Эволюция – это единственный известный нам метод, с помощью которого из чего-то простого появляется что-то сложное. Эта мысль контринтуитивна. С точки зрения обычного здравого смысла эволюцию представить сложно, любая система, предоставленный сама себе, всегда ухудшается. Человек дряхлеет и умирает, дом ветшает и разваливается, механизм ржавеет и приходит в негодность, спортсмен без тренировок спивается или заплывает жиром.
Люди думают, что единственный способ что-то улучшить или собрать из простого сложное предполагает осознанное участие мастера. Действительно, радиоприёмник сам по себе не спаяется из груды деталей – нужен ещё человек, который умеет пользоваться паяльником, знает, как сделать приёмник, да ещё у него есть желание заниматься этим делом. При этом упускают из виду тот факт, что мастер (как и паяльник в его руке) – это тоже продукт эволюции.
Креационисты очень любят «самолётный аргумент». Они говорят, что появление человека в ходе эволюции равнозначно тому, что на свалке из выброшенных деталей сам собой появился бы современный авиалайнер. Это кажется им убийственным доводом против эволюции. Довод, в принципе, не нов и в средневековье он был известен под именем «физико-теологического доказательства», только вместо самолёта брались, понятно, более близкие средневековому человеку вещи.
Однако ирония в том, что современный авиалайнер как раз и появился в ходе длительного эволюционного процесса. Только финальная, чисто авиационная часть заняла полтора века, считая от более-менее успешных попыток Можайского и братьев Райт. А если брать всё дерево необходимых технологий, включая обработку металлов, двигателестроение, прокачку матаппарата, необходимого для аэродинамических расчётов, то там уже придётся говорить о тысячелетиях, начиная от первого колеса и первых каменных скребков.
Так что и человек, и самолёт появились в ходе вполне себе нормальной эволюции. И там, и там была куча черновых набросков, тупиковые пути, полезные и вредные мутации, борьба перспективных карликов с вымирающими гигантами, бешеная конкуренция альтернативных моделей за ресурсы. Разница в том, что средой для организмов выступала природа, а для механизмов – человеческая цивилизация. Просто в силу того, что у последней есть дополнительная функция понятийного мышления, все процессы при этом шли в сотни и тысячи раз быстрее.
А вот когда самолёт сам собой возникает на свалке – это и есть отличный образ чудесного божественного творения. То есть, если мы списываем все непонятные нам моменты на «это бог сотворил», то вместо одного исходного вопроса просто появляется куча других – а откуда взялся бог, а как он устроен, а почему он всё это знает и умеет, а кто его научил и создал? То есть, в любом случае мы возвращаемся к эволюционному варианту и этот вариант – единственный, который у нас есть.
Классическая дарвиновская теория называет всего три принципа, на которых работает эволюция:
1. Наследственность. С этим всё понятно, организмы-потомки наследуют свойства родителей.
2. Изменчивость. Здесь в основном заложены два способа. Во-первых, это половое размножение, благодаря которому потомок наследует свойства родителей не 1 в 1, а мозаику из отцовских и материнских генов (это в простейшем случае. Есть гриб шизофиллум, у которого 28 000 полов). Во-вторых, и гораздо реже, это мутации, которые могут быть как вредные (чаще всего), так и полезные.
3. Естественный отбор. И самое главное, за что не любят эволюционистов – получившиеся организмы проходят жестокий экзамен жизни, по итогам которого выживают и дают потомство только самые сильные и приспособленные. Так поколение за поколением популяция постепенно развивается, всё более приспосабливаясь к своей экологической нише и условиям своего существования. Слабые вымирают, сильные оставляют потомство и продолжают свои гены.
Эволюционные процессы, особенно естественные, требуют смены десятков поколений. И значит, длятся тем дольше, чем дольше живёт существо. Отсюда логично сделать вывод, что быстрее всего должны развиваться бактерии, затем растения, грибы, насекомые, и только потом разные мелкие зверюшки, с быстрым метаболизмом и короткой продолжительностью жизни. У крупных организмов всё происходит медленно. Поэтому не факт, что они вообще успевают приспособиться к изменяющимся условиям среды.
Картина мира с точки зрения эволюции выглядит максимально странно. В ней главными действующими лицами являются не живые существа, а единицы информации. Условно говоря, есть генотип, записанный в молекулы ДНК, а всё остальное – это просто оболочка, которая обеспечивает этим молекулам размножение. Со временем эти оболочки совершенствуются, развиваются, более эффективные и приспособленные остаются, вытесняя менее эффективные. У оболочек появляются клеточные мембраны, вырастают лапки, хвостики, жабры, крылышки, мозги, сложные стратегии поведения.
То есть, оболочкой вокруг ДНК является не просто одинокая хромосома, а весь организм – не важно, бактерии, растения, червя, рыбки, человека. Мы со всеми нашими органами, сложнейшей организацией, мыслями и мечтами – не более чем приспособление для того, чтобы генная информация передавалась дальше. Но и сама эта информация есть ни что иное, как рецепт по созданию оболочки.
