Навигация

Зебры против Дарвина

Главная
Об авторе
     Урочное:
Биология + компьютер:
         полные уроки по типам
Компьютерные программы
         на уроках
 Биософт                 Планшет
 Учебные рисунки и
           карикатуры
 Фотографии           Проекты
 Художественная
         литература на уроке
 Наглядные пособия
 Олимпиадное
 Книги и статьи
 ''Биология-10'':
         попытка учебника
 ''Игра и биология''
 ''Информационная
       культура и/или компьютер
       на уроках биологии''
 ИУМК ''Экология.          Конструирование
         биосферы''
 Проектно-ролевая игра
         ''Генная инженерия''
 ''Библейская генетика''
 Рабочие тетради
         по общей биологии
 Педагогическое
 Блог
Одним из важных положений в теории естественного отбора Ч.Дарвина занимает учение о приспособительных окрасках. В свое время, когда теория создавалась и Дарвин полемизировал с Ж.-Б. де Ламарком о механизмах возникновения признаков, защитные окраски служили весомым аргументом в дикуссии. Действительно, объсянить возникновение покровительственной, предостерегающей окраски или мимикрии ламарковским путем упражнения органов и исходя из внутреннего стремления к самоусовершенствованию, нельзя (или очень сложно).

Но далеко не все многообразие окрасок животных может быть объяснено через описанный Дарвином механизм выживания более приспособленного при давлении отбора. Приспособительные окраски (покровительственная, или криптическая, расчленяющая, предостерегающая, угрожающая, разные формы мимикрии) обычно формируются у мелких организмов - насекомых, земноводных, рыб - под прессом хищников, причем высокоорганизованных хищников с хорошим зрением и развитой памятью. Так, у предостерегающей окраски адаптивность основана на том, что хищник, раз попробовав защищенное животное, не только запомнит те неприятные ощущения, которые у него при этом возникли, но и сумеет совместить в памяти эти ощущения с видом неудачного пищевого объекта.

Но можно ли окраску крупных животных - в первую очередь млекопитающих - объяснять тем же механизмом? Представляется, что нет. Каково, например, традиционное "училковское" объяснение полосатой раскраски зебр? Вертикальные полосы по телу - это расчленяющая окраска, и на фоне вертикальных тонких стеблей растений животное незаметно. Оставим в стороне вопрос о том, где в саваннах изобилие тонких стеблей, и посмотрим на зебру. На ногах (и на крупе!) полосы горизонтальные! Более продвинутое пояснение такой окраски связано с коллективной жизнью этих копытных - когда большое стадо быстро передвигается, то границы тела животного не видны, и хищнику трудно направить атаку на конкретный объект (к тому же и в глазах рябит...)

А как же тогда объяснить полосы на шкуре такого "одиночки", как тигр? А пятна на шкуре леопарда? Не случайно Джеймс Д. Марри пишет: "Млекопитающие демонстрируют исключительное разнообразие структур раскраски шкуры. Для этого было предложено много объяснений, но большинство из них настолько же «убедительны», как и чудесная сказка Редьярда Киплинга «Отчего у леопарда пятна на шкуре». Хотя установлено, что гены управляют процессами, протекающими при формировании структуры (узоров) раскраски шкуры, реальные механизмы, которые ее определяют, пока не известны. Как с точки зрения эволюционной биологии, так и с точки зрения биологии развития было бы замечательно, если бы оказалось, что в основе огромного разнообразия раскрасок шкуры у животных, наблюдаемого в природе, лежит единый механизм". Именно такой универсальный механизм и предлагает сам Д.Марри в статье «Отчего у леопарда пятна на шкуре» (В мире науки, 1988, №5, с 46).

Он разработал на основании "машины Тьюринга" простую математическую модель образования по-разному окрашенных участков на шкуре млекопитающих. Модель основана на взаимодействии двух морфогенов, которые  могут реагировать друг с другом и диффундировать через клетки. Если морфогены реагируют и диффундируют определенным образом, то из первоначально однородного распределения в скоплении клеток могут возникнуть пространственные структуры. В РЕАКЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ моделях предполагается, что один из морфогенов является активатором, который заставляет меланоциты производить меланин какого-либо вида, например черного, а другой — ингибитором, дающим команду пигментным клеткам не вырабатывать меланин. "Предположим, - пишет Д.Марри, - что в этих реакциях активатор локально увеличивает свою концентрацию и одновременно производит ингибитор.

