Які основні теорії й наукові принципи потрібно знати кожному з нас? Розповідає Маркус Чоун, автор книги «Необхідне і достатнє. Ключ до розуміння найважливіших ідей науки», що перекладена у видавництві «Лабораторія». Він виводить двадцять один короткий розділ, наповнений фактами, історією та біографіями видатних особистостей, де розповідає про прості, але потужні концепції, які пояснюють, чому деякі ідеї є «необхідними» для розуміння світу, а інші — «достатніми» для дещо глибшого занурення.
Чому скакові коні так пристосовані для швидкого бігу на перегонах? Тому що селекціонери ретельно відбирали найшвидших коней із популяції та спаровували їх. Вони повторювали цей процес. Знову й знову. Чому живі істоти так пристосовані до виживання у своєму навколишньому середовищі? Геніальний розум Чарльза Дарвіна допоміг йому зрозуміти, що відповідь на це запитання подібна до вищезгаданого процесу. Так само як люди штучно добирають коней більш пристосованих до швидкого бігу, щось природним способом відбирає диких істот для поліпшеної сумісності з навколишнім середовищем.
Це «щось», що здійснює цей природний добір, оманливо просте. Живі істоти продукують потомства набагато більше, ніж доступно харчування в навколишньому середовищі. Тільки особини з рисами, потрібними для успішного конкурування з іншими за їжу, зможуть вижити, щоб дати потомство й передати ці риси наступному поколінню.
Ця ідея спала на думку Дарвінові після його п’ятирічного перебування як корабельного натураліста на борту корабля Королівського військово-морського флоту Великої Британії «Біґль». Під час морської подорожі навколо Південної Америки між 1831 і 1836 роками він провів чимало спостережень за природними явищами та процесами, а також зробив низку гостроцікавих відкриттів. Зокрема, на Ґалапаґоському архіпелазі він помітив, що в’юрки на різних островах мали незначні відмінності у формі дзьобів. Кожен мав ідеальну форму для споживання саме місцевих горіхів і насіння. Якщо горіхи були великі, то птахи мали короткі, товсті дзьоби для того, щоб розколоти чи відкрити шкаралупу. Якщо ж у раціоні було доступне тільки дрібне насіння, то птахи мали менш масивні дзьоби.
Чому птахи й тварини на Ґалапаґоських островах були так добре пристосовані до наявних джерел їжі? Певні зародки гіпотези та пояснення цього питання почали формуватися тоді, коли Дарвін зрозумів, що істоти на архіпелазі були тільки незначними варіаціями тих, які були поширені на материковій частині Південної Америки за 1000 кілометрів. Було очевидним, що вони походили саме звідти. Але також була вельми підозрілою відсутність багатьох видів тварин і птахів із сусіднього континенту, які з легкістю могли б оселитися й облаштуватися на островах. Звичайно ж, примхливий характер тамтешніх вітрів та океанських течій означав, що тільки невелика група істот була здатна успішно подолати перешкоду у вигляді безкрайнього океану. Ґалапаґоські острови мають вулканічне походження й піднялися над поверхнею моря лише кілька мільйонів років тому. Тут тварини-мандрівники знайшли незаселену пустку. Поступово вони поширилися, заповнюючи всі доступні ніші. В’юрки одного-єдиного типу, наприклад, поширився по всьому архіпелагу, але водночас на кожному острові він розвивався й адаптував форму дзьоба так, щоб якомога краще пристосуватися до споживання місцевої їжі.
Під час своєї подорожі на борту «Біґля» Дарвін іще не знав, що ж саме стимулює зміни в різних видів живих істот і підштовхує їх до ідеального пристосування до навколишнього середовища. Після повернення до Англії у віці двадцяти семи років він дуже прискіпливо ще раз проштудіював свої нотатки про Ґалапаґоський архіпелаг. Поступово він зрозумів, що для його спостережень було одне неймовірно просте пояснення. За будьяких обставин тварини народжують великі виводки потомства, рослини продукують величезну кількість насіння тощо. Але через те, що там бракує їжі, щоби прогодувати таку кількість молодняку, більшість істот просто помирає з голоду. І тут Дарвін зрозумів дуже важливу річ: єдині, хто виживає і потім дає потомство, — це ті, що мають риси, які допомагають їм якнайкраще конкурувати за їжу. І ці властивості передаються у спадок наступним поколінням. Тому з часом у популяції поширюються корисні ознаки за допомогою відсіювання особин із характеристиками, які не сприяють підвищенню життєздатності.
