знает, сколько всего видов представлено в фауне нашей планеты. Известно только, что счет должен вестись на миллионы и что из этих миллионов немалая часть до сих пор остается неизвестной науке. Открыть и описать эти виды, а также расположить их в определенном порядке, известном как система животного мира, – вот цель, которую научная зоология преследует уже более двух с половиной веков. Преследует, но никак не может достичь… Разнообразие современных животных поистине фантастично, а если добавить к нему всех вымерших существ, то задача полного описания всего животного царства может потребовать еще несколько веков интенсивных исследований.

Описание и систематизация видов животных – задача важная, но не единственная. В современной науке общепринято, что все они, от губок до человекообразных обезьян, происходят от единого предка, существовавшего так умопомрачительно давно, что приходится только гадать о том, как он выглядел и какой образ жизни вел. Понятие о генеалогии животного мира, о том, что все его представители в той или иной степени родственны друг другу, появилось относительно недавно. Окончательно эта концепция утвердилась только во второй половине позапрошлого века трудами Чарльза Дарвина и его единомышленников. Великая идея всеобщего родства вдохновляла и продолжает вдохновлять ученых на реконструкцию родословной всех существующих на Земле организмов. Эта родословная еще не выяснена во всех деталях, хотя за полтораста лет, минувших с начала “дарвиновской революции”, наши знания о живой природе, о том, как она устроена и как развивается во времени, увеличились многократно. Но и до сих пор остается много неясного и нерешенного. В обозримом будущем филогенетики – специалисты, занимающиеся изучением родственных связей между животными, – без работы точно не останутся. С каждым годом они становятся все ближе к своей цели, но грандиозность замысла такова, что я не рискну делать прогнозы, когда же наконец они до этой цели доберутся. Вот почему в подзаголовке к названию этой книги значится: в поисках родословной животного мира. Поиски не окончены, они продолжаются прямо сейчас, пока я пишу это предисловие, и будут продолжаться еще долго после того, как вы перевернете последнюю страницу. Это настолько динамичная область знаний, что в ней буквально каждый день что-нибудь происходит. Я совсем не удивлюсь, если какие-то сведения, описанные в рукописи этой книги, успеют устареть за то время, пока ее будут редактировать и печатать.

В этой книге я хотел обрисовать – по необходимости очень широкими мазками – историю возникновения и эволюции многоклеточных животных, к которым мы, люди, тоже имеем честь принадлежать на правах довольно необычного, но вовсе не “исключительного” вида. Homo sapiens возник как одна из небольших ветвей великого Древа жизни, и формирование этого вида происходило в соответствии с общими эволюционными принципами. Об этом мы тоже поговорим, только в самом конце. Чтобы добраться туда, нам предстоит проделать протяженный путь длиною в четыре миллиарда лет. Он начнется в водах первобытного океана, где не встретить никаких других обитателей, кроме невидимых глазу одноклеточных микробов, а закончится на привычной нашему взору современной Земле, все уголки которой заселены разнообразнейшими живыми существами, большими и малыми.

Мы поговорим не только о том, кто от кого произошел, когда и как это случилось. Особая тема для разговора – каким образом биологам удается выявить родственные отношения между животными и восстановить пути их эволюции. Многие эволюционные события, о которых я планирую рассказать, произошли очень давно, а их действующие лица не оставили никаких материальных следов своего существования. Современные научные методы позволяют делать вполне обоснованные догадки о том, что случилось в прошлом, выдвигать и тестировать научные гипотезы, но все равно какая-то часть наших знаний основана на предположениях и интерпретациях. Это свойственно вообще всем наукам, в том числе и гуманитарным, изучающим дела давно минувших дней. В области эволюционной биологии не так много вопросов, по которым было бы достигнуто единодушное согласие специалистов. Даже такие относительно частные (на общем эволюционном фоне, конечно) события, как возникновение челюстей у позвоночных или происхождение насекомых, имеют не одно, а несколько альтернативных объяснений, вокруг которых десятилетиями ведутся споры. Нечего и говорить о таких фундаментальных вещах, как происхождение жизни на Земле, эволюция эукариотной клетки, становление сознания и речи у гоминид. В этих областях конкурирующие гипотезы и концепции исчисляются десятками, и, похоже, каждое новое поколение исследователей стремится дать свой собственный ответ на эти “вечные” вопросы.