Если ингибитор диффундирует быстрее активатора, то образуется «остров» высокой концентрации активатора в области высокой концентрации ингибитора". Для пояснения такого простого механизма автор прибегает к пространной метафоре: "Пусть имеется очень сухой лес, иными словами, есть все условия для лесного пожара. Чтобы свести к минимуму возможный урон, по всему лесу рассредоточены пожарные с противопожарным снаряжением и вертолеты. Теперь представим, что вспыхивает пожар (активатор). От места воспламенения начинает двигаться фронт огня. Первоначально поблизости от места пожара недостаточно пожарных (ингибитора), чтобы погасить огонь. Однако с помощью вертолетов пожарные могут обогнать фронт огня и обработать деревья реактивами, которые не позволят им загореться. Когда огонь достигнет обработанных деревьев, он погаснет. Фронт остановится. Если пожары спонтанно возникают в разных местах леса, то через какое-то время сформируются несколько распространяющихся фронтов огня (волн активации). В свою очередь это заставит пожарных на вертолетах (волны ингибирования) обогнать каждый фронт и остановить его на некотором расстоянии от места воспламенения. Конечным результатом такого сценария будет лес с черными пятнами сгоревших деревьев, перемежающимися с пятнами зеленых нетронутых деревьев.

В принципе полученная картина имитирует результат, даваемый реакционно-диффузионными механизмами, обусловленными диффузией." Таким образом, небольшое количество параметров, а именно: скорости реакций, скорости диффузии реагентов, геометрия и размеры живой ткани - определяют тот или иной тип раскраски шкуры. Важную роль играют размеры зародыша в момент формирования "карты распределения" морфогенов, и форма поверхности. Эта теория хороша тем. что ее предсказания неплохо согласуются с реальностью : посмотрите, например, на предсказанные ею окраски хвостов (которые - прав Иа-Иа - не "просто добавочная порция спины"!), и сравните с приведенными фотографиями.

Для Марри хвост - это сужающийся цилиндр, который просто смоделировать. Результаты такой: если двумерная область, покрытая пятнами, становится достаточно узкой, то пятна постепенно переходят в полосы. Леопард (Panthera pardus), гепард (Acinonyx jubaius) и генета (Genetta genetta) дают хорошие примеры таких структур. Пятна на шкуре у леопарда доходят почти до кончика хвоста. Хвост у гепарда имеет отчетливо выраженные полосатые участки, а у генеты хвост полностью полосатый. Эти наблюдения согласуются с тем, что известно о зародышах этих животных. Хвост у зародыша леопарда резко сужается и сравнительно короткий, поэтому можно ожидать, что на нем могут сохраняться пятна до самого его кончика. Хвост у зародыша генеты соответствует другому крайнему случаю: он имеет почти постоянный, причем довольно малый, диаметр, поэтому на хвосте генеты должны возникать поперечные полосы.

Таким образом, индивидуальные особенности окраски в пределах видового типа рисунка получают простое и красивое объяснение. Теперь можно обсудить вынесенный в заголовок статьи вопрос про том, противоречит ли предложенное объяснение постулатам дарвинизма. Ответ предлагается двухуровневый. Ортодоксально понятной теории Ч. Дарвина предложенный подход противоречит, приближаясь к откровенно антидарвинистской теории автоэволюции формы и функции известного шведского цитогенетика А. Лима-де-Фариа, изложенной в его известной книге "Эволюции без отбора".
 

