Биология — наука о жизни. Различные ее проявления изучают анатомия, физиология, биохимия, биофизика, цитология, гистология.
Сейчас большинство из этих разделов биологии превратились в самостоятельные научные дисциплины со своими задачами, своими методами исследования, своим стилем мышления. Дифференциация некогда единой науки о жизни продолжается. На наших глазах появляется молекулярная биология, биокибернетика, биогеоценология…
Исследователи все глубже проникают в тайны живой природы. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня входит в будничные планы институтов и лабораторий. Итоги ряда работ звучат как главы научно-фантастического романа: «Искусственный синтез гена», «Расшифровка кода наследственности», «Механохимия организма».
Однако в каждом процессе дает себя знать и оборотная сторона медали. Невольно возникает вопрос, соответствует ли структура науки структуре природы, не ведет ли дифференциация науки к потере представлений о жизни как едином процессе, не создает ли она ложного впечатления о самостоятельности различных проявлений жизни? Не следует ли глубину синтеза привести в соответствие с глубиной анализа?
Подобная постановка вопроса становится неизбежной, когда от теории биолог переходит к практике. Биологический прогресс — это в конечном итоге прогресс медицины и сельского хозяйства, рационализация использования природных ресурсов. Эти важнейшие отрасли человеческой практики требуют познания законов жизни на высших уровнях ее интеграции.
Врач лечит не болезнь, не клетки и ткани, а организм человека. Генетик, исследующий молекулярные основы наследственности, стремится (сознательно или бессознательно) найти пути повышения полезных свойств растений и животных, найти пути борьбы с наследственными болезнями человека. Специалисты в области лесоводства, рыболовства, защиты растений имеют дело уже не с отдельными организмами, а их комплексами, иными словами, с тем, что мы называем «природой».
Какова же связь между процессами, развивающимися на уровне клеток, тканей, отдельных организмов и на уровне сообществ растений, животных и, наконец, природной целостности?
Оказывается, связь эта глубока и многообразна. Законы жизни клеток, тканей, организмов определяют пути формирования и развития тех высших уровней организации жизни, которые образуют среду обитания человека, законы жизни лесов и степей, лугов и тундр, морей и океанов. Исследование этой связи приводит к выводу о единстве жизни на всех уровнях ее проявления и именно поэтому определяет стратегию природопользования, стратегию поведения человека в природе.
С развитием экологии «разъятость» биологических наук, о которой мы говорили в начале книги, достигла предела. Возникли два фланга биологии: молекулярный и экологический. Связи между «молекулярными биологами» и физиками и химиками оказались более тесными, чем с биологами экологического профиля. А эколог нередко находит больше общих интересов с географом и другими представителями наук о Земле, чем с биофизиком или биохимиком.
Разделение биологии нашло отражение и в некоторых формальных мероприятиях. В штабе советской науки — Академии наук СССР — экологи, морфологи, систематики, генетики, биогеографы объединяются в отделении общей биологии, а цитологи, биохимики, биофизики — в отделении биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений.
В известном смысле подобное разделение биологов оказалось плодотоворным. За короткий период наша молекулярная биология и примыкающие к ней дисциплины достигли уровня высших мировых достижений. Да и экология не осталась забытой. Были приняты необходимые меры по укреплению и расширению многих экологических лабораторий и институтов.
Сложившаяся в биологии ситуация понятна. Работая на «низших» уровнях интеграции живой материи, на уровне субклеточных структур и молекул (а сейчас биологи вплотную подошли к исследованиям и на субмолекулярном уровне), биолог не может в какой-то степени не стать физиком или химиком не только по методам работы, но и по стилю мышления. Здесь-то и возникает опасность забвения некоторых важных истин, имеющих для будущего биологии как науки о жизни решающее значение.
Особое внимание к молекулярной биологии, точнее к молекулярному крылу биологии, объясняется естественным интересом человека к фундаментальным законам природы. Исследуя физико-химические процессы, протекающие на уровне элементарных биологических структур, мы надеемся подойти к пониманию элементарных законов жизни. Иного пути нет.
Все это так. И тем не менее, если бы мы попытались описать трагедию Ромео и Джульетты в терминах физики и химии, это, несомненно, было бы воспринято как карикатура на науку: человеческие отношения выходят за рамки естествознания. Не менее карикатурно выглядит «научное» описание, в терминах физических или химических законов, поведения собаки, отказывающейся принимать пищу после смерти хозяина или, к примеру, поведения волка, который даже в пылу битвы со своим злейшим врагом становится вдруг «милосердным», увидев сигнал «сдаюсь». Подобные явления могут быть понятны только на основе законов самой биологии как вполне самостоятельной науки о жизни, они могут быть описаны лишь на языке биологии.
Однако это не ответ на вопрос, а, возможно, попытка уйти от него. Важно понять, какие же материальные силы являются причиной того, что в живом организме физико-химические закономерности (никаким иным закономерностям вещество организма подчиняться не может) приводят к принципиально новым следствиям — к возникновению высшей формы движения материи. Чтобы хотя бы подойти к решению этого вопроса, надо разобраться в том, что же, в конечном итоге, объединяет все уровни организации жизни.
Начнем с самого простого. Что происходит с животными или растениями в процессе освоения новой среды обитания? Ответ напрашивается сам собой: они приспосабливаются к новой среде. Поэтому животные из разных районов отличаются друг от друга по сложному комплексу признаков.
Любой охотник с первого взгляда отличит крупную, короткоухую, покрытую густым и длинным мехом северную лисицу от обитательницы южных степей лисы-караганки. А ведь это формы одного и того же вида. Их морфологические особенности свидетельствуют о приспособлении к разному климату. Однако различия между внутривидовыми формами бывают и не такими явными.
К примеру, еще раз возьмем лягушку. Это животное с переменной температурой тела, которая меняется в соответствии с колебаниями внешней температуры. Зиму лягушка проводит в спячке. Да и летом в холодные дни ее активность резко падает — она перестает есть и «засыпает».
Естественно, что граница распространения лягушек обычно не выходит за пределы северной границы леса. Поэтому мы были приятно удивлены, обнаружив во время наших экспедиций на Ямале остромордых лягушек в зоне южной тундры, где безморозный период не превышает трех месяцев в году. Эту популяцию, конечно, стоило исследовать. Лягушки были перевезены в Свердловск и изучены.
Оказалось, что северные лягушки отличаются от южных (по сравнению с Ямалом Свердловская область — юг) большей скоростью развития: они относительно быстро проходили личиночную стадию развития (стадию головастика) при низкой температуре воды, у них выше активность ферментов и способность сохранять ее даже при низкой температуре.
Специальные электрофизиологические опыты показали, что у арктических лягушек мышечная ткань сердца нормально работает и при более низкой температуре, также нормально протекают и рефлекторные реакции, которые в конечном итоге определяют поведение животного.