Ось і все. Еволюція через природний добір. Ця ідея була настільки простою, що друг і поборник Дарвіна, Томас Гакслі, зауважив: «Наскільки дурними ми були, що не додумалися до цього раніше». Але, звісно ж, треба бути генієм, щоби крізь усю складність світу природи, від якої голова йде обертом, розгледіти й ідентифікувати простий механізм, що і є джерелом появи всієї цієї різноманітності.
Біолог і письменник Річард Докінз називає еволюцію через природний добір «найвидатнішою ідеєю в історії науки». Ця ідея така чудова, тому що вона пропонує повністю природний механізм утворення таких складних речей, як, наприклад, спеціалізованих дзьобів ґалапаґоських в’юрків, які наштовхують декого на «ілюзію розумного задуму». Однак Докінз іронізує: «Ілюзія розумного задуму настільки успішна, що й донині більшість американців (на жаль, зокрема, багато впливових і заможних) уперто відмовляються вірити, що це ілюзія».
Теорія еволюції через природний добір була плювком в обличчя Церкви, яка проповідувала, що саме Бог створив усіх живих істот у їхній остаточній формі. Тому Дарвін протягом двох десятиліть не наважувався оприлюднити свою теорію, яка була здатна спричинити справжню бурю. Тільки 1858 року, коли він дізнався, що чоловік на ім’я Альфред Рассел Воллес теж висунув схожу ідею під час спостереження за природою Індонезії та Малайзії, він наважився закарбувати свої напрацювання на папері. Результатом стала опублікована 1859 року книга «Про походження видів». Цю книжку ставлять в один ряд із «Математичними основами натуральної філософії» Ньютона як найважливіші праці в історії науки.
Згідно з Дарвіном, усе живе на Землі, що ми можемо спостерігати сьогодні, еволюціонувало протягом незліченних сторіч від спільного предкового організму завдяки процесу природного добору. Ідея йшла в розріз не тільки з біблійним описом створення всього сущого як одноразової події, а й із твердженням Церкви про те, що людей створено за образом Божим. За теорією Дарвіна люди були просто ще одним видом тварин. Уважають, що Вінстон Черчилль якось сказав: «Свині дивляться нам в очі й бачать рівних собі».
Оскільки види зазвичай не еволюціонують протягом людського життя, Дарвін знав, що еволюції через природний добір знадобилися сотні мільйонів (якщо не мільярди) років, щоби створити теперішнє дивовижне розмаїття живих організмів на нашій планеті. Але все-таки еволюцію через природний добір іноді реально спостерігати в дії. У промислово розвиненій північній частині Англії дерева в містах почорніли від сажі, яку викидали в повітря димарі заводів. Метелики п’ядуна березового, які мають світле забарвлення, контрастно виділялися на тлі потемнілих дерев, через що масово ставали легкою здобиччю для птахів. Поступово їх замінили темніші особини, чий камуфляж рятував їм життя. Такі екземпляри були невідомі науці в 1811 році, але вже до 1895 року вони становили 98 % популяції п’ядунів.
Теорію Дарвіна також можна побачити в дії на прикладі вірусів і бактерій, що живуть у ніби прискореному відносно нашого світі. З 2019 року світ був свідком еволюції пандемічного вірусу SARS-CoV-2. Він шаленими темпами породжує штами, які дедалі швидше поширюються серед людей і випереджають своїх конкурентів (інші штами) в смертоносній дарвінівській гонці озброєнь. Подібні перегони існують і серед бактерій. Вона пояснює, чому колись дієві антибіотики з часом стають неефективними. Хоча антибіотик може вбити переважну більшість бактерій, що інфікували людину, деякі особини з популяції бактерій неминуче матимуть ознаки, які забезпечать їх виживання. Отже, кожне наступне покоління міститиме чимраз більшу частку стійких до антибіотиків бактерій, поки врешті-решт антибіотик не стане ні на що не здатним.
