эволюция

Художник Иван Лаппер "Эволюция лондонского Тауэра"

Лавкрафт был прав!

Правда ли, что человечество глупеет?

Есть такая шутка: количество интеллекта на планете — величина постоянная, а население всё время растёт. Но действительно ли это стопроцентная шутка? Или мы всё-таки становимся глупее? Дело в том, что за последние 25 тыс. лет наш мозг стал меньше. Об этом и о превратностях эволюции человека рассказывает в очередном выпуске наших друзей — канала Sci-One TV — антрополог Станислав Дробышевский. 

- Размер и форма менялись не синхронно. Как правило, сначала немножко увеличивался размер, потом менялась форма. И даже разные части мозга менялась не одновременно.

Нам известны не все детали этой эволюции, но в её задачи никогда не входило создание больших мозгов. Каждое следующее изменение строения, размера, формы, функции было ответом на какие-то внешние условия. Менялась среда, жизнь ставила новые задачи, организм давал новые ответы. И чаще всего получалось так, что ответ был в виде ещё большего поумнения. Видимо, в немалой степени потому, что умнели не только люди. Если посмотреть на эволюцию каких угодно животных, то цефализация — увеличение головного мозга — характерна для всех. Поэтому, поскольку наши предки жили не в вакууме, они общались с другими существами. Охотились на них, убегали от тех, кто охотился на них самих. И они должны были делать это всё лучше и лучше, потому что другие существа убегали и охотились всё лучше и лучше. Бегать так же быстро, как антилопа, у человека не получится никогда, а перехитрить антилопу — это можно. Но тут надо умнеть опережающими темпами, что наши предки и делали.

Иногда условия оказываются такими, что можно не только не умнеть, а даже немножко поглупеть. И в эволюции есть как минимум два таких примера. Первый — так называемые хоббиты Флореса, древние люди, жившие в промежутке где-то от 190 до 50 тыс. лет назад на маленьком острове Флоресе в Индонезии. Их предки попали туда порядка миллиона лет назад, скорее всего, с Явы. Это были классические образцовые яванские питекантропы. 

За последующие несколько сотен тысяч лет они катастрофически уменьшились в размерах. Как показывают новейшие исследования, их мозг стал весить 420 граммов и менее. Притом, что у предков-питекантропов мозг был около килограмма. Конечно, не как у нас, но даже килограмм — это не так уж мало. Этого вполне хватало, чтобы делать каменные орудия, охотиться на животных, и прочее в том же духе, то есть это были вполне себе люди. А у Homo floresiensis мозги достигли уровня австралопитеков и современных шимпанзе. 

При этом, что удивительно, они не перестали изготавливать орудия, которые тоже уменьшились в размерах. Первые орудия на Флоресе — это здоровые булыжники, каменные рубила. У хоббитов они превратились в маленькие отщепки, потому что лапка у них уменьшилась. Хоббиты охотились на животных, фауна там была очень своеобразная: гигантские полуметровые крысы, вараны, карликовые слоны стегодоны под два метра ростом. Но и сами охотники были в два раза ниже. А ещё там были гигантские аисты, высотой примерно 1,8 м. При росте хоббитов в метр это, в общем, впечатляло.

Жизнь у этих хоббитов была не сказать, что прямо очень сказочной, потому что за ними гонялись те же аисты или вараны. Но слишком большого интеллекта, чтобы убежать от варана или поймать крысу, не надо. Со слоном, наверное, посложнее, но, как показывает архитектурная практика, хоббиты охотились на молодых стегодонов. Наверное, потому что те были ещё неопытными. А может, просто находили туши умерших слонов.

Второй пример уменьшения мозга в ходе эволюции — это, как ни странно, мы сами. В эпоху верхнего палеолита — с 40 до 25 тыс. лет назад — средний размер мозга мужчин был 1500 граммов. А у современных мужчин — уже 1400 граммов. Понятно, что это среднее значение по планете, и существует довольно большой разброс от группы к группе, в зависимости от территории. В некоторых группах размер мозга стал даже больше. Например, самые большие мозги сегодня у казахов, бурятов и монголов, ещё больше, чем во времена палеолита. Но в целом по планете динамика отрицательная. 100 граммов — разница не видовая, но довольно приличная. И встаёт большой острый вопрос: почему так произошло? Уменьшение размеров мозга является следствием того, что мы стали глупее, или это прошло безнаказанно?