Даже простое перечисление особенностей, которыми северные лягушки отличаются от южных форм того же вида, показывает, что приспособление животных протекает не только на уровне организма, но и на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях. Значит, естественный отбор с одинаковой легкостью работает на всех уровнях организации живого. Он может работать в пользу индивидов, покровные ткани которых отличаются меньшей теплопроводностью, и создавать, таким образом, северную форму лисицы с густым и пышным мехом, но может совершаться и в пользу индивидов, ферменты которых обладают более сильным каталитическим действием при низких температурах, и создать, таким образом, форму лягушек, способных поддерживать нормальную жизнедеятельность в условиях холодного арктического лета.
Конечно, арктические лягушки — очень интересные животные. Однако в смысле физиологического своеобразия им далеко до вьетнамской крабоядной лягушки, которая в последние годы сделалась своего рода зоологической знаменитостью. Все земноводные — типично пресноводные животные, вьетнамская же лягушка обитает в морских заливах, где соленость воды резко превосходит установленную для всего класса земноводных норму. Значит, клеточные мембраны описываемого вида способны регулировать состав поступающих в ткани животного химических элементов и воды при резком изменении условий их существования.
Исследования показали, что эта способность крабоядной лягушки объясняется особенностями функционирования клеточных мембран — сложных специализированных образований, построенных из белков и жироподобных веществ толщиной около 100 ангстрем. Экологическая специфика крабоядной лягушки определяется на молекулярном уровне.
Исследования, проведенные в Институте цитологии в Ленинграде под руководством Б. П. Ушакова, показали, что теплоустойчивость тканей животных, обитающих в районах с разным климатом, резко различна. Тканевые белки южных видов животных способны поддерживать нормальную функциональную активность при значительно более высокой температуре, чем те же белки близких видов северного происхождения.
Любой вид животного использует все доступные ему средства для наиболее полного приспособления к условиям среды. Поэтому между всеми видами животных можно обнаружить отличия не только по внешним, морфологическим признакам, но и по биохимической активности их клеток и тканей или другим признакам «левого крыла» биологии.
Насколько существенными могут быть эти различия, показывает сравнение двух самых обычных видов животных — мыши и крысы. Недостаток никотиновой кислоты (витамина РР) у всех животных, которые были исследованы ( в том числе и у мыши!), ведет к резкому нарушению функций коркового вещества надпочечника, к резким гормональным нарушениям, которые нередко кончаются гибелью животного. Крысы же переносят недостаток витамина РР совершенно безболезненно.
Недостаток в пище другого витамина — биотина — вызывает у мышей расстройство пищеварительной системы, но на организме крыс не отражается, так как бактериальная флора их кишечника синтезирует биотин в достаточном количестве.
Подобных примеров можно привести много. Поэтому, чтобы показать, насколько полным и тонким может быть соответствие биохимических особенностей организма с условиями существования близких видов, сравним каспийского лосося с белорыбицей. Степень проницаемости для кислорода поверхностных структур эмбриона рыб определяется ферментом гиалуронидазой. Молодь каспийского лосося длительное время после вылупления находится в гнезде; молодь белорыбицы сразу же после вылупления выходит в открытые воды. Естественно, что молодь первого вида находится в плохих условиях аэрации, второго в хороших. Соответственно с этим гиалуронидаза лосося значительно более активна, чем у белорыбицы.
Таким образом, чтобы понять жизнь животного, необходимо изучать все уровни его организации. При этом важно помнить, что изменение на одном из уровней неизбежно приводит к большим или меньшим преобразованиям и на других уровнях. Проиллюстрируем это на самом простом — на размерах тела животных.
Сначала кажется, что ничего нет проще и яснее, чем последствия, к которым ведет, например, увеличение размеров тела. Более крупное и, соответственно, более сильное животное имеет по известным причинам меньше врагов, но требует больше пищи. В действительности же увеличение размеров тела приводит к комплексному изменению физиологических особенностей организма. Проследим лишь за одной из цепочек тех следствий, к которым приводит увеличение размеров.
Чем крупнее животное, тем, при прочих равных условиях, меньше оно подвержено охлаждению (па физиологических причинах этого хорошо изученного явления нет необходимости останавливаться). Поэтому крупное животное на единицу своего веса потребляет корма меньше.
Самое маленькое из млекопитающих нашей фауны — землеройка, относящаяся к виду «бурозубка-крошка», весом около трех граммов,— ежесуточно потребляет столько насекомых, сколько весит она сама (а при низкой температуре и больше). Если бы человек питался но этой норме, то он должен был бы ежесуточно съедать не менее 50 килограммов мяса. С увеличением веса тела относительная потребность в кормах падает, значит, на единицу веса в организм поступает меньше добавочных питательных веществ — витаминов. Однако потребность в витаминах отнюдь не изменяется в том масштабе, что и вес тела. Значит, чтобы крупное животное могло поддерживать свою жизнь при тех же кормах, потребность его тканей в витаминах должна быть понижена. А это уже изменение тканевого уровня.
Мы видим, как важно научиться определять связи, которые существуют в развитии признаков животных, относящихся к разным уровням его организации. В рассмотренном примере мы не только установили эту связь, но и вскрыли причины, ее определяющие. Правда, нередко глубинные связи между признаками «разных уровней организации» столь сложны, что вскрыть их доступными в настоящее время методами невозможно, либо чрезвычайно трудно. Тем не менее само установление этих связей представляет огромный практический и теоретический интерес.
Оказалось, например, что некоторые простейшие признаки, которыми отличаются не только разные виды или популяции, но и разные особи одной и той же популяции, генетически коррелированы с важнейшими физиологическими особенностями. Было, например, установлено, что мыши разной окраски отличаются разной степенью восприимчивости к раку. Понятно, какое значение имело установление этого факта при выборе объектов изучения закономерностей развития злокачественных опухолей. Точные генетические исследования показали, что мыши, отличающиеся по окраске, обладают разной способностью поддерживать нормальный обмен веществ при изменении деятельности желез внутренней секреции.
Установление зависимости в развитии разных признаков животных представляет исключительный интерес, даже в том случае, если конкретные причины этой зависимости не выяснены. Но еще большее значение имеют, естественно, исследования, в которых удается установить причины наблюдающихся в природе явлений. Разберем несколько более сложных, но и более интересных случаев.
Среди паразитических червей-сосальщиков встречается много опасных паразитов человека. Один из видов кровяной двуустки поселяется в венах брюшной полости и вызывает серьезное заболевание. Группа сотрудников Лондонского института медицинских исследований доказала, что взрослая двуустка может жить в крови человека в течение многих лет. Заражение же личинками паразита подопытных обезьян нередко оканчивалось неудачей. Личинки погибали, оказывается, от действия антител хозяина: организм пускал в ход самое мощное свое оружие — иммунологическую защиту.
