Река, выходящая из Эдема. Жизнь с точки зрения дарвиниста

В своих компьютерных симуляциях Нильссон и Пельгер не делали попыток моделировать процессы, происходящие внутри клеток. В их работе одиночная светочувствительная клетка — не будет большим грехом назвать ее фотоэлементом — изначально считалась уже возникшей. Неплохо было бы как-нибудь в будущем создать еще одну компьютерную модель — уже на внутриклеточном уровне, — чтобы показать, как самый первый живой фотоэлемент получился в ходе пошаговых преобразований некой клетки-предшественницы, имевшей более общее назначение. Но с чего-то нужно начинать, и Нильссон с Пельгер начали с появления светочувствительной клетки. Они работали на уровне тканей — то есть не отдельных клеток, а состоящего из них материала. Кожа — это ткань, так же как и выстилка кишечника, мышца или печень. Ткани могут самым различным образом видоизменяться под влиянием случайных мутаций. Клеточные пласты становятся обширнее или компактнее, толще или тоньше. В специфическом случае прозрачных тканей — наподобие хрусталика — мутации могут менять показатель преломления (степень отклонения падающего света от первоначального направления) на том или ином участке.

Моделировать глаз, в отличие, скажем, от лапы бегущего гепарда, приятно тем, что его эффективность легко оценить при помощи элементарных законов оптики. Глаз можно представить в виде двумерного поперечного среза, после чего компьютер без затруднений рассчитает нам остроту зрения (пространственное разрешение) в виде определенного вещественного числа. Прийти к подобному численному выражению для эффективности конечности или позвоночника гепарда было бы намного сложнее. Отправной точкой в модели Нильссона и Пельгер была плоская сетчатка, лежащая поверх плоского пигментного слоя и покрытая плоским защитным слоем прозрачной ткани. Этот прозрачный слой мог локально подвергаться действию мутаций, менявших его показатель преломления. Также модели позволялось претерпевать деформации в любых случайных направлениях, но при соблюдении того условия, чтобы каждое изменение было небольшим и непременно в лучшую сторону по сравнению с тем, что имелось до этого.

Результаты были получены незамедлительно — и оказались однозначными. По мере того как форма моделируемого глаза преображалась на компьютерном экране, плавное увеличение остроты зрения уверенно вело от исходной плоской поверхности через промежуточный этап мелкой выемки ко все более углубляющейся чаше. Прозрачный слой утолщался, заполняя чашу и образуя легкое выпячивание с наружной стороны. А дальше происходил почти что фокус: участок этого прозрачного содержимого уплотнялся в обособленную сферическую область с более высоким показателем преломления. И не просто более высоким, а плавно меняющимся от периферии к центру таким образом, чтобы данная сферическая область функционировала как превосходная градиентная линза. Градиентные линзы плохо известны мастерам рукотворной оптики, но внутри живых глаз они — дело обычное. Люди производят линзы, шлифуя стекло, чтобы придать ему определенную форму. Мы изготавливаем составные линзы (вроде дорогих линз с фиолетовым отливом, используемых в современных фотоаппаратах), соединяя несколько линз вместе, но каждая из этих простых линз сделана из стекла, однородного по всей своей толщине. У градиентных же линз, напротив, показатель преломления составляющего их вещества варьирует от участка к участку, возрастая, как правило, по направлению к центру. Хрусталик глаза рыб — градиентная линза. Физикам давно известно, что меньше всего искажений градиентная линза дает при достижении определенной теоретически оптимальной пропорции между фокусным расстоянием и радиусом, называемой соотношением Матиссена. Компьютерная модель Нильссона и Пельгер безошибочно пришла именно к этому соотношению.

Что же касается вопроса, как много времени могли занять все эти эволюционные перемены, то, чтобы ответить на него, Нильссону и Пельгер пришлось сделать некоторые допущения насчет генетики популяций в естественных условиях. Им требовалось ввести в свою модель правдоподобные значения различных количественных величин, таких как «наследуемость». Наследуемость — это мера того, в какой степени изменчивость обусловлена генами. Удобный способ определения наследуемости — сравнивать сходство признака у однояйцевых (то есть «идентичных») близнецов по сравнению с обычными двойняшками. Так, в одном исследовании было показано, что наследуемость длины ног у мужчин равняется 77 %. Если бы она равнялась 100 %, это означало бы, что вы можете измерить ногу одного из идентичных близнецов и получить точное значение длины ноги другого, даже если близнецы не росли вместе. А наследуемость, равная 0 %, означала бы, что нижние конечности однояйцевых близнецов не более похожи друг на друга, чем ноги двух любых случайных представителей данной популяции, обитающих в тех же условиях. Вот характерные для человека значения наследуемости некоторых других признаков: поперечный диаметр головы — 95 %, высота в положении сидя — 85 %, длина рук — 80 %, рост — 79 %.