Есть две основные точки зрения. Первая — оптимистичная. Согласно этой точке зрения, мозг стал меньше, но при этом сложнее на уровне строения нейронов, синапсов, химии нейромедиаторов и т.д., поэтому мы стали умнее. И действительно, практика показывает, что от размера мозга интеллект современного человека не особо зависит. Снижение интеллекта наблюдается при массе мозга менее 700 граммов. А всё, что больше, уже не коррелирует со степенью развитости ума. Важнее не количество нервной ткани, а количество связей между нейронами, способность к передаче импульса, скорость передачи, ветвление дендритов и многое другое. Нам почти неизвестны такие подробности строения мозга кроманьонцев, первых сапиенсов. Поэтому версия о том, что мозг стал сложнее, на данный момент недоказуема. Но, в принципе, она проверяема, потому что нам известна вся генетическая информация древних людей. И если бы мы знали, как в генах закодировано формирование мозга, то могли бы оценить его строение у древних кроманьонцев. К сожалению, ни один современный генетик этого не знает.

Вторая точка зрения состоит в том, что биохимия и нейронная структура мозга кроманьонцев принципиально была такой же, как сейчас. Я разделяю это мнение, поскольку с точки зрения эволюции прошло не так много времени. Если сравнить кроманьонцев с современными людьми по строению лица, кисти, стопы и позвоночника, различия будут едва заметны, на грани статистической погрешности. Скорее всего, и мозг тоже изменился слабо, за исключением его размера. 

Возможно, уменьшение на 100 граммов сделало нас индивидуально чуть-чуть глупее. Ведь нам не надо быть такими же умными, как кроманьонцы. 25 тыс. лет назад кроманьонец должен был за первые 10 лет своей жизни научиться делать орудия труда, зажигать огонь, строить жилище, охотиться на мамонтов, сайгаков, зебр, кенгуру, кого угодно, знать ядовитые и съедобные растения и грибы, как спасаться от хищников. И он не имел права на ошибку, потому что в группах не было большого количества опытных людей, не было стариков, не было письменности. Кроманьонец должен был запоминать с первого раза и навсегда, и очень быстро соображать, чтобы выжить. Отбор шёл жёсткий. Нужно было не только самому поскорее всему научиться, но и в темпе вальса научить своих детей.

С течением времени стала расти продолжительность жизни, появились бабушки, дедушки и письменность; появились ясли, детские сады, школы и университеты; появилась возможность всему научиться в любой момент. Уже не надо — да и невозможно — знать всё на свете, каждый из нас знаком лишь с маленьким фрагментом мироздания. Например, я знаю, как рассказывать про наших предков, про наше прошлое и немножко про будущее, а как выжить в лесу зимой, я не знаю. Как и подавляющее большинство современных людей. Есть мега-выживальщики, но вряд ли они знают, например, как сделаны их ботинки. Каждый человек знает лишь крохотный кусочек мозаики, а общую картину никто не сможет охватить разумом. Зато нам, для нашего кусочка мозаики, не нужно слишком много мозгов. И так вполне можно жить. Даже когда человек рождается с маленьким мозгом, и, может быть, с пониженным способностями, то ему и этого хватает, чтобы заниматься каким-то конкретным делом. И поэтому генофонд современных людей за последние тысячи лет всё время разбавлялся генами владельцев не самых выдающихся мозгов. 

Если эта тенденция будет продолжаться, — а численность населения растёт, специализация усиливается, — то мозг может уменьшаться и дальше. Даже хоббиты с их 400 граммами в голове делали орудия труда. Так что дальнейшая эволюция нашего мозга зависит только от того, в каких условиях будут жить наши потомки, какие условия они сами себе создадут. Пока у нас больше получается ломать свою среду обитания, но хочется верить, что мы всё-таки не зря называемся Homo sapiens. 

Всем успешной эволюции, и да пребудет с вами наука!

Настенная роспись, Рим, Италия.

