Глава 1 Всего два слова
Некоторые люди находят себе тему для исследований в лаборатории или в экспедиции. Я свою нашел на одной картинке на экране.
В начале аспирантуры я посещал курс лекций одного заслуженного профессора о самых важных событиях в истории жизни. Это было страшно интересно, и меня сразу увлекли большие загадки эволюции. Темой для еженедельных обсуждений были разные эволюционные превращения. На одном из первых занятий профессор показал простую схему, отражавшую на тот момент, в 1986 году, наши знания о превращении рыб в сухопутных животных. В верхней части рисунка была изображена рыба, внизу – раннее ископаемое земноводное. От рыбы к земноводному вела стрелка. Мой взгляд ухватился не за рыбу, а именно за эту стрелку. Я посмотрел на рисунок и почесал голову. Сухопутная рыба? Как такое возможно? Это показалось мне превосходной научной загадкой, которой следовало заняться. Это была любовь с первого взгляда. Так началась сорокалетняя эпопея с путешествиями на оба полюса и по нескольким континентам в поисках окаменелостей, которые могли бы проиллюстрировать этот переход.
Но когда я пытался объяснить мою задачу родным и знакомым, я часто натыкался на странные взгляды и вежливые вопросы. Превращение рыбы в наземное существо подразумевает формирование нового типа скелета с конечностями для ходьбы, а не для плавания. Кроме того, нужен новый способ дыхания – с помощью легких, а не жабр. Способы питания и воспроизводства тоже подлежат трансформации: питаться и откладывать яйца в воде и на суше – совсем не одно и то же. Буквально все системы организма должны измениться одновременно. Какая польза от ног для передвижения по суше, если животное не может есть, дышать и воспроизводиться? Переход к наземной жизни требует не какого-то одного изобретения, а сотен взаимосвязанных изобретений. И такая же сложность возникает при объяснении любого из тысяч других превращений в истории жизни – от обретения способности летать или ходить на двух ногах до происхождения тел и самой жизни. Мои поиски казались обреченными на неудачу с самого начала.
Решение этой дилеммы отражается в знаменитой фразе писательницы Лилиан Хеллман. Описывая свою непростую жизнь (в 1950-х годах она состояла в черном списке людей, подозревавшихся в антиамериканской деятельности), она однажды заметила: “Ничто, конечно же, не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно началось”. Этой фразой, сама того не подозревая, она описала суть одной из самых мощных эволюционных идей, которая объясняет происхождение большинства органов, тканей и последовательностей ДНК у всех существ, живущих на планете Земля.
Семена этой идеи в биологии стали прорастать благодаря одной из самых противоречивых фигур в истории науки – ученому, который, будучи верен себе, изменил науку тем, что был не прав.
Чтобы понять смысл последних открытий в изучении генома, нам следует вернуться ко временам более ранних исследований. Викторианская Англия была кристаллизатором идей и открытий. Есть что-то поэтическое в том, что понимание роли ДНК в истории жизни основано на идеях, возникших прежде, чем люди узнали о существовании генов.
Сент-Джордж Джексон Майварт (1827-1900) родился в Лондоне в семье набожных евангелистов. Его отец проделал путь от дворецкого до владельца одной из самых известных гостиниц города. Это дало сыну возможность стать джентльменом и самому выбрать себе профессию. Майварт, как и его современник Чарльз Дарвин, интересовался природой чуть ли не с пеленок. В детстве он коллекционировал насекомых, растения и минералы, часто делая подробные записи и придумывая схемы классификации. Казалось, естественная история – его судьба.
Но затем в его жизни возникла еще одна важнейшая тема – борьба с авторитетами. С наступлением подросткового возраста ему все труднее было уживаться с семейной англиканской верой. К огромному разочарованию родителей, он перешел в католичество. Этот серьезный для шестнадцатилетнего подростка поступок имел неожиданные последствия. Принадлежность к римской католической церкви означала, что Майварт не может поступить в Оксфорд или Кембридж, поскольку английские университеты в то время были закрыты для католиков. Не имея никакой возможности изучать естественную историю, он избрал единственный оставшийся путь: поступил в юридическую школу, где религиозные взгляды не имели значения, и стал адвокатом.
Я не знаю, вел ли когда-нибудь Майварт юридическую практику, но естественная история осталась его страстью. Как джентльмен он был вхож в высшие научные круги, где завел знакомства с известными людьми той эпохи, в частности с Томасом Генри Гексли (1825-1895), который вскоре стал виднейшим защитником идей Дарвина в публичном пространстве. Гексли был специалистом в области сравнительной анатомии и собрал вокруг себя группу способных учеников. Майварт сблизился с этим знаменитым человеком, работал в его лаборатории и даже принимал участие в семейных праздниках в доме Гексли. Под руководством Гексли Майварт выполнил продуктивную, хотя и почти исключительно описательную работу по сравнительной анатомии приматов. Его подробное описание строения скелета до сих пор имеет ценность. На момент публикации Дарвином первого издания книги “О происхождении видов” в 1859 году Майварт считал себя сторонником новой идеи Дарвина – вероятно, просто по той причине, что попал под влияние Гексли.
