Логика в биологии. Глава 03. Что такое вид?
О чём и для чего этот пост описано тут.
Обсуждение предыдущих глав, вроде бы, закончились, так что пора переходить к следующей главе. Она более биологическая и узкоспециализированная, но тут есть и о важности языка в нашей жизни. Следующая глава будет совсем не о биологии:)
Перед тем, как начать отвечать на вопрос, то есть давать определение, давайте выясним, а для чего это нужно — зачем давать определение жизни, виду, другим биологическим терминам и понятиям? Чем плохо то, чем мы пользуемся сейчас?
Мы с вами говорим на русском языке, это один из многих естественных языков, которые складывались и развивались стихийно. И продолжает изменяться постоянно, что не менее важно. Несмотря на то, что их никто специально не придумывал, они имеют свои правила, по которым языки существуют и меняются. В науке мы используем искусственные языки. Один из наиболее разработанных и полных — язык математики. Люди могут общаться, используя только термины и обозначения математического языка, без включений естественного (каким бы он ни был) — потому он является международным языком, общим и понятным для всех. Физика, химия, биология тоже имеют свои языки, но разной степени развитости. Биологический язык крайне мало сформирован. Многие его термины очень неоднозначны: учёные называют разные множества событий или предметов одним и тем же термином, или наоборот — у одного предмета есть несколько разных названий. Это может приводить как к простой путанице, так и к весьма существенным спорам, которые мешают созданию единого научного знания.
С точки зрения логики, это нарушение первого закона, закона тождества, который говорит о том, что не должно происходить подмены понятий, следует говорить об одном и том же с одной и той же стороны. Если мы говорим об адаптации, то оба собеседника должны понимать её одинаково, иначе будет про Фому и Ерёму. Если мы начали доказывать, что яблоко зелёное, не должно быть такого, что мы в итоге докажем, что сливы зелёные. Или даже, что яблоки не красные — здесь тоже идёт замена тезиса, "яблоко зелёное" не тождественно "яблоко не красное". Хотя такая подмена встречается на каждом шагу, так как сложно в долгой дискуссии не сбиться и не сменить доказываемый тезис. Или происходит специальная подмена тезиса, когда человек понимает, что исходный тезис ему не доказать или не опровергнуть — но это уже другой раздел логики, риторика.
Говоря о сложных биологических понятиях особенно важно точно обозначить, о чём идёт речь. Размытость понятий часто приводит к невозможности доказать что-либо, связанное с этим понятием. Если взять пример из прошлой главы, мы не можем доказать, является ли вирус (или что-нибудь ещё) живым, пока у нас нет определения жизни или живого существа, так как из-за размытости понятия мы можем как включать, так и не включать вирус в множество живых существ. То же самое и с видом: сложно сказать, какие особи относятся к виду, а какие нет, пока у нас нет однозначного определения вида. В ряде случаев нам не требуется строгое определение, мы и без него определяем видовую принадлежность, но иногда это оказывается невозможно и возникают неизбежные споры, связанные с тем, что одни учёные относят особь к определённому виду, а другие нет. Так же происходит со многими другими понятиями в биологии.
Ещё одна причина, по которой нам нужно использовать точные определения, заключается в необходимости следовать ещё двум законам логики: закону исключённого третьего и закону непротиворечия. Если у нас есть особь, то она либо принадлежит виду (изучаемому), либо нет, и третьего не дано. Не может так быть, что она одновременно принадлежит и не принадлежит ему. Мутация произошла или не произошла. Это закон исключённого третьего. Если зайти с другой стороны, то получим закон непротиворечия: из двух противоречивых суждений по крайней мере одно является ложным. Чаще всего одно истинно, а второе ложно. Если суждение "Особь принадлежит виду А" истинно, то противоречивое суждение "Особь не принадлежит виду А" должно быть ложным. Важно, чтобы понятия были в отношении противоречия, то есть было бы a и не-a. Тут можно добавить, что может быть a, не-a и третьего не дано. Если нет точного определения, то могут возникать ситуации, когда мы не можем сказать какое из противоречивых суждений истинно или можем менять истинность по собственному усмотрению (при этом можно ли говорить об истинности?).
Надеюсь, стала ясна одна из причин, зачем нам определять понятия и термины. Возьмёмся же за дело, точнее, продолжим — начало было положено в прошлой главе.
