Страница 38 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Жизнь первично возникла в водной среде. Её выход на сушу на­чал­ся с растений. В послекембрийские времена, в кайнозойскую эру сов­ре­менная растительность покрывала сушу. Началось это ещё в докемб­рии и общая продолжительность заселения растениями су­ши составляет мил­лиарды лет. Всё это время растения, начиная от их про­стейших пред­ков, вырабатывали кислород и этим создали современ­ную атмосферу. Беспозвоночные были среди первых видов животных, которые начали за­селять сушу. Животная выкоразвитая жизнь на суше (выход на сушу позвоночных) возникла как пе­ре­ход от рыб к наземным четвероногим. Де­вонский период был вре­ме­нем расцвета рыб. В это вре­мя зародились у рыб в тупиках их эволюции те случай­но­с­ти, которые привели к земноводным, пресмыкающимся, птицам и млеко­пи­тающим. 

Избыточность в воздушной среде (высокая концентрация кислоро­да) разрешила наземным животным разные (в том числе весьма несовер­шен­ные) вариан­ты органов дыхания и биохимии транспорта кислорода по­то­­ком крови вну­три организма. Конечно, девонская атмосфера Земли со­держала меньше кислорода, чем сегодня, но и это было существено боль­ше, чем разрешено пределами его растворения в воде.

Условия Девонского периода стимулировали запоминание случай­но­­с­тей, использующих атмо­сфер­ный кислород – лёгочное и кожное дыха­ние. Разнообразие тогда ви­дов рыб (многие из которых вымерли позд­нее) гарантировало разные случайные варианты дыхания. Накоплен­ные случайности у кистепёрых и двоякодышащих рыб оказались наи­бо­лее близкими к морфологии последующих тетрапод. К сожалению, как и везде в биологии, это трактуется в литературе как це­ле­направ­лен­ный от­бор в терминах “стимулов” и подобных.

Не было в этот период природных катаклизмов. Давно сущест­во­вала экологическая ниша, разрешавшая более эффективную кислород­ную энергетику жизни. Непрерывно накапливающиеся случайности поэ­то­му имели условия для мгновенного запоминания тех из них, которые не только могли её использовать, но и гарантировали в ней максимум способностей дальнейших превращений.  Случайные монстры, а не цель, определили выход рыб на сушу как четверо­но­гих. 

Преимущества для запоминания на суше случайностей, возник­ших в воде, остались за уродами с тяжёлыми кос­тями. Они содержали в себе основы механики будущего скелета на­зем­ных животных. Массивность костей им мешала, но в водной среде в ка­ких-то узких условиях выжить можно было. Для выхода на сушу пара­док­сально им не было необ­хо­димости в вуль­гар­но эволюционных двоя­ко­дыша­щих формах. Им нужно было только слу­­чайное генетическое уве­­личение име­ющихся у них (ог­ра­ниченно полезных в во­де) зачатков легких. Оно возникло как высоко­ве­роятная смер­­тельная генетическая вариация, воз­можно, со­про­­вож­да­в­шаяся потерей жаб­р. Воз­ник монстр, нежизнеспо­соб­ный в воде.

Уроды с массивными костями вы­живали преимущественно на мел­ко­во­дье (ведь их воз­мож­ности пере­дви­же­ния в толще воды ограничивал скелет, про­тиворечащий оптимизирующему отбору по признакам дви­же­ния в воде). Поэтому един­ственному монстру, родившемуся с лёг­­кими без жабр, надо было только успеть (в прямом смысле) высунуть голову из во­ды. Тупиковых ветвей такого развития, как и просто погибших осо­бей, хватало в истории жизни. Но запоминание одной из слу­чай­ностей было гарантировано тем, что монстр оставался вод­ной формой жиз­ни (жизни в среде с малым содержанием кислорода). Любая, сов­ме­стимая с его метаболизмом, несовершенная сис­те­ма ды­хания и кро­во­об­ра­щения гарантировала ему в воз­душ­ной среде ус­во­е­ние того ничтож­но­го коли­чест­ва кислорода, которое было верхом при­с­по­собительного со­вер­шен­ст­ва для его метаболизма в водной среде.