Эволюция придаёт рациональное объяснение некоторым мистическим или абстрактным идеям.
Например, карма, перерождение – это не более чем эволюционный процесс, объяснённый в поэтической форме. Если ты развиваешься, прокачиваешь нужные навыки, заботишься о потомстве и соплеменниках, то со временем родишься более сильным и приспособленным существом. Понятно, что относится это к виду, а не к индивидууму. С другой стороны, и теория реинкарнации не предполагает сохранение персонального сознания.
Или идея о том, что все живые существа братья и сёстры. По факту, вся жизнь произошла по одним схемам, из одного и того же вещества, от системы одних и тех же общих предков. В научно-популярных журналах можно найти сведения о том, какой процент генов совпадает у человека и других живых существ. Например, есть данные, что сходство с виноградом – 24%, с червём Caenorhabditis elegans – 38%, с птицами около 60%, с собаками 84%, а с шимпанзе 98,8%. На самом деле сравнивать там довольно трудно, потому что разная структура ДНК – например, у птиц мусорная ДНК вообще удалена, а у человека её огромная доля, у растений свои заморочки, там хромосом может быть больше, чем у нас. Но суть та, что все устроены примерно по одной схеме, потому что произошли от общего предка.
Свежая гипотеза 2010х вводит такой термина, как «Последний универсальный общий предок» (last universal common ancestor, LUCA) – популяция организмов, от которой произошли все организмы, ныне живущие на Земле. ЛУКА является общим предком всей жизни на Земле. Считается, что он жил 3,48-4,28 миллиарда лет назад (в палеоархейскую эру), или, возможно, даже 4,5 млрд лет назад (в катархее). Ископаемых остатков не сохранилось, поэтому его можно изучать только путём сравнения геномов. С помощью этого метода в 2016 году был определён набор из 355 генов, которые у этого организма точно были.
Так что да, все сородичи. Сестра моя плесень на сыре, брат мой пёс.
Особенности эволюции
Эволюция не означает прогресс
Обычно под эволюцией подразумевают усложнение, появление новых свойств и органов. Однако это не обязательно. В зачёт идёт только рост популяции и передача наследственной информации. Главная задача любого организма – это максимально приспособиться к условиям существования, а каким способом это будет достигнуто, никого не интересует. Принцип «бритвы Оккама» работает и здесь.
В палеонтологии есть множество примеров того, как довольно прогрессивные существа утрачивали приобретённые навыки, становились более примитивными. Но именно это обеспечивало им выживание. Классический пример – паразиты, которые почти все изначально были самостоятельными животными, но перейдя к паразитическому образу жизни утратили большую часть систем. Впрочем, не только они. Страусы и пингвины потеряли способность летать, у лошадей остался только один палец на ногах, кроты, землеройки и глубоководные рыбы за ненадобностью почти потеряли зрение, люди утратили хвост (когда-то была очень полезная часть тела).
Кстати, даже интеллект, который вроде бы даёт неоспоримые преимущества, может сходить на нет при эволюционном развитии. В гротескной форме этот процесс показан в фильме «Идиократия» – слишком умные люди испытывают проблемы при знакомстве, создании семьи, боятся заводить детей. В то время как их менее высокоразвитые сограждане такими вопросами не обременены, без проблем сходятся и рожают кучу ребятишек, которые бойко дорастают до возраста воспроизводства и продолжают дело. Так от поколения к поколению идёт снижение среднего уровня интеллекта.
Палеонтологи отмечают, что мозг верхнепалеолитических людей и даже неандертальцев был в среднем гораздо больше современного. Средний мозг мужчин поздних неандертальцев по самой низкой оценке имел объём 1460 см3, чаще же приводятся цифры больше 1500 см3 (возможная разница обусловлена неточностями в определении объёма мозга у фрагментарных находок и применением разных методов измерения). В верхнем палеолите показатели примерно такие же, около 1500 см3, может, даже большие, чем у палеоантропов. Для современных же мужчин всех рас средний размер равен примерно 1425 см3, вместе с женщинами – 1350 см3. Уменьшение мозга началось примерно 25 тысяч лет назад и ещё около 10 тысяч лет назад продолжалось вполне ощутимо.
Одно из объяснений – древние люди банально были умнее современных. Древние люди жили в гораздо более сложных условиях, чем мы. Они были универсалами. В одной голове один человек должен был хранить сведения обо всём на свете: как делать все орудия труда, как добыть огонь, как построить жилище, как выследить добычу, как её поймать, выпотрошить, приготовить, где можно добыть корешки, чего есть не следует, как спастись от непогоды, хищников, паразитов, соседей. Причём незнание важной информации могло быть фатальным. За косяки на работе тебя не лишат премии, а ты просто попадёшься в лапы хищнику или умрёшь от голода.
В то же время современном человеку для выживания достаточно кое-как освоить одну специальность и базовые навыки существования в социуме. К этому нужно добавить исчезновение естественного отбора, когда детская и младенческая смертность если не равно нулю, то близка к этому (во всяком случае, в цивилизованных странах). Да и сама по себе среда существования становится всё более комфортной, облегчая физический труд и работу по дому и превращая человека во что-то вроде высокоразвитого паразита. Никакого прогресса в этом нет, а вот эволюция налицо.
