Шанс в жизни
Эволюция часто приводит к неблагоприятным последствиям для кого-то или для чего-то. Лучше застраховать себя от этого. Освойте случайные мутации, и вы сможете защититься от опасных поворотов судьбы. Разберитесь в них получше – и не исключено, что вы сумеете получить некоторое представление о жизни на других планетах. Нас обнадеживает Боб Холмс.
Возьмем 100 только что образовавшихся планет массой с Землю. Поместим каждую в обитаемую зону возле звезды спектрального класса G, принадлежащей к главной последовательности, то есть возле звезды, подобной нашему Солнцу. Поставим таймер на 4 миллиарда лет. Что мы получим? Сотню планет, кишащих формами жизни, похожими на земные? Даже, возможно, с доминированием безволосых прямоходящих обезьян? Или же эволюция будет всякий раз давать совершенно иной результат – если жизнь вообще зародится хоть где-нибудь?
По мнению некоторых биологов, эволюция – процесс детерминированный, и сходные условия среды, вообще говоря, будут стремиться породить сходные результаты. Другие ученые (наиболее известный представитель этого лагеря – Стивен Джей Гулд) полагают, что течение эволюции претерпевает непредсказуемые повороты, а значит, одна и та же отправная точка способна привести к весьма различным результатам.
Ответ на этот вопрос очень важен. Если правы сторонники Гулда, изучение эволюции походит на изучение истории – то есть чего-то такого, что мы способны понять только в ретроспективе, задним числом. Если же причуды случая играют здесь лишь минимальную роль, то получается, что биологи могут в значительной степени предсказывать дальнейший ход эволюции. Разница принципиальна: предсказание эволюции способно сыграть ключевую роль в борьбе с опухолями, вырабатывающими сопротивляемость действию лекарств, или с бактериями, приспосабливающимися к антибиотикам, или с постельными клещами, приобретающими иммунитет к пестицидам, или с вирусами, которые убивают тех, кому сделали против них прививку, и т. д., и т. п.
Каков же ответ на этот вопрос? Может, у нас и нет под рукой ста землеподобных планет и машины времени, но мы в состоянии посмотреть, скажем, как проходила эволюция жизни на соседних островах, или даже снова и снова воспроизводить эволюционные процессы в лабораторных условиях. Подобные изыскания позволяют лучше оценить роль случая в природе.
Но все по порядку. Эволюция действительно начинается со случайных событий – мутаций. Однако здесь работа идет отнюдь не по принципу «все сгодится». То, какие мутации уцелеют и распространятся, зависит от естественного отбора – от выживания наиболее приспособленных. Иными словами, в воображаемом коллективе эволюционных работников случай выступает как творческая личность, фонтанирующая идеями (некоторые окажутся блестящими, некоторые – безнадежными), тогда как естественный отбор придерживается безжалостного практического подхода, выбирая лишь по-настоящему действенное.
Исходя из этого, многие биологи (известнее всего стала точка зрения Ричарда Докинза) настаивают: хотя мутации, возможно, и носят случайный характер, сама эволюция не случайна. Такая настойчивость может оказаться полезной, когда вы объясняете эволюцию тем, кто пока не понимает ее главную идею. Однако в эволюции все же есть элемент случайности, даже когда естественный отбор крепко держится за руль.
Взять хотя бы эволюцию вирусов гриппа. Можно с уверенностью предсказать, что в ближайшие несколько лет структура гемагглютинина (белка, сидящего на поверхности вируса) меняется таким образом, что иммунная система больше не сможет распознавать его, а значит, и бороться с ним. Более того, почти наверняка те мутации, которые позволят новым штаммам вируса гриппа ускользнуть от нашей иммунной системы, произойдут в одном из семи важнейших участков гена, кодирующего гемагглютинин, утверждает Тревор Бенфорд, специалист по эволюционной биологии из Центра исследования рака им. Фреда Хатчинсона в Сиэтле. В этом смысле эволюция гриппа предсказуема и не носит случайного характера.
Однако лишь случай определяет, какой из этих семи участков будет мутировать и как. Предсказать ход эволюции вируса гриппа невозможно более чем на год-два вперед, говорит Бенфорд. Вот почему производители вакцин против гриппа не всегда правильно определяют ход дальнейшей эволюции вируса. Вот почему эти вакцины иногда оказываются по большей части неэффективными.
Более того, при всей важной роли естественного отбора его влияние не безгранично. Не всегда выживают наиболее приспособленные. Напротив, течение эволюции часто формировали случайные события. К примеру, если бы не падение одного астероида, мы, млекопитающие, могли бы до сих пор сновать по Земле в смертельном страхе перед динозаврами (см. «Светлая сторона астероида»). А если бы несколько миллионов лет назад на Галапагосские острова занесло ветром другую птицу, мы говорили бы сейчас, возможно, не о видах дарвиновских вьюрков, а о видах дарвиновских ворон.