Воздушная экологическая ниша тогда для животных была пустая, богатая ранее вышедшими в неё растениями-пищей. Выжившим мон­­­ст­рам не с кем было “бороться за существование”. Им надо было толь­­ко вы­жить – любым, самым неоптимальным образом. Выжили преи­му­щест­венно те два направления случайностей (двоякодышащие и кистепёрые), которые были названы выше. Но максимум способности дальнейших пре­­в­ращений остался у кистепёрых.

Случайность в эволюции работает по всем направлениям, разре­шён­ным условиями. При наличии у рыб одновременно жабр и зачатков лёг­ких она не могла игнорировать ва­ри­ант экзотических двоякодыша­щих рыб. Но их экологическая ниша узкая, неус­той­­­чиво существующая. Они мо­гут на­ко­пить случайности, позво­ля­ю­щие им оп­ти­мизировать вы­жи­вание в лу­жах или около них при сезонном пе­ресыхании во­доёмов. Но, ещё раз под­черк­ну, эта ветвь – тупик эво­лю­ции из-за несовер­шен­ст­ва экологической ниши. Типич­ный вульга­ризм толкователей дар­ви­низ­ма – пред­ста­вление о том, что дво­яко­ды­шащие ры­бы эво­лю­ци­о­ни­ро­вали с целью приспо­со­биться к сухо­путной жиз­ни, что и стало осно­вой четвероногих.

Выход животной жизни из воды на сушу есть скачок. Он принци­пи­ально не может содержать переходных форм в их классическом виде  – последовательное накопление в ДНК таких мута­ций, которые отобра­жа­ются переходными орга­низ­мами, запоминаемыми естествен­ным от­­бором. Скачком возникает но­вая так­со­но­ми­чес­кая градация жиз­ни. Этот ска­­­чок, тем не менее, есть шаг пос­те­пен­ной эво­люции, так как он прои­зошёл путём накопления случайных тупиков рав­но­весий, вымирания ви­дов и особей, не превратившихся в виды. Пере­ход­ные формы не есть по­с­ле­довательность целенаправленных микрому­та­ций в ДНК. Они есть раз­но­образие случайностей в ДНК, которые оста­лись не запомненными. Мно­гие из них, несомненно, сохранились в “мол­­ча­­щих” участках ДНК современных форм жизни. В такой пос­та­новке задачи пе­ре­ходные фор­мы при дар­виновском отборе ещё никто не ис­следовал.

Конечности, перья, зубы и по­доб­ное – вторично. Первично, гло­бально важно для выживания выживающих исполь­зо­вание преи­му­ществ высокой кон­центра­ции кислорода. Это задаёт направление отбора тех случайно­с­тей, которые создают:

максимизацию поверхности газообмена с атмосферой;

сопоставимость интенсивности переноса кислорода системой кро­во­об­ращения с пределом его поглощения лёгкими.

Первая из этих задач в виде максимизации поверхности газообме­на в легких приводит к принципиальному (и для человека-инже­не­ра, ка­за­лось бы, неустранимому) тупику. Сов­­мес­тить большую поверх­ность для газо­об­мена с минимумом объёма лег­ких как органа можно, ес­ли лег­кие бу­дут сос­то­ять из множества мел­ких пу­­зырь­ков, омы­ва­е­мых кровью снаружи и за­пол­няемых воздухом из­нут­­ри. Хо­рошо из­вест­­но, что легкие именно так и устро­ены, а эти пу­зырь­ки на­зы­вают­ся альвео­лы (рис. 3.9). Например, у человека их сум­марная по­верх­ность по­­­ряд­ка 100 м2, что в 50 раз боль­ше поверх­но­сти его тела.

