Революция в систематике

Систематику считают наиболее традиционным и консервативным разделом биологии. Классы, отряды, семейства, роды, виды... В эпоху молекулярной биологии кому все это интересно?

На самом деле интересно. Во все эпохи находилось некоторое число исследователей, которые занимались этим странным делом. Серьезные люди смотрели на них как на блаженных. «Он химик, он ботаник, князь Федор, мой племянник», — с иронией говорила светская дама из «Горя от ума».

В конце XIX века химики стали выглядеть более респектабельно, в то время как на «ботаников» продолжали смотреть с удивлением. При этом в общую категорию «ботаников» широкая общественность включала всех систематиков — не только растений, но и червей, насекомых, рыб, птиц и т. д.

К началу ХХ века систематика казалась полностью завершенной (как, впрочем, и классическая физика). Оставалось лишь нанести несколько заключительных мазков... Оказалось, однако, что все не так. Систематику пришлось не достраивать, а перестраивать. И на уровне самых крупных групп — царств и отделов, и на уровне групп более мелких.

Для этого, вообще говоря, были две причины. Во-первых, появилась возможность изучать достаточно тонкие детали строения клеток. Это изучение показало, что клетки разных живых организмов вовсе не так одинаковы, как казалось раньше. Особенности строения клеток стали рассматриваться как важный признак, характеризующий большие группы живых организмов.

Имелась и вторая причина. Молекулярные биологи научились определять последовательность аминокислот в белках и последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, и это умение стали использовать в систематике.

Поговорим об этом более подробно. Предположим, что мы сравнили последовательности нуклеотидов в каком-то гене у разных животных. Эти последовательности будут похожими, но не совсем одинаковыми, поскольку достаточно длительное время виды не были генетически связанными и эволюционировали независимо друг от друга. При определенных допущениях (о которых мы здесь говорить не будем) получается, что число различий в нуклеотидных последовательностях у двух видов будет прямо пропорциональным времени, прошедшему с момента расхождения эволюционных ветвей, ведущих к этим видам.

Таким образом, сравнивая аминокислотные и нуклеотидные последовательности двух видов, мы можем сказать, насколько давно жил их последний общий предок. Если же мы проведем такое сравнение для нескольких видов, то можно будет построить эволюционное дерево для целой группы. А ветвям этого дерева присвоить ранг отрядов или семейств.

Традиционная систематика — не столько наука, сколько искусство. Специалист, занимающийся той или иной группой, должен был анализировать множество признаков и решать, какие признаки свидетельствуют о родстве, а какие — нет. Анализ нуклеотидных последовательностей породил надежды на то, что систематика в недалеком будущем превратится в строгую науку. А для успешных занятий систематикой вовсе не нужно будет видеть изучаемые объекты живьем — достаточно изучить последовательности нуклеотидов в том или ином гене.

Если этот прогноз оправдается, то будет очень жалко. Исчезнет одна из субкультур, и жизнь человеческого общества станет менее красочной.

В старые добрые времена весь мир живых организмов делили на царство растений и царство животных. При этом к растениям относили и водоросли, и грибы, и бактерии. Царства растений делили на отделы, царства животных — на типы, и так далее.

Эту красивую схему портило постепенное осознание того факта, что клетки бактерий и клетки остальных «растений» устроены принципиально по-разному. В клетках бактерий нет отделенного от цитоплазмы ядра, совершенно по-другому устроена клеточная оболочка, нет внутриклеточных нитей, позволяющих тянуть крупные частицы, перемещая их из одного места в другое. Осознание глубины этих различий привело к появлению терминов «прокариоты» и «эукариоты». Прокариоты — это бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли (более точно другое название — цианобактерии), в клетках которых нет отделенного от цитоплазмы ядра. Эукариоты — это все остальные.