Давно известно, что новые популяции обладают сравнительно низкой генетической изменчивостью. Но, как показывает ряд исследований, этот «эффект основателя» может играть более важную роль, чем считалось раньше. К примеру, буквально несколько птичек стали прародителями нескольких популяций канарских коньков на атлантических архипелагах Селваженш и Мадейра. В этих популяциях наблюдается большой разброс форм и размеров клювов, ног и крыльев.
Когда Льюис Спарджин из Университета Восточной Англии (Норидж) стал изучать эти популяции, он ожидал найти экологические различия, которые объяснили бы такие вариации, но отыскать их ему не удалось. Более того, он пришел к выводу, что физические различия – не результат действия естественного отбора, а всего лишь следствие небольшого количества «основателей»: иными словами, исторической случайности.
«Эффект основателя» способен порождать новые виды даже вообще без естественного отбора. Дэниэл Мэтьют, ныне работающий в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле, взял крупную популяцию дрозофил и создал тысячу новых популяций, поместив в идентичные лабораторные сосуды по паре мушек: иными словами, каждая новая популяция вначале состояла из одного самца и одной самки. Большинство таких популяций вскоре вымерли из-за близкородственного скрещивания (инбридинга). Однако в трех из уцелевших популяций основатели производили на свет достаточно «разное» потомство, менее склонное к инбридингу с более крупной «родительской» популяцией, а это первый шаг на пути к созданию нового вида.
Возможно, подобные эффекты объясняют, почему острова Гавайского архипелага отличаются таким огромным разнообразием видов дрозофил. Собственно, некоторые биологи вообще убеждены, что видообразование – почти всегда процесс случайный, а не вызванный естественным отбором.
Еще больше подтверждений существования пределов естественного отбора приносит исследование геномов, которые буквально усеяны результатами (и продуктами) деятельности случая. Несмотря на многочисленные заявления об обратном, по большей части геном человека представляет собой всего-навсего мусор. Этот мусор накапливался из-за того, что у естественного отбора не хватало сил его выбросить, утверждает Майкл Линч, биолог-эволюционист из Индианского университета в Блумингтоне. В малых популяциях даже слегка вредоносные мутации способны распространиться по всей популяции просто из-за случайных факторов.
Имеет ли значение такой генетический дрейф? Имеет. По крайней мере, иногда. Так, Джо Торнтон из Чикагского университета перевел воображаемые стрелки часов назад и реконструировал эволюционный процесс, чтобы посмотреть, могла ли эволюция обернуться по-другому. Вспомните «Парк юрского периода». Правда, Торнтон воссоздавал не вымерших животных, а древние белки. Его научная группа начала работу с живых позвоночных, причем каждое обладало своей версией гена, кодирующего белок, который, в свою очередь, способен детектировать кортизол – «гормон стресса». Сравнивая версии генов, группа смогла выяснить, как этот белок эволюционировал на протяжении сотен миллионов лет – из другого белка, который умел обнаруживать другой гормон.
Затем группа Торнтона пошла еще дальше. Она синтезировала некоторые из этих древних белков и попыталась на практике установить, какое влияние оказывала каждая из соответствующих мутаций. Процесс перехода к детектированию кортизола занял в общей сложности пять мутаций: две – на то, чтобы научиться распознавать кортизол, а три – чтобы «забыть» гормон, который детектировался раньше.
Но когда группа проделала лишь эти пять изменений, она дестабилизировала белок и нарушила его структуру. Как выяснилось, переход к кортизолу оказался возможен лишь благодаря тому, что предварительно произошли две другие мутации, стабилизирующие белок. Но эти «разрешающие» (дополнительные, факультативные) мутации не оказывали никакого непосредственного воздействия на процесс эволюции белка. Они наверняка произошли случайно, а не благодаря естественному отбору.
«Как нам представляется, разрешающие мутации словно открыли двери, предоставив эволюции возможность идти по путям, которые без этих мутаций остались бы недостижимыми», – поясняет Торнтон. Похоже, существует лишь один способ, каким отворяется дверь, ведущая к связыванию кортизола. Торнтон проверил тысячи других мутаций, однако ни одна из них не сумела такое проделать. «В окружении этого белка-прародителя не нашлось больше ничего, что открывало бы эту дверь», – замечает Торнтон.
По мнению Торнтона, ход эволюции часто (хотя и не всегда) зависит от таких вот случайных событий, кажущимися незначительными и несущественными. В этом смысле, говорит он, эволюция во многом похожа на нашу жизнь: без особых раздумий приняв решение пойти на одну вечеринку вместо другой, мы внутренне убеждены, что ни к каким серьезным последствиям это решение не приведет. Между тем не исключено, что именно на этой вечеринке вы встретите своего будущего мужа (жену), тем самым изменив течение всей своей жизни.