Для того, чтобы наполнить аль­ве­­о­лы воз­­духом, нужно совершить ра­боту про­тив сил поверхностного на­тяжения. Количество аль­­веол у взрос­­лого челове­ка до 300 миллионов. Диа­метр их у мле­ко­пи­тающих не боль­­­ше 0,75 мм. Эле­мен­­­тар­ные расчё­ты по­ка­зыва­ют, что тре­ни­ро­­ван­­ный спорт­­с­мен должен был бы умереть от ис­­тощения в ре­зультате нес­коль­­­ких вздо­хов. Однако здо­ро­вые люди ды­шат, не за­думы­ва­ясь над этим. При­чи­на в том, что био­­хи­мия пе­реноса кро­вью кислорода свя­­за­на с вы­де­­ле­нием на по­верх­ности аль­ве­ол спе­ци­фических веществ – сур­­­­фак­тан­тов. Они образуют плён­­ку, тол­щина кото­рой 7-8 нм. По­верх­нос­тное на­тя­жение сурфак­тант­ной плён­ки различно на стадии на­­пол­нения альвеол и ко­гда воздух из них нужно выбро­сить,. Это опи­сывает петля гисте­ре­зиса для сил по­верхност­но­го натяжения, изоб­ра­жён­ная на рис. 3.10 [85]. Как видно из этого ри­сун­ка, основная часть про­цес­са сокращения альве­ол при выдохе про­исходит при повышен­ном поверх­ностном натяжении. Завер­шает вы­дох снижение по­верх­но­стного натяжения практически при постоян­ном объеме аль­веол. Это возможно по­тому, что плёнка сур­­фак­тан­та соби­ра­ет­­ся в склад­ки, уходящие вглубь морфо­ло­гически слож­­ного слоя, до­пол­­ня­ю­щего на­руж­ную плён­ку. Он при­мы­кает из­нут­ри к по­верх­ности аль­­ве­о­лы. По­ч­ти верти­каль­ный ход кри­вой про­цесса на за­к­лю­чи­тель­ной ста­дии выдоха отражает образование этих складок.

Участие в лёгочном дыхании сурфактатного механизма характер­но не толь­ко для всех млеко­пи­таю­щих, но и для большинства эволюционно про­дви­нутых позвоноч­ных – птиц, рептилий. У земноводных он пред­став­­лен в меньшей степени.

Очевидно, что при переходе от рыб к земноводным не мог скачком возникнуть сложный и совершенный сурфактантный механизм работы лег­ких. Однако, как многократно подчёркнуто выше, водные формы жиз­­­­­ни существовали при уровне метаболизма, требующем мало кис­ло­ро­да. “Ры­бью” потребность в кислороде (из-за высокой его концентра­ции в атмосфере) могли обеспечить несовершенные меха­низ­мы лёгоч­но­го дыхания. Поэтому дальше могло дей­ствовать обычное дарвиновское на­копление случайностей. Существо­вание отдельных ви­дов земновод­ных без сур­фактантного ме­­ха­низма ды­ха­ния даёт пример того, что этот механизм по­явился как результат отбо­ра из генетических случайностей их видов с уже существующим лёгочным дыханием. Его усо­вер­­шен­ст­вование в ком­плексе эволю­ци­он­ных и скачкообраз­ных измене­ний лёгких есть одна из при­чи­н возникновения сложных ви­дов животных.

Сур­фактантный механизм создаёт совершенство сочетания ме­ха­ни­­ки и био­хи­мии поглощения кислорода в газообменнике  легких. По ме­ре оптимизации лёгких на первый план выходит производительность сис­­те­мы транспорта энергии внутри организмов – переноса кислорода кро­вью – вторая важнейшая проблема для работы естественного отбора со случайностями при пе­ре­­ходе животных на сущу.

В основе системы кро­во­обращения (пояснено в главе VI) из­ме­не­ние валент­но­с­ти атомов переходных металлов – меди или железа – как сос­тавляющих сложных орга­ни­чес­ких макромолекул. Атомы меди оп­ределяют существование “голубой кро­ви” у некоторых рыб. Пе­ре­ход в богатую кислородом воз­душ­ную сре­­ду выбраковывает кровь, ис­поль­зу­ю­щую медь. Итог этого отбора есть белок гемоглобин и спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные клетки на его основе – эритроциты. 

Интенсивное поступление кис­лорода в организм и его эффектив­ный транспорт внутри него есть причина существования теп­ло­кров­­ные животные, которые менее зависимы от окружающей среды.

Изме­не­ния скелета или увели­че­ние поверхностей конечностей за счёт перепо­нок или перьев не привели бы к пти­цам, если бы лёгкие не мог­ли по­с­тавлять организму необходимое для полёта количество кисло­ро­да.