Еволюція через природний добір може похизуватися карколомними показниками загублених життів. Коли в XVI сторіччі іспанські конкістадори вдерлися на обидва американські континенти, вони привезли із собою низку хвороб, як-от кір і віспу, до яких ацтеки й інки не мали природного імунітету. Але завдячуючи тому, що протягом сторіч незліченні десятки мільйонів людей у Європі помирали від цих хвороб, конкістадори могли похизуватися імунітетом, адже вони були нащадками тих, хто пережив епідемії та набув певного рівня імунітету. Американський біолог Льюїс Томас зазначив: «Еволюція — це нескінченно довга й нудна гра, в якій за столом залишаються тільки переможці».
Публікація теорії еволюції через природний добір Дарвіна була подвійною авантюрою. По-перше, він прекрасно усвідомлював, що вона йде в розріз із вченням Церкви. По-друге, теорії бракувало двох ключових елементів. Першим був механізм варіації: що саме створює низку нових ознак, з яких природний добір обирає потрібні? Другим відсутнім елементом був механізм успадкування рис.
Спочатку Дарвін думав, що інформація передається з покоління в покоління якоюсь рідиною, яку несе кожен із батьків і яка змішується в потомстві. Однак, якщо брати за аналогію фарбу, то коли ми змішуємо червону й білу фарби, ми отримуємо рожеву, але в результаті червона й біла втрачаються навіки. Тому поєднання таких рідин також мало б змішувати разом риси, водночас деякі було б остаточно втрачено. Ми мали б бачити навколо нас тільки людей із очима блакитно-карого кольору, і більше не було б людей із чисто блакитними або карими очима. Через деякий час змішування таких біологічних рідин мало б призвести до того, що всі істоти в популяції стали б схожими. Але ж на ділі відбувається зовсім інше.
На жаль, тоді Дарвін не знав, що в місті Брно (нині Чеська Республіка) один монах-августинець саме відкрив механізм спадковості, який підкріплював його теорію. Між 1856 і 1863 роками Ґреґор Мендель схрещував різні варіації рослин гороху й відзначав ознаки, які успадковувалися нащадками в повному обсязі.Наприклад, якщо горох із фіолетовими квітами схрестити з рослинами, що мають білі квітки, то в результаті не з’являлося рослини з бузковою квіткою. Але ботанік отримував цілком передбачувану частку білих і передбачувану частку фіолетових квітів. Мендель виявив, що деякі характеристики успадковуються однаково — по одній від кожного з батьків, а деякі риси були більш домінантними, ніж інші. Однак найважливішим виявилося те, що вони успадковуються як дискретні частинки, які неможливо розділити на дрібніші частинки. Що зовсім не схоже на ту суцільну дарвінівську уявну рідину, яку можна змішувати. Пізніше те, що відкрив Мендель, назвуть генами.
Мендель отримав важливу частину головоломки, якої бракувало Дарвіну. А Дарвін мав вирішальний фрагмент головоломки, якого бракувало Менделю. «Мендель і Дарвін були ідеальною парою, — каже британський біолог Стів Джонс. — Сумно, звичайно, що, як і більшості ідеальних пар, їм не судилося зустрітися».
У 1866 році Мендель опублікував свої висновки у виданні Proceedings of the Natural History Society of Brünn. Але цей журнал був настільки маловідомим широкому загалові, що його напрацювання було фактично втрачено. Його заново відкрили тільки 1900 року. Невдовзі американський біолог Томас Гант Морґан почав розводити плодових мушок і помітив, що вони успадковували характеристики за тим самим патерном, що й горох Менделя. Він навіть продемонстрував, що фізичні елементи, відповідальні за спадкові ознаки (гени), розташовані на крихітних волокнистих структурах, які називаються хромосомами. Це стало моментом зародження нової науки — генетики.
***
Більш детальні нюанси спадковості відкрили тільки в другій половині XX сторіччя. Будівельний блок усього живого (біологічний аналог атома) — це клітина. Вона має форму мішечка, наповненого крихітними молекулярними машинами, що плавають у густій в’язкій рідині. У серці кожної клітини є мініклітина, або ядро, що містить хромосоми. Хромосоми складаються з гігантської молекули, яка називається дезоксирибонуклеїновою кислотою, або просто ДНК.