Впрочем, тот факт, что мы познакомились с одним человеком и не познакомились с другим, редко меняет ход истории. Хотя все упомянутые исследования вроде бы заставляют предположить, что случай играет более значительную роль в эволюции, чем обычно считают, возникает немаловажный вопрос: насколько большую разницу он вносит в долгосрочной перспективе? Конкретные особенности путей, избираемых эволюционирующими популяциями, могут в существенной степени зависеть от случая, однако все равно приводить к сходным результатам. К примеру, существует лишь ограниченное число способов летать или плавать, вот почему независимые эволюционные маршруты зачастую приводили к развитию схожих крыльев и плавников. Если бы торнтоновский белок не научился в процессе эволюции связывать кортизол, такую способность мог бы, по-видимому, приобрести какой-нибудь другой белок.
Есть много примеров конвергентной («сходящейся») эволюции такого рода. Так, арктические и антарктические рыбы в ходе эволюции независимо обзавелись белками-антифризами, которые действуют сходным образом. А некоторые эволюционные линии змей независимо выработали идентичные методы борьбы с ядами, которые выделяют поедаемые этими змеями тритоны.
А вот в Карибском море, на Больших Антильских островах, эволюция, по сути, отдельно происходила на каждом из четырех островов – и всякий раз ее результаты оказывались схожими. На каждом острове живут длинноногие ящерицы-анолисы, бегающие по земле; коротконогие ящерицы, лазающие по веткам; ящерицы с большими подушечками пальцев, умеющие прилипать к листьям. Но все ящерицы на каждом острове, судя по всему, произошли от одной популяции-основательницы, а значит, далее эти ящерицы независимо эволюционировали, чтобы заполнить набор экологических ниш, сходный для всех островов.
Означает ли это, что Гулд все-таки ошибался и в долгосрочной перспективе случай играет не такую уж большую роль? Возможно, ближе всего к ответу нам позволит подобраться Долгосрочный эксперимент по эволюции E. coli, некоторое время назад запущенный командой Ричарда Ленски из Мичиганского университета. 24 февраля 1988 года Ленски взял образцы бактерий E. coli одного и того же вида и основал с их помощью 12 новых популяций. С тех пор каждый день (в выходные и в праздники, несмотря на снежные бури и неумолимо подступающие сроки сдачи отчетов по грантам) кто-то обязательно поддерживал их рост, регулярно пересаживая образцы в новую питательную среду.
За три десятка лет популяции Ленски развивались на протяжении более чем 62 тысяч поколений. Для сравнения: у Homo sapiens за все время его существования, по-видимому, сменилось лишь около 20 тысяч поколений. Все 12 исходных бактериальных популяций менялись сходным образом: в ходе эволюции у них появлялись клетки большего размера, и скорость их роста увеличивалась. Это показывает: порой эволюция действительно разворачивается предсказуемым образом.
Но даже без внешних событий вроде астероидных ударов ход развития популяций Ленски все-таки не всегда оказывался предсказуемым. Одна популяция превратилась в смесь двух параллельных генетических линий: обеим удается выжить, поскольку они используют в своей жизни несколько разные стратегии. У другой популяции внезапно, примерно на 31 500-м поколении с начала эксперимента, развилась способность питаться цитратом – добавкой, которую вводят в бактериальный субстрат и которую E. coli обычно не умеет использовать. «Все они зародились в одном месте, все находились в одних и тех же условиях, – говорит коллега Ленски Закари Блаунт. – Эти различия возникают исключительно благодаря случайности, присущей эволюционному процессу».
Стала ли цитратная мутация просто счастливым прорывом или же эволюция может когда-нибудь снова к ней прийти? Команда Ленски каждые 500 бактериальных поколений замораживает образец каждой культуры, и Блаунт сумел «поднять архивы» интересующей его популяции, а затем в буквальном смысле провести эволюцию заново. Цитратная мутация возникала, лишь когда он начинал эволюционный процесс с клеток 20 000-го поколения или более молодых.
Очевидно, в районе 20 000-го поколения должна была произойти какая-то мутация (или мутации), которая подготовила почву для возникновения цитратной мутации на гораздо более поздней стадии – подобно тому, как в опытах Торнтона рецептор гормона требовал разрешающих мутаций, чтобы суметь затем переключиться на иную мишень. «Мы пока так и не выяснили, что же это была за мутация, – говорит Блаунт. – Очень жаль». Пока этого не удастся выяснить, команда не поймет, предоставила ли эта разрешающая мутация какие-то другие преимущества бактериям. Но даже если предоставила, очевидно, что ее роль в «открывании дверей» использованию цитрата – лишь случайный побочный продукт, плод везения.