Высокая эффек­тив­ность легких и системы крово­об­ращения есть пер­вичная причина су­ще­ст­вования мозга человека – ко­ли­чество потреб­ля­емого им кислорода настолько велико, что при несо­вер­шенных лёгких его рост был бы запре­щён энергетикой организма. Не­случайны нари­ца­тельные выражения – “пти­чий ум”, “куриные моз­ги” – и полёт, и боль­шой мозг обеспечить кислородом далеко не просто. Энергоёмкость по­лё­та к тому же запрещает повышение веса птиц. В частности, это ог­ра­ни­чивает рост их мозга.

Механическая задача перекачки крови для обеспечения транспорта кислорода также содержит особенности. Сердце как специализи­ро­ван­ный центральный насос системы кро­во­об­ра­щения возникло на позд­них стадиях эволюции жизни. Активный транс­порт всех видов крови первич­но обеспечивался за счёт сокращений по­верх­ности сосудов и давления ок­­ру­­жающих их тканевых мышц. Эти меха­низ­мы транспорта крови эво­лю­ция не могла и не должна была от­бра­ковы­вать. Однако в современной би­ологии подсчёты того, что мощ­ности серд­ца недостаточно для транс­пор­та крови (например, у человека) и обо­с­нования участия в этом ске­лет­ной мускулатуры многими воспри­ни­ма­ют­ся как “ересь”. Несомненно, что активные процессы транспорта крови обя­зательно должны работать в капиллярных сосудах. Есть иссле­до­ватели, обос­но­ванно пытающиеся найти кри­­терии смерти организма в необ­ратимых сбоях активного ка­пил­­­ляр­ного кровообращения.

Анализ последствий дарвиновского отбора в первую очередь дол­жен учитывать возможности энергетических систем организмов – дыха­ния и кровообращения. Например, динозавры вымерли, как теперь ясно, от “ядерной зи­мы”, возникшей при столк­но­вении Зем­ли с астероидом 65 мил­лионов лет назад. Однако ответ на вопрос о том, мог­­ла бы или нет эво­­лю­ция превратить их в разумные существа, не в последнюю очередь, тре­бу­ет анализа воз­мож­ностей эволюции их легких и сис­те­мы кровооб­ра­­щения в сторону бо­лее высокой эффективности.

Первые теплокровные млекопитающие бы­ли малых размеров – вы­жив­шие выживающие. Генетические задатки их лег­ких и системы кро­во­обращения позволили им увели­чи­вать раз­меры тела. Ин­тенсивный кис­ло­родный обмен определил совершенст­во и богатство ви­дов млеко­пи­та­ю­щих. В частности, он определил возврат в воду как среду обитания от­дель­ных видов мле­ко­питаю­щих, воз­ник­­ших на су­ше.

По прин­ципиальным био­хи­ми­чес­ким особенностям, по сво­им клю­че­вым па­ра­метрам водные и сухо­пут­ные млекопитающие ос­та­ются по­доб­­ными. В их филогенезе (истории эволюции) водная среда была. В их ДНК сох­ра­­нились свя­зан­ные с этим генетические комплексы, неко­то­рые из которых даже работают на начальных стадиях их онто­генеза (рос­та ин­ди­видуума), но потом элиминируются (например, жабры в процес­се вну­триутробного развития). Для дей­ст­вия дарвиновского от­бора в них за­ло­же­ны исходные гене­ти­чес­кие “за­го­тов­ки”. Жабры могут после ис­то­ри­­ческого перерыва начинать ра­ботать в ДНК, которая филогене­ти­чески стала но­вой, более сложной. Они могут вос­про­изводиться с по­мо­щью от­бора как за­пом­ненные слу­чай­ные откло­не­ния. Но тождественности с про­ш­лым результатом их работы быть не может из-за возникших из­ме­не­ний внутренних условий организмов.

В частности, водные млекопитающие не могут сохранить у себя жаб­­­ры, несмотря на то, что они есть у них генетически и реально вы­ра­стают в про­­цессе онтогенеза, а потом атрофируются. Причина физичес­кая – неустранимо низкая концен­т­ра­ция кислорода, растворённого в во­де. Для метаболизма млекопитающих необходимо намного больше кис­ло­рода, чем для рыб. При низкой концентрации кислорода в воде не­об­ходимая для этого гипертрофированная масса жабр несовместима с раз­мер­ами и морфологией других органов млекопитающих. “Ихтиандр” за­конами физики категоричес­ки запрещён. Даже в технических устрой­ст­вах – подводных лодках – ин­женеры не используют растворённый в воде кислород как по­тен­ци­аль­ный источник жизнеобеспечения.