Для тех, кто привык к невозмутимому спокойствию священных книг, где все зафиксировано раз и навсегда и никакие научные открытия не заставят изменить в них ни слова, ни даже запятой, такой способ познания может выглядеть прямо-таки несолидным. Что это за “истина”, которая постоянно меняется, хотя бы и в деталях? И отчего эти недотепы-ученые все время яростно спорят между собой? Но для естествознания, в котором истина не дана в виде откровения свыше, бесконечные ее поиски являются нормальным состоянием. Происходит это не из-за присущей ученым любви к спорам и препирательствам, а потому, что описательные и экспериментальные науки – палеонтология, эмбриология, молекулярная генетика – что ни год подкидывают им новую пищу для ума. Еще одно “самое древнее” позвоночное, еще одно неожиданное родство, выявленное с помощью генетики, еще один вымерший предок человека… Новые открытия заставляют пересмотреть сложившиеся представления, поменять классификационные схемы, написать еще десятки полемических статей и книг. Не забудем про технический прогресс, постоянно вооружающий естествоиспытателей мощными научными инструментами, которые дают возможность заглядывать все дальше в космос и все глубже внутрь живой клетки. Инновации приводят к новому взгляду на привычные вещи, и беличье колесо науки продолжает бешено наматывать свои круги. Аналогия, впрочем, не самая блестящая, потому что даже самая быстроходная белка обречена остаться на месте, а наука все-таки продвигается вперед в своем познании природы, хотя происходит это очень нелинейно, непоступательно. Вот почему многие из историй, рассказанные в этой книге, – это истории с открытым финалом. Вместо хеппи-энда, за которым следуют свадьба, долгая счастливая жизнь и пышные похороны, мне придется развести руками и сказать: этого мы еще не знаем или не понимаем, а для ответа на этот вопрос у нас пока недостаточно фактов. Или: мы знаем, что нечто произошло в отдаленном прошлом, но не знаем, когда и как именно. Вернее, у нас есть множество догадок на сей счет, но сделать окончательный выбор между ними пока невозможно. Будем работать дальше, “подсчет кошек” далеко не окончен.

Можно выразиться и так: в науке истина – это не состояние, а процесс. Процесс бесконечного движения к цели, асимптота познания, двигаясь вдоль которой исследователи становятся (хочется в это верить) все проницательнее и осведомленнее. Научная картина мира, в том числе ее биологическая часть, состоит не только из гипотез и спорных утверждений. Многие факты и концепции обоснованы настолько хорошо, что едва ли в будущем они будут признаны ошибочными. Возраст Земли, исчисляемый несколькими миллиардами лет, молекулярные основы наследственности, происхождение наземных позвоночных от лопастеперых рыб, а современных птиц – от динозавров… Можно до хрипоты спорить о деталях антропогенеза, о том, когда и чья прапрапра…прабабушка “согрешила” с неандертальцем, но сам факт эволюционного происхождения Homo sapiens и его теснейшего родства с остальным животным миром незыблем. “Упрямые Галилеи” от биологии не зря прожили свои жизни.

Эта книга не только о животных, но и о людях, их изучающих. О тех, кто пришел к великой идее эволюционного родства всего живого, и о тех, кто догадался, как это родство можно выявить и восстановить. О творцах и провидцах, о баловнях судьбы и неудачниках, о шумных пропагандистах и о тихих кабинетных ученых. О мужчинах и женщинах, о шведах и русских, о тех, чьи имена известны всем (Чарльз Дарвин), почти всем (Грегор Мендель, Карл Линней) или только узким специалистам (Вилли Хенниг, Константин Мережковский). Лично для меня люди, делавшие науку в прошлом, их биографии и их мнения, даже ошибочные, не менее интересны, чем наука сама по себе. Мои собственные профессиональные занятия зоологией беспозвоночных постепенно подвели меня к изучению ее истории, вызвали желание разобраться, почему сегодняшние исследователи работают именно так, а не иначе, и чем они обязаны своим предшественникам. Я решил отказаться от привычного, используемого во многих популяризаторских книгах подхода, когда автор сначала излагает историю развития какой-нибудь идеи, с цитатами из старинных книг и анекдотами, а потом рассказывает о ее современном состоянии. Здесь история и современность перемешаны. Почти в каждой главе я буду совершать небольшие экскурсы в историю биологии, делая это всякий раз, когда покажется уместным. Не удивляйтесь.

