Рыбы с пальцами и жизнь на суше

Когда шарик падает на колесо рулетки, его судьбу нельзя считать совершенно случайной. Он не может, к примеру, отскочить от колеса и прилипнуть к потолку. Он не остановится на перегородке между двумя номерами. Сила тяжести, энергия броска и форма перегородок на колесе заставляют шарик остановиться на одном из номеров. Его судьба будет выбрана из конечного – более того, ограниченного – числа вариантов, но все же она остается непредсказуемой.

То же можно сказать и об эволюции. Она ограничена определенными условиями, но это не означает, что сам процесс разворачивается равномерно и предсказуемо. Внутренние силы эволюции – механизм взаимодействия генов в процессе строительства организма – сталкиваются с внешними силами климата, географии и экологии, такими, например, как атмосферные фронты. Когда внешние и внутренние силы сталкиваются, возникают эволюционные ураганы и торнадо. В результате ученым приходится быть очень осторожными в своих попытках реконструировать ход эволюционных трансформаций – ведь так просто представить простую линейную историю там, где реальность была парадоксально нелогичной.

Итак, 530 млн лет назад эволюция жизни на Земле прошла важный рубеж – в период кембрийского взрыва возникли первые позвоночные. Следующий рубеж был преодолен 360 млн лет назад, когда позвоночные вышли на сушу. За 180 млн лет, которые прошли между этими двумя вехами, позвоночные эволюционировали в громадное число самых разнообразных рыб – включая предков сегодняшних миног, акул, осетров, двоякодышащих рыб, а также вымершие формы, такие как бесчелюстные бронированные галеаспиды и панцирные рыбы. Но за все это время ни одно позвоночное не ходило по суше. Лишь 360 млн лет назад позвоночные наконец вышли из океана на сушу. От тех, первых, произошли все сухопутные позвоночные (обладающие четырьмя конечностями) – все без исключения, начиная с верблюдов, игуан и туканов и заканчивая человеком.

Поначалу ученые склонны были рассматривать этот переход в героическом ключе, как часть некоего заранее предначертанного пути к возникновению человечества. Самые отважные морские рыбы, говорилось в этой героической саге, выползли на сушу, отталкиваясь плавниками, и развили у себя легкие и ноги, которые должны были помочь им завоевать сушу, подняться и достичь вершин. В 1916 г. Ричард Лалл, палеонтолог из Йельского университета, написал: «Выход из ограничивающих вод в неограниченное пространство воздуха был абсолютно необходим для дальнейшего развития».

На самом деле происхождение четвероногих выглядело совершенно иначе, но даже сами палеонтологи подошли к пониманию этого процесса только в 1980‑е гг. До этого времени данных о том, что представляли собой первые четвероногие, было очень мало. Исследователи знали, конечно, что из всех рыб ближе всего к четвероногим были древние лопастепёрые рыбы. Из современных к лопастепёрым относятся двоякодышащие рыбы, живущие в Бразилии, Африке и Австралии. Эти пресноводные рыбы могут дышать воздухом, если их озеро вдруг пересохнет или содержание кислорода в воде резко упадет. Еще один их представитель – кистепёрая рыба целакант, массивное большеротое создание, живущее на глубине нескольких сотен футов у берегов Южной Африки и Индонезии.

Для скелета лопастепёрых рыб характерны некоторые особенности, сближающие их с четвероногими. К примеру, их крепкие мускулистые плавники устроены примерно так же, как наши ноги и руки: одна длинная кость, ближайшая к телу, которая соединяется с парой длинных костей, а те в свою очередь соединяются с группой более мелких косточек. Сегодня двоякодышащие рыбы и целаканты – единственные представители лопастепёрых, но 370 млн лет назад лопастепёрые были в числе самых разнообразных групп рыб. Палеонтолога обнаружили, что некоторые из вымерших лопастепёрых были даже больше похожи на четвероногих, чем ныне живущие виды.

Что касается древнейших четвероногих, палеонтологам тогда был известен всего один вид: существо под названием Ichthyostega, жившее 360 млн лет назад. Это почти метровое четвероногое существо, найденное в 1920‑е гг. в горах Гренландии, очевидно, было четвероногим, но его приплюснутый череп напоминал скорее череп лопастепёрой рыбы, чем черепа более поздних четвероногих.

