Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

Стивен Джей Гулд спланировал эксперимент, который мы бы хотели провести: проиграть пленку эволюции снова и снова и увидеть, насколько разным будет результат к экспериментальным пертурбациям. И мы неслучайно называем подобные идеи мысленным экспериментом: в реальном мире их не осуществишь. Или же мы так привыкли думать.

Оказывается, Дарвин и его последователи на протяжении целого столетия ошибались в одном ключевом аспекте: эволюция не всегда ползет со скоростью улитки. Когда естественный отбор силен, что случается, когда условия меняются, эволюция может нестись со скоростью света (в четвертой главе я расскажу вам историю о том, как мы пришли к пониманию того, что эволюция в не меньшей степени напоминает зайца, чем черепаху).

Реальное существование быстрой эволюции позволяет нам выйти за рамки простого наблюдения за тем, как реагируют виды. Дарвин бы сильно удивился, узнав, что сейчас ученые ставят свои собственные эволюционные эксперименты, меняя условия контролируемым и статистически выверенным способом. В точности как биологи в лабораториях, мы можем тестировать эволюционные механизмы, но только в условиях природы, среди реальных популяций. Исследователи помещают мышей светлого и темного цвета в клетки размером в две тысячи квадратных метров в песчаных дюнах Небраски; перемещают гуппи в Тринидаде из проточных водоемов с хищниками в водоемы, где хищников нет; или попеременно меняют среду обитания палочников.

Я сам не раз проводил подобные эксперименты, проверяя гипотезы относительно того, почему у маленьких ящериц на Багамах развились разные по длине ноги. Я знаю, о чем вы подумали, но я и мои коллеги готовы приносить жертвы во имя науки. Довольно непросто торчать на продуваемых ветрами островах, окруженных со всех сторон океаном, но кто-то должен выполнить эту работу, и мы в числе таких добровольцев. Об этом будет более подробно в шестой главе, пока же скажу, что если вы год за годом возвращаетесь на Багамы и измеряете ноги тысячам ящериц переносным рентгеновским аппаратом, вы заметите, что популяции ящериц способны стремительно эволюционировать. Более того, если вы экспериментальным путем измените условия жизни ящериц, заставив их поменять привычки, то популяции на этих островах будут быстро эволюционировать, причем предсказуемым образом.

И хотя эволюционные эксперименты в природе пока еще в стадии развития, ученые в лабораториях осуществляют подобную работу уже на протяжении десятилетий. В этих исследованиях приносятся в жертву реалии природы ради высокой точности лабораторных открытий, обеспечивая полный контроль над условиями, в которых пребывают развивающиеся популяции. Более того, укороченная жизнь лабораторных организмов, в частности микробов, означает, что эти исследования могут быть продолжительнее и охватывать большее количество поколений, создавая, таким образом, больше возможностей для начала процесса эволюции.

В одном лабораторном эксперименте, длившемся на протяжении более четверти века, прослеживалась эволюция микробов. Его целью было изучить, до какой степени двенадцать популяций микробов способны эволюционировать одинаковым образом.

Я ЧАСТО СРАВНИВАЮ ЭВОЛЮЦИОННУЮ БИОЛОГИЮ с детективным романом или фильмом. Совершено преступление – или, в данном случае, что-то эволюционировало – и мы хотим узнать, как это произошло. Если бы у нас была машина времени, мы бы могли вернуться в прошлое и увидеть все своими глазами. Если бы можно было прокрутить пленку, мы бы просто начали все заново.

Но подобное невозможно (за одним важным исключением, к которому я вернусь в девятой главе). Вместо этого у нас куча зацепок, и мы, как Шерлоки Холмсы, вынуждены докапываться до истины, насколько это возможно. Мы видим модели эволюционной истории; виды, которые появляются сегодня, и окаменелости, хранящие в себе прошлое. И это позволяет нам оценить, насколько часто эволюция выдавала похожие результаты. Мы также способны изучать ход сегодняшнего процесса развития. Проводя эксперименты, мы можем понять, насколько повторяема и предсказуема эволюция: а именно, если начать с той же точки, всегда ли ты получишь тот же самый результат? А если начать с разных точек, но вести отбор похожим способом, придешь ли ты в итоге к тому же результату? Так что, даже не имея возможности прокрутить пленку, мы можем изучать эволюционную модель и процесс. Сложив их вместе, ученые совсем скоро смогут понять эволюционную повторяемость.