И еще одно важное предуведомление. “Евангелие от LUCА” состоит из 11 сравнительно коротких глав. Тема каждой из них могла бы лечь в основу самостоятельной книги такого же объема, как эта. Вот почему мне постоянно приходилось сдерживать себя и бороться с искушением упомянуть еще одну замечательную гипотезу или еще одно “совершенно уникальное” ископаемое. Или рассказать о еще одном забавном происшествии из жизни Жоржа Кювье. Как говорил Козьма Прутков, “никто не обнимет необъятного”, и я мог сознательно или бессознательно упустить определенные важные детали, что в глазах читателя из числа профессиональных ученых может показаться непростительной оплошностью. Я не хочу повторять ритуальную фразу о том, что “буду рад” получить указания на собственные ошибки или погрешности. Вряд ли есть люди, испытывающие искреннюю радость от этого. Но любая критика, высказанная по существу и со знанием дела, будет воспринята мной с признательностью, тем более что я не могу назвать себя узким специалистом по многим вопросам, которые пришлось затронуть в этой книге. Это неизбежно в условиях современной науки, где каждый ее работник является экспертом лишь в очень ограниченном круге вопросов (к примеру, моя профессиональная “епархия” – это изучение моллюсков, и не всех, а только пресноводных, и не во всех мыслимых аспектах, а преимущественно их систематики, экологии и географического распространения). Так что мне не избежать использования хотя бы одной сакраментальной фразы из тех, что принято помещать в предисловия. А именно: замысел книги я раскрыл, но насколько удачно с этим справился – судить читателю.

Кстати, о замыслах. Идея написать нечто подобное возникла у меня много лет назад, когда я преподавал в одном из сибирских университетов и по долгу службы должен был читать курс лекций по дисциплине “Концепции современного естествознания”. Нечто вроде краткого введения в современную научную картину мира в восьми главах с прологом и эпилогом (то есть зачетом, реже экзаменом). Курс читался студентам всех специальностей, даже будущим филологам, технологам и художникам. Мне приходилось проявлять чудеса изобретательности, чтобы без формул и заумных терминов донести содержание биологических концепций аудитории, сплошь состоящей из гуманитариев. И делать это сравнительно “легким штилем”, чтобы мухи не дохли на лету (от скуки). Именно из тех времен идет часть примеров и аналогий, которые я использовал при написании этой книги.

Тому, чтобы замысел воплотился в реальность, очень способствовало издательство “Альпина нон-фикшн”, предложившее мне издать “Евангелие от LUCА”. Я рад такой возможности, хотя для меня это не только честь, но и ответственность. Это издательство выпускает в свет лучшие научно-популярные книги отечественных и зарубежных авторов и тем самым задает очень высокую планку для потенциальных авторов. Я приложил все усилия, чтобы дотянуть хотя бы до середины этой планки.

Мне хочется выразить благодарность Санкт-Петербургскому государственному университету, предоставившему мне возможность спокойной творческой работы, а также Российскому научному фонду и Российскому фонду фундаментальных исследований. Две последние организации финансировали мои научные исследования, а не написание этой книги, но именно благодаря их поддержке (как и поддержке Санкт-Петербургского университета) я имею возможность посвящать свой досуг популяризации научных знаний.

Я очень признателен многим людям, с которыми меня свела судьба на ученом поприще и в общении с которыми я сформировался как исследователь. Не будь их, мне не пришлось бы написать эту книгу. Это и мои университетские учителя, и коллеги, с которыми я вел многочисленные дискуссии “за науку”, причем иногда в самых неожиданных местах, вроде палатки, затерянной в гренландской тундре, или бунгало на берегу Белого Нила. Всех назвать нельзя, но не могу не упомянуть своих наставников, профессоров Светлану Иосифовну и Николая Игоревича Андреевых (Омск), а также Виталия Анистратенко (Киев), Ивана Болотова (Архангельск), Максима Гребенникова (Екатеринбург), Александра Махрова (Москва), Ивана Нехаева (Санкт-Петербург), Дмитрия Палатова (Москва), Анастасию (Асю) Федотову (Санкт-Петербург). Все они определенным, хотя и непрямым, образом способствовали тому, чтобы эта книга была написана. Никто из них, конечно, не несет ответственности за любые ошибки и неточности в тексте. С чувством огромного уважения я вспоминаю ученых старшего поколения, с которыми имел счастье быть знаком и испытал влияние как их личных качеств, так и созданных ими научных трудов. Это Эдуард Израилевич Колчинский, Петр Владимирович Матекин, Ярослав Игоревич Старобогатов, Игорь Моисеевич Хохуткин.

Большое спасибо научному редактору этой книги, Сергею Ястребову, который внимательно прочитал исходный текст и внес немало предложений, направленных на то, чтобы сделать его более читабельным и точным. Также он указал мне на различные оплошности и двусмысленности в тексте, особенно в вопросах, касающихся эволюции и эмбриологии позвоночных животных (хотя далеко не только в них). Палеонтолог Андрей Журавлев, любезно согласившийся прочитать рукопись, тоже выловил несколько досадных ляпов, преимущественно относящихся к вопросам палеобиологии, за что я ему весьма признателен.

Немало труда в подготовку рукописи к изданию вложила литературный редактор Анна Щелкунова, которую я также должен поблагодарить. Большое спасибо руководителю проектов издательства “Альпина нон-фикшн” Александре Шуваловой, координировавшей всю работу по редактированию текста и верстке книги.

И еще одно слово благодарности – создателям и кураторам замечательных электронных библиотек, благодаря которым современный зоолог имеет свободный доступ буквально к сотням тысяч томов научной литературы, изданных за последние 200–300 лет. В мировом масштабе главнейшей из таких библиотек является Biodiversity Heritage Library (https://www.biodiversitylibrary.org/). Электронные версии русскоязычных книг по эволюции, зоологии, ботанике и истории биологии прилежно собирает Алексей Шипунов, создатель онлайн-библиотеки “Флора и фауна” (http://ashipunov.me/shipunov/school/sch-ru.htm). Но даже в условиях этого виртуального книжного изобилия не теряют своей значимости и классические “бумажные” библиотеки. Я признателен сотрудникам библиотеки Зоологического института РАН (г. Санкт-Петербург) и научной библиотеки им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета. Их самоотверженный труд бесценен. Спасибо им.

1. У начала начал

Когда вверху не названо небо,

А суша внизу была безымянна,

Апсу первородный, всесотворитель,

Праматерь Тиамат, что все породила,

Воды свои воедино мешали.

Тростниковых загонов тогда еще не было,

Тростниковых зарослей видно не было.

Когда из богов никого еще не было,

Ничто не названо, судьбой не отмечено, Тогда в недрах зародились боги…

Кто такой или что такое LUCA? Это не человек, не персонаж фантастического романа, не марка человекоподобного робота и уж, конечно, не автор третьего новозаветного Евангелия. LUCA (Last Universal Common Ancestor) – последний, то есть самый близкий к нам по времени, универсальный общий предок, существо, от которого происходят все ныне живущие и подавляющее большинство вымерших организмов, в том числе бактерии, растения, грибы и, разумеется, животные, а значит, и мы с вами. LUCA примечателен тем, что его никто никогда не видел и, скажем откровенно, никогда не увидит. В отличие от мамонтов, аммонитов и тираннозавров, оставивших вполне материальные доказательства своего пребывания на бренной земле в виде окаменелых костей, раковин или зубов, от LUCА в геологической летописи, записанной в слоях осадочных горных пород, не сохранилось решительно ничего, и нет ни малейшей надежды когда-нибудь в будущем натолкнуться на его останки. Однако было бы большой ошибкой ставить его в один ряд с такими замечательными созданиями, как гиппогрифы, мантихоры, псоглавцы и сциаподы, порожденными буйной фантазией Античности и Средневековья. Биологи нимало не сомневаются, что в далеком прошлом нашей планеты LUCA действительно обитал в теплом первобытном океане. Место ему не в “Энциклопедии вымышленных существ”, а в самых что ни на есть серьезных и фундаментальных научных трудах, повествующих об эволюции Земли и развитии жизни на ней. Более того, современные ученые могут высказывать вполне обоснованные догадки об образе жизни, который вел LUCA, и устройстве его организма. И эти догадки не так фантастичны и спекулятивны, как может показаться человеку, далекому от науки. Их нельзя сравнивать с мыслительными упражнениями философов острова Лапуты, над которыми некогда потешался Джонатан Свифт. Именно с LUCА начинается более или менее достоверно известная нам история эволюции жизни на Земле, одним из последних “плодов” которой (но ни в коем случае не “венцом”, как можно прочитать в некоторых научно-популярных изданиях) стал появившийся в определенном месте и в определенное время новый вид животных, позднее назвавший себя Homo sapiens.