Если открыть один из самых популярных источников информации в современном мире, Википедию, то мы увидим там с десяток различных определений вида. В рамках этой книги мы не будем даже стремиться дать исчерпывающее определение, которое устроит всех — это слишком глобальная задача, да и просто нерешаемая: не бывает так, чтобы все были довольны. Но попробуем разобраться в наиболее популярных определениях и постараемся сделать какие-нибудь выводы.
Одно из самых популярных определений является и одним из самых старых, сформулировать его можно так: вид — это совокупность особей, которые могут свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Последний пункт особенно важен, так как существует много видов, которые могут скрещиваться и даже оставляют потомство, но оно оказывается не плодовитым, например, мулы (гибрид лошади и осла). Сейчас к исходной формулировке добавляют много уточнений, в связи с тем, что найдено множество различных исключений и отклонений, но в целом идея осталась та же. Почему это определение так любимо? Оно простое и понятное, и достаточно легко применимо: часто можно реально проверить скрещиваемость и плодовитость потомства. Правда бывает, что два близкородственных вида дают плодовитое гибридное потомство… тигры и львы у животных, а у растений это вообще сильно распространённое явление. Но давайте рассмотрим на конкретном примере действительно ли так уж удобно это определение.
Вам в руки попалась особь, какой-то организм, неважно, животное, гриб или растение. Есть предположение, что он относится к виду А, но как это проверить? Исходя из заданного определения, нам нужно взять организм вида А, эталонный экземпляр, причём противоположного пола, и скрестить с нашим экземпляром, дождаться потомства, если оно будет, а потом ещё проверить будет ли оно плодовито. Сразу бросается в глаза, что это займёт много времени и связано с рядом существенных трудностей. Пол можно не определять, можно просто предоставить выбор из обоих полов, но заставить размножаться может оказаться сложно, нужно знать, какие условия требуется создать. А если это гриб или растение? Или какое-нибудь простейшее? А если вид в основном размножается бесполым способом? Если это дерево или большое животное, то придётся подождать несколько лет до того, как потомство достигнет взрослого возраста и сможет размножаться. К тому времени интересующий экземпляр может умереть от старости. Мы узнаем принадлежит ли он к виду А, но будет уже поздно. А если не принадлежит, то что делать? Успеть скрестить с видом Б, В и Г?
Из всего вышесказанного можно сделать простой вывод: такое определение вида годится для популяции или группы популяций одного или нескольких видов, но не годится для видоопределения конкретной особи. Отдельно отметим, что это определение является динамическим, то есть требуется значительное время для определения. Если исходить из этого определения, структурной единицей вида является популяция, так как только её видовую принадлежность можно определить, причём важной характеристикой популяции является её постоянство во времени.
А как же определить видовую принадлежность особи? Для этого можно использовать современное определение, которое очень популярно у молекулярных биологов, — генетическое определение, основанное на схожести последовательностей ДНК. Особь относится к конкретному виду, если её последовательность совпадает с эталонной на n%, где n обычно равно 98-99. Причём не обязательно сравнивать всю последовательность, достаточным считается сравнение двух-трёх маркерных генов. Современные техники позволяют делать это быстро, до нескольких часов. Метод достаточно точный, при наличии эталонной последовательности ничего не стоит сравнить и выявить степень сходства. На первый взгляд, вот оно, то, что нужно! О чём ещё мечтать! Но тут есть некоторые тонкости. Все организмы, даже в пределах популяции и вида, имеют различные последовательности. При каждом делении появляется хотя бы одна мутация, а половой процесс и предназначен для увеличения разнообразия популяции. То есть организмы не идентичны по своим последовательностям. Но это не так уж существенно внутри популяции, где особи свободно скрещиваются между собой, различия мелкие, будут входить в 1-2% процента.
Возникает другой вопрос: а почему именно 99%? Где та грань, до которой различия не существенны, а после которой существенны? Почему её проводят именно тут, а не на 97%? Этот процент можно вывести эмпирически, экспериментально: получить последовательности большого количества близкородственных пар видов (то, что это различные виды, устанавливается иным способом, например, по первому определению), и сделать усреднение разницы последовательностей. Это усреднённое значение можно принять за стандарт, который будет использоваться в определении других видов. Но нужно учесть много различных факторов. Например, мутации могут вносить существенные и несущественные изменения, она может быть в гене или вне его - вариантов целое множество. Значимость нуклеотидов для видообразования и видоопределения не равнозначна.