В этом смысле данная книга о том, до какой степени жизнь способна повторять себя, создавая в итоге виды, у которых развиваются схожие адаптивные свойства в ответ на схожие условия обитания, действительно ли естественный отбор неизбежно дает те же эволюционные результаты, и влияют ли определенные события на конечный итог.

А еще вы прочтете здесь о том, как ученые изучают данные проблемы, как различные инструменты от определения последовательности ДНК до проведения полевых исследований в отдаленных уголках мира, которые синтезируются с целью понять эволюционный источник той жизни, что окружает нас.

Ну, и о том, как развивается сама наука, как рождаются новые идеи и внедряются исследовательские программы для их тестирования. Я, в частности, подробно остановлюсь на появлении экспериментальных методов, изучающих эволюцию, – подход, который был немыслим на протяжении целого столетия после эпохи Дарвина.

В книге будет много рассказов об ученых и их исследованиях как в стерильных условиях лабораторий, так и на лоне природы. Но данная тема выходит за рамки академического интереса. Эволюция сегодня происходит повсеместно, и здесь уже не до скрытой полемики. Самое примечательное во всех этих процессах – непосредственные эволюционные битвы, происходящие между людьми и нашими «сотрапезниками». С одной стороны, природа отвоевывает у нас то, что мы пытаемся контролировать. Мы воспринимаем отдельные виды как вредителей, потому что они имеют дерзость использовать то, что мы приберегаем для себя. Сорняки, заполоняющие наши поля, крысы, поедающие наше зерно, насекомые, уничтожающие наш урожай. Мы задействуем целый арсенал химического и уже все больше генетического оружия, чтобы контролировать их, но они быстро учатся обходить наши ловушки.

Население планеты составляет семь с лишним миллиардов человек, Иногда мы сами представляем собой тот ресурс, который можно эксплуатировать. Малярия, ВИЧ, хантавирус, грипп – для микроорганизмов наши тела подобны урожаю, и они эволюционируют, чтобы использовать нас. Мы же, в свою очередь, ведем с ними битву, как с сельскохозяйственными вредителями, с помощью химических средств, и тогда у них мгновенно вырабатывается сопротивляемость.

Вот где спор между контингентностью и детерминизмом выходит за рамки академичности и касается каждого из нас. Если нам удастся предсказать не только то, когда произойдет стремительная эволюция, но и какую форму она примет, мы сможем вывести общие принципы и, значит, сумеем отреагировать наиболее эффективно. Но если каждый случай быстрой эволюции увязан на специфических обстоятельствах, тогда нам придется начинать каждый раз с самого начала, когда мы будем сталкиваться с новым сорняком, вредителем или болезнью, вычисляя, как адаптируется наш эволюционный враг, и что мы можем с этим сделать.

СПОР О КОНТИНГЕНТНОСТИ и детерминизме влияет на нас и иным, более эфемерным способом. Человек не меньше других видов подвержен конвергентной эволюции. Так, к примеру, наша способность пить молоко во взрослом возрасте уникальна среди животных. Она, конечно же, была невозможна до тех пор, пока мы не приручили крупный рогатый скот в течение последних нескольких тысяч лет. И с тех пор она конвергентно эволюционировала в нескольких сельских сообществах по всему миру. Цвет кожи также результат конвергентной эволюции, как и способность выживать на больших высотах, и многие другие признаки.

Сам человеческий род, конечно же, не конвергентен. Мы одни из тех единственных в своем роде, которые не имеют эволюционного двойника. Можем ли мы благодаря нашему пониманию эволюционного детерминизма сказать что-то о том, как мы менялись и почему? А если бы люди не появились на этой планете, занял бы тогда кто-то другой наше место, и смог бы этот вид развиваться так, как мы, причем настолько похоже, что кто-то – или что-то другое – сейчас писал бы вот эту книгу, пусть даже чешуйчатой трехпалой рукой? А если нет, тогда, может быть, на спутниках Юпитера или на каких-то других планетах?