О проблеме иммунитета сейчас много говорят и пишут. Интерес к ней был вызван эффектными опытами по пересадке органов и тканей от одного индивида к другому. Действительно, проблема эта — одна из наиболее актуальных в современной биологии. Суть ее в следующем. Когда в организм животного или человека попадает чужеродный белок — антиген, организм воспринимает его как врага и «бросает в бой» собственные специализированные белки — антитела, которые обезвреживают инородное тело. Точность этой реакции изумительна: даже белки матери или отца воспринимаются организмом как чужие.
Иммунологическая защита — основной фактор борьбы с попавшими в организм микробами. Однако она же становится помехой при попытках заменить утраченный или заболевший орган соответствующим органом другого индивида: иммунологическая защита отторгает чужую ткань.
Почему же организм не пользуется этой защитой в борьбе с паразитическими червями, по крайней мере, в тех случаях, когда они становятся подлинно внутритканевыми. Опыты с кровяными двуустками намечают новые подходы к решению этого вопроса и представляют большой интерес в связи с проблемой взаимосвязи явлений на разных уровнях организации жизни.
Итак, подопытные обезьяны вырабатывают иммунитет против личинок кровяной двуустки и не дают им внедряться в свой организм. Но против взрослых червей они бессильны. Чтобы исследовать причины этого явления, был поставлен опыт. Обезьянам ввели в кровь эритроциты мыши, иммунизировали их эритроцитами мышей и таким образом выработали у них антитела против белков мышей. Затем на мышах же вырастили и паразитов до взрослого состояния. В организме мышей эти паразиты жили, в организме же обезьян — погибали. Причиной оказались «противомышиные» антитела, которые были выработаны при иммунизации обезьян.
А вот в крови контрольных обезьян паразит, выращенный на мышах, существовал нормально. Значит, в процессе развития на определенном организме паразит приобретал антигены хозяина; только на свои антигены животное не отвечает выработкой специфических антител. Это явление было названо «молекулярной мимикрией».
Авторы этих исследований предполагали, что при развитии во враждебной среде в тканях личинок червей происходит своеобразный отбор белков, имитирующих белки хозяина. Объяснение этого явления, конечно, еще подлежит проверке. И все же сам факт «молекулярной мимикрии» — возникновения под влиянием измененных условий жизни преобразований на молекулярном уровне — представляет выдающийся теоретический интерес и еще раз показывает: чтобы понять организм, надо исследовать все уровни его организации. Более того, чтобы разобраться в межвидовых отношениях («паразит — хозяин»), то есть в явлениях экологического фланга биолога, надо «спускаться» до элементарных уровней организации живого, до уровня белковых молекул.
А вот пример, иллюстрирующий другой аспект той же проблемы. Исследования также проводились в медицинских учреждениях. Объектом экспериментов избрали исконного врага человека — обыкновенного комара. При гибридизации комаров разных популяций наблюдаются как случаи полной плодовитости, так и случаи полной нескрещиваемости.
Особый интерес представляли «обратные скрещивания». Так, при скрещивании самца популяции «А» с самками популяции «В» получали нормальное потомство, но при обратном сочетании брачных партнеров (самец «В» с самкой «А») получить потомство не удавалось. Оказалось, что в оплодотворенной яйцеклетке не происходило слияния родительских ядер. (А это непременное условие развития зародышевой клетки — прародительницы всех клеток любого многоклеточного организма.)
Стало очевидным, что нескрещиваемость определяется свойствами не ядер, а цитоплазмы материнской клетки (иначе нельзя объяснить различие при обратных скрещиваниях) . С помощью электронного микроскопа было показано, что в протоплазме клеток комаров изученных популяций паразитируют мельчайшие микроорганизмы, близкие риккетсиям — возбудителям тифа. Это группа микроорганизмов, еще более примитивных, чем типичные бактерии.
Особенно много риккетсий обнаружено в половых клетках самок. Тщательные наблюдения привели к заключению, что риккетсии существуют в протоплазме клеток хозяина на положения симбионта, то есть сожителя, не приносящего своему хозяину существенного ущерба. Это означает, что обмен веществ двух видов столь хорошо согласован, что продукты метаболизма паразита не оказывают на клетки хозяина вредного действия.
Но вот в яйцеклетку проникает сперматозоид другой популяции. Мы знаем, что на биохимическом уровне разные популяции не вполне идентичны. Происходит нечто (что конкретно — мы еще не знаем), что нарушает нормальную жизнедеятельность «чужого» ядра, и слияние ядер материнского и отцовского становится невозможным.
Результаты этих опытов крайне интересны не только в практическом, но и в теоретическом отношении. Они показывают, что отличия внутриклеточной среды животных из разных популяций одного вида играют в их жизни разную роль в зависимости от того, встречаются ли в данном районе риккетсии или нет. В районах распространения риккетсий незначительные тканевые различия могут привести к возникновению репродуктивно изолированных популяций, скрещивание которых с другими формами того же вида не дает потомства.
Но ведь становление репродуктивно изолированных популяций — это решающий шаг к возникновению нового вида, важнейшее эволюционное событие.
Но ведь истинное значение ничтожных различий в химизме внутриклеточной среды обнаруживается лишь в присутствии паразитов. Отношения «паразит — хозяин» находятся на совершенно ином уровне интеграции жизни — не внутриклеточном, а биогеоценотическом.
Разыгрываются же эти события на внутриклеточном уровне, и конечный исход их определяется на уровне молекулярном.
Этот-то сложный клубок событий и представляет главный интерес. Электронный микроскоп помог разобраться в изменениях, происходящих на уровне биоценоза и эволюционного процесса. С другой стороны, истинное значение различий между популяциями вида на молекулярном уровне оказалось возможным оценить, лишь взглянув на них с позиций более высоких уровней организации жизни. Трудной сказать, что здесь главное, что второстепенное — в сложном переплетении событий, разыгрывающихся на разных уровнях жизни проявляется единство жизни.
Рассмотренные примеры показывают, что главный фактор эволюции — естественный отбор — с одинаковой легкостью работает на всех уровнях организации жизни. Мы, естественно, приходим к заключению, что сам характер эволюции приводит к принципиальному единству всех процессов жизни. Поэтому необходимо более внимательно ознакомиться с современным состоянием эволюционного учения.
Брюссель, 1958 год. Всемирная промышленная выставка, отдел науки. В центре выставки знаменитый атомиум — символ современной науки. Коллекционеры охотятся за спичечными коробками с изображением первого посланца в космос — нашей Лайки. Поражают стенды, демонстрирующие достижения химии полимеров, физики сверхвысоких давлений, сверхнизких температур… И рядом скромный стенд с бабочками — светлыми и темными. Что же заставило устроителей выставки поместить их рядом с экспонатами, иллюстрирующими лучшие из лучших достижений науки нашего века?