Палеонтологи сделали вывод: Ichthyostega – продукт долгой борьбы за адаптацию на суше. Американский палеонтолог Альфред Ромер разработал доскональный сценарий такого происхождения четвероногих. Их лопастепёрые предки жили в пресноводных реках и озерах, но изменение климата принесло с собой сезонные засухи, и места обитания этих рыб каждый год стали пересыхать. Уцелели те рыбы, которые смогли переползти по суше в соседнее озеро, остальные погибли. Вообще, больше всего шансов уцелеть было у самых подвижных лопастепёрых рыб, поэтому их плавники постепенно эволюционировали в ноги. Со временем эти рыбы стали так хорошо передвигаться по суше, что смогли охотиться на насекомых и других беспозвоночных, ползавших вокруг по земле; в результате они совсем отказались от жизни в воде.

Сценарий Ромера представлялся достаточно логичным – по крайней мере до тех пор, пока в Гренландии не было найдено второе древнейшее четвероногое. В 1984 г. Дженнифер Клак, палеонтолог из Кембриджского университета, ознакомилась с бумагами кембриджской геологической экспедиции 1970 г. Так получилось, что ученые нашли окаменелости животных, похожих на Ichthyostega, и оставили их буквально перед носом у Клак. В 1987 г. Клак вернулась на место работы первой экспедиции и обнаружила там полный скелет еще одного четвероногого возрастом 360 млн лет; животное получило название Acanthostega.

У Acanthostega есть все необходимые признаки четвероногого, такие как ноги и пальцы на них, но жить это животное могло только в воде. Во‑первых, Клак с коллегами обнаружила на шее животного кости, которые при жизни животного поддерживали жабры. Во‑вторых, его ноги, плечи и бедра были слишком слабыми и просто не выдержали бы на суше вес его тела.

Acanthostega совершенно не вписывалась в сценарий Ромера, но палеонтологи уже понимали, что по крайней мере некоторые из его предположений были ошибочны. На самом деле Acanthostega и другие древнейшие четвероногие жили вовсе не в засушливых суровых условиях, а во влажных и пышных прибрежных зарослях; тогда подобные места обитания только появились на Земле, и берега морей и рек начали зарастать большими деревьями. Засух, которые вроде бы подталкивали рыб к превращению в четвероногих, там не было и быть не могло.

Теперь Клак и другие палеонтологи утверждают, что ноги и пальцы появились у рыб не для того, чтобы ходить по суше, а чтобы лучше передвигаться под водой. При помощи нескольких небольших изменений в работе регуляторных генов, управляющих формированием плавников, эволюция превратила плавники в пальцы. Рыбы с ногами могли теперь карабкаться среди подводных зарослей, цепляться за растения, перебираться через упавшие деревья и другие препятствия. Они могли таиться в засаде, удерживаясь на камнях и поджидая добычу. Такой способ передвижения может показаться нам странным, но некоторые из современных рыб ведут себя почти так же. Рыба‑клоун, к примеру, имеет на плавниках пальцевидные выросты и пользуется ими при передвижении по коралловым рифам.

Теперь уже ясно, что пальцы и ступни, для чего бы они первоначально ни предназначались, возникли отнюдь не потому, что животным захотелось побегать по земле, хотя в настоящее время они используются именно для этого. И вообще, палеонтологи нашли около десятка видов ранних четвероногих, и все они, судя по всему, жили в воде. (Клак и ее коллеги присмотрелись к останкам Ichthyostega более внимательно и пришли к выводу, что это существо, скорее всего, могло, подобно тюленям, перетаскивать свое тело по суше). Тед Дешлер из Академии естественных наук в Филадельфии даже нашел окаменелость совершенно отдельной линии лопастепёрых рыб, у которых пальцевидные кости появились независимо от наших предков. Затем – начиная с 370 и до 360 млн лет назад – у способных ходить по дну лопастепёрых произошел подводный эволюционный взрыв – возникло невероятное разнообразие, что‑то вроде многочисленных цихлид с ногами. И только позже одна из ветвей четвероногих вышла на сушу, и ноги взяли на себя новые функции.

Эволюция часто использует для выполнения новой задачи свойства и органы, возникшие ранее и приспособленные для выполнения совсем других задач (этот процесс носит название «преадаптации» или «экзаптации»). На этот факт, как и на многое другое в эволюции, первым обратил внимание Дарвин. «Когда говорят, что та или иная часть тела приспособлена к выполнению какой‑то определенной задачи, не следует полагать, что и первоначально она формировалась единственно для выполнения этой задачи, – написал он в 1862 г. – Похоже, обычно все происходит иначе, и часть тела, которая первоначально выполняла одну задачу, адаптируется путем медленных изменений к выполнению совершенно иных задач».