Но я снова забегаю вперед. Давайте в очередной раз вернемся к нашей планете и посмотрим, насколько распространена конвергентная эволюция на Земле.

Часть первая

Природные двойники

Глава первая

Эволюционное дежавю

Представьте себе кита, плывущего в океане: обтекаемое туловище, хвостовой плавник, маленький плавник на спине, хвост волнообразно двигается вверх и вниз. Наблюдая за этой безмятежной картиной, кто обвинит древних греков в том, что они считали кита рыбой? Данная точка зрения существовала тысячелетия, пока двести пятьдесят лет назад Карл Линней не выправил ситуацию, признав левиафанов млекопитающими на основании того, что они производят на свет живого детеныша, имеют молочные железы и другие признаки[10]. Греки были обмануты конвергентной эволюцией.

Мы прошли долгий путь со времен долиннейских ученых. Нам, несомненно, известно гораздо больше об эволюции, чем было известно им. И наше углубленное знание анатомии и взаимосвязей видов помогло определить бесчисленные случаи конвергентной эволюции. Тем не менее наш список далеко не полный. По мере поступления новых данных молекулярной биологии мы снова и снова обнаруживаем, что были введены в заблуждение, так же как и греки, и что виды, которые мы считали похожими из-за принадлежности общему предку, на самом деле выработали схожие признаки независимо друг от друга.

Позвольте привести два недавних примера. По некоторым оценкам, морские змеи относятся к числу смертельно опасных животных. Яд отдельных их видов такой же смертельный, как у любой змеи. К счастью, большинство морских змей редко кусают человека, даже если их взять в руки. Но совсем иная ситуация с носатой энгидриной, которая будет свирепо защищаться: именно она ответственна за девяносто процентов случаев со смертельным исходом во всем мире. Названная так за особый кончик на морде, который выступает над нижней челюстью, она может быть широко распространена географически – от Арабского залива до Шри-Ланки, Юго-Восточной Азии, а также Австралии и Новой Гвинеи. Это один из самых широко распространенных в мире видов змей.

По крайней мере, так считалось. В 2013 году команда шриланкийских[15], индонезийских и австралийских ученых сообщила, что они провели штатные генетические сравнения среди популяций данного вида и получили неожиданный результат. Даже несмотря на то, что популяции демонстрировали лишь малые анатомические внутривидовые различия, генетически они были максимально различными. В частности австралийские популяции носатой энгидрины были схожи с другим австралийским видом энгидрины, а не с азиатскими популяциями данного вида. Точно так же азиатские популяции носатой энгидрины входили в наиболее тесную связь с другими азиатскими видами. Иными словами, существует не один вид носатой энгидрины, а два. И признаки, которые определяют данный вид, – не только его нос, окрас и общий внешний облик, но и скверный нрав – эволюционировали конвергентно, причем настолько сильно, что его дальние родственники, обитающие на противоположных берегах Индийского океана, считались представителями того же самого вида.

А теперь пример более знакомый для тех, кто никогда не видел морскую змею. Юношей я был чист душой и телом и довольно поздно познал радости алкоголя и распутства.

Однажды я был в гостях у своей подруги. Она предложила мне чаю. Я не любил чай, но хотел показаться светским юношей, и согласился. Вскоре я почувствовал себя странно. Мое тело покалывало, руки дрожали, сердце бешено стучало в груди. Я подумал, что у меня случился сердечный приступ. Но потом сделал логичный вывод, что я еще слишком молод, да к тому же инфаркт не мог сопровождаться таким всплеском энергии. Я уже не помню, насколько невозмутимо мне удалось выведать причину моего состояния у хозяйки, но наверняка я сделал вежливое признание, что чувствую себя слегка необычно. И она быстро объяснила, что я выпил особенно бодрящий сорт чая – нечто, сравнимое с теперешним напитком «Ред Булл». Теперь, будучи уже взрослым человеком, я начинаю свое утро с чашечки яванского кофе, но стараюсь не пить его после четырех часов дня. Если я выпью его позже, то не буду спать всю ночь.