Эволюцией движет смерть
Известная шутка, что когда дети спрашивают: «Почему у бобра большие передние зубы?», взрослые обычно отвечают: «Чтобы было удобнее грызть деревья и складывать из них плотину». А правильный ответ должен быть: «Потому что выжили бобры с большими зубами, а бобры с мелкими зубами вымерли».
Так уж устроена эволюция – мы видим лишь выжившие виды, а их особенности – это то, что помогло им выжить. Природа не помогает животным, она лишь оставляет в живых тех, кто мутировал удачнее». Так что почти на все вопросы о животных можно не парясь отвечать «Остальные умерли».
«Почему у зайчика зимой белая шубка?» – серых зимой сожрали волки.
«Почему зебра полосатая?» – зебр без полос сожрали львы.
«Почему у слона большие уши?» – слоны с маленькими ушами померли от жары.
«А почему у капибары…» – остальные умерли, их сожрали, они подохли, смерть, смерть, смерть, будешь задавать много вопросов – выживет твой молчаливый брат.
Что касается вымирания видов, то оно обычно проходит не столь драматично – пришли враги и всех съели (или упал метеорит и всех убил). Это довольно длительный во времени процесс, который может тянуться столетия. Просто у животных смертность начинает превышать рождаемость, меньше еды, сильнее пресс хищников, как-то не до размножения, самим бы выжить. Мало-помалу сокращается ареал обитания, а потом исчезают и последние особи. Хотя, конечно, есть и исключения. У людей получается очень неплохо устраивать такие исключения братьям меньшим.
Эволюция предполагает объединение
По идее, можно масштабировать её не только на живую природу, но и на весь мир. Из атомов развиваются молекулы, из молекул – клетки, из клеток – многоклеточные, из многоклеточных – социальные группы (стаи, стада, общества). Почему бы не представить дело так, что органические молекулы конкурируют за атомы, и более сильные и приспособленные молекулы забирают себе необходимые ресурсы?
Отсюда уже можно сделать нетривиальный вывод, что самым сильным ходом эволюции является взаимодействие. На каждом уровне идёт развитие до тех пор, пока не появится свойство к объединению элементов в более сложные структуры. В самих структурах элементы обмениваются информацией, энергией, материей таким образом, чтобы это было по какой-то причине полезно всем участникам обмена. Чем прочнее связи, тем больше шансов у структуры на выживание. Дальше всё будет про животных, но это же применимо к любым уровням.
В живой природе большинство видов живут коллективно. Птички собираются в стаи, рыбки в косяки, травоядные зверюшки в стада, хищные – тоже в стаи. Про насекомых и речи нет. Не то, чтобы пресловутые муравьи и пчёлы, но даже жуки-могильщики закапывают трупики сообща. Видов, которые предпочитают сычевать поодиночке, гораздо меньше. По простой причине – совместно проще и охотиться, и отбиваться от хищников, и мигрировать. Кто не сумел объединиться – умер.
Животные больше всего гибнут не от конкуренции со стороны коллег и не в пасти хищников, а от неблагоприятных условий – морозов, бескормицы, эпидемий, смены климата, засухи и т.д.
Дарвиновская внутривидовая борьба актуальна в тех случаях, когда имеется ограниченное количество ресурсов, которые уже все поделены и ограниченное пространство. Но, как правило, природные ареалы могут прокормить гораздо больше особей, чем там живёт. Причина – те самые эпидемии, природные катастрофы и прочее. В благоприятное время запас ресурсов для жизни достаточен с избытком и необходимости в жестокой конкуренции нет.
Таким образом, животные борются не друг с другом, а с неблагоприятными внешними условиями. А вот, чтобы бороться успешнее, они и объединяются. И чем лучше объединяются – тем лучше борются. При наступлении таких условий животные не столько вырывают друг у друга еду изо рта, сколько применяют другие механизмы – смена поведения, миграция, приспособление.
В итоге именно социализация развивает интеллект. Самые головастые животные, как правило, коллективные – собаки, вороны, приматы, слоны, дельфины. Можно, конечно, привести в качестве контраргумента осьминога, но по сравнению с вышеназванной братией осьминог не особо тянет. Да и там больно уж альтернативное строение всего организма. Для того, чтобы отнять еду у ближнего или сожрать его самого много ума не надо. Надо много силы. А вот понять его поведение и сигналы, донести свою точку зрения, скоординировать усилия для какой-то совместной работы – тут уже надо отращивать мозги. Так в процессе эволюции побеждают не самые когтистые и мускулистые, а более социализированные виды. Стая галок может забить одного ястреба. Потому что коллектив.
Если пофантазировать и распространить эти взгляды на человечество, то получается, что конкуренция стран в борьбе за ресурсы неизбежно приведёт к объединению в блоковые структуры, с совершенно разными принципами взаимодействия и разной архитектурой. А вот полная глобализация, то есть объединение всего человечества в один однородный организм будет фатальной – конкурировать больше будет некому и не с кем (речь не про конкуренцию людей-клеточек внутри структуры, а про глобальные процессы), поэтому начнётся деградация.