Сент-Джордж Джексон Майварт, умудрившийся разозлить всех участников эволюционных споров
Однако, как это случилось в молодости в отношении англиканской веры, в отношении идей Дарвина о постепенных изменениях у Майварта тоже возникли сомнения и возражения. Он начал выражать свое мнение на публике – сначала робко, потом все смелее. Собрав доказательства в поддержку своих раскольнических взглядов, он сочинил ответ на книгу “О происхождении видов”. Если у него и оставались какие-то друзья среди бывших коллег по работе в области естественной истории, он потерял их всех, заменив в заголовке своей книги “О генезисе видов” одно-единственное слово из заголовка книги Дарвина.
Не давал покоя Майварт и католической церкви. В религиозных журналах он писал о том, что концепции непорочного зачатия и непогрешимости церкви столь же маловероятны, как идеи Дарвина. После выхода книги “О генезисе видов” его фактически исключили из научных кругов. А его публикации заставили католическую церковь формально предать Майварта анафеме за шесть недель до его смерти в 1900 году.
Критика теории Дарвина со стороны Майварта помогает представить себе атмосферу интеллектуальной поножовщины викторианской эпохи в Англии и идентифицировать те вопросы, которые по-прежнему остаются камнем преткновения для многих людей, не готовых принять теорию Дарвина. Майварт начал нападение с того, что заговорил о себе в третьем лице и использовал формулировки, демонстрировавшие широту его взглядов: “Поначалу он не собирался отвергать удивительную теорию Дарвина”.
Майварт объяснил свою точку зрения в пространной главе, описывая фатальную, по его мнению, ошибку Дарвина, заключавшуюся в “невозможности для естественного отбора учитывать зарождающиеся фазы полезных структур”. Фраза труднопроизносимая, но за ней скрывается очень важный вопрос: Дарвин считал, что эволюция представляет собой бесконечный поэтапный переход от одного вида к другому. Чтобы эволюция происходила, каждый промежуточный этап должен сопровождаться адаптациями и повышать вероятность выживания особей. Майварт возражал, что промежуточные этапы кажутся маловероятными. Например, происхождение способности летать. Какую пользу могут приносить зачаточные элементы крыла? Гораздо позднее палеонтолог Стивен Джей Гулд называл этот вопрос “проблемой двух процентов крыла”: крохотный зачаток крыла у прародителя птиц, кажется, не имеет никакого утилитарного смысла. В какой-то момент крыло станет достаточно большим, чтобы помогать в плавном движении, но зачаток крыла бесполезен для полета.
Майварт приводил один за другим примеры, в которых промежуточные стадии развития казались бессмысленными. У камбалы оба глаза находятся на одной стороне тела, у жирафа очень длинная шея, у некоторых китов есть усы, окраска каких-то насекомых имитирует кору дерева и т. д. Но какая польза от небольшой перестановки глаз, небольшого удлинения шеи или едва заметного изменения окраски? А как может прокормить кита тоненькая полоска китового уса? По-видимому, такая эволюция заканчивалась бесконечными мертвыми ветвями между всеми важными переходами.
Майварт был одним из первых ученых, обративших внимание на то, что основные переходные моменты в эволюции не заключались в изменении какого-то одного органа, а затрагивали целый набор параметров всего тела. В чем польза от эволюции конечностей, если существо не имеет легких, чтобы дышать воздухом? Или в качестве другого примера рассмотрим способность птиц к полету. Для настоящего полета требуется множество изобретений: крылья, перья, полые кости, высокая скорость метаболизма. Эволюция крыльев бесполезна для существа с такими тяжелыми костями, как у слона, или с таким медленным метаболизмом, как у саламандры. Но если для любого значительного превращения должно измениться все тело и многие параметры должны измениться одновременно, как же эти значительные превращения могут происходить постепенно?
На протяжении полутора столетий после публикации трудов Майварта его идеи были важной опорой для многих критиков Дарвина. Но вместе с тем они стали катализатором развития одной из великих дарвиновских идей.
Дарвин видел в Майварте важного оппонента. Первое издание книги “О происхождении видов” вышло в 1859 году, а труд Майварта был опубликован в 1871-м. В шестое и окончательное издание книги “О происхождении видов”, опубликованное в 1872 году, Дарвин добавил новую главу, в которой отвечал критикам, в том числе Майварту.
В соответствии с условностями дебатов викторианской эпохи Дарвин начинал свой ответ словами: “Известный зоолог Ст. Джордж Майварт сделал недавно сводку всех возражений, когда-либо выдвинутых мною и другими против теории естественного отбора в той форме, в какой она была высказана м-ром Уоллесом и мною, и с замечательным искусством и силой подкрепил их примерами. Расположенные таким образом, они производят сильное впечатление”.
