Воображаемая жизнь

Простой факт, лежащий в основе дарвиновской эволюции, состоит в том, что некоторые гены создают признаки, которые повышают вероятность того, что организм, частью которого они являются, будет выживать достаточно долго, чтобы размножаться. Это, в свою очередь, означает, что данные гены будут переданы следующему поколению с большей вероятностью, чем другие. На жаргоне палеонтологов мы говорим, что эти гены отбираются. В конце концов, отобранные гены начинают преобладать, и если это случится достаточное количество раз, возникнет новый вид. Хотя Дарвин не и осознавал этого, когда обдумывал название для своей книги, он говорил о происхождении видов посредством передачи генов.

Вначале Дарвин не использовал этот термин, но фраза «выживание наиболее приспособленных» стала популярным способом описания эволюционного процесса. Дело в том, что «приспособленность» в дарвиновском смысле определяет та среда, в которой находится организм. Например, если кролик живет в среде, частью которой являются хищники, могут отбираться гены, позволяющие ему быстро бегать. С другой стороны, если он живёт в условиях нехватки пищи, важнее могут быть другие признаки — такие, как острое обоняние. Иными словами, общего определения приспособленности не существует — она полностью зависит от того, какие признаки дадут организму преимущество в конкретной среде обитания.

Одним из важных следствий постепенного характера эволюционных изменений является то, что при построении сценария развития организма в ответ на давление окружающей среды у нас должен получиться пошаговый процесс, в котором каждый шаг дает эволюционное преимущество. Говорить о том, что свиньям было бы лучше, если бы у них, например, были крылья[2] — это пустое занятие. Вы должны представить пошаговый процесс, который может привести к созданию крыльев, причём каждый шаг делает обладателя нового признака более приспособленным к условиям среды. Например, в таком сюжете могут фигурировать этапы, на которых выросты на боках свиньи помогают ей регулировать температуру тела, затем по мере развития позволяют ей планирующий полёт, и, наконец, превращаются в полноценные крылья. Необходимость обосновывать каждый шаг эволюции в понятиях теории Дарвина приобретёт особую важность, когда мы попытаемся построить эволюционные сценарии жизни в странных условиях экзопланет.

Прежде чем мы обобщим доказательства, подтверждающие теорию эволюции, нам нужно коснуться ещё одного вопроса, а именно скорости, с которой происходит эволюция. Здесь существуют две крайности. Одна из них заключается в том, что крупные изменения являются результатом накопления небольших изменений — это теория, известная как градуализм. Другая крайность носит название «прерывистое равновесие», и это означает, что в большинстве своём виды остаются практически неизменными на протяжении длительных периодов времени, а затем в течение короткого промежутка времени претерпевают быстрые изменения. Зная, что развитие происходит из-за изменений в молекуле ДНК, мы можем увидеть, как может реализоваться любой из этих вариантов. Мутация, которая влияет на один ген (и, следовательно, на специфическую химическую реакцию), скорее всего приведёт лишь к небольшим изменениям в организме. Однако мы также знаем, что существуют участки ДНК, которые не кодируют белки, а работают своего рода переключателями управления для целых серий генов. Мутация в этих областях вполне может привести к значительным изменениям — это тип изменений, востребованный концепцией прерывистого равновесия. Как это часто бывает в подобных ситуациях, правильным ответом на вопрос «Как развивалась жизнь на Земле — постепенно или посредством прерывистых процессов?» будет «да». Справедливо ли то же самое для жизни на экзопланетах, будет зависеть от конкретного механизма, посредством которого живые существа на них передают признаки от одного поколения другому.

Существует множество доказательств в поддержку теории эволюции, но давайте вкратце обратимся к двум важнейшим из них: это летопись окаменелостей и секвенирование ДНК. Среди множества видов окаменелостей самыми впечатляющими, несомненно, являются каменные копии скелетов и других твёрдых частей животных, умерших давным-давно. Они дают нам чёткое представление о том, как развивалась жизнь в прошлом, причём каждая форма жизни, которую мы видим сегодня, представляется ветвью на сложном древе жизни. Ещё мы нашли окаменелости иного рода — вроде отпечатков частей растений, и даже, в последние несколько десятилетий, останки одноклеточных организмов в очень древних породах. Именно открытие последних позволяет нам оценить время, которое было необходимо жизни для её развития на ранней Земле, что мы и сделали выше.

ДНК содержит «чертёж» живого существа, в котором она находится, и способность считывать последовательность, записанную в ней, даёт нам возможность реконструировать историю жизни на Земле ещё одним способом. Основная идея заключается в том, что чем больше разница в ДНК между двумя организмами, тем дальше во времени у них был общий предок. Добавьте сюда оценку скорости, с которой происходят мутации (так называемые молекулярные часы), и вы сможете использовать такого рода информацию для построения ещё одного родословного древа, отображающего развитие жизни на Земле.