Радиоактивные люди

  В аргентинских Андах шведские учёные нашли людей, организм которых за несколько тысячелетий приспособился к токсичному воздействию мышьяка 

  Аргентинская деревушка Сан-Антонио-де-лос-Кобрес находится высоко в горах, в пустыне Атакама. Сюда, на высоту 4 тысячи метров, можно добраться по официально «самой страшной железной дороге мира», убегающей серпантином вверх. По прибытии отчаянных туристов у поезда встречают местные жители, продающие яркие полосатые пончо из шерсти гуанако. Интересно, что все эти люди мутанты в буквальном смысле слова. Благодаря наличию AS3MT в организме местного населения (а их в аргентинской деревне порядка 5 тысяч человек) удивительным образом утилизируется мышьяк. Они могут принять смертельную дозу яда и даже не заметить этого: большая часть отравы выводится организмом с мочой.

  Результаты открытия опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

— Ген AS3MT(Аrsenite methyltransferase) обеспечивает выработку фермента, нейтрализующего токсическое действие мышьяка. Это первый в истории науки случай естественного отбора людей по принципу толерантности к мышьяку, — рассказала «Огоньку» генетик Каролинского института Швеции Карин Броберг, которая стала первооткрывателем нового типа человека. — Можно сказать, что нам удалось увидеть недавние эволюционные изменения в организме современного человека.

  Сделать открытие ученым помогли мумии, обнаруженные в пустыне Атаками пару лет назад. Высушенные тела возрастом 7000 лет неплохо сохранились под масками из глины и рыбьего клея, но особенно поразил ученых химический состав волос — они были пропитаны мышьяком. Оказалось, что почва здесь представляет собой километры вулканических пород, содержащих огромное количество тяжелых металлов, в том числе мышьяка. В подземных источниках его здесь примерно в 20 раз больше безопасного уровня (0,01 микрограмма на литр). Люди пришли сюда около 11 тысяч лет назад, а полезная мутация закрепилась, судя по всему, примерно 7-8 тысяч лет назад — в образцах более ранних захоронений ген AS3MT не обнаружен.

— Мы планируем найти подобные случаи адаптации к мышьяку в других местах, — говорит профессор Карин Броберг. — Кроме того, было бы интересно узнать, какие еще токсичные вещества из окружающей среды или пищевых продуктов человек научился усваивать в процессе эволюции.

Что поведал ардипитек

 В последующие годы коллекция костных остатков ардипитека значительно пополнилась и сейчас насчитывает 109 образцов. Самой большой удачей стала находка значительной части скелета особи женского пола, которую ученые торжественно представили журналистам и широкой публике под именем Арди. В официальных документах Арди значится как скелет ARA-VP-6/500.

  Одиннадцать статей, опубликованных в спецвыпуске Science, подвели итоги многолетней работы большого международного исследовательского коллектива. Публикация этих статей и их главная героиня Арди были широко разрекламированы, но это отнюдь не пустая шумиха, потому что изучение костей ардипитека действительно позволило подробнее и точнее реконструировать ранние этапы эволюции гоминид.

  Подтвердилось предположение, высказанное ранее на основе первых фрагментарных находок, что A. ramidus — прекрасный кандидат на роль переходного звена (кандидат, а не просто переходное звено, потому что нельзя строго доказать по ископаемым костям, что кто-то был чьим-то предком или потомком. Однако во многих случаях об этом можно судить с большой степенью уверенности, как, например, в случае Арди) между общим предком человека и шимпанзе (к этому предку, по-видимому были близки оррорин и сахелянтроп) и более поздними гоминидами — австралопитеками, от которых, в свою очередь, произошли первые представители рода людей (Homo).

  Вплоть до 2009 года самым древним из детально изученных гоминид была Люси, афарский австралопитек, живший около 3,2 млн лет назад (Джохансон, Иди, 1984). Все более древние виды (в порядке возрастания древности: Australopithecus anamensis, Ardipithecus ramidus, Ardipithecus kadabba, Orrorin tugenensis, Sahelanthropus chadensis) были изучены на основе фрагментарного материала. Соответственно, наши знания об их строении, образе жизни и эволюции тоже оставались фрагментарными и неточными. И вот теперь почетное звание самой древней из хорошо изученных гоминид торжественно перешло от Люси к Арди.