А затем заглушил критику Майварта одной-единственной фразой, за которой последовал целый ряд его собственных примеров: “Все возражения м-ра Майварта уже были или еще будут обсуждены и в этой книге. Единственный новый пункт, который, кажется, смутил многих читателей, заключается в том, “что естественный отбор не может объяснить начальных стадий полезных черт органов”. Этот вопрос тесно связан с вопросом о градации признаков, сопровождающейся часто сменой функции”[1].
Трудно переоценить величайшее значение этих двух слов для науки. В них содержатся зачатки нового подхода к восприятию главных перемен в истории жизни.
Как это возможно? Как обычно, ответ помогает найти рыба.
Глоток свежего воздуха
Когда в 1798 году Наполеон Бонапарт захватил Египет, его армия пришла не только с кораблями, солдатами и оружием. Наполеон считал себя ученым и хотел преобразовать Египет, помогая ему контролировать Нил и поднимать уровень жизни, а также понять его культурную и естественную историю. Наполеона сопровождали некоторые ведущие французские инженеры и ученые. Среди них был Этьен Жоффруа Сент-Илер (1772-1844).
Сент-Илеру было всего 26 лет, но он был научным гением. Он уже возглавлял кафедру зоологии в Музее естественной истории и впоследствии стал одним из величайших анатомов всех времен. Но уже в двадцатилетием возрасте он привлек к себе внимание, описав анатомическое строение млекопитающих и рыб. Во время наполеоновской экспедиции ему досталась увлекательная задача препарировать, анализировать и классифицировать животных, которых во множестве находили в высохших долинах, оазисах и реках Египта. Одним из таких животных была рыба, которая, как сказал позднее директор парижского музея, оправдала весь египетский поход Наполеона. (Конечно, Жан-Франсуа Шампольон, расшифровавший египетские иероглифы с помощью Розеттского камня, вполне мог обидеться на такую формулировку.)
По внешним признакам – чешуя, плавники, хвост – это существо походило на обычную рыбу. Во времена Сент-Илера анатомическое описание требовало тщательнейшего препарирования, часто в присутствии художников, которые зарисовывали каждую важную деталь и иногда даже делали цветные литографии. В верхней задней части черепа рыбы, на уровне “плеч”, обнаружились два отверстия. Это само по себе уже было странно, но главный сюрприз преподнес пищевод. Определить расположение пищевода у рыбы обычно несложно, поскольку это просто трубка, ведущая от рта к желудку. Но в данном случае все было не так. На обоих концах пищевода находились плавательные пузыри.
Научный гений Этьен Жоффруа Сент-Илер
В то время ученые уже знали, что это такое. Были описаны плавательные пузыри многих видов рыб, однажды их упомянул даже немецкий поэт и философ Гёте. Пузыри и у морских, и у речных рыб заполняются воздухом, а потом сдуваются, позволяя рыбе плавать на разных глубинах. Как у подводной лодки, выпускающей воздух при сигнале погружения, содержание воздуха в плавательном пузыре может изменяться, и рыба может плавать на разной глубине и в условиях разного давления водяного столба.
Дальнейшее вскрытие преподнесло настоящий сюрприз: плавательные пузыри были соединены с пищеводом посредством небольшой трубки. Этот тонкий канал, связывавший плавательный пузырь с пищеводом, сильно повлиял на ход мыслей Сент-Илера.
Наблюдение за этими рыбами в природе подтвердило то, что Сент-Илер начал подозревать при изучении их анатомического строения. Рыбы заглатывали воздух через дырочки в задней части черепа. В их поведении наблюдалась даже некоторая синхронность, когда большие стаи рыб засасывали воздух в унисон. Группы пыхтящих рыб, которых называют нильскими многоперами, выпуская воздух, издают и другие звуки, напоминающие глухой шум или стон, – вероятно, чтобы привлечь партнеров для спаривания.
Но оказалось, эти рыбы делают и еще кое-что необычное. Они дышат воздухом. Их воздушные пузыри пронизаны кровеносными сосудами – а это означает, что рыбы используют их для доставки кислорода в кровь. Более того, они засасывают воздух через дырочки в голове, заполняя плавательные пузыри, тогда как тело остается в воде.
У них есть одновременно и жабры, и другой орган, позволяющий дышать воздухом. Само собой, эти рыбы стали знаменитостями.
Через несколько десятилетий после египетского открытия группа австрийцев отправилась в экспедицию на Амазонку по случаю бракосочетания австрийской принцессы. Исследователи собирали насекомых, лягушек и растения, чтобы найти новые виды и назвать их в честь августейшей фамилии. Среди находок была новая рыба, которая, как любая рыба, имела жабры и плавники. Но внутри у нее была такая же сосудистая система: не просто плавательный пузырь, а орган, состоящий из нескольких долей и снабженный кровеносными сосудами и тканями, характерными для настоящих легких, как у человека. Это существо было промежуточным звеном между двумя формами жизни – рыбами и земноводными. Отражая эту странность, исследователи назвали существо Lepidosiren paradoxa — что на латыни буквально означает “парадоксальная чешуйчатая саламандра”.