Не только биология
Изящество и универсальность эволюционного подхода быстро превратили его в тот самый молоток, который хочется применить по любому гвоздю. Эволюционные схемы развития стали применять к технологиям, религиям, философским учениям, мемам, организациям и тайным обществам.
Наконец, появился стройный математический метод для программного решения нелинейных задач под названием «генетические алгоритмы». Отец-основатель метода Джон Холланд, придумал использовать генетику в своих целях ещё в 1975 году.
Поскольку алгоритм самообучающийся, то спектр применения крайне широк:
- Задачи на графы
- Задачи компоновки
- Составление расписаний
- Создание искусственного интеллекта
Например, с помощью этого метода были решены серьёзные задачи по системам контроля полётов в авиации. Учёные «Дженерал Электрик» и Ренсселеровского политехнического института применили ГА для конструирования турбины реактивного двигателя, который применяется в современных авиалайнерах.
Генетический алгоритм – это программно смоделированный эволюционный процесс. На подготовительном шаге разработчик, во-первых, собирает обучающую и проверочную выборку, на которой будет проверять результат работы. Во-вторых, составляет матмодель, которая будет работать на этой выборке и определяют её ключевые параметры. Например, для биржевой системы это может быть набор индикаторов, для задач компоновки – позиции предметов, для графов – порядок действий. Либо даже набор правил, с указанием на то, используется или не используется и тому подобное.
Каждый вариант матмодели однозначно определяется «хромосомой» – одномерным массивом из нужных параметров. Соответственно, для каждой «хромосомы» модель можно прогнать по обучающей выборке, получить результат и определить, насколько он отличается от желаемого.
Первая популяция «хромосом» формируется случайным образом – параметры подбираются рандомно, руководствуясь при этом только указанными на старте пределами. Дальше начинает работать сам алгоритм, который делится на три этапа:
1. Скрещивание плюс мутации
2. Селекция (отбор)
3. Формирования нового поколения
Если результат нас не устраивает, эти шаги повторяются до тех пор, пока результат нас не начнёт удовлетворять или произойдёт одно из двух условий: количество поколений (циклов) достигнет заранее выбранного максимума или исчерпано время на мутацию
Более подробно о шагах
1. Скрещивание (иногда пишут по-умному – «кроссинговер»). Для получения потомка требуется два родителя. Из популяции хромосом берут две произвольные, половину генов-параметров берут от одной, половину от другой и получают новый элемент, который тоже добавляют в популяцию. При это размножаются все, а не только выжившие, в противном случае выделится один альфа самец, гены которого перекроют всех остальных, а нам это принципиально не приемлемо.
Мутации. Мутации схожи с размножением, из мутантов выбирают некое количество особей и изменяют их в соответствии с заранее определёнными операциями.
2. Отбор. Размножившуюся популяцию прогоняют по обучающей выборке и получают для каждой «хромосомы» число, которое характеризует близость к идеалу «живучесть». Проводится сортировка по живучести, после этого самые неудачные «хромосомы» выбраковывают, а близкие к идеалу оставляют. На этом этапе работа алгоритма может прекратиться, если мы уже получили достаточную по точности «хромосому».
3. Формирование нового поколения. Оно обычно формируется 50 на 50 – половина вакансий отдаётся прошедшим отбор «родителям», а половина – получившимся от скрещивания «потомкам». После этого цикл повторяют.
Долгое время ГА был очень популярен и шёл ноздря в ноздрю с таким подходом, как нейронные сети, однако, в итоге победили нейронки. Тем не менее, генетика имеет важное преимущество – её результаты понятны и могут быть проанализированы. В отличие от весов матрицы, которые сами по себе для человека бессмысленны и ничего не обозначают. Другое достоинство – простота реализации. Для ГА не нужны сложные библиотеки и глубокое знание тензорного исчисления, достаточно самых примитивных навыков программирования.
Пример генетического алгоритма на Питоне. Хромосома здесь – это набор букв, которые в ходе эволюционного процесса постепенно трансформируются в осмысленную (заранее заданную) фразу. Программа написана с простыми классами и функциями может быть использована для аналогичных задач.