Зарождение языка и речи

  "Дети способны создавать собственные, никогда не существовавшие языки. В 1986 г. лингвисту из Университета Южного Мэна Джуди Кегль(русский интернет не знает Джуди Кегль,он знает лишь Judy Shepard-Kegl,если кто искать будет) удалось наблюдать рождение одного такого языка.

  В тот год Кегль отправилась в Никарагуа, намереваясь побывать в школах для глухих детей. Никарагуанское правительство организовало несколько таких школ в начале 1980-х, но дело шло туго. Попадая в школу, дети, как правило, знали только несколько простых жестов, придуманных ими в общении с родителями. В школах детей не обучали настоящему языку жестов, а пытались ограничиться лишь «пальцевым письмом», где различные знаки представляют отдельные буквы. Считалось, что пальцевое письмо должно помочь ученикам перейти к произнесению слов, но, поскольку дети совершенно не представляли, чему их пытаются научить, проект провалился.

  Учителя заметили, что, хотя дети достигают понимания с ними с большим трудом, между собой они общаются свободно. Никто из них уже не пользовался жалким набором жестов, привезенных из дома. Общение шло при помощи богатой новой системы, непонятной учителям. Кегль попросили приехать в школы и помочь учителям разобраться в происходящем.

  Выяснилось, что тинейджеры в средней школе пользовались примитивным пиджином, собранным из придуманных ими жестов, понятных им всем. Но младшие дети в начальной школе занимались гораздо более сложными вещами. Кегль с изумлением увидела, как они сигналят друг другу с пулеметной скоростью, причем их «фразы» несли в себе ритм и логику. Все свидетельствовало о том, что между ними в ходу настоящий язык жестов, обладающий собственной грамматикой. Чем младше были дети, тем более бегло они изъяснялись на этом таинственном языке. «По одному тому, как были организованы и структурированы их жесты, можно было понять, что здесь происходит что-то необычное, — рассказывает Кегль. — Вскоре стало ясно, что я наблюдаю раннюю стадию рождения языка».

  Первые несколько лет Кегль работала над расшифровкой этого языка без особенного успеха. Иногда удавалось узнать расшифровку знака или фразы у детей, иногда приходилось просто наблюдать за долгими разговорами. В 1990 г. Кегль вместе с детьми начала смотреть мультфильмы; она просила детей объяснить ей, что происходит на экране. Мультфильмы и стали для ученого новым Розеттским камнем.

  Кегль обнаружила, что жесты детей изящны, умны и выразительны. На пиджине, которым пользовались подростки, слово «говорить» обозначалось жестом, в котором все пять пальцев разводились и вновь соединялись перед губами. Дети воспользовались этим подражательным жестом и усилили его: они открывали пальцы на позиции говорящего и вновь смыкали на позиции того, к кому была обращена речь. Они также изобрели способ пользоваться предлогами вместо глаголов. Фраза «Чашка стоит на столе» (The cup is on the table) жестами никарагуанцев выражалась примерно как «Стол чашка на» (Table cup ons). Хотя англоговорящему человеку такое построение может показаться диким, другие языки — к примеру, язык индейцев навахо — регулярно им пользуются.

  Много лет, с самого первого своего визита в Никарагуа, Кегль вместе с общиной глухонемых составляла словарь нового языка жестов. На настоящий момент в словаре более 1600 слов. Одновременно она разработала теорию происхождения этого языка. Дети приезжали в школы, не имея других средств общения кроме нескольких простых жестов, причем у каждого жесты были свои. Дети объединили их в общий набор и получали пиджин, которым в момент появления ученого уже пользовались подростки. Затем в школе появились дети помладше, чей мозг был настроен на восприятие языка; они подхватили жесты старших детей и обогатили их грамматикой. Маленькие дети вдруг, на пустом месте создали язык, который с самого начала был не менее сложным и полным, чем любой из традиционных звуковых языков. А стоило настоящему языку появиться, и новые впечатления детей начали обогащать его новыми словами.