«Промышленный меланизм» бабочек (его обычно называют индустриальным) — выражение это не сходит со страниц биологической литературы. Знаменитостью стала березовая пяденица, бабочка белесая — под цвет березовой коры. Однако за последние 100 лет промышленность Англии настолько задымила белую кору берез, что покровительственная окраска бабочки перестала охранять ее от многочисленных врагов. И вот на глазах у человека окраска бабочки стала изменяться. Она становится темной, под цвет коры берез промышленных районов.
Зоологи и генетики установили, что изменение окраски бабочки произошло по законам дарвинизма: путем отбора темных особей и вытеснения светлых возникла новая форма пяденицы, новые свойства которой наследственно закреплены. Впервые человеку удалось наблюдать эволюционный процесс в действии, и это было расценено как триумф науки, достойной демонстрации рядом с достижениями атомной физики.
Прошло 10 лет, и появилось новое наблюдение, существенно дополняющее сделанное ранее. Оказалось, что в промышленных районах произошло резкое увеличение темных особей и среди популяции двухточечной божьей коровки. Однако преимущество «темных чужаков» определялось не их покровительственной окраской (божьи коровки ядовиты и большинством птиц не поедаются), а их большей стойкостью к токсическим элементам атмосферного загрязнения.
Нас это не удивляет, мы знаем, что особенности окраски нередко связаны с важными физиологическими особенностями. Интересно другое. Борьба с промышленными газами происходит сейчас во всем мире, проводилась она и в районах, где обитала интересующая нас популяция жуков. И в районе Бирмингема, где загазованность воздуха удалось снизить почти вдвое, начало наблюдаться заметное снижение числа темных жуков. Значит, изменение баланса сил в действии естественного отбора быстро приводит к преобразованию генетического состава популяции.
Эти примеры показывают, что дарвиновский естественный отбор — это не гипотеза, даже не теория. Он стал фактом.
Тем не менее есть основания утверждать, что современное эволюционное учение (современный дарвинизм) — это лишь гениальная схема реального положения вещей в природе.
Чтобы эту схему превратить в теорию управления эволюционными процессами, необходима громадная целеустремленная работа. Чрезмерный оптимизм («все понятно»), нередко сквозящий в научной и особенно в научно-популярной литературе, столь же вреден, как и чрезмерный пессимизм. Нельзя забывать, что речь идет о самом сложном явлении природы — развитии жизни.
Каковы же главные пути развертывания гениальной схемы Дарвина? В настоящее время они наметились с достаточной отчетливостью — это синтез популяционной генетики с экологией.
Сущность популяционной генетики сводится к изучению законов динамики генетических вариаций (генов и генотипов) в природных и экспериментальных популяциях животных, растений и микроорганизмов. С общебиологической точки зрения эта задача не менее важна, чем центральная проблема общей генетики — изучение структуры наследственных единиц, генов и механизмов их действий. Чтобы понять все возрастающую роль этой молодой науки в развитии эволюционного учения, обратимся к истории.
Рождение современной генетики, связанное с вторичным открытием законов Менделя, было встречено дарвинистами отнюдь не с восторгом. Это и понятно. Ведь суть теории Дарвина в творческой роли естественного отбора. Между тем генетики утверждали, что единственная известная форма наследственной изменчивости — это мутации. Но возникновение мутаций в отборе не нуждается. Они появляются самопроизвольно в готовом виде, и, как думали ранние генетики, особенности их выражены достаточно резко. Самое большее, что может сделать отбор, это отсечь явно неблагоприятные мутации. Роль сита — не очень-то почетная для ведущего механизма эволюционного процесса.
Этим и определилась реакция дарвинистов. Они не почувствовали в генетике могучего союзника и отрицали роль мутаций как источника изменчивости живых организмов, на основе которой естественный отбор создал все многообразие живых организмов. Распространению этой точки зрения способствовало и то немаловажное обстоятельство, что почти все известные в то время мутации оказывались вредными, а в теоретических работах генетиков того периода явно проявлялись механистические тенденции. С другой стороны, ранние дарвинисты еще не понимали, что закон расщепления, независимого распределения признаков и относительного постоянства генов снимает ряд трудностей в теории Дарвина.
Конечно, тенденция противопоставления дарвинизма и менделизма в трудах разных ученых проявлялась в разной степени pi в разных формах, но в целом почти тридцатилетний период начала века можно рассматривать как период самостоятельного развития эволюционного учения и генетики. Решающий шаг к взаимному обогащению этих ведущих разделов естествознания был сделан в 1926 году нашим соотечественником, основоположником современной популяционной генетики С. Четвериковым в его статье «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики».
В нашу задачу не входит анализ этой замечательной статьи, положившей начало новому направлению и в генетике, и в эволюционном учении. Отметим главное. Четвериков раскрыл роль дискретных наследственных единиц в изменчивости популяций и показал, что на основе мутаций в природных популяциях животных накапливается огромный потенциал изменчивости — «скрытая изменчивость». Этот наследственный потенциал, механизм формирования которого соответствует законам генетики, и есть тот материал, на основе которого работает естественный отбор. Вывод С. С. Четверикова получил подтверждение и развитие в трудах плеяды замечательных генетиков, среди которых видное место занимают русские исследователи Н. П. Дубинин, Н. В. Тимофеев-Ресовский и другие.
Этот интереснейший период в развитии биологии со временем станет предметом специального анализа в истории науки. За какие-нибудь 10 лет генетика, рассматривавшаяся до работ С. С. Четверикова лишь как ненадежный спутник дарвинизма, превратилась в его основу, а эволюционные работы, не учитывающие достижений генетики, оказались простым анахронизмом.
Стало ясно, что именно мутации и есть тот материал, на котором основывается эволюция, а следовательно, все закономерности, касающиеся цитологических основ наследственности и проявления мутаций, имеют прямое отношение к дарвинизму, к теории естественного отбора. Симптоматично само название одной из важнейших работ этого периода: «Генетическая теория естественного отбора».
Возникла новая система идей, суть которой сводится к следующему: источник изменчивости — мутации генов и их рекомбинации. Особо подчеркивается исключительная роль рекомбинаций. Если наследственность животного определяется 1000 генов, каждый из которых может проявляться в 10 формах (10 аллелей), значит, на основе рекомбинаций может возникнуть 101000 генотипов. Это число превышает число электронов в видимой части вселенной.