Водную экологическую нишу отличает более вы­сокий коэф­фи­ци­ент теплопередачи, чем в воздухе. Млекопитающие – теп­ло­кров­ны. Опять действует закон куба и квадрата, но по отношению к тепловому ба­­лансу организма. Ко­ли­чество тепла, отдан­ного во внеш­нюю среду, за­ви­сит от поверхности тела. Его про­из­водство – от объёма тела. По­верх­ность растёт как квадрат линей­ного раз­мера тела, а объём – быстрее, про­порционален его кубу. Баланс тепла в организме легче сохранить, ес­ли раз­меры организмов ве­ли­­ки. Киты, дельфины, тюлени и другие вод­ные мле­ко­питающие поэто­му не просто велики, а даже огромны по отно­шению ко многим сухо­пут­ным. Исклю­чения из этого в виде бобров, ку­ниц, морских коти­ков толь­ко под­т­верж­дают это правило, так как они име­ют уникальный мех, защи­ща­ющий их ор­ганиз­мы от переохлаждения, несмотря на отно­си­тельно ма­лые раз­меры тел.

В повышенных потерях тепла в водной среде заключена ещё одна при­­чи­на невозможности для водных млекопитающих вернуться к жаб­рам и стать полностью водными животными. Водная среда не в сос­то­я­нии обеспечить теплокровный организм кислородом в таком коли­чест­ве, кото­ро­го тре­бует поддержание температуры тела. Ге­не­тические воз­мож­ности вер­нуть жабры есть, но отбор, зависящий от внеш­­­них усло­вий – за­прещает это. В результате в системе дыхания и кро­­вообращения вод­ных млекопи­та­ю­щих накапливаются гротескные “урод­­ства”.

Болезнь, шок в виде спазма главных сосудов тела при резком ох­ла­ж­дении в воде, который отбраковывается смертью у сухопутных мле­­ко­питающих, для дельфинов становится важнейшим прис­по­соби­тель­ным приз­наком, так как позволяет под водой снабжать кис­ло­ро­дом только мозг. Большие размеры организма делают время его ох­лаж­дения до­ста­точно большим, несмотря на ограничения в снабжении кисло­ро­дом и со­от­ветственно в производстве тепла. Спазм сосудов, приводящий к снаб­же­нию кислородом под водой толь­ко мозга, для них увеличивает совме­с-ти­мое с выживанием время пре­бывания под водой.

Склонность к ожирению есть распространённое (нередко генети­чес­ки за­дан­ное) нарушение гормонального баланса у млекопитающих. На суше хищники выбраковывают носителей таких генов. В воде, опять-таки по соображениям теплообмена, ожирение становится ведущим по­ло­житель­ным признаком при отборе.

Атрофия рук и ног есть врождён­ный дефект, который не столь уж редко встречается у новорожденных мле­копитаю­щих. На суше выбра­ков­ка таких дефектных генов неизбеж­на. В воде этот дефект становится важнейшим положительным морфоло­ги­ческим при­зна­ком. Регресс со­вершенства части из признаков назем­ных млекопитающих получает ста­тус генетической ос­новы их существования в воде.

Принципиально новое в процессе эволюции жизни возни­кает не как установление равновесия со старой экологи­чес­кой нишей. Оно есть, как правило, скачок, заданный в новых условиях с помощью запоми­на­ния на основе принципа максимума про­из­­вод­­ства энтропии-инфор­ма­ции. Возврат наземных млекопитающих в вод­ную среду такого скачка не содержит. Хотя водные и наземные мле­копита­ю­щие многим ка­жутся су­щественно различными, этот переход есть рег­рес­сивный эво­люционный ес­­тест­венный отбор в условиях существенного изменения условий, отве­ча­ющих равновесию с окружающей средой. Определение – регрессив­ный – в данном случае означает возврат в старую экологическую нишу. Биологически результат отбора всегда есть прогрессивная эволюция, так как он реализует спо­соб­ность к прев­ращениям.