Мало кто знает что-нибудь определенное про своего прапра- (20 раз “пра-”) -дедушку. Где и когда он жил? Как его звали? Как он добывал себе хлеб насущный? Если вы не особа королевских кровей и не породистый скакун, родословная которого занесена в племенную книгу, вряд ли получится ответить на подобные вопросы. Частная жизнь наших пращуров скрыта плотным покровом неизвестности. Но то, что они были, доказывает сам факт нашего существования. Поразмыслив, можно высказать определенные предположения о нашем прапрапрапредке. Например, мы можем уверенно сказать, что он прожил достаточно долго, чтобы достичь половой зрелости и оставить после себя хотя бы одного потомка.

Точно так же и внимательный взгляд на прошлое Земли, на родословную животных, растений, грибов и микроорганизмов неизбежно приводит нас к мысли, что все это многообразие живых существ, больших и малых, восходит к единому предку, который жил очень давно, совсем близко по времени к началу начал эволюционной истории. Важнейшее доказательство этого состоит в том, что все известные нам живые организмы используют практически одинаковый механизм кодирования и декодирования наследственной информации. Данные об устройстве того или иного организма хранятся в зашифрованном виде в информационных макромолекулах (ДНК, РНК), затем считываются особыми клеточными органеллами (рибосомами), и на основе считанной информации происходит синтез белков. Эта картина в общих чертах верна для всех видов, населяющих биосферу, хотя детали генетического кода, используемого для шифрования наследственной информации, могут немного различаться. Считается, что сходство генетических аппаратов у столь несхожих между собой существ, как, например, кишечная палочка, рододендрон и тигровая креветка, не может быть делом случая. Правдоподобнее всего объяснять его единством происхождения всех организмов от какого-то первопредка, чей генетический механизм они унаследовали.

Соблазнительно думать, что самое первое живое существо, возникшее на нашей голубой планете, и было искомым универсальным предком, то есть LUCА. Однако это представляется маловероятным.

Хотя происхождение жизни на Земле не является темой этой книги и наша история начинается с LUCА[1], совсем обойти эту проблему нельзя. Поговорим о ней прямо сейчас, чтобы потом уже к ней не возвращаться.

Как в точности возникла жизнь на Земле, знают только авторы священных книг и школьных учебников. По крайней мере, в моем школьном учебнике общей биологии, изданном в начале 1990-х гг., говорилось, что живые существа возникли таким-то и таким-то путем и были устроены так-то и так-то. Может, в нынешних учебниках эта безапелляционность уже исчезла. Серьезные исследователи знают, что этот вопрос еще весьма далек от своего разрешения, и, не имея окончательного и общепринятого ответа, мы вынуждены рассматривать несколько гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Не думаю, что хоть один из ныне живущих биологов отважится утверждать, что он определенно знает, что и как произошло в самом начале начал… Неспроста Н. В. Тимофеев-Ресовский, один из крупнейших генетиков прошлого века, на вопрос о том, как возникла жизнь на Земле, шутливо отвечал: я тогда маленький был, ничего не помню[2]. Несмотря на тонны бумаги и гигабайты информации, затраченные на дискуссии, загадка происхождения жизни до сих пор представляет собой “тайное тайных” научной картины мира.

Дело не столько в том, что важнейшее это событие случилось невероятно давно, более 4 млрд лет назад, и в каменной летописи нашей планеты никак не задокументировано. Давайте подумаем вот о чем. Естественные науки, такие как физика, химия или биология, “заточены” на изучение множества однородных объектов или событий, повторяемость которых позволяет отыскать какие-то общие закономерности в их наблюдаемом великом многообразии. Яблоко, в один прекрасный день упавшее на голову Исаака Ньютона, было только стимулом, толчком к размышлению, но законы тяготения не были бы открыты, если бы Ньютон не наблюдал до этого множества других падений – яблок с деревьев, черепицы с крыш, посуды со стола в собственном доме. Иоганн Вольфганг Гёте, исследуя строение множества видов растений – тополя, земляники, чертополоха, лилии, – пришел к мысли о существовании прарастения (Urpflanze), своеобразного идеального прототипа, признаки которого, изменившиеся в ходе множественных превращений, могут быть обнаружены в строении современных растений.