Понятия «прокариоты» и «эукариоты» ввел в 1925 году Эдвард Шаттон, предлагавший выделить прокариот в самостоятельное царство, но потребовалось еще более четверти века для того, чтобы осознать, что различия между прокариотами и эукариотами очень глубоки, гораздо глубже, чем различия между растениями и животными. Это осознание позволило Херберту Коупланду (1947,1956) и Роберту Уиттакеру (1959) предложить новые системы животного мира.

Оба автора вслед за Шаттоном выделили прокариот в самостоятельное царство. Кроме того, они исключили водоросли из царства растений и так называемых простейших животных — из царства животных, объединив их в царство протистов. Уиттакер исключил грибы из царства растений, превратив их в самостоятельное царство.

По системе Уиттакера, существовало уже не два, а пять царств: прокариоты (монеры), протисты, растения, грибы, животные, причем прокариоты неявно противопоставлялись всем остальным.

В конце 1970-х годов научный мир обратил внимание на так называемых архебактерий. Оказалось, что существует небольшая группа прокариот, клетки которых по своему химическому составу ближе к эукариотам, чем к прокариотам. После непродолжительных дискуссий стало очевидно, что прокариот следует разделить на два царства: настоящих бактерий (эубактерий) и архебактерий. Это разделение было обосновано в работах Карла Везе.

Царств стало шесть, с вирусами семь. Революционные изменения в систематике набирали скорость. Их следующей «жертвой» сделалось царство протистов — просто устроенных эукариот.

В учебниках зоологии традиционно рассматривается тип простейших животных, который относят к царству животных. Так было до работ Коупланда и Уиттакера, так продолжается и по сей день (с той только разницей, что теперь этот тип произвели в подцарство), поскольку преподавать по старинке привычнее и удобнее. А в учебниках по ботанике рассматривается около десятка отделов водорослей, связи между которыми остаются непонятными. Иногда их относят к царству растений, а иногда и не относят. Некоторые группы организмов (эвгленовые, динофлагелляты) рассматриваются и в курсе зоологии, и в курсе ботаники, причем зоологи считают их отрядами класса жгутиконосцев, а ботаники — отделами царства растений. Полный беспорядок!

Системы Коупланда и Уиттакера попытались его устранить, назвав простейших животных и одноклеточные водоросли не растениями и животными, а протистами. Но явная сборность этой группы бросалась в глаза и побуждала систематиков создавать системы, в которых протисты были разделены на много царств.

В 1984 году Гордн Лидейл разделил мир живых организмов на 17 царств, большинство из которых возникли в результате распада царства протистов. После этого начался бум многоцарственных систем, продолжающийся и поныне.

Так сколько же царств живых организмов признает современная биология? Ответить на этот вопрос затруднительно. Каждый год выходят работы с новыми вариантами разделения на царства. Невольно вспоминается популярный в среде физиков стишок: Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон. Но Сатана недолго ждал реванша, Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше. Изменения происходят не только на уровне царств, но и на уровне значительно меньших систематических групп. Давайте посмотрим, что за последний десяток лет произошло с такой, казалось бы, хорошо изученной группой, как плацентарные млекопитающие. Для тех, кто забыл школьную биологию, напоминаю, что современные млекопитающие делятся на яйцекладущих (утконос, ехидна), сумчатых (опоссумы, кенгуру и другие животные, выращивающие детей в сумке) и плацентарных (всех остальных, которые рождают живых детенышей).

Исследования генов и геномов животных, проводившиеся в последние годы в разных лабораториях, неожиданно показали, что плацентарные млекопитающие делятся на четыре группы.

Первая группа получила название Laurasiotheria (азиатские звери). К ней относятся обитающие в России представители отряда насекомоядных (кроты, ежи, бурозубки и т. д.), а также представители отрядов рукокрылых (летучих мышей), хищных, непарнокопытных (лошади, носороги), парнокопытных (свиньи, олени, антилопы, быки, козы, овцы), китообразных, ластоногих, а также некоторых других мелких отрядов. По своему происхождению эта группа связана с Европой, Азией и Северной Америкой.