Приведем некоторые из основных положений этой теории. В соответствии с нею, биологическая эволюция не является что-то особенным и принципиально новым: «Эволюция — процесс, который возникает из организации вещества в энергии. Автоэволюция — это облигатное (обязательное, внутренне обусловленное - О.К.) состояние вещества и энергии, поскольку ее нельзя отделить от их других свойств. … Прежде чем был достигнутый биологический уровень, вещество и энергия претерпели три отдельных и автономных эволюции. Это были: эволюция элементарных частиц, эволюция химических элементов и эволюция минералов.»
Но не следует думать, что автор просто смахнул пыль из извлеченного с библиотечной полки манускрипта XVIII-XIX в. В книге эта позиция довольно неплохо аргументирована, и особенно важным есть вывод, вытекающий из нее: разные этапы эволюции вещества Вселенная – от возникновения первых элементарных частиц в первые пикосекунды после Большого Взрыва к возникновению сложных биосоциальных комплексов (таких, как человечество, предел сложности, по нашими сегодняшними представлениям) - подчиняются строгим правилам закрепления и изменения, заложенным в организации элементарных частиц, химических элементов и минералов. Эти правила придерживаются и на биологическом уровне. Эволюция живых организмов, по А. Лима-де-Фариа, предетерминирована и канализирована (направленная определенными руслами) тремя предшествующими эволюциями. Вспомним, как ограничивается и канализируется органическая химия свойствами атома углерода (интерес к этой теме заострился в связи с моделями другой, «неуглеродной» - например, кремниевой - жизни); как свойства воды, главного растворителя в земном диапазоне температур, задают большинство свойств клеток как дисперсных систем.
Так как каждый следующий уровень эволюции материи находится в зависимости от предшествующего, то приобретение новых форм и функций возможно только путем комбинирования компонентов предшествующего уровня. Под компонентами понимаются не только определенные структуры, но и процессы, закономерности, механизмы.
Возвратимся к предложенного выше модели образования пятен на коже млекопитающих Дж.Д. Марри. «Наиболее наглядный пример реакционно-диффузного механизма образования пространственных структур представляют колебательные химические реакции, открытые советскими учеными Б. П. Белоусовым и А. М. Жаботинским в конце 50-х лет. Эти реакции могут быть организованы в пространстве и во времени в форме кольцевых волн. Они могут сопровождаться периодическими колебаниями с точностью часового механизма, который наблюдается как изменение цвета реакционной смеси, например, от голубого к оранжевому и опять к голубого дважды в течение минуты.» Таким образом, мы видим в реакционно-диффузной модели формирования окраски биологическое продолжение (точнее, применение) достижений химического этапа эволюции вещества. В полном соответствии с основными постулатами автоэволюционизма:
«Организм также представляет собой мозаику, порожденную несколькими частично независимыми эволюциями. Каждый орган, хотя он и находится под контролем организма как целого, претерпевает частично независимую эволюцию, обусловленную автономными эволюциями составляющих его клеток. Кроме того, жесткие физико-химические каналы клетки и организма вынуждают их многократно возвращаться ко многим феноменам независимо от преобладающих обстоятельств. Именно поэтому дифференциальное размножение и дифференциальная смертность играют в эволюции незначительную роль.»
Подвергая сомнению многие тезисы классического дарвинизма и синтетической теории эволюции, А. Лима-де-Фариа четко отмечает одного сложное для понимание место, а именно творческую роль естественного отбора. Действительно, если речь идет о выбраковке каких-то вариантов, свойств и целых организмов, то в чем тогда проявляется творческое начало естественного отбора? Можно, конечно, привести известные слова о создании скульптуры, приписываемые Микеланджело: «Я просто беру глыбу мрамора и отсекаю все лишнее», - но такая метафора ничего не объяснит, а только запутает вопрос. Ведь перед тем, как скульптор отсек все лишнее и создал свое произведение искусства, его образ уже существовал в сознания художника – а где же возник образ нового существа, которое адаптировались к среде путем «отсечение лишнего»?
Вот и предлагает теория автоэволюции другой, отличный от дарвинистского, взгляд на адаптацию, в первую очередь рассматривая ее не как состояние главным образом внешнего происхождения (создается отбором), а, напротив, состояние преимущественно внутреннее, поскольку оно диктуется динамическими физико-химическими процессами, которые происходят в организме и в среде.
«Биологическая эволюция, - подытоживает с некоторым пафосом А.Лима-де-Фариа, - осуществляется не в результате изменчивости; напротив, ее основой служит главным образом закрепление. Именно благодаря закреплению поддерживается тот жесткий остов, в рамках которого может возникать и развиваться изменчивость. Изменчивость, выходящая за налагаемые этим остовом пределы, приводила бы к полной дезинтеграции при каждой новой модификации. Без этого остова вещество и энергия коллапсировали бы в самом начале. Вся изменчивость упорядочена, поскольку она ограничивается пределами, допускаемыми изначальным закреплением. Упорядоченность возникает только из упорядоченности.»
И все-таки ни разнообразные примеры самосборки на разных этапах организации жизнь, ни многообразие иллюстраций, которые показывают общие для разных живых и безжизненных организмов структуры, ни полемический задор автора не пошатнули сколько-нибудь заметно здание неодарвинизма. Причин можно назвать несколько. Во-первых, современный спектр теорий, объединяемых под общим названием «Синтетическая теория эволюции», довольно широкий и толерантный, чтобы признать и эту теорию дарвинизмом. В самом деле, какая, в сущности, разность – обусловленные пятна на шкуре диффузией по тканям двух биомолекул ли какими-то другим механизмом активации генов в группах клеток – если зебра и жираф убежали-таки от леопарда? Первое объяснение (Дж.Д. Марри) даже лучше, так как проще и потребует от организмов меньших затрат, а значит, a priori адаптивнее. Во-вторых, автоэволюционизм всё-таки лишен обворожительности логичности и почти бытовой понятности, присущий дарвинизму (не случайно, например, можно иллюстрировать r-стратегию отбора динамикой популяции стаканов в кафетерии, как это делает Ю.Одум в известном учебнике экологии). А в-третьих, и это, по-моему, главная проблема Лима-де-Фариа, что «среди виноватых есть те, кто не прав, и те, кто прав не вовремя». Скорее всего, у естествознания еще недостаточно как фактов, так и моральной готовности к Новому Синтезу – созданию новой Единой (междисциплинарной) теории Жизни. Да и дискретные исследования (например, по трансгенозу или клонированию) намного лучше оплачиваемы, чем попытки создания фундаментальной теории. Поэтому – подождем...
 

   

Hosted by uCoz