Что же определяет распространение в популяции отдельных генов, их сочетание в генотипы, наилучшим образом приспособленные к условиям внешней среды? Какую роль в этом процессе играет мутирование? Ответить на эти вопросы методами классической генетики оказалось невозможно. Возникло новое направление генетики — популяционная генетика. Посмотрим, к каким же выводам пришла эта наука за 30-летний путь своего развития. Мы уже говорили о том, что биологи разных специальностей, понимая под популяцией одно и то же биологическое явление, дают ему разные определения.
С точки зрения генетика, популяция — это элементарная совокупность особей одного вида, в пределах которой реализуется свободное скрещивание, осуществляется свободный обмен генами.
Однако генетическое единство популяции всегда сочетается с ее генетическим разнообразием. Даже родные братья и сестры бесчисленных растений и животных генетически неидентичны. Особенно ярко это показано на плодовитых животных, например амфибиях. Потомство одной пары этих существ представляет собой популяцию в миниатюре, генетическая разнородность которой остается значительной. Таким образом, любое скрещивание приводит к возникновению новых генетических вариантов.
Это положение существенно отличается от представлений генетиков начала века. Различие между особями популяции определяется не макромутацией, то есть существенными наследственными изменениями как, например, коротконогостью овец, резкими отличиями в окраске птиц или млекопитающих, изменениями структуры волоса или пера. Как правило, такие макромутации вредны и в природных популяциях встречаются относительно редко. Генетическая индивидуальность животных определяется мелкими, нейтральными мутациями, ничтожными изменениями наследственного аппарата клетки, которые выражаются в чуть более светлой или темной окраске, в чуть большем или меньшем размере тела.
Изучая внешние проявления малых мутаций, генетики пришли к выводам, имеющим первостепенное значение для познания механизмов эволюционного процесса. Оказалось, что громадное большинство признаков, которыми различаются животные в пределах популяции, определяется не одним геном, а их комплексом (полигенной детерминированностью признаков) и еще большим числом генов-модификаторов. Это страхует организм от случайного вредного изменения генотипа.
Если данная особенность организма определяется молекулярной структурой одного из тысяч локусов, то изменение его в результате мутаций или рекомбинации при скрещивании неизбежно вызовет заметное преобразование морфо-физиологических особенностей животного. Если же признак определяется структурой многих локусов, тем более расположенных в разных хромосомах, то возможности случайного нарушения нормального развития сводятся к минимуму. Поэтому понятно, что наиболее важные признаки организма (в особенности его физиологические особенности) застрахованы особенно надежно.
Свойства части (гена) определяются свойством целого (генома, а весьма вероятно, и половой клетки в целом). В рамках нашей темы это обстоятельство должно быть подчеркнуто особо. С биохимической и биофизической точек зрения, ген — это участок молекулы ДНК. Его строение и первичные функции определяются закономерностями субклеточного, молекулярного уровня организма. Но биологический эффект, конечный результат изменения гена зависит от свойств клетки. Связь двух уровней организации становится очевидным.
Современная генетика преодолевает механицизм своих ранних представителей. Эти открытия имеют важные следствия в популяционной генетике. Поскольку малые мутации в большинстве случаев не оказывают видимого действия, то создаются условия для их накопления в общем генофонде популяции. Возникает громадный резерв генетических потенций.
Другое важное открытие популяционной генетики — это повышенная жизнеспособность индивидов, родители которых отличаются существенными генетическими особенностями. Сочетание в едином генотипе разных аллеальных генов, иными словами, разных генетических потенций, унаследованных от отца и матери, повышает жизнеспособность организма. Поэтому даже в том случае, если мутация оказывается вредной, она не исчезает из популяции, а сохраняется в скрытом виде. Это, конечно, также приводит к непрерывному обогащению генетического богатства популяции.
Третий вывод популяционной генетики имеет, пожалуй, еще большее значение. Поскольку важнейшие биологические особенности организма определяются не единичными генами, а их комплексами, а вредные (в том числе и смертельные) мутации могут оказаться полезными при сочетании их с другими генами, из этого следует, что ценность любой мутации определяется не ее индивидуальными свойствами, а свойствами генотипа в целом. Но скрещивание приводит к постоянному перемешиванию генов и постоянному изменению генотипов, значит, в конечном итоге, ценность отдельных мутаций определяется свойствами общего генофонда популяции в целом.
Этот вывод показывает, что популяция — единая, целостная система. Изменение отдельных генотипов влияет на общий генофонд популяции, но и изменение генофонда сказывается на роли отдельных генотипов и даже отдельных генов в развитии системы. Отсюда единственно возможное заключение: элементарной единицей эволюционного процесса являются не отдельные особи, а популяции. Это (положение стало основой современного эволюционного учения, его справедливость ежегодно подтверждается новыми и новыми экспериментальными исследованиями.
Значение этого вывода современной эволюционной теории трудно переоценить. Он создает предпосылки для разработки методов управления эволюционным процессом. Нас, однако, интересует иной аспект проблемы. Процесс формирования популяций, обладающих новыми свойствами (элементарный эволюционный акт), совокупность которых приводит к удивительной приспособленности растений и животных к разным условиям жизни, основан на взаимодействии закономерностей, характерных для разных уровней организации: молекулярного, клеточного, организменного, популяционного.
Единство процессов жизни на всех уровнях организации определяет возможность эволюции; законы эволюции укрепляют единство жизненных процессов на всех уровнях организации.
Наиболее общие законы природы могут быть поняты на основе признания единства жизни, единой формы существования материи. Попытаемся доказать справедливость этого положения анализом весьма актуального вопроса философии естествознания. Какова роль случайности и необходимости в развитии живой материи?
Основная движущая сила эволюции — преобразование популяций на основе естественного отбора. Материал для отбора создается в результате мутирования — процесса по природе случайного. Если даже дальнейшие исследования покажут, что мутирование не является случайным процессом и зависит как от особенностей генотипа, так и от конкретных физиологических особенностей отдельных организмов, то представление о громадной роли случайности (не исключительной, но громадной) в процессе накопления исходного материала для отбора, несомненно, сохранится.
Однако, признавая ведущую роль случая в накоплении исходного генетического материала, было бы преждевременным постулировать доминирующую роль случайности в эволюции. Так как эффект каждого отдельного гена зависит от общих свойств генома, а последние, в свою очередь, определяются общепопуляционным генофондом, формирующимся под влиянием естественного отбора как необходимости, то законно прийти к выводу, что событие, случайное на уровне клетки и организма, приводит к неслучайному эффекту на уровне популяционном.
Не будем обсуждать детали этого диалектического процесса, достаточно сказать, что он может быть проиллюстрирован многочисленными примерами. Природа избрала единственно правильный (единственно возможный) путь использования необходимости и случайности.