Вторая группа — Afrotheria (африканские звери). К ней относятся обитающие в Африке и на Мадагаскаре представители отряда насекомоядных (прыгунчики, тенреки, златокроты и т. д.), хоботные, даманы, сирены (ламантин, вымершая стеллерова корова и др.). По своему происхождению эта группа связана с Африкой.

Третью группу назвали Euarchontoglires. К ней относятся приматы, грызуны, зайцеобразные и некоторые другие.

Четвертая группа, неполнозубые, включает единственный отряд неполнозубых (ленивцы, броненосцы, муравьеды), все представители которых живут в Южной Америке.

В чем принципиальная революционность полученных результатов?

Во-первых, приказал долго жить отряд насекомоядных, объединяющий наиболее примитивных плацентарных млекопитающих. О том, что отряд насекомоядных представляет собой сборную группу и должен быть расформирован, зоологи говорили давно и не раз. Теперь под эту точку зрения подведена серьезная молекулярная база. Насекомоядных несомненно следует разделить на два отряда, которые можно условно назвать «насекомоядные-1» в группе азиатских зверей и «насекомоядные-2» в группе африканских зверей.

Непонятен статус живущего на Кубе редкого млекопитающего щелезуба. По традиционной системе он относился к насекомоядным, однако же по своим генам он не похож ни на насекомоядных-1, ни на насекомоядных-2. Достоверно отнести его в одну из четырех групп плацентарных млекопитающих не удается. Возможно, что щелезуб — это пятая группа и для него придется ввести новый отряд «насекомоядные-3».

Во-вторых, выявлено совершенно неожиданное родство приматов и грызунов. Оказывается, человек довольно-таки близок к крысе. Кто бы мог подумать?!

В-третьих, вскрылись неожиданные исторические связи внутри групп. Так, теперь известно, что по своим генам китообразные очень близки к гиппопотаму (отряд парнокопытных) и достаточно далеки от хищных, с которыми их раньше связывали. Впрочем, это не так уж необычно: например, один и тот же отряд ископаемых млекопитающих кондиляртр породил и хищных млекопитающих «первого поколения» (например, гигантского эндрюсарха), и разнообразных копытных животных. А современный отряд хищных млекопитающих имеет иное происхождение.

Традиционная зоология сближает китообразных с хищными млекопитающими. Современная зоология вносит в это сближение поправку: китообразные близки к вымершим хищникам «первого поколения», которые эволюционно близки к парнокопытным.

Вдохновенные генетической близостью китообразных и парнокопытных, некоторые зоологи предложили даже создать новый отряд китопарнокопытных.

Несколько слов насчет наших ближайших родственников. И здесь не обошлось без сенсации. Как мы знаем, сравнение генов животных, принадлежащих к разным группам, позволяет оценить, как давно разветвились веточки, ведущие к этим группам. Так вот, оказалось, что веточки, ведущие с одной стороны к человеку, а с другой стороны — к шимпанзе и горилле, разветвились всего-навсего пять (может быть, немного больше) миллионов лет назад. Сначала отделилась веточка к горилле, чуть позже — к шимпанзе. При этом в настоящее время известны находки подозрительных на прямохождение приматов, живших 6–7 миллионов лет назад (оррорин, сахелантроп). Результат допускает два объяснения. Либо шимпанзе и горилла были потомками уже прямоходящих приматов, либо оррорин и сахелантроп принадлежали к другой ветви высших обезьян, в которой тоже шла эволюция в общем направлении к человеку.

Что же касается орангутана, то исследование его ДНК никаких сюрпризов не принесло. Ветвь, ведущая к нему, отделилась от человеческой ветви где-то 12 миллионов лет назад, как и предполагалось ранее. Все это заставляет отказаться от семейства понгид (горилла, орангутан, шимпанзе), разделив его на два. В одном семействе останется орангутан, в другом — горилла и шимпанзе.

У систематики, считавшейся еще недавно старой и неинтересной отраслью знаний, началась вторая молодость. Лишнее свидетельство того, что наши представления о «современном» и «несовременном» относительны.