Называйте их как хотите – рыбами, земноводными или кем-то еще, – но у этих существ были плавники и жабры, чтобы жить в воде, а также легкие, чтобы дышать воздухом. И они не были уникальны. В 1860 году в Квинсленде в Австралии нашли еще одну рыбу с легкими. Кроме того, у нее и зубы оказались особенные. Зубы такой же формы, вроде широкого кухонного ножа, были у давно вымершего животного, названного Ceratodus, окаменелости которого обнаружили в камнях возрастом свыше 200 миллионов лет. Напрашивался очевидный вывод: дышащие воздухом рыбы с легкими были распространенным явлением и жили на планете Земля уже сотни миллионов лет.
У двоякодышащих рыб есть и жабры, и легкие. Они используют легкие, как мы, чтобы дышать воздухом, когда в воде недостаточно кислорода, чтобы покрывать их физиологические нужды.
У других рыб имеется плавательный пузырь, который позволяет держаться на воде
Одно странное наблюдение может изменить наш взгляд на мир. Обнаружение у рыб плавательных пузырей и легких породило целое поколение ученых, изучавших историю жизни через наблюдения за окаменелостями и за живыми существами. Окаменелости показывают, какой была жизнь в отдаленном прошлом, живые существа демонстрируют анатомические структуры в действии, а также процесс превращения яйцеклетки во взрослый организм. Как мы увидим, это весьма мощный метод.
Параллельное исследование окаменелостей и эмбрионов оказалось плодотворным для ученых, изучавших естественную историю после Дарвина. Бэшфорд Дин (1867-1928) занимал особое место в академических кругах: это единственный человек в истории, который был одновременно куратором в музее Метрополитен и в Американском музее естественной истории – с противоположной стороны от Центрального парка в Нью-Йорке. У него было два главных увлечения – окаменелости рыб и воинские доспехи. Он создал коллекцию доспехов в Метрополитене и проводил там выставки на эту тему, а также создал коллекцию рыб и организовывал выставки в Музее естественной истории. Дин был незаурядной личностью с разносторонними интересами. Он сам для себя изготавливал доспехи и даже показывался в них на улицах Манхэттена.
Когда Бэшфорд Дин не занимался средневековыми доспехами, он изучал древних рыб. Он считал, что где-то на пути превращения эмбриона из яйцеклетки во взрослое существо кроются ответы на загадки истории и ключи к пониманию механизмов происхождения современных рыб от древних видов. Сравнивая эмбрионы рыб с окаменелостями и следя за работой анатомических лабораторий, Дин обнаружил, что легкие и плавательные пузыри в процессе развития выглядят практически одинаково. Оба органа отходят от пищеварительного тракта, и оба образуют воздушные пузыри. Основное различие заключается в том, что плавательный пузырь развивается сверху от пищеварительного тракта, ближе к позвоночнику, а легкие – снизу, со стороны живота. На этом основании Дин заключил, что плавательный пузырь и легкие являются разными версиями одного и того же органа и образуются в результате одного и того же процесса развития. На самом деле некая версия плавательного пузыря есть практически у всех рыб за исключением акул. Как многие научные идеи, идеи Дина имели долгую историю. Их проблески можно заметить уже в работах немецких анатомов XIX века.
Бэшфорд Дин – куратор музея Метрополитен и Американского музея естественной истории, увлекавшийся воинскими доспехами и рыбами
Но какое отношение плавательный пузырь имеет к критике Майварта и ответу Дарвина?
На удивление многие рыбы способны довольно долго дышать воздухом. Шестидюймовый илистый прыгун может жить и двигаться в иле больше 24 часов. Удачно названная рыба ползун[2] может при необходимости переползать из одного водоема в другой, иногда даже перебираясь через сучки и ветки. Но это только один вид. Сотни видов могут заглатывать воздух, когда в среде обитания снижается концентрация кислорода. Как они это делают?
Одни, как илистый прыгун, поглощают кислород кожей. Другие имеют над жабрами специальный орган для газообмена. Некоторые сомы и другие рыбы заглатывают кислород в желудочно-кишечный тракт, как еду, но используют его для дыхания. И у целого ряда рыб есть парные легкие, напоминающие наши. Двоякодышащие рыбы большую часть времени проводят в воде и дышат жабрами, но когда концентрация кислорода в водоеме недостаточна для поддержания метаболизма, они поднимаются на поверхность и заглатывают воздух. Дыхание через легкие – не какое-то невероятное исключение у отдельных странных рыб, это обычное дело.
Недавно исследователи из Корнеллского университета с помощью новых генетических методов вновь провели сравнение между плавательным пузырем и легкими. Их интересовало, какие гены задействованы в формировании плавательного пузыря в процессе развития рыб. Анализируя список генов, проявляющих активность при развитии эмбрионов рыб, они обнаружили нечто, что понравилось бы и Дину, и Дарвину. В построении плавательного пузыря рыб задействованы те же самые гены, что и в построении легких – и рыбьих, и человеческих. Воздушный пузырь есть практически у всех рыб, но одни используют его в качестве легких, а другие для того, чтобы держаться на воде.