Если бы эволюция была строго детерминированным процессом, который, естественно, руководствовался бы лишь нуждами сегодняшнего дня, то возникающие формы были бы лишены пластичности, оказались бы бессильными перед любыми новыми условиями. Столь же естественно, что эволюция, основанная на ничем не ограниченной случайности, не могла бы привести к столь совершенной приспособленности, которая наблюдается в действительности. Интеграция организмов в популяции явилась кардинальным путем разрешения противоречия между случайностью и необходимостью в развитии живой природы.
О законах развития природы Энгельс писал: «То, что утверждается как необходимое, слагается из чистых случайностей, а то, что считается случайным, представляет собой форму, за которой скрывается необходимость» К Анализ показывает, что случайные явления на уровне организма «утверждаются» на уровне популяции как необходимые.
Детальное рассмотрение современного состояния эволюционного учения подтверждает вывод, сделанный ранее на основе простого рассмотрения тех отличий, которые устанавливаются при сравнении разных форм вида и близких видов. Но главный двигатель эволюции — отбор — работает на тех элементарных законах изменчивости и наследственности, которые определяются на молекулярном уровне.
Можно бы заключить, что именно этот уровень и должен стать главным, ведь именно он определяет структуру всех последующих уровней интеграции жизни. Этот вывод кажется неоспоримым и подкрепляется простейшей аналогией: качество здания зависит от качества кирпичей, но качество кирпичей от качества здания как архитектурного целого не зависит. Работает ли эта аналогия применительно к живым организмам?
За «кирпичи» примем элементарные явления и процессы, развертывающиеся на субклеточном уровне, и попытаемся ответить на поставленный вопрос с учетом современного развития жизни на нашей планете. Это ограничение — не простая формальность. Современная жизнь представлена организмами разной степени сложности, но даже самый простой из них неизмеримо сложнее любой машины и праорганизмов.
Значит, исследователь изучает нижний уровень организации отнюдь не примитивных форм жизни, и нет уверенности, что в ходе эволюции не изменялись процессы субклеточного уровня. Наоборот, есть основания полагать, что эволюционировали все уровни организации живого и, в соответствии с законами эволюционного развития, эволюционируют как целое.
Естественно поэтому возникает такой вопрос: каков же механизм обратной связи от высших уровней интеграции жизни к низшим? Или, еще конкретнее,— что дает знание законов, по которым развивается жизнь на ее высших этапах, для познания тех элементарных явлений, которые протекают на уровне клеток и тканей.
Мы знаем, что наследственная информация кодируется в молекулярной структуре ДНК. Но ведь мало записать информацию, надо суметь ее прочитать, и притом в необходимое время и в нужном месте. Индивидуальное развитие одноклеточного организма предельно просто. В структуре нуклеиновых кислот ядра клетки записано, какие аминокислоты и в какой последовательности должны быть синтезированы, что обеспечивает синтез видоспецифичных белков и определяет, в конечном итоге, специфику любого организма. Этот процесс резко усложняется у высших одноклеточных животных, «клетка» которых обладает многими органеллами, выполняющими специальные функции.
Для высших одноклеточных организмов, например многих инфузорий, характерна полимеризация (умножение) органоидов. Наблюдается также и умножение хромосомного аппарата (полиплоидизация) и возникновение ядерного дуализма. Крупнейшим прогрессивным преобразованием явилось возникновение полового процесса, которое происходило в ходе эволюции разных групп одноклеточных животных.
Прогрессивный характер носит у простейших возникновение особой формы дифференцировки, называемой «типами спаривания», которая обеспечивает перекрестное оплодотворение у гермофродитов. Становится очевидным, что тип «простейшие» — это отнюдь не простые организмы. Однако и у высших одноклеточных закодированный порядок синтеза аминокислот вполне может обеспечить реализацию запланированной в наследственной программе структуры.
Положение меняется существенным образом при переходе к многоклеточным организмам. Ведь любой организм развивается из одной клетки. Следовательно, наследственные потенции клеток глаза, печени или сердца совершенно одинаковы. Откуда же клетка знает, какие белки она должна синтезировать в данное время и в данном месте? Откуда клетке известно, когда ей следует размножаться, а когда выполнять свои специальные функции?
Этот вопрос особенно важен, так как закон гистологии гласит: клетка, которая размножается,— не функционирует, клетка, которая функционирует,— не размножается. Ведь когда клетка перестает понимать, что ей надлежит делать — работать или размножаться, возникает злокачественная опухоль — рак, которая рано или поздно приводит организм к гибели.
Все это больные вопросы современной биологии, вопросы самые злободневные, самые важные для развития биологии будущего. Не случайно многие современные исследователи, отнюдь не склонные к мистике, рассматривают процессы развития в качестве главной «тайны жизни». «Как объяснить эти явления, не прибегая к витализму ни в какой его форме?» — восклицает известный ученый М. Аптер в книге «Кибернетика и развитие»; изданной в 1970 году.
Между тем, как это ни парадоксально, но в самом общем виде ответить на этот вопрос не так уж трудно. Разделение труда между клетками организма должно иметь в своей основе совершенную систему сигнализации и связи в пределах организма как целого. Организм предписывает клеткам порядок их работы. Передние ноги головастика начнут расти не раньше, чем полностью сформируются и начнут нормально работать его задние конечности.
А у личинки родственника лягушки — тритона — все наоборот: первыми развиваются передние ноги, их формирование воспринимается как сигнал к развитию ног задних. На ранних стадиях развития любого организма, когда будущее животное представляет собой лишь слабоорганизованное скопление клеток, единственной материальной основой этих сигналов могут быть продукты обмена веществ самих клеток. Позднее эта форма сигнализации дополняется сигнализацией центральной, роль которой выполняет эндокринная система, железы внутренней секреции.
Мы взяли на себя смелость кратко рассказать о сложнейших биологических явлениях, мало пока изученных и во многом загадочных. Правда, в рамках нашей темы то немногое, что мы сумели сказать, вполне определенно отвечает на один из наиболее существенных вопросов. Для того чтобы клетки сложнейшего организма реагировали на сигналы и на одной и той же наследственной основе выполняли принципиально разные функции, необходимо, чтобы их потенциальные возможности были неизмеримо богаче их конкретной реализации. Другими словами, каждая клетка организма использует лишь ничтожную, исчезающе малую долю своих возможностей и лишь одна из них — половая клетка — реализует их полностью.
Вспомним опыты, описанные в начале этой книжки. Клетка плоского эпителия кишечника могла бы дать целого лягушонка, но всю свою жизнь (в процессе смены бесчисленных генераций своих потомков) она обречена на скучную работу — делать плоский эпителий, выстилающий кишечник.
Все это показывает, что любая клетка содержит громадный запас информации, которая никогда не используется. Но ведь эта информация записана в материальных структурах (или в системах этих структур) — генах. Значит, любая клетка содержит громадный запас никогда не функционирующих генов. Этот излишек невозможно измерить, как невозможно дать точную количественную оценку той информации, которую несет клетка.