С нашей точки зрения, тот факт, что генеалогическое древо, построенное на основе летописи окаменелостей, и генеалогическое древо, построенное на основе секвенирования ДНК, представляют собой одно и то же[3], является самым убедительным доказательством, подтверждающим идею эволюции путем естественного отбора, которое можно было найти. Далее по тексту мы позволим дарвиновской эволюции занять своё место рядом с такими вещами, как гравитация, в качестве основной информации о том, как работает Вселенная.

Естественный отбор не на Земле

Пока существуют процесс, посредством которого признаки передаются от одного поколения другому, и механизм, позволяющий эти признаки изменять, совершенно очевидно, что мы можем ожидать действия естественного отбора. Если жизнь основана на химии углерода или иного элемента, в окружающей среде всегда будут существовать агенты, способные создавать аналог мутаций — на ум приходят тепло, ультрафиолетовое излучение и химические реакции. При таком положении дел всегда будут существовать какие-то представители популяции, которые способны использовать окружающую среду лучше, чем остальные, и это всё, что необходимо для запуска процесса естественного отбора. Таким образом, наше предположение о жизни на экзопланетах по умолчанию состоит в том, что анализ, включающий дарвиновскую эволюцию — это как раз то место, с которого нужно начинать.

Важно подчеркнуть, что, хотя основным законом, управляющим развитием жизни на экзопланетах, будет естественный отбор, виды живых систем, создаваемых в соответствии с этим законом, будут сильно различаться в разных окружающих средах. Например, если бы жизнь развивалась во внешних слоях атмосферы газового гиганта, способность управлять парением могла бы дать преимущество, поскольку это позволило бы организму менять высоту полёта в поисках пищи (вспомните о нашем летающем драконе). С другой стороны, в мире, находящемся в приливном захвате (см. главу 10), способность противостоять интенсивным поверхностным ветрам может сделать выбор в пользу низкого роста и обтекаемого телосложения. В дальнейшем мы проанализируем окружающую среду на каждой из посещаемых нами экзопланет, и воспользуемся этим для определения направления, в котором с наибольшей степенью вероятности пойдёт естественный отбор.

Однако, сказав это, мы также должны признать, что гораздо интереснее будет представить себе ситуации, в которых дарвиновская эволюция может не сработать. Вот пара вариантов, до которых мы додумались.

Не существует отдельных организмов

Естественный отбор требует конкуренции между особями за ресурсы. А что, если форма жизни на экзопланете не состоит из отдельных индивидуумов, а представляет собой единое целое?

Самым крупным живым существом на Земле является гриб Armillaria ostoye, находящийся в Орегоне. Это единый организм, размеры которого превышают 2 мили (3 км) в поперечнике. Нетрудно представить такой организм, охватывающий целую планету. В этом случае попросту не было бы отдельных особей, которые могли бы конкурировать друг с другом. Означает ли это, что естественного отбора может не быть?

Это хитрый вопрос, и он требует хитрого анализа. Упомянутый выше гриб состоит из клеток, которые делятся по мере роста организма — это процесс, на который могут повлиять упомянутые выше факторы окружающей среды. Аналогичный процесс должен был бы происходить в некоем организме, выросшем до всепланетного размера. Если бы существовал также какой-то аналог мутации, возникшей в процессе клеточного деления, у нас могла бы возникнуть ситуация, при которой клетки в разных областях организма обладали бы разными способностями к использованию окружающей среды. Иными словами, вместо того, чтобы воздействовать на разных особей, в том мире естественный отбор будет воздействовать на разные части одной и той же особи.

Единственный способ обойти этот аргумент — это предположить, что сложный организм, охватывающий всю планету спонтанно возник полностью сформировавшимся. Однако такая возможность настолько маловероятна, что мы не побоимся просто проигнорировать её.

Планета Совершенство

Главное обстоятельство, поддерживающее естественный отбор на Земле, — это тот факт, что поверхность планеты постоянно меняется под воздействием бурного движения вещества в мантии. Таким образом, земные живые системы всё время играют в догонялки, постоянно пытаясь приспособиться к новой среде. Но что, если бы существовала планета, в которой эта ситуация не действует? Что, если бы была такая экзопланета, где всё оставалось неизменным на протяжении миллиардов лет?

Как только жизнь зародится в таком месте, как это — давайте назовём его «планета Совершенство», — она будет эволюционировать в соответствии с законами естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, после чего эволюционное давление исчезнет. Дело не в том, что мутации перестали бы появляться — они продолжали бы возникать в своём обычном темпе. Просто ни одна мутация не смогла бы улучшить ситуацию для жизни на планете Совершенство, поэтому они бы угасали, а жизнь оказалась бы в состоянии застоя.

Это не так уж сильно отличается от ситуации на Земле. Каждая мутация на нашей планете порождает то, что немецкий генетик Ричард Гольдшмидт (1878-1958) назвал «обнадёживающим монстром». Многие из таких «монстров» обладают мутациями, которые не повышают их шансы на выживание, поэтому через несколько поколений мутации исчезают. Нетрудно экстраполировать эту ситуацию на ту, при которой исчезают все обнадёживающие монстры, и это то, что мы открыли бы на планете Совершенство, если предположить, что она существует.