А что бы получилось, сумей мы снова и снова воспроизводить эволюцию в планетарных масштабах? Один из вариантов – очень много слизи. По мнению Ника Лейна из Лондонского университетского колледжа, сложные клетки появились благодаря чрезвычайно маловероятному слиянию двух разновидностей простых клеток (см. об этом выше). Если он прав, формы жизни, сходные с бактериями, могут быть распространены в других мирах, но при этом они, скорее всего, редко порождают более изощренно устроенные организмы.
Допустим все-таки, что жизнь в других мирах преодолела стадию слизи. На что она тогда будет похожа? «Есть немалая вероятность, что такие повторы эволюции зачастую будут давать миры, похожие на наш, а именно – какие экологические ниши будут заполнены и какие разновидности основных признаков будут наблюдаться», – предполагает Блаунт. Иными словами, следует ожидать, что мы наверняка встретим там фотосинтезирующие организмы и хищников, паразитов и редуцентов. Однако, по мнению Блаунта, подробности, детали разных версий эволюции будут, скорее всего, резко отличаться. Даже если воспроизвести эволюцию сотню раз, крайне маловероятно, чтобы мы снова получили примата с большим мозгом, властвующего над планетой.
А какое-то другое мозговитое социальное животное может захватить власть над планетой? Да, такое возможно. «По-видимому, в большинстве сред обитания имеется адаптивная зона, предполагающая наличие интеллекта», – говорит Дэвид Яблонски, палеонтолог из Чикагского университета. Становится все очевиднее: многие черты и особенности, которые мы раньше считали присущими лишь человеку (от языковых навыков до умения изготавливать орудия), до некоторой степени развиты и у других животных. Так что, хотя безволосые прямоходящие обезьяны могут не появиться ни на одной из ста планет, не исключено, что на каких-то из них возникнут другие смышленые пользователи инструментов.
Возможно, на этот вопрос мы когда-нибудь действительно сумеем получить ответ. Уже сейчас открыты буквально тысячи экзопланет, и хотя мы пока не обнаружили ни одной, которая в точности напоминала бы нашу, все получаемые данные позволяют предполагать, что существует множество землеподобных планет, причем достаточно близко от нас – так что, возможно, мы сумеем не только определить, есть ли на них жизнь, но и узнать об этой жизни кое-какие подобности – конечно, если она там имеется. Где-то среди звезд нас может поджидать ответ.
Светлая сторона астероида
Примерно каждые сто миллионов лет что-то здоровенное врезается в нашу планету. Случись такое сейчас, от нас бы ничего не осталось. Но, как ни странно, мы, по-видимому, обязаны своим существованием последнему крупному столкновению такого рода.
Около 65,5 милллона лет назад астероид примерно десятикилометрового диаметра рухнул на полуостров Юкатан (в нынешней Мексике). Слои пород взорвались, выбросив огромные тучи газов с высоким содержанием углерода и серы. Это привело к глобальной катастрофе. Вспыхнули пожары, небо потемнело. А потом Земля остыла. Полили кислотные дожди. В течение нескольких месяцев вымерли динозавры. Исчезли и почти все прочие морские и воздушные рептилии, а также аммониты и большинство птиц и сухопутных растений.
С млекопитающими вышло иначе. Не то чтобы их совсем не коснулись все эти несчастья: вымерла примерно половина видов. Однако кое-кто выжил. Это были зверьки небольшого размера, быстро размножающиеся и хорошо умеющие приспосабливаться к новым условиям. Они могли добывать пищу среди обильных жертв астероидного удара. Они умели зарываться в норы или иным образом прятаться, чтобы избежать пожаров и кислотных дождей. Как правило, они обитали в пресноводных экосистемах или рядом с ними. А такие системы в значительной степени подпитываются мертвой органической материей, так что они оказались устойчивее перед лицом катастрофы, чем океаны и безводные области суши.
Эти уцелевшие существа и унаследовали Землю. По мере постепенного восстановления биосферы млекопитающие заселили экологические ниши, оставленные динозаврами, а в конечном счете – и те, где когда-то обитали морские рептилии. Как показывает анализ окаменелостей, это произошло в ходе настоящего взрыва творческого потенциала эволюции примерно в течение 10 миллионов лет – между отметками на временной оси «65 миллионов лет назад» и «55 миллионов лет назад». Исследования «молекулярных часов», сопоставляющие геномы ныне здравствующих родственных видов с целью реконструировать их эволюционное древо, рисуют несколько иную картину, согласно которой эволюция млекопитающих, по-видимому, резко ускорилась лишь спустя более чем 10 миллионов лет после падения астероида.
Так или иначе, одна из зародившихся тогда эволюционных линий – линия приматов, т. е. наша с вами. Есть веские основания заявить: не упади астероид на Землю в том месте и в то время, нас бы сейчас здесь не было.
Грэм Лоутон