Но можно утверждать, что потенции клетки во много тысяч раз превышают реализуемую ими информацию. Поэтому трудно сомневаться в том, что присутствие в клетке колоссального количества генов, никогда не выполняющих свою прямую функцию, должно быть отнесено к числу фундаментальных законов жизни на субклеточном уровне ее организации.
Подобная структура клетки была вызвана к жизни появлением многоклеточных организмов. В агрегате одноклеточных растений или животных все клетки выполняют если не одну и ту же, то принципиально сходную функцию, и потенции клетки существенно не превышают их реализацию.
Появление многоклеточных организмов потребовало принципиального изменения структуры клетки (запас информации) и иной системы ее функционирования: активации и дезактивации отдельных генов в соответствии с нуждами организма. Это значит, что эволюция организменного уровня привела к коренным изменениям внутриклеточной структуры и функции. Лучшего доказательства единства жизни на разных ее этапах трудно, вероятно, придумать. Более того, вполне вероятно, что и элементарные законы жизни клетки будут в конечном итоге познаны путем изучения работы клетки в системе целостного организма.
Для того чтобы из одноклеточных организмов было построено единое многоклеточное животное или растение, необходим в какой-то степени избыток информации (в описанном выше смысле), характерный для той стадии развития жизни, когда функции организма воплощались в функциях самостоятельно существующей клетки. Мог ли в этих условиях возникнуть механизм, обеспечивающий и хранение, и рациональное использование избыточной информации?
Ответ на этот вопрос дают исследования, проведенные на популяционном уровне. Одно из непременных условий жизни популяции — в ее биологической разнородности. Эта разнородность определяется не только генетическими различиями между слагающими популяцию организмами, но и тем, что в измененных условиях среды на основе одной и той же наследственности формируются организмы разных морфо-физиологических свойств. В противном случае любые изменения среды привели бы популяцию к гибели. В данных условиях «избыточный» запас наследственной информации оказался не только не лишним, но жизненно необходимым. Уже упомянутое важнейшее свойство клетки явилось ответом па запрос популяции и развилось в процессе эволюции в соответствии с законами жизни популяций. Можно с полным правом утверждать, что существует не только цепь событий «клетка — организм — популяция», но и «популяция — организм — клетка».
Обратимся к нескольким примерам. Одноклеточное животное неглерия, развиваясь на относительно сухом субстрате, принимает форму, характерную для амебы. Если же увеличить влажность среды и уменьшить концентрацию некоторых солей, «амеба» превращается в жгутиконосца.
Еще более поразительные наблюдения проведены на насекомых. Гусеницы некоторых бабочек при окукливании на коре деревьев становятся коричневыми и зимуют, бабочки выходят только весной следующего года. Если же момент окукливания застанет гусеницу на листке, куколка приобретает зеленый цвет, развитие происходит быстро — бабочка вылупляется до осеннего листопада.
Среда действует как своеобразный переключатель с одного возможного пути развития на другой. Но ведь та же самая коричневая куколка, окажись она в решающий момент своего развития не на коре дерева, а на листве, могла бы стать зеленой и быстро развивающейся. Значит, и на уровне целого организма действует все тот же закон избыточности наследственной информации. Следовательно, мы правы, полагая, что возникновение этой избыточности определяется не только законами, управляющими жизнью организма, но и популяционными механизмами.
С этим согласуются результаты наших опытов с экспериментальными популяциями головастиков. Мы убедились, что продукты их обмена веществ действуют как сигналы, регулирующие и скорость клеточного деления, и соотношение роста и развития. В основе этих процессов — активация и дезактивация генов — разных участков нити ДНК — явление, безусловно, молекулярного уровня. Но ведь эксперимент ясно показывает, что этот процесс регулируется событиями, происходящими на уровне популяции (большая или меньшая плотность колоний). Ниточка, ведущая сверху вниз — «популяция — организм — клетка», выражена предельно отчетливо.
Это весьма ответственное утверждение, и его полезно обосновать с большей подробностью.
Вернемся еще раз к опытам, о которых рассказывалось в начале этой книжки. После того как мы убедились, что вода, содержащая продукты жизнедеятельности (метаболиты) головастиков — «вода скоплений», регулирует скорость их роста и развития, мы, естественно, попытались изучить ее влияние на размножение отдельных клеток.
Первая серия опытов была поставлена следующим образам. Специальным прибором на хвост головастика наносилась рана. Площадь раневой поверхности была точно известна. Часть головастиков содержалась в чистой воде, другая в воде скоплений. Всего в этих опытах было использовано несколько сотен головастиков, и во всех случаях был получен один и тот же результат: «вода скоплений» головастиков определенной стадии развития стимулировала процесс заживления раны. Стало ясным, что продукты обмена веществ животных, которые они выводят в воду, оказывают влияние на ход важнейшего процесса «клеточного уровня» — размножения клеток.
В другой серии экспериментов определяли размеры клеток молодых лягушек непосредственно после завершения ими метаморфоза. На многих тысячах животных было установлено, что в загущенных популяциях развитие головастиков проходит с очень большой скоростью, но покидающие водоем молодые лягушата отличаются исключительно мелкими размерами тела, они нередко в пять-десять раз мельче нормальных.
Известно, что размеры тела животных и отдельных органов определяются числом клеток или их размерами. Оказалось, что в рассматриваемых опытах мелкие размеры тела лягушат из загущенных колоний определялись меньшим числом клеток в отдельных органах, размеры же клеток были нормальными. Не будем пока делать из этих опытов далеко идущих выводов, а опишем третью серию наблюдений.
Опыты по регенерации удаленного участка хвоста головастиков, содержавшихся в воде скоплений, показали, что метаболиты работают и на субклеточном уровне. Это предположение крайне важно было проверить прямым экспериментом. В лаборатории нашего института, которой руководит Г. Г. Рункова, были изготовлены гомогенаты тканей головастиков разных стадий развития и определена! интенсивность их дыхания в чистой воде и в воде скоплений. Гомогенат представляет собой, грубо говоря, кашицу из измельченных тканей животного. Естественно, что интенсивность окислительно-восстановительных процессов этой «кашицы» определяется биохимическими свойствами тканей изучаемого животного. И тут обнаружилось, что «вода скоплений» оказывает на интенсивность эндогенного, внутриклеточного дыхания сильнейшее действие. Метаболиты головастиков определенных стадий развития стимулировали эндогенное дыхание, других стадий — угнетали. Растворенные в «воде скоплений» продукты жизнедеятельности головастиков оказались регуляторами интенсивности химических процессов на внутриклеточном уровне. И в данном случае обнаружилась специфичность действия метаболитов: ткань животного отличала продукты жизнедеятельности своего вида от метаболитов родственных видов.