Можно представить, что в некой популяции последовательно произошли три точечных мутации, три раза один нуклеотид заменялся на неправильный (механизм нас сейчас не интересует, возможно много вариантов), мутации эти были в кодирующих зонах важных генов, например, рецепторов. Каждая мутация сама по себе не приводит к каким-либо изменениям, так как компенсируется другими клеточными системами, но три вместе приводят к репродуктивной изоляции — особь с тремя мутациями не может скрещиваться с нормальной особью, при этом может с особями, несущими одну или две мутации. Изоляция может происходить из-за, например, нераспознавания сперматозоида яйцеклеткой — рецепторы изменились. Репродуктивная изоляция означает, что по классическому определению это разные виды, но по молекулярно-генетическому три точечных мутации представляют собой значительно меньше одного процента общей последовательности и особи не будут разделяться на два вида.
Или возьмём другой пример. Произошла крупная мутация — инверсия участка хромосомы с несколькими генами. При прочтении последовательности и дальнейшем сравнении с нормальной последовательностью до мутации окажется, что различия весьма существенны, можно чётко разделить на два вида. Но после инверсии гены могут нормально работать и репродуктивной изоляции может не возникнуть, так что по классическому определению разделения не будет. Правда классически используют не только скрещивание, но и внешний вид, который может измениться после инверсии (гены, в таком случае, работают не совсем хорошо). Это реальный пример, показанный на серых и чёрных воронах — они могут скрещиваться и давать плодовитое потомство, но имеют большую инверсию в одной из хромосом. Как в таких случаях определять вид? Это, конечно, проще, чем определять особей, редко размножающихся половым путём, предпочитающих бесполое размножение, но всё равно неоднозначность присутствует.
Чтобы определение было более полным, можно объединить два в одно либо конъюнкцией, либо дизъюнкцией. В первом случае получится, что нам нужно и скрещиваемость проверять, и генетическую схожесть. Это ничуть не упрощает задачу, только немного усложняет. Всё равно определение остаётся динамическим — нам требуется много времени и популяция. Если мы используем дизъюнкцию, то для определения вида достаточно определить генетическую схожесть или скрещиваемость с плодовитым потомством. Это упрощает дело: даёт возможность быстро определить вид при работе с особью и при этом эффективно работает с популяцией.
Такое определение не является насколько-либо полным и окончательным, но давайте сделаем шаг назад и посмотрим на вид более абстрактно. При этом первым возникает вполне законный вопрос: вид — реально существует или это абстрактное понятие, существующее лишь в нашей голове?
На этот вопрос ответить легко — однозначно, вид является абстрактным понятием, которого не существует в реальности. Так же как нет ничего в материальном мире, на что можно было бы показать рукой и сказать (и быть логически верным): "Вот это - равенство", "Вот это - счастье". Понятие вид было придумано для удобства, чтобы было проще работать с живыми организмами. Мы можем показать и сказать "вот это - человек, а вот это - дуб", и всем понятно, о чём речь, не нужно большого описания (если сказать: этот человек - дуб, то тоже всё понятно). То есть это, скажем так, общественный договор, а не реально существующая единица. Эволюционное учение показывает нам, что не может существовать чётких границ между видами — в первой главе её мы рисовали лишь с большими допущениями, для ясности картины. Один вид эволюционирует, и из него получается один или несколько других, но при этом нельзя провести чёткую границу, где закончился один и появился другой. Однако человеку нужно разбивать реальность на элементы, структурировать, чтобы получить возможность анализировать, именно для этого и была введена категория "биологический вид". Следовательно, в целом не очень важно, что именно мы называем видом и как определяем, что это такое - абстрактное понятие находится только в нашем уме и только от него, от ума, зависит, следовательно, главное договориться между собой о том, что это такое, чтобы соблюдать логические законы при общении и размышлениях.
Одним из следствий этого рассуждения может быть появления вопроса, вполне законного, о том, является ли особь, тело организма, реально существующим понятием или абстрактным. Его мы оставим за скобками, подумайте сами.