<..>

  Мы, люди современного типа, используем для членораздельной речи очень своеобразный анатомический аппарат; ни у одного млекопитающего, помимо человека, ничего подобного нет. У других млекопитающих — включая шимпанзе — гортань располагается высоко в горле. Такое устройство позволяет животным дышать одновременно с поглощением пищи или питья, потому что дыхательные пути и пищевод полностью разделены. Но по этой же причине голосовой тракт — от гортани до рта — получается очень коротким. Языку просто не хватает места для того, чтобы свободно двигаться и производить сложные звуки.

Циммер К. «Эволюция. Триумф идеи». М.: Альпина нон-фикшн, 2012. Стр. 441-449.

Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек

С помощью имитации куска пористой породы из сети крошечных стеклянных капиллярных трубок, которые нагревали с одной стороны, группа немецких ученых создала условия, в которых может быть достигнута стабильная репликация длинных цепочек нуклеиновых кислот (главная предпосылка для возникновения жизни на Земле) и преодолены термодинамические причины их деградации. Ученые предполагают, что на ранних стадиях эволюции Земли такие условия могли возникать в потоке тепловой энергии через пористые породы вблизи гидротермальных источников.

Механизмы репликации нуклеиновых кислот занимают центральное место в теории происхождения жизни на Земле. Согласно этой теории, функцию хранения генетической информации и катализа химических реакций первоначально выполняли комплексы молекул рибонуклеиновых кислот. В ходе дальнейшей эволюции они были заменены комплексами ДНК-РНК-белок, обособленными от внешней среды мембраной. В ходе первичной эволюции на Земле полимеры нуклеиновых кислот должны были постепенно увеличиваться в размере, для того чтобы они смогли принять на себя функцию хранения и воспроизведения информации, которая необходима для нормального функционирования живых организмов. Например, даже самый маленький известный в науке геном бактерии Carsonella (внутриклеточный симбионт насекомых листоблошек) насчитывает 159 662 пар оснований, что в тысячи раз длиннее «геномов» самореплицирующихся рибозимов.

Однако еще в конце 1960-х эксперименты по искусственной эволюции нуклеиновых кислот in vitro (в пробирке) показали, что генетическая информация из длинных молекул нуклеиновых кислот быстро теряется. Происходит это потому, что для самовоспроизведения коротких молекул полимеров требуется меньше материала. Скорость их синтеза намного выше, и это приводит к тому, что короткие молекулы постепенно вытесняют из реакционной среды более длинные молекулы генетических полимеров. Более того, если мутации в процессе репликации могут изменить длину последовательности нуклеинового полимера, то «выживание» только коротких последовательностей — практически неизбежный эволюционный финал.

Так, Сол Шпигельман с коллегами в своих классических исследованиях ввели РНК, выделенную из простого бактериофага Qв, в реакционную смесь, которая содержала фермент репликации РНК того же вируса Qв (так называемая РНК-зависимая РНК полимераза, или РНК-репликаза) и материал для построения новых РНК — одиночные нуклеотиды. В этой среде запустился процесс синтеза новых молекул-копий вирусной РНК. Через некоторое время из исходного раствора небольшая часть синтезированной РНК была перенесена в пробирку со свежей реакционной смесью. Этот процесс регулярно повторяли (см. D. Kacian et al., 1972. A Replicating RNA Molecule Suitable for a Detailed Analysis of Extracellular Evolution and Replication).

В результате через 74 цикла подобных переносов оригинальная цепь, состоявшая из 4500 нуклеотидных оснований, трансформировалась в карликовый геном, содержавший всего 218 оснований. Полученный таким образом Шпигельмановский монстр был способен к очень быстрому размножению. Позднее, в 1997 году, было показано, что в ходе дальнейшей эволюции монстр Шпигельмана становится еще короче. Его «геном» редуцируется всего до 48 или 54 нуклеотидов, которые просто являются местами связывания фермента РНК-репликазы (F. Oehlenschläger, M. Eigen, 1997. 30 Years Later — a New Approach to Sol Spiegelman's and Leslie Orgel's in vitro EVOLUTIONARY STUDIES Dedicated to Leslie Orgel on the occasion of his 70th birthday).