Вот тут-то и проявляется предсказательная сила ответа Дарвина на критику Майварта. Анализ ДНК с очевидностью показывает, что среди ныне живущих рыб двоякодышащие рыбы, такие как нильский многопер Сент-Илера или другие рыбы с легкими, являются ближайшими родственниками наземных существ. Легкие были изобретены не внезапно, когда живые организмы начали учиться ходить по земле. Рыбы дышали легкими задолго до того, как животные ступили на твердую землю. Не заселение суши потомками рыб стало толчком к формированию нового органа: изменилась функция органа уже существовавшего. Более того, практически все рыбы имеют некое подобие воздушного пузыря, будь то плавательный пузырь или легкие. Изменилась функция воздушного пузыря: ранее он использовался для жизни в воде, а позднее позволил животным жить и дышать на суше. Для такого изменения не потребовалось изобретать новый орган; вместо этого, как и сформулировал Дарвин в более общем плане, произошла смена функции.
Изобретаем полет
Мишенью атак Майварта против Дарвина были не рыбы или земноводные, а птицы. В то время происхождение способности летать было величайшей загадкой. В 1859 году в первом издании книги “О происхождении видов” Дарвин сделал весьма специфические предсказания. Если его теория единого происхождения всех форм жизни на Земле верна, в окаменелостях должны обнаруживаться промежуточные формы, отражающие переход между разными формами жизни. Однако в то время никакие такие формы не были известны, не говоря уже конкретно о переходной форме между летающими птицами и животными, перемещающимися по земле.
Но Дарвину не пришлось долго ждать. В 1861 году рабочие немецкого известнякового карьера обнаружили удивительную окаменелость. Этот известняк с мелкими гранулами был идеальным материалом для изготовления литографических плит, широко использовавшихся в типографском деле. Известняк формировался в очень мягких условиях в водной среде. Это означает, что все, что в него включалось, практически не подвергалось никакому дополнительному воздействию. В таких камнях окаменелости сохраняются почти в идеальном виде.
На той известковой плите был интересный отпечаток чего-то длинного и перистого. Оно напоминало прекрасно сформированное перо. Но оставалось загадкой, откуда в этих камнях могли взяться перья.
Известняк, содержавший этот необычный отпечаток, образовался во время юрского периода. За несколько десятков лет до этого открытия немецкий аристократ и натуралист Александр фон Гумбольдт (1769—1859) обратил внимание на особый известняк в массиве Юра на границе Франции и Швейцарии. Слой известняка простирался на много миль. Фон Гумбольдт назвал его юрским, предполагая, что его особые свойства могут отражать специфический момент в истории Земли. Вскоре после этого другие ученые обнаружили, что породы юрского периода часто содержат окаменелости – например, крупных спиралевидных существ, названных аммонитами. Похожие окаменелости были найдены по всему миру, что привело ученых к заключению: юрский период – особый геологический период в истории всей планеты, а не только особенность территории Франции и Швейцарии.
Затем в начале 1800-х годов в Англии в отложениях юрского периода были обнаружены крупные зубы и челюсти. Подобные находки появлялись повсюду. Вскоре стало ясно, что в юрский период жили не только спиралевидные моллюски, но и динозавры. Отпечаток пера демонстрировал кое-что еще. Не летали ли над головами динозавров птицы?
Одинокая окаменелость пера всех заинтриговала. Может, это перо птицы юрского периода? Или были еще какие-то неизвестные пернатые существа? Такую гипотезу тоже нельзя было исключить.
Через несколько лет после обнаружения пера один фермер расплатился за оказанную ему медицинскую помощь окаменелостью, происходившей из того же карьера, что и перо. Врач, который ее приобрел, – опытный анатом, интересовавшийся ископаемыми, – с первого взгляда понял, что перед ним не обычный кусок известняка. Содержавшуюся в нем окаменелость почти целого скелета с полыми костями, крыльями и хвостом покрывали отпечатки перьев. Представляя себе ценность находки, врач устроил аукцион между музеями и в конечном итоге получил 750 фунтов от Британского музея.
За следующие пятнадцать лет появились и другие образцы. В середине 1870-х годов фермер по имени Якоб Нимейер продал владельцу карьера одну окаменелость за стоимость коровы. Владелец карьера, зная о враче, который продал предыдущую находку в Лондон, в 1881 году предложил новую окаменелость ему же. Этот скелет обошелся Музею естественной истории в Берлине в тысячу фунтов. На сегодняшний день обнаружено семь таких образцов.
Пернатое существо, названное Archaeopteryx, представляло собой весьма занятную химеру. Оно имело покрытые перьями крылья и полые кости, как птица. Но, в отличие от известных птиц, у него были зубы хищника, плоская грудная кость и три острых когтя на концах крыльев.
Эти открытия были сделаны в самое удачное время для теории Дарвина. Когда Томас Гексли исследовал зубы, конечности и когти археоптерикса, он выявил глубокое сходство между этим существом и рептилиями. Он сравнил археоптерикса с другой находкой из юрского известняка – маленьким динозавром Compsognathus. Они были примерно одинакового размера и имели похожий скелет, за исключением перьев. Гексли заявил, что археоптерикс доказывает теорию Дарвина: это было промежуточное звено между рептилиями и птицами. Дарвин даже упомянул археоптерикса в четвертом издании книги “О происхождении видов”: “Вряд ли какая-то другая находка последнего времени лучше, чем эта, показывает, насколько мало мы еще знаем о прежних обитателях нашего мира”.
Подобные сравнения вызвали множество самых разных вопросов. Если археоптерикс доказывает родство птиц и рептилий, какие именно рептилии были предками птиц? Имелось несколько очевидных кандидатов, и у каждого были свои сторонники. Одни ученые предполагали, что длинный хвост археоптерикса и форма его черепа указывают, что предками птиц были небольшие плотоядные существа, похожие на ящериц. Другие сравнивали птиц с еще одной группой летающих рептилий юрского периода – с птерозаврами. С этой гипотезой была проблема: хотя птерозавры имели крылья и летали, кости их крыльев очень сильно отличались от птичьих. Крылья птерозавров поддерживались удлиненным четвертым пальцем, тогда как крылья птиц поддерживаются перьями и сочетанием пальцев. Наконец, третьим импонировала версия Гексли, сравнившего археоптерикса с мелкими динозаврами.
Впрочем, некоторые известные ученые на протяжении нескольких лет не соглашались с идеей происхождения птиц от динозавров, приводя разные доводы. Один исследователь заявил, что нашел роковую ошибку этой гипотезы: у птиц есть ключицы, тогда как динозавры, в отличие от других рептилий, их не имеют. Другие указывали на различия в метаболизме и образе жизни птиц и динозавров – столь значительные, что динозавры ни в коем случае не могли быть прародителями птиц. Ведь динозавры, за некоторыми исключениями, были крупными и медлительными животными, не очень похожими на мелких и чрезвычайно подвижных птиц. Многие считали, что археоптерикс был всего лишь птицей и ничего не мог рассказать о переходных формах. Дискуссии разгорались, в значительной степени из-за того же вопроса: как появились перья и все другие специфические признаки птиц, в том числе и у археоптерикса?
Представление о динозаврах как о массивных и малоподвижных существах имело долгую историю. Но такая же долгая история у отказа от этого представления, начавшегося с работ одного ученого-эклектика, который, как Бэшфорд Дин, любил носить военную форму.
Франц Нопча фон Фельшё-Сильваш (1877-1933), больше известный как барон Нопча, был человеком сильных страстей и высокого интеллекта. В 18 лет в родовом поместье в Трансильвании он обнаружил несколько костей. Самостоятельно обучившись анатомии, в 1897 году он опубликовал их научное описание, назвав костями крупного динозавра. Нопча написал 700-страничный труд по геологии Албании и десятки научных статей на многих языках. Он был австрийским шпионом и участвовал в организации албанского сопротивления против турецкого владычества. Он мечтал стать королем Албании. К сожалению, жизнь его оборвалась, когда из-за больших долгов он застрелил своего любовника, а потом покончил с собой.
После обнаружения первых древних костей на собственной земле в 1895 году Нопча собрал большую коллекцию окаменелостей и принялся изучать динозавров Трансильвании – как их кости, так и окаменевшие следы протоптанных ими дорожек на всей территории Восточной Европы. Разглядывая эти сохранившиеся в камнях тропы, он видел следы передвигавшихся по болотам живых и дышащих существ. Следы на болотах показывали, что оставившие их животные вполне могли быстро перемещаться. Животные тяжело опирались на землю, и, судя по расстоянию между отпечатками ног, они бегали. Вывод ясен: динозавры были не медленными и неповоротливыми животными вроде слонов, а быстрыми и активными хищниками. Нопча развил эту идею и дальше: поскольку бегающие динозавры должны были быть быстрыми и легкими, они вполне могли быть предками птиц. По его мнению, потребность в быстром передвижении заставила их подняться в небо, а оперенные крылья помогали протоптицам размахивать лапами, чтобы увеличивать скорость и хватать добычу.
Барон Нопча в албанском национальном костюме. Как и Дин, он изучал древнюю историю эволюционных инноваций и тоже любил спортивное оружие и военное обмундирование
Когда Нопча опубликовал свои выводы в 1923 году, его постигла судьба, преследующая большинство ученых в кошмарах: на него не обратили внимания. Общепринятая на тот момент теория, которую активно поддерживал видный палеонтолог из Йельского университета О.Ч. Марш, утверждала, что динозавры были крупными и неповоротливыми, а птицы произошли от предков, которые умели выполнять планирующие движения. По всей видимости, способность к полету возникла у лазающих по деревьям животных, которые планировали, перебираясь с ветки на ветку. И со временем такой планирующий полет эволюционировал в способность летать. Интуитивное подтверждение этой теории мы находим, наблюдая за поведением современных животных, совершающих планирующий полет, от лягушек и змей до белок и лемуров. Поскольку для приобретения способности к планирующему полету требуется меньше изобретений, чем для способности к самостоятельному полету, планирование кажется правдоподобным первым этапом на пути эволюции самостоятельного полета.