Источник – https://github.com/nandakoryaaa/genetic_string/blob/init/genetic_string.py
from random import randint
class Chromosome:
def __init__(self, size, gene_pool):
self.rating = 0
self.size = size
self.genes = bytearray(size)
if gene_pool is not None:
self.set_random_genes(gene_pool)
def set_random_genes(self, gene_pool):
gene_pool_range = len(gene_pool) - 1
for i in range(self.size):
rand_pos = randint(0, gene_pool_range)
self.genes[i] = gene_pool[rand_pos]
def create_population(pop_size, chromo_size, genes):
population = [None] * pop_size
for i in range(pop_size):
population[i] = Chromosome(chromo_size, gene_pool)
return population
def calc_rating(population, final_chromo):
for chromo in population:
chromo.rating = chromo.size
for i in range(chromo.size):
if chromo.genes[i] == final_chromo[i]:
chromo.rating -= 1
def sort_population(population):
size = len(population)
repeat = True
while repeat:
repeat = False
for i in range(0, size - 1):
bubble = population[i]
if (bubble.rating > population[i + 1].rating):
population[i] = population[i + 1]
population[i + 1] = bubble
repeat = True
def select(population, survivors):
# elitism selection
size = len(survivors)
for i in range(size):
survivors[i] = population[i]
def repopulate(population, parents, children_count):
pop_size = len(population)
while children_count < pop_size:
p1_pos = get_parent_index(parents, None)
p2_pos = get_parent_index(parents, p1_pos)
p1 = parents[p1_pos]
p2 = parents[p2_pos]
population[children_count] = cross(p1, p2)
population[children_count + 1] = cross(p2, p1)
children_count += 2
def get_parent_index(parents, exclude_index):
size = len(parents)
while True:
index = randint(0, size - 1)
if exclude_index is None or exclude_index != index:
return index
def cross(chromo1, chromo2):
size = chromo1.size
point = randint(0, size - 1)
child = Chromosome(size, None)
for i in range(point):
child.genes[i] = chromo1.genes[i]
for i in range(point, size):
child.genes[i] = chromo2.genes[i]
return child
def mutate(population, chromo_count, gene_count, gene_pool):
pop_size = len(population)
gene_pool_size = len(gene_pool)
for i in range(chromo_count):
chromo_pos = randint(0, pop_size - 1)
chromo = population[chromo_pos]
for j in range(gene_count):
gene_pos = randint(0, gene_pool_size - 1)
gene = gene_pool[gene_pos]
gene_pos = randint(0, chromo.size - 1)
chromo.genes[gene_pos] = gene
def print_population(population):
i = 0
for chromo in population:
i += 1
print(str(i) + '. ' + str(chromo.rating) + ': ' + chromo.genes.decode())
gene_pool = bytearray(b'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz ')
final_chromo = bytearray(b'the quick brown fox jumps over the lazy dog')
chromo_size = len(final_chromo)
population_size = 20
survivors = [None] * (population_size // 2)
population = create_population(population_size, chromo_size, gene_pool)
iteration_count = 0
while True:
iteration_count += 1
calc_rating(population, final_chromo)
sort_population(population)
print('*** ' + str(iteration_count) + ' ***')
print_population(population)
if population[0].rating == 0:
break
select(population, survivors)
repopulate(population, survivors, population_size // 2)
mutate(population, 10, 1, gene_pool)
Краткое описание эволюции на Земле
Схема родства и взаимного происхождения живых существ друг от друга выглядит так.
Общая геохронологическая классификация построена по таким принципам: самый крупный период времени – это эон (их всего два), эоны состоят из эр, эры из периодов, периоды из эпох. Почти каждый период кончался крупным вымиранием (всего было пять глобальных, мы живём в эпоху шестого и являемся его главной причиной). Освободившиеся экологические ниши открывали окно возможностей для других видов, что давало всплеск новых форм.
В соответствие с современными представлениями начало всему положили циклические автокаталитические реакции. То есть, среди аминокислот, существовавших в первичном бульоне, были такие, которые, во-первых, в финале цепочки реакций генерировали те же вещества, что и в начале, а во-вторых, продукты этих реакций сами вызывают усиление процесса. Фактически это уже базовая модель жизни.
Гадей он же катархей (4,6 – 4,0 миллиарда лет назад) задал условия жизни. Главным открытием стали белки и молекула РНК, которая уже умеет много чего – репликацию, синтез белков, транспорт веществ в пространстве. Возник первопредок Лука. Есть, кстати, версия, что это не одна-единственная первоклетка, а огромное сообщество, которое горизонтально обменивалось генами. В этот период появились базовые основы нашей биологии – углеродная химия, зависимость от воды, азота и фосфора, ключевые принципы обмена веществ и воспроизводства, распространения информации.
В архее (4,0 – 2,5 миллиарда лет назад) достоверно появились клеточная жизнь, фотосинтез и способность к симбиозу, которые стали залогом будущей многоклеточности. Атмосфера постепенно насыщалась кислородом. На планете начали формироваться запасы углеводородной энергии, заложившие основу могущества нашей энергетической сверхдержавы.
Потом наступил протерозой (2,5 – 0,541 миллиарда лет назад), который был самым длинным и самым скучным периодом. Не способствовали бурному прогрессу периодические оледенения. В криогении, например, Земля на 50 миллионов лет превратилась в насквозь промёрзший ледяной снежок – странно, что вообще кто-то смог такое пережить.