Теперь можно проанализировать полученные данные с более широких позиций, чем это было сделано ранее.
Почему головастики из загущенных популяций дают карликовых лягушат? Результаты экспериментов подсказывают ответ на этот вопрос.
Каждый орган в процессе своего развития выделяет во внутреннюю среду организма продукты своего обмена веществ, характерные для данного органа данной стадии развития. Когда количество этих продуктов достигнет определенной критической величины, это воспринимается организмом как сигнал о завершении дайной стадии развития и переходе к следующей. Но продукты обмена веществ животного, естественно, выделяются и во внешнюю среду и также воспринимаются как сигналы, регулирующие процессы роста и развития. В загущенных популяциях критическая концентрация химического сигнала наступает раньше, животные в более быстром темпе переходят от одной стадии развития к другой. Весь период личиночного развития сокращается, уменьшаются размеры тела закончивших метаморфоз животных.
На основании проведенных экспериментов мы получаем возможность связать события, развертывающиеся на уровне популяций, с явлениями, характерными для уровня организма, тканей и клеток.
Популяция и организм — это системы биологической интеграции разного уровня. Эксперименты показали, что элементы этих систем (индивиды в популяции, клетки в организме) ведут себя во многих отношениях весьма сходно.
Мы убедились в том, что при содержании головастиков одной стадии развития животные взаимно подавляют рост и развитие. Но сходное явление на организменном уровне было изучено уже давно.
Самоингибирование размножения клеток было установлено не только для нормальных тканей, но и для тканей злокачественных опухолей.
Мы убедились также и в том, что «вода скоплений» (точнее — растворенные в ней продукты жизнедеятельности животных) обладает высокой специфичностью действия: наиболее сильное действие метаболитов наблюдалось в колониях родственных животных. Аналогичное явление замечено и на клеточном уровне: клетки ингибируют развитие клеток только гомологичных тканей. Возник даже хорошо известный среди гистологов афоризм: подобное ингибирует подобное.
Наконец, наши популяционные опыты, и особенно упомянутые наблюдения Г. Г. Рупковой, показали, что метаболиты головастиков разных стадий развития обладают разным действием. Младшие стадии не только не тормозят развитие старших, но нередко стимулируют его. На уровне организма аналогичное явление наблюдалось уже много десятилетий тому назад. Органы, закладывающиеся на более ранних стадиях развития зародыша, индуцируют, возбуждают развитие органов, появляющихся позднее. Не случайно термины «индукция», «индуктор» — самые распространенные в эмбриологии.
Наблюдения, полученные во время опытов за головастиками, нашли себе подтверждение и в исследованиях, проведенных на других объектах. Но на личинках лягушек работать удобнее. Не случайно благодарные физиологи уже поставили лягушке два памятника — в Париже и в Токио. Не исключено, что это сделают и экологи.
Не трудно заметить, что поведение организма в популяции и клетки в организме подчиняется сходным закономерностям. Это конечно не означает, что организм можно рассматривать как популяцию клеток, а популяцию как организм высшего порядка. Весь материал, представленный в этой книжке, показывает, что этот вывод (он неоднократно высказывался разными авторами) неправомочен: организм и популяция — это различные самостоятельные уровни организации жизни. Тем не менее характер связи между элементами этих двух важнейших систем интеграции живой материи практически тождествен. Подобные случаи в природе никогда не объясняются исторической случайностью; как правило, они свидетельствуют об исторической преемственности.
Задолго до того, как на Земле возникли многоклеточные растения и животные как новая высшая форма живых организмов, одноклеточные организмы достигли большого биологического совершенства. Совершенствовались и популяции одноклеточных как формы существования их видов. Возникла, следовательно, и система метаболической регуляции роста и развития слагающих популяцию индивидов, которая обеспечила поддержание оптимальной структуры популяции и ее приспособляемости к измененным условиям среды.
Первые многоклеточные животные и растения во многом напоминали колонии одноклеточных организмов, и, естественно, они использовали уже сложившиеся на популяционном уровне механизмы развития целого из отдельных элементов — клеток. По мере развития многоклеточных эти механизмы совершенствовались и уточнялись, но их существо осталось тем же. Вот почему мы наблюдаем столь удивительный параллелизм в характере связи между животными в популяции и клетками в организме. А это значит, что важнейшее явление организменного уровня — механизм поддержания целостности организма — возник на основе механизмов, выработанных в процессе эволюции популяции. Поэтому мы вправе утверждать, что нельзя понять жизнь популяции, не зная жизни слагающих ее организмов, но и нельзя понять законы, управляющие развитием отдельных организмов, не учитывая законов, по которым живет популяция. Этот вопрос имеет не только теоретическое, но и непосредственное практическое значение.
Зная, что выделяемые в среду продукты метаболизма животных или растений работают в качестве сигналов, управляющих развитием отдельных индивидов, можно надеяться, что в недалеком будущем мы, люди, научимся использовать эти сигналы для управления развитием животных и растений в их естественной среде обитания и для регуляции их численности. Перспективное значение этой работы трудно переоценить.
Развитие жизни как высшей формы существования материи обусловливается не только механизмами, обеспечивающими единство процессов синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции (обмена веществ), кодирования свойств родителей для передачи их потомкам, но и механизмами, позволяющими потомкам правильно читать, реализовать команды, инструкции, полученные ими от предков. Иначе изумительная система наследственного кодирования оказалась бы просто бессмысленной.
Возникновение надклеточного уровня организации живой материи привело к необходимости зашифровывать наследственность с колоссальным резервом информации, который обеспечивал бы возможность на основе одних и тех же молекулярных структур строить бесчисленное множество специализированных клеток и на основе одного и того же генотипа формировать организмы разных морфо-физиологических свойств. Это, в свою очередь, повлекло за собой возникновение и формирование механизмов активации и дезактивации генов, сделало неизбежным работу генного ансамбля как единого целого.
Наконец, сложение организмов в популяции вызвало необходимость совершенствования системы организации генетического богатства отдельных особей в общепопуляционный генофонд. Это показывает, что изолированное изучение явлений, протекающих на разных уровнях интеграции жизни, не может быть полноценным. И если до настоящего времени потребность совокупного рассмотрения явлений разного уровня не стала очевидной, то это свидетельствует о том, что мы находимся лишь в самом начале бесконечного пути познания глубинных законов жизни.
Взгляд на единство процессов жизни на всех уровнях ее организации содействует углубленному исследованию и частных законов управления жизненными процессами на разных уровнях интеграции, в том числе и молекулярного. Вместе с тем оно способствует и решению проблем того уровня биологии, который смыкается с философией, и, следовательно, с изучением самых общих законов природы.