В 1960-х годах молодой сотрудник Йельского университета Джон Остром попытался понять, как жили “утконосые” динозавры (гадрозавры). Эти существа, представленные в большинстве крупных естественнонаучных музеев мира, часто имели на голове гребень и клюв характерной формы, которому они обязаны своим названием. На протяжении многих лет в музейных экспозициях их описывали как малоподвижных травоядных существ, передвигавшихся на четырех ногах, нечто вроде пресмыкающихся слонов. Но чем больше Остром разглядывал кости, тем менее правдоподобной казалась ему такая интерпретация. Прежде всего, передние конечности животного были довольно короткими. Если животное передвигалось на четырех конечностях, слабые передние и мощные задние ноги заставляли бы его наклоняться вперед неестественным для четвероногого существа образом. Более того, гребень и отростки на задних ногах свидетельствовали о наличии мощных поддерживающих мышц. Все эти наблюдения указывали на то, что “утконосые” динозавры в основном передвигались на двух ногах. Остром пошел еще дальше; он предположил, что эти животные не были похожи на неповоротливых слонов, а скорее были активными двуногими бегунами. Он называл их двуногими буйволами.
В 1960-х годах Остром исследовал просторы Вайоминга, и дебаты XIX века между Майвартом и Дарвином приобрели новый смысл. Как большинство палеонтологов, Остром вел двойное существование: благопристойного вида ученый и преподаватель в течение учебного года, лето он проводил в грязи и беспорядке экспедиционных условий. В августе 1964-го он завершал ничем не примечательный экспедиционный сезон вблизи города Бриджер в Монтане, оглядывая окрестности в поисках места работы для будущего сезона. Сползая с одного обрыва, он и его помощник внезапно остановились, увидев нечто торчащее из камней. Это могла быть рука длиной около шести дюймов. “Мы оба в безумном порыве почти скатились со склона”, – рассказывал позднее Остром, описывая этот случай. Причина безумного порыва заключалась в том, что из руки выступали огромные острые когти, подобных которым они никогда не видели.
Поскольку это был последний разведочный день, у них не было с собой никаких инструментов. Студентам-палеонтологам, которые читают эти строки, не следовало бы знать, что они сделали потом. В возбуждении нарушив главную заповедь полевых палеонтологических исследований, они начали быстро копать руками и перочинными ножами, пытаясь откопать животное. Вернувшись на следующий день с нормальными инструментами, они обнаружили ногу и несколько зубов. Это были зубы хищника – с острыми концами и зазубренным краем. Еще два года работы, и они смогли извлечь большую часть скелета.
Динозавр Острома был размером с крупную собаку, но его кости были странно легкими и полыми. Существо имело мускулистый хвост и чрезвычайно мощные задние конечности с когтями. Когти имели суставы, что означало, что ими можно было разрывать добычу. Остром окрестил это чудище Deinonychus (по-гречески “ужасный коготь”). В более поздней монографии среди обычного сухого научного текста Остром привел описание дейнониха, назвав его “невероятно хищным, чрезвычайно ловким и очень активным” животным.
Дейноних – динозавр с “ужасными когтями”
Но дейноних был только началом. Остром и те, кто пришел после него, изменили наше представление о динозаврах и заодно продемонстрировали силу дарвиновского ответа Майварту. Они исследовали каждый бугорок, отверстие и прочие особенности костей рептилий и сравнили их с окаменелостями и с костями ныне живущих птиц. И вскоре пришли к заключению, что динозавры, особенно двуногие, имели много общего с птицами. У этих динозавров, называемых тероподами, обнаружился целый набор птичьих черт, включая полые кости и сравнительно высокую скорость развития. Вероятно, это были очень активные животные с быстрым метаболизмом.
Хотя эти динозавры во многом походили на птиц, у них не было одного важного признака – перьев. Перья считались специфическим приспособлением птиц, способствовавшим их успешной эволюции, и необходимым элементом для полета.
В 1997 году съезд Общества палеонтологии позвоночных проходил в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. Многие из нас знали, что ожидается нечто неординарное. Обычно мероприятие проходит довольно спокойно: доклады и презентации, перемежающиеся коктейлями и встречами. Члены общества разбиваются на группы, как правило в соответствии с тем, каких существ они изучают. Ученые, занимающиеся млекопитающими, посещают доклады о млекопитающих, специалисты по палеонтологии рыб ходят на заседания по рыбам и т. д. Все общаются, но потом расходятся по своим научным сессиям.
Однако в 1997 году все было иначе. Изо всех углов доносилось: “Вы это видели? Неужели это правда?”