Тем не менее, появились важные механизмы. Во-первых, аэробный обмен веществ или проще говоря, дыхание с окислением кислорода. Это было очень хорошо, потому что иначе остальные организмы просто бы задохнулись бы в кислородной атмосфере (собственно, в своих же отходах). Во-вторых, появились эукариоты, то есть, клетки с ядром. Сложные клетки скорее всего возникли как симбиоз отдельных примитивных существ. Митохондрии точно когда-то были независимыми существами, у них до сих пор есть собственная РНК. И, как следствие, третье – возможность многоклеточности. Прокариоты, по какой-то причине объединяться в многоклеточные организмы не умели. В этот же период была изобретена такая полезная и приятная вещь, как половое размножение. Под конец протерозоя начали появляться билатеральные подвижные животные вполне зримого размера, с пищеварительной и нервной системами и органами для передвижения.
Появились грибы, как конкуренты бактерий. Именно по причине этого антагонизма грибы бывают либо лекарственными, либо ядовитыми. Свойства грибов никак не привязаны к человеку: полезные грибы, типа пеницилла, уничтожают бактерий по тем биохимическим системам, которых нет у нас, а ядовитые, типа бледной поганки – по тем, что у бактерий и нас совпадают. Грибы, кстати, имели все шансы стать доминирующей формой жизни – продвинутая многоклеточность, громадные размеры, быстрый обмен веществ, гифы как аналог нервной системы. Можно представить вариант, как грибы захватывают всю поверхность и планета превращается в один заплесневевший комок, который разбрасывает споры в Космос.
В кембрии (541 – 485,4 миллиона лет назад) жизнь начала развиваться взрывными темпами. Появились практически все современные формы жизни. Природа создаёт три принципиальных группы животных, которые затем будут конкурировать за биосферу – это моллюски, членистоногие и тетраподы. Среди членистоногих доминировали гигантские ракоскорпионы, среди моллюсков – наутилусы. Появилось большое количество трилобитов. Предки тетраподов выглядели очень скромно, были фильтраторами воды и служили добычей всем остальным – простая зверюшка, вроде современного ланцетника.
Тем не менее, мы обрели генеральный план строения своего тела: голова с парой глаз и обонятельными рецепторами спереди-снизу, на спинной стороне – нервная трубка с головным мозгом из пяти мозговых пузырей на переднем конце, опорно-двигательный аппарат из сегментированных мышц, поддерживаемый остовом в центре, на брюшной стороне – пищеварительная трубка, передняя часть которой заодно занимается дыханием; довершает картину замкнутая кровеносная система с сердцем. За вычетом лапок, кембрийские предки – это уже готовые тетраподы.
Ордовик (485,4 – 443,8 миллиона лет назад). Принципиально нового ничего не изобретено. Наши предки окончательно закрепили чешую и зубы, головной мозг и глаза, сердце и хрящевой скелет. На сушу понемногу начали выбираться лишайники и мхи.
Силур (443,8 – 419,2 миллиона лет назад). Ракоскорпионы выросли до 2,5 м. Хордовые постепенно отращивали челюсти (из жабр) и конечности. Появляются первые сосудистые растения – очень нетривиальное решение, когда растение убивает часть своих клеток, чтобы создать внутреннюю транспортную сеть для питательных веществ. Это даёт возможность заселять сушу и создавать тянущиеся к свету стволы.
Решающим периодом выхода на сушу стал девон (419,2 – 358,9 миллиона лет назад). Появляются полноценные высокие растения. Стволы падают в водоёмы, гниют возникают заморы. Чтобы решить эту проблему, тогдашние рыбы начинают придумывать различные приспособления. Это лёгкие (которые пока слабые и их приходится дополнять кожным дыханием) и хоаны (выход из носовой полости в рот, чтобы можно было дышать с закрытым ртом – у рыб такого не было). Хрящи костенеют и превращаются в позвоночник, который может изгибаться не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Плавники развиваются в подобие лап с пальцами, что даёт возможность карабкаться через стволы, переползать в другие водоёмы в поисках пищи или для откладывания икры. Развивается хорошее зрение и мозг. Появляются кистепёрые рыбы, а от них – первые амфибии.
Становятся понятны ограничения членистоногих – система дыхания с помощью разветвлённых трахей накладывает ограничения на размер тела, хитиновый панцирь создаёт проблемы с ростом (сложный механизм линек), а ганглии не имеют питательных трубок и не могут увеличиваться в размерах.
Карбон, он же каменноугольный период (358,9 – 298,9 миллиона лет назад). В это время расцветают амфибии и появляются первые рептилии. Организмы активно осваивают сушу, учатся быть менее зависимыми от воды. Изобретается яйцо – эмбрион, который плавает в амниотической жидкости (в простонародье «белок») и покрыт амниотической оболочкой. У взрослых развиваются сухие покровы тела. Одна из первых рептилий – гилономус.
Появляются тараканы и насекомые с полным превращением, которые в насыщенной кислородом атмосфере приобретают гигантские размеры. Всё это происходит к большой радости насекомоядных (то есть, наших предков). Грибы и бактерии пока ещё плохо расщепляют лигнин (целлюлозу), поэтому гниющие стволы заваливают всю планету – так были заложены запасы угля, который мы используем по сей день.