Молекула ДНК має вигляд дволанцюгової закрученої гвинтової драбини. Ядро, або каркас, цієї подвійної спіралі складається з послідовності всього лише чотирьох молекул. Ці базові молекули відомі як основи: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (T); й об’єднуються в пари. A, G, C та T — чотири «літери» генетичного коду. Кожен кодон (або триплет) основ несе в собі код певної амінокислоти. Зі свого боку амінокислоти є будівельними цеглинками білків. Білки — це молекули, які виконують усі види біологічних завдань — від прискорення життєвих хімічних реакцій та сприйняття сонячного світла сітківкою ваших очей до побудови скелета, який не дає вашому тілу розлитися калюжею.
Насправді ген — це коротка ділянка ДНК, яка кодує білок. Ось у цьому й полягає зв’язок із роботою Менделя. Ті успадковані риси, які він виявив, пов’язані саме з генами. До прикладу, певний ген створює білок, який впливає на те, якою виросте горошинка: зморшкуватою чи гладенькою.
ДНК пояснює не тільки механізм успадкування, а й механізм генетичної мінливості. Для того щоб потомство успадкувало риси своїх батьків, їхню ДНК потрібно скопіювати. У випадку ДНК людини треба ідеально точно відтворити 3 мільярди літер. А отже, неминуче виникають помилки. Насправді помилки під час копіювання стаються приблизно один раз на 1 мільярд пар основ. Є безліч можливих помилок під час переписування. Літеру можна скопіювати неправильно. Або якусь послідовність ДНК можна видалити чи продублювати. Також можуть виникати зміни або мутації в генах. Часто їхньою причиною стає ультрафіолетове світло, віруси, канцерогенні хімічні речовини, радіоактивне випромінювання тощо.
Ваші мати й батько передають вам однакові гени, але вони надають різні версії цих генів завдяки випадковим мутаціям у кожній із родинних ліній. Ці варіанти, відомі як алелі, можуть мати вирішальне значення. Наприклад, є ген, який визначає колір волосся. Копія гена вашої матері може нести в собі два варіанти: один зробить вас рудим, інший — брюнетом. Яка версія з двох генів «проявиться» у вас, залежить від того, який ген домінантний, а який — рецесивний.
Є багато причин, чому копія (або алель) гена є домінантною чи рецесивною. Все залежить від конкретного гена. Кожен алель — один від матері й один від батька — утворить дещо інший білок. Але деякі білки «перемагають» своїх побратимів. У найпростішій ситуації один алель утворює зламаний білок. Оскільки зламаний білок нічого не робить, то робочий білок домінує. Хороший приклад рецесивного алеля — це руде волосся. Є білок під назвою MC1R, звичайна робота якого полягає в тому, щоб позбутися червоного пігменту у волоссі та шкірі. Якщо він не працює, відбувається накопичення червоного пігменту, а отже, людина отримує рудий колір волосся.
Отже, ви успадковуєте по версії кожного гена від матері й батька. Так ви успадковуєте деякі риси від вашої матері й деякі від вашого батька. Результат такого змішування випадковий і схожий на перемішування двох колод карт. Ось як секс максимально збільшує ймовірність появи нових рис у потомстві.
Зрештою, еволюційна теорія Дарвіна говорить нам, що кожна клітина на Землі еволюціонувала завдяки процесу природного добору від спільного предка, що з’явився на планеті близько 4 мільярдів років тому. Ця перша клітина називається «останнім універсальним спільним предком» (last universal common ancestor, LUCA). Ніхто точно не знає, як виник цей предок, адже навіть найпростіша клітина є дуже складною біологічною машиною. Помилки, або мутації, у генах стабільними темпами накопичуються протягом тривалого часу. Отже, якщо в одного виду істот мутацій певного гена вдвічі більше, ніж в іншого виду, то ми можемо сказати, що він відокремився від спільного предка вдвічі раніше. Ось як побудоване сучасне дерево життя, яке першим уявив та описав Чарльз Дарвін. Однак бактерії мають незручну звичку: вони вміють не тільки передавати ДНК своїм нащадкам, а й обмінюватися своїми ДНК одна з одною. Це означає, що поблизу від LUCA дерево життя більше схоже не на дерево, а на непрохідну хащу.
У фізиці горизонт подій чорної діри є точкою неповернення для матерії, що падає в неї. Він маскує чорну діру, через що ми не можемо бачити її внутрішню частину. Так само біологи говорять про біологічний горизонт подій, за яким нічого неможливо розпізнати. Саме там, на жаль, і ховається останній універсальний предок.