Китайские коллеги показали изображения неизвестного существа, обнаруженного крестьянами в провинции Ляонин, к северо-востоку от Пекина. У него были полые кости, когтистые передние и задние лапы и длинный хвост – все признаки дейнониха. Но это существо очень хорошо сохранилось. Оно оказалось вмурованным в камень с очень мелкими гранулами, который хорошо сохраняет отпечатки или окаменевшие фрагменты мягких тканей. Именно это всех и взволновало: было совершенно очевидно, что тело динозавра окружали перья. Не полностью сформированные перья, но пушок. Динозавр был покрыт примитивным оперением.
Остром присутствовал на симпозиуме. В то время я был молодым ученым и помню, как увидел его в перерыве: он разговаривал с одним из самых уважаемых палеонтологов. Он кричал. Эта находка подтверждала результаты его тридцатилетних неоднозначных исследований. Передавали такие его слова: “Когда я впервые увидел эти фотографии, у меня буквально ослабели ноги. Покров этого динозавра не похож ни на что, что мы когда-нибудь где-нибудь видели”. А позже он говорил: “Я и не надеялся, что на своем веку увижу что-нибудь подобное”.
Оперенные динозавры оправдали предсказания Острома и других ученых, утверждавших, что динозавры – ближайшие родственники птиц
Оперенные динозавры, которых мы увидели в Нью-Йорке в 1997 году, были первыми экземплярами из тех, что принесла приливная волна новых окаменелостей, обнаруженных в Китае. В последующие десятилетия в Китае было найдено около двенадцати видов оперенных динозавров, отражавших многообразие хищных динозавров с разным покровом. Самые примитивные имели простые трубчатые перья. Но у тех, которые ближе к археоптериксу и птицам, были настоящие перья с центральным стержнем и отходящими от него волокнами опахала. Перья не являются специфической особенностью птиц; они были практически у всех хищных динозавров.
Птиц отличают не только перья: у них есть грудная кость, крылья и специализированные кости кистей, предназначенные для полета. Птичье крыло имеет классический рисунок: одна кость, две кости, кости кисти и пальцы. На конечностях птиц только три пальца, а не пять; средний палец удлинен и служит точкой присоединения перьев. В птичьей кисти немного костей, и одна из них имеет форму месяца, за что ее называют полулунной костью.
Чем больше мы анализируем, тем больше замечаем, что анатомические изобретения, которые птицы используют для полета, такие как перья, не являются их уникальными структурами. Хищные динозавры со временем становились все больше и больше похожими на птиц. У ранних видов были пятипалые конечности. За десятки миллионов лет они потеряли пальцы и остались с тремя, включая удлиненный средний палец, который у птиц служит основанием крыла. Как и птицы, эти динозавры потеряли кости кисти и приобрели полулунную кость, похожую на ту, которую птицы используют для маховых движений. У них появилась даже грудная кость. Эти динозавры не могли летать, но у них было некое подобие оперения – от простого пухового покрова у ранних форм до более сложной организации, как у археоптерикса и более поздних динозавров. Но зачем динозаврам нужны были перья? Некоторые палеонтологи предполагают, что этот признак помогал найти полового партнера. Другие считают, что примитивный пух служил для теплоизоляции и помогал поддерживать температуру тела. Возможно, перья выполняли обе функции. Но какой бы ни была их функция у динозавров, происхождение перьев практически наверняка не связано с полетом.
Как изобретение легких и конечностей предшествовало переходу из жизни в водной среде на сушу, так изобретение анатомических структур для полета предшествовало полету. Полые кости, высокая скорость развития и метаболизма, похожие на крылья передние конечности, кисти с суставами и, конечно же, перья исходно появились у динозавров, которые жили на земле и быстро бегали, чтобы поймать добычу. Главным изменением было не изобретение новых органов как таковых, но переназначение уже существующих признаков для решения других задач.
Считалось очевидным, что перья появились, чтобы птицы могли летать, а легкие – чтобы животные могли дышать на суше. Эти представления были логичными, очевидными – и ложными. Более того, мы знали об этом уже на протяжении столетия.
Не так уж тщательно скрываемый секрет заключается в том, что биологические инновации никогда не возникают во время кардинальных изменений, с которыми их связывают. Перья появились не во время эволюции полета, а легкие и конечности – не во время перехода к сухопутному образу жизни. Более того, эти и другие великие революции в истории жизни не могли произойти по-другому. Великие перемены в истории жизни не ждали одновременного появления множества новшеств. Такие значительные изменения происходят за счет переназначения уже имеющихся структур для новых целей. Ничто не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно начинается.
Это история о революциях, произведенных эволюцией. Изменения в истории жизни происходят по замысловатому пути с множеством поворотов, тупиков и изобретений, которые не использовались только по той причине, что возникли не вовремя. Два слова Дарвина о том, что многие изобретения появляются в результате смены функции уже существующих признаков, указали нам путь к пониманию происхождения органов, белков и даже ДНК.
Но тела рыб, динозавров и людей не возникают полностью оформившимися в момент зачатия. Они выстраиваются заново в каждом поколении по инструкции, полученной потомством от родителей. Изобретения зарождаются где-то в этих инструкциях и (как предвидел Дарвин) появляются в одних условиях, но, как мы увидим далее, могут менять назначение в других.