Пермский период (298,9 – 251,902 миллиона лет назад) стал самым холодным периодом палеозоя и одним из самых холодных за всю историю планеты. Материки сложились в один суперконтинент Пангею. Как ответ на климатический вызов стали активно развиваться синапсиды – род животных, которые ближе к млекопитающим, чем к рептилиям, уже почти наши предки. Например – цинодонт Двиния. Появилась шерсть и теплокровность, разные классы зубов и способность жевать, вторичное нёбо и сложный слуховой аппарат, развитый мозг и сложное поведение. Из минусов – новая модель получилась очень энергоёмкая и прожорливая. У синапсидов экстремально высокий метаболизм по сравнению с рептилиями, им приходится постоянно есть, чтобы поддерживать температуру тела и обмен веществ. Для сравнения, крокодилы или черепахи могут обходиться без еды до 1,5 лет.
А закончилось всё самым драматическим за всю историю Земли великим пермским вымиранием. Погибли до 95% всех видов. Причины называют самые разные, от космической катастрофы, до климатических колебаний.
После этого наступил мезозой (251 – 66 миллионов лет назад), период динозавров. Наши предки уже превратились в полноценных млекопитающих, а главным приобретением стало плацентарное размножение. Вопрос, который при этом пришлось решить – отторжение плода иммунной системой матери (с её точки зрения он инородное тело). Считается что на этом этапе в генотип млекопитающих были встроены отдельные гены от вирусов, которые позволяют обходить ограничения иммунитета. Древнейшее плацентарной млекопитающее – Юромайя (Китай). Наиболее известный предок – Пургаториус (предшественник приматов и грызунов).
В этот же период появляются цветковые растения, которые дают нектар и плоды, а также экосистема опылителей, связанных с ними – пчёлы, осы, бабочки, а заодно термиты и муравьи. Всё это даст в перспективе возможности для приматов, дав им дом, еду и первые инструменты. В финале возникли мелколиственные деревья (современные берёзы и осины), что стало одним из факторов вымирания динозавров.
В палеоцене и эоцене (66-33,9 млн лет назад) появились совы и первые древолазающие хищники, которые создали проблемы нашим предкам. Ответом стала всеядность, развитие координации движений и подвижности, и необходимых вычислительных мощностей, а также К-стратегия размножения, когда детёнышей выращивают мало, но о каждом долго заботятся. Утратой стало снижение роли обоняния, утеря вибрисс и отход от плодовитости.
В олигоцене (33,9-23 млн лет назад) появились кошачьи хищники, на что приматы ответили увеличением размеров тела. Заодно появилась способность к цветному зрению, в частности, восприятию красного цвета, который хищники не видят – а это большой плюс для выживания, как в смысле поиска плодов, так и для обнаружения опасности.
В олигоцене и миоцене (33,9-5,33 млн лет назад) начинают распространяться крупные травоядные – гигантские слоны, жирафы, мастодонты, индрикотериусы. Эти существа создают сильную нагрузку на биосферу, выедая леса до формации саванн. В миоцене Индия, которая была отдельным континентом, сталкивается с Евразией, возникают Гималайские горы, блокируются воздушные потоки, из-за чего наступает миоценовое похолодание. Появляются крупные саблезубые хищники.
Приматам пришлось приспосабливаться к жизни в саваннах, перебираясь от одних скудных деревьев до других. Развивается прямохождение, прокачиваются социальные навыки, так как в стае проще выжить, достать ему и отбиться от хищников. Эгоисты, индивидуалисты и сверхагрессивные особи просто вымирают в ходе отбора.
В плиоцене и нижнем плейстоцене (5,33-1,8 млн лет назад) появляется фактор полёвок, которые формируют евразийские луговые степи. В степях развивается копытная фауна, а также степи становятся типичным (по сию пору) ареалом обитания человека. Видимо, с той поры происходит инстинктивная нелюбовь людей к лесам и желание вырубать деревья, формируя ландшафт до привычной степи. Палеолюди впервые начинают расселяться из Африки за её пределы, в основном по юго-востоку Евразии (юг Европы, Ближний Восток, Индия, Китай, Индонезия). Это первое расселение. Возникают популяции неандертальцев (Европа), денисовцев (Алтай, Тибет), флоренсийских людей (Индонезия, «хоббиты»).
В среднем и позднем плейстоцене (0,78-0,0117 млн лет) начинается череда ледниковых периодов. Появляется крупная фауна – мамонты, шерстистые носороги, пещерные львы и медведи. Люди осваивают огонь, строительство жилищ, коллективную охоту. Образуются слои лёссовых почв, которые в дальнейшем сделают возможным земледелие.
Извержение вулкана Тоба (74 000 лет назад) – вызвало глобальное 1000-летнее похолодание, уничтожило или резко притормозило развитие популяций в Азии и Европе. Стало возможным второе расселение из Африки, на этот раз уже кроманьонцев. Они частично смешиваются с существующими видами, частично их уничтожают. Постепенно расселяются по всей Земле.