Возможно, у вас по-другому, но меня жизнь постоянно заставляет повторять одни и те же ошибки. И точно так же я мучился однажды ночью в бразильском Пантанале, крутясь и ворочаясь в своей постели, не в силах уснуть, несмотря на тяжелый день и обильный ужин. «Почему я не могу уснуть?» – задавался я вопросом, а в голове мельтешили разные мысли. И вдруг прозрение. Тот незнакомый фруктовый прохладительный напиток за ужином. Я хотел пить и выпил две банки. Он был газированным, с легким привкусом яблочного сока. Что за напиток?

Я быстро пробежался по клавиатуре и нашел название шипучки – гуарана антарктика – и ее состав. Гуарана, крупнолистовое вьющееся растение из семейства кленовых родом из амазонских джунглей. А теперь угадайте, что содержат семена гуараны. Тот же состав, что и в кофе, чае, пепси, маунтин дью и шоколаде. Пуриновый алкалоид, 1,3,7-триметилпурин-2,6-дион. Молекулярная формула: C8H10N4O2.

Кофеин.

Несмотря на мое знакомство со средствами его доставки (пепси, чай, энергетические напитки), я никогда особо не задумывался над тем, откуда берется сам кофеин. Кофе и чай получают из одноименных растений. Колу, по крайней мере, изначально, производили из плода дерева кола; шоколад – из какао; гуарану антарктику – из семян гуараны (кофеина в них в два раза больше, чем в зернах кофе).

Все эти растения вырабатывают кофеин. И не различные его виды, а абсолютно одинаковое вещество. Кофеин – это кофеин, вне зависимости от его источника. Одно вещество – масса источников.

Мое любопытство должно было бы разгореться из-за того большого количества разных растений, которые производят кофеин, наведя меня на мысль о том, являются ли все они близко родственными или же процесс выработки кофеина конвергентно эволюционировал много раз. Но вскоре я уснул, и эта мысль так и не пришла мне.

К счастью, несколько пытливых ботаников решили исследовать данный вопрос. В статье, опубликованной в 2014 году[16], международная команда ученых использовала генетические данные, работая двумя группами, чтобы продемонстрировать, что процесс производства кофеина в этих растениях эволюционировал независимо. Одна группа сравнила ДНК многих видов растений, чтобы построить эволюционное древо видов, содержащих кофеин. Они сконцентрировались на трех видах – кофе, чае и какао. Такие эволюционные деревья – технический термин «филогенез» – напоминают генеалогические древа. У близкородственных видов можно выявить сходство благодаря поиску недавнего общего предка, точно так же, как братья и сестры выявляют свое родство благодаря родителям. Дальние родственники, такие как четвероюродные братья, появляются на сравнительно далеких ветках филогенеза, и нужно копнуть глубже, изучив эволюцию, чтобы найти их недавнего общего предка.

Филогенез показал, что растения кофе, чай и какао расположены на разных ветках эволюционного древа – они не близкие друг другу родственники. Какао скорее ближе к клену и эвкалипту, чем к чаю или кофе. А кофе происходит от предка, давшего начало картофелю и томатам, а не чаю или какао.

Чай располагается на своей собственной эволюционной ветке, далекой от всех остальных рассматриваемых видов. Иными словами, необходимо погрузиться глубже в процесс филогенеза, вернувшись в прошлое, чтобы найти предка давшего начало чаю, какао и кофе.

Тот факт, что кофеиносодержащие виды, не являются близкими родственниками, указывает на то, что способность вырабатывать кофеин, вероятней всего, эволюционировала независимо в трех типах растений. Но ученые копают глубже, чтобы проверить гипотезу их кофеиновой конвергенции, исследуя, как развивалась способность вырабатывать кофеин. Если виды независимо развили у себя эту способность, тогда фактический биохимический способ, которым они делают это, может не совпадать, и изучение ДНК может вскрыть разные пути, ведущие к одинаковому результату. И наоборот, если виды унаследовали данную способность от одного общего предка, тогда можно предположить, что они вырабатывают кофеин одинаково.

Филогенез, демонстрирующий эволюционные связи выбранных двудольных растений (растения с особым типом пыльцы, составляющие более половины всех видов растений). Виды, имеющие общего предка, более тесно связаны друг с другом, чем виды, произошедшие не от одного предка. Значок с дымящейся чашкой обозначает виды, вырабатывающие кофеин. Так как эти три вида не являются близко родственными, то наиболее вероятное объяснение, что кофеин эволюционировал независимо в каждой из этих групп (либо же выработка кофеина была родовым свойством, которое независимо утрачивалось много-много раз, но этот сценарий требует гораздо больше эволюционных изменений и, таким образом, менее вероятен).

Кофеин синтезируется путем преобразования исходной молекулы, именуемой ксантозин. Этот процесс осуществляют ферменты, именуемые N-метилтрансферазы (НМТ), которые последовательно отрезают части молекулы ксантозина, а потом добавляют новые. Среди растений существует много типов НМТ, которые выполняют самые разнообразные функции. Так что изначально они эволюционировали не с целью выработки кофеина. Скорее способность производить кофеин стала результатом эволюционного изменения в этих ранее существовавших ферментах, когда ксантозин преобразуется в кофеин.

Изучая геном различных видов, ученые выделили ДНК разных НМТ и обнаружили, что те НМТ, которые были преобразованы в кофе, отличались от тех, которые были преобразованы в чай и какао. Таким образом, эволюционные пути к выработке кофеина были различны – конвергенция осуществилась разными дорогами.

ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ отличается от большинства других наук тем, что ее базовые открытия, касающиеся истории жизни, получены не на основе первопричин. Здесь не работают дедуктивные методы. Нельзя просто подойти к доске и вывести формулу для утконоса. Скорее здесь задействован индуктивный метод, когда общие принципы возникают за счет накопления множества изученных случаев.

Эти исследования позволяют нам отличать то, что происходит регулярно, от того, что случается лишь изредка. Другими словами, эволюция идет самыми разными путями: практически все правдоподобное, что вы можете себе представить, развивалось где-то когда-то у определенных видов. Если подождать, то в конечном итоге произойдет даже самое невероятное. Как сказал математик Ян Малкольм в фильме «Парк Юрского периода»: «Жизнь находит способ». Таким образом, чтобы понять основные модели эволюции жизни, мы задаемся не вопросом «что может случиться?», а «что обычно случается?»

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Герпетология – раздел зоологии, изучающий пресмыкающихся и земноводных.

2

1 миля – 1609 м, или 1,6 км.

3

Какие-нибудь перфекционисты, увлеченные темой динозавров, могут заметить, что термин «бронтозавр» уже давно не используется. Вместо него по каким-то замысловатым научным причинам применяется термин «апатозавр». Этим брюзжащим всезнайкам я отвечу так: «Ха-ха! Благодаря новым научным открытиям термин «бронтозавр» был восстановлен в 2015 году».

4

На самом деле прототипом этого существа был близкий родственник динозавра дейноних. Одно главное различие между реальным и придуманным существом заключалось в том, что велоцираптор был, вероятно, высотой менее трех футов. Однако вскоре после выхода фильма «Парк Юрского периода» появились публикации, в которых палеонтологи описывали более крупного двоюродного брата велоцираптора под названием ютараптор, который был примерно одного размера с раптором из фильма.

5

Да, это реальная научная дисциплина, которая изучает жизнь во Вселенной, а также ее происхождение здесь, на Земле.

6

1 фут – 0,3048 м.

7

Здесь имеются в виду жесткие прочные иголки, которые наносят наибольший урон противнику. Более тонкие и гибкие иголки зачастую значительно длиннее.

8

В Австралии не только не было волны птичьей колонизации материка, все данные указывают на то, что ряд птичьих семейств, в частности, певчих птиц, зародился в Австралии, и оттуда они распространились по всему свету.

9

Хотя, и это чрезвычайно любопытно, кончики пальцев коал покрыты бороздками и пальцевыми узорами, столь похожими на наши, что специалисты с трудом различают отпечатки пальцев коал и людей.

10

Теперь мы знаем, что не все млекопитающие производят на свет живых детенышей. Утконосы и ехидны, будучи однопроходными млекопитающими, откладывают яйца. Способность вырабатывать молоко и наличие шерсти – два наиболее очевидных признака всех млекопитающих (хотя у некоторых млекопитающих, таких как киты, есть всего несколько усов).