Следовательно, возникает совершенно закономерный вопрос: каким же образом в ходе ранних стадий земной эволюции самопроизвольно протекающий процесс редукции наследственного материала мог бы быть преодолен? Как раз на него и попытались ответить немецкие ученые из Центра нанонауки Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана. Они предположили, что довольно простые физические процессы, которые лежат в основе модели выживания более длинных молекул (рис. 1), могут встречаться в естественных условиях в пористых горных породах вблизи гидротермальных источников.

Прежде всего, необходим тепловой поток через небольшие поры, который создает внутри пор температурный градиент. Внешний поток приносит в открытую пору молекулы полимеров разной длины. Подогрев с одной стороны поры слегка уменьшает плотность жидкости, она начинает подниматься по этой стороне. Молекулы полимеров растут, получая строительный материал из внешнего потока, перемещаются в результате диффузии к более холодной части поры и там осаждаются более холодным нисходящим потоком жидкости (движение молекул из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой называют термофорезом). В итоге, из-за разности температур, возникает микроциркуляция воды, которая и удерживает более длинные молекулы полимеров, а более короткие молекулы вымываются из поры. Авторы отмечают также, что местная конвекция, которая переносит молекулы постоянно между теплой и холодной зонами, вызывает их циклическую денатурацию. Денатурация ДНК заключается в расплетании и разделении цепей (без разрыва ковалентных связей), что способствует репликации молекул полимеров. Таким образом, сочетание внешнего притока, термофореза и конвекции избирательно улавливает длинные молекулы и вымывает короткие, а общая скорость внешнего притока определяет предельный размер молекул, которые будут «выживать» в данных условиях.

Чтобы проверить эту гипотезу, Браун и его коллеги создали имитацию куска пористой породы из сети крошечных стеклянных капиллярных трубок, которые нагревали с одной из сторон. Они проделали целую серию опытов, в которых отдельно исследовали накопление молекул в капиллярах и фракционирование молекул в тепловом фильтре (рис. 2).

И конечно же, они изучали действие отбора в созданных ими условиях в популяции реплицирующихся молекул (рис. 3). В последнем эксперименте в раствор вводили термостабильную ДНК-полимеразу (см. также Taq polymerase). В экспериментах они использовали не фрагменты РНК, а фрагменты ДНК. Фрагменты ДНК намного проще получить в лабораторных условиях, а процессы взаимодействия молекул ДНК и РНК со средой очень сходны.

Как только исследователи стали проводить эксперименты, они тут же обнаружили, что более длинные цепочки ДНК чаще сохранялись в капиллярах, чем более короткие (рис. 2). В результате более длинные цепочки полимеров воспроизводились намного лучше внутри поры и их число увеличивалось, в то время как более короткие последовательности сократили «численность» настолько, что в итоге они вымерли (рис. 3).

Таким образом, Брауну и его коллегам удалось подобрать такие экспериментальные условиях, в которых стабильно сохранялись цепочки нуклеиновых кислот длиннее монстра Шпигельмана приблизительно в 4 раза. Более того, так как скорость притока определяет предельный размер сохраняющихся в капиллярах молекул, то принципиально возможно подобрать такие условия, при которых будут «выживать» еще более длинные молекулы полимеров.

Другой интересной особенностью проведенного эксперимента был процесс «расселения» полимеров. Когда репликация и захват молекул внутри поры достигают устойчивого состояния, то вновь реплицированные молекулы покидают ловушку-пору вместе с «кормовым» потоком. Это обеспечивает эффективную передачу генетических полимеров в соседние системы пор.

Авторы публикации отмечают, что если в представленную систему ввести процесс мутирования, то такие эксперименты предоставляют захватывающую возможность изучать механизмы дарвиновской эволюции, которые могли бы протекать среди населения молекул в температурных градиентах ранней Земли.

Обсуждаемая статья: Moritz Kreysing, Lorenz Keil, Simon Lanzmich & Dieter Braun. Heatflux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length // Nature Chemistry. Published online 26 January 2015. Doi:10.1038/nchem.2155.

Автор:Владимир Гриньков

Источник: http://elementy.ru/news/432432