Общая геохронологическая шкала Земли
| Эон | Эра | Период | Эпоха | Возраст, млн. лет | События |
| Фанерозой | Кайнозой | Четвертичный | Голоцен Плейстоцен | 1,8 | Развитие рода Homo |
| Неоген | Плиоцен | 25 ± 2 | Возникновение современных семейств млекопитающих, формирование современной флоры | ||
| Палеоген | Миоцен Олигоцен Эоцен Палеоцен | 66 ± 3 | Pасцвет млекопитающих и птиц | ||
| Мезозой | Мел | 136 ± 5 | Развитие цветковых растений, расцвет насекомых, вымирание многих рептилий | ||
| Юра | 190 ± 5 | Господство рептилий на суше, в воде и воздухе. Возникновение покрытосеменных и птиц | |||
| Триас | 230 ± 10 | Расцвет рептилий, распространение голосеменных, появление млекопитающих | |||
| Палеозой | Пермь | 251 ± 10 | Появление голосеменных, распространение рептилий | ||
| Карбон | 280 ± 10 | Распространение лесов, расцвет амфибий, появление летающих насекомых, возникновение рептилий | |||
| Девон | 345 ± 10 | Господство рыб, возникновение насекомых и амфибий, появление лесов из папоротников и плаунов | |||
| Силур | 400 ± 10 | Выход растений и беспозвоночных на сушу | |||
| Ордовик | 435 ± 10 | Появление первых позвоночных – бесчелюстных | |||
| Кембрий | 490 ± 10 | Рaзвитие беспозвоночных, появление высших растений | |||
| Криптозой | Протерозой | Венд | 580 ± 20 | Появление кишечнополостных, членистоногих, иглокожих | |
| Рифей | 650-690 ± 20 | Появление эукариот, многоклеточных растений и животных | |||
| Карелий | 1650 ± 50 | Развитие низших растений | |||
| Архей | 2500 ± 100 3500 | Зарождение жизни, появление пpoкариот. Господство бактерий и сине-зелёных, появление зелёных водорослей |
Предки человека
Что почитать
1. Еськов «История Земли и жизни на ней» – лучшая научно-популярная книга про историю биосферы и палеонтологию.
2. Дробышевский «Палеонтология антрополога» – то же самое, но подробнее, в трёх томах.
3. Дробышевский «Достающее звено» – эволюция с точки зрения развития человеческого организма.
4. Докинз «Слепой часовщик» – классический трактат с объяснением механизмов эволюции.
5. Кропоткин «Взаимопомощь как фактор эволюции» – интересный взгляд на эволюцию не как не историю борьбы и взаимного поедания, а как на процесс объединения живых существ.
Что запомнить
Эволюция – это единственный известный нам способ получить что-то сложное из чего-то простого. Креационизм не работает даже в реальной жизни, потому что мастер с его навыками и инструментами сам продукт длительного эволюционного развития.
1. С эволюционной точки зрения мир состоит из информационных единиц – генов, задача которых размножение и распространение, и для её выполнения они имеют сверхразвитые оболочки – наши тела. При этом смысл самой информации – это как раз и есть инструкция по изготовлению такой оболочки.
2. Карму можно объяснить, как эволюционный процесс в иносказательном виде – перевоплощение предка в потомках в том случае, если он будет заботиться о своём развитии. Все живые существа, включая бацилл, грибы и растения можно считать братьями и сёстрами.
3. Эволюция развивается под действием трёх факторов: наследственность, изменчивость, естественный отбор.
4. Эволюция не означает прогресс, а только наилучшее приспособление к окружающим условиям. Если для выживания лучше что-то упростить – это рано или поздно будет сделано.
5. Эволюцией движет смерть. Чем короче жизнь существа, тем быстрее развивается популяция.
6. Самый мощный эволюционный инструмент – это объединение. Живые существа конкурируют не друг с другом, а с окружающей средой, и делать это проще объединившись. Поэтому в гонке за выживание побеждает не тот, кто всех сожрёт, а кто первый придумает, как всем объединиться. Интеллект развивает именно для решения задач социализации.
7. Эволюционные механизмы можно с биологии перенести на широкий класс процессов –по эволюционным принципам распространяются и изменяются философские теории, религии, технологии, организации, идеологии, книги, мемы, мода.
8. Жизнь на Земле зародилась на основе циклических автокаталитических процессов. Первым общим предком был Лука, который жил около 4 миллиардов лет назад. Это гипотетическое существо, оно не обнаружено, о его существовании говорят исключительно на уровне вычисления общих генов. Возможно, это даже не существо, а большая система, которая практиковала горизонтальный обмен генов.
9. За доминирование в биосфере конкурировали три типа животных – членистоногие, моллюски и тетраподы. Пока побеждают последние в силу того, что остальные модели имеют существенные техническое ограничения для дальнейшего развития.
10. Мы развивались не по единому заранее продуманному плану. На каждом этапе возникали новые требования, которые решались путём приспособления уже существующих органов к нетипичным для них задачам.
11. Каждый период на геохронологической шкале заканчивался вымиранием. Оно освобождало место для расцвета экосистем следующего периода. Было много мелких вымираний и всего пять крупных. Мы живём в разгар шестого вымирания и являемся его главной причиной (физическое истребление крупных животных, огромная нагрузка на биосферу).