17. Непредвиденные обстоятельства, бутылочное горлышко и основатели видов

Как появляются разные виды? Это фундаментальный вопрос. Когда Чарлз Дарвин формулировал свои идеи, никто даже понятия не имел о ДНК или генах. Ученый был в состоянии вывести принципы естественного отбора, но он был практически полностью ограничен внешними и внутренними формами жизни. Сегодня мы можем заглянуть в код жизни, скрытый внутри каждого живого существа. Мы можем понять механизм эволюции. Мы можем посмотреть на молекулярные записи, свидетельствующие о том, как зарождаются новые виды и как через какое-то время они разделяются. Революция в генном картировании породила революцию в эволюционной теории.

В 1973 году американо-украинский генетик Феодосий Добржанский составил убедительное эссе «Ничто в биологии не имеет смысла, не будучи рассмотренным в свете эволюции». Ему, как правило, приписывают начало дискуссии или интеллектуального диалога, который часто называют «новым синтезом» эволюции. Добржанский ввел биохимические подробности и роль технического описания гена: специфическую последовательность нуклеотидов (также известную как генетический код), которые составляют часть хромосомы. Описанный таким образом, ген представляет собой строительный чертеж, который в конечном счете определяет порядок аминокислот, необходимых для создания специфического белка. Достаточно понятно? На самом деле это фантастически сложно, и биологи до сих пор изучают подробности того, как это работает. Тем не менее эта молекулярная точка зрения абсолютно, полностью, всячески согласуется с наблюдениями и выводами, которые сделал Дарвин: ДНК направляет строительство последовательностей химических веществ; эти химические вещества влияют на конфигурацию всего организма; эта конфигурация влияет на то, насколько вероятно, что организм будет воспроизводить и продолжать распространять все больше копий кода.

Влияние Добржанского было настолько глубинным, что мы часто о нем забываем. Он связал явление мутации гена – природных ошибок, которые случаются при создании копий сложных или комплексных молекул – с счастливыми случайностями, которые, в терминологии Дарвина, становятся привилегией некоторых потомков. Если мутация имела ценность для потомков, то она будет передаваться дальше и дальше.

До этого синтеза, способ, которым вид становился обособленным или появлялись новые виды, был не совсем ясен. Исследователи вполне резонно предполагали, что каждый представитель определенного вида имеет довольно много общих генов. Отличия одного представителя от другого они связывали с генами, пусть даже вариации в пределах одного рода были не особенно многочисленны. Согласно их рассуждениям, разный цвет волос у детей, рожденных от одних и тех же родителей, был обусловлен генетическим и в меньшей мере наследственным фактором. Благодаря «современному синтезу XX века» стало ясно, что каждый признак представителя вида заложен в его генах. В настоящее время мы принимаем эту идею как должное. Именно она дала ученым понимание того, что нужно, чтобы стать видом. Гены мутируют из поколения в поколение, и в результате мы получаем представителей, утративших способность спариваться с особями их изначального вида; так вид становится самостоятельным.

Наиболее важным следствием современного синтеза является то, что он позволяет ученым понять, как популяции разделяются на различные виды. Он определяет один из ключевых механизмов, работающих за кулисами разнообразия жизни. Давайте копнем поглубже и рассмотрим это на примере популяции жуков – их на свете более чем достаточно. На данный момент известно 350 тысяч видов, и наверняка осталось еще немало популяций, с которыми нам только предстоит познакомиться. Предположим, они живут в лесу. В какой-то момент в горах, у подножия которых находится наш лес, в результате обильного снегопада осадков выпадает больше, чем обычно, в предыдущие десятилетия. Снег тает, и вниз устремляются более мощные потоки воды, прокладывая русло новой реки прямо через долину – естественную среду обитания жуков. Жуки, обитающие в лесной почве у подножия деревьев, оказываются разделенными на две группы левобережных и правобережных жителей. Они больше не могут общаться, не могут заниматься совместными делами, в том числе откладыванием яиц.

Продолжая несовершенное копирование генов в обеих популяциях, передавая их из поколения в поколение, в конечном итоге левобережные и правобережные жуки получают совершенно отличный друг от друга набор генов и больше не могут иметь общее потомство. Две популяции в нашем упрощенном, но вполне закономерном примере превратились в разные виды. Меж тем в силу вступают и другие природные селективные факторы. Левобережники живут на том берегу реки, где роковой снегопад затопил почву и тем самым погубил обширную полосу деревьев – в результате затопления корни деревьев лишились доступа кислорода. Некоторым особям из популяции левобережников может посчастливиться иметь чуть отличающиеся челюсти или мандибулы, которые будут позволять им немного лучше пережевывать сухую древесину погибших деревьев. Они будут питаться лучше. Их яйца будут выдерживаться в лучших условиях – более приспособленные мандибулы также позволят жукам выгрызать в древесине более удобные «колыбельки», сохраняющие подходящую для яиц температуру лучше, чем у их сородичей. Так, на свет будет появляться все больше левобережников с более приспособленными мандибулами и способностью выгрызания колыбелек. Тем временем правобережники живут точно так же, как жили до наводнения. Их среда почти не изменилась, но тем не менее лево- и правобережные популяции расходятся.

Есть и другие последствия таких событий, разворачивающихся в отношении изолированных популяций организмов. В нашем примере с жуками и катастрофическим наводнением особи обеих популяций, скорее всего, не сохранят свои размеры. По моим подсчетам, левобережная популяция жуков должна значительно уменьшиться в размерах. Территория их обитания будет затоплена тающим снегом. Правобережные жуки находятся на внутренней стороне излучины реки, и очень немногие из них утонули в том снежном потоке, что сформировал реку. Они практически сохранили численность своих представителей. Что же касается насекомых, обитающих вокруг, то их количество могло увеличиться в разы. Если вы когда-нибудь были в Миннесоте в июле, то эти мухи… ну, короче, они бесчисленны и очень злобны. Будь их всего 10 млн и жизнь миннесотского байдарочника уже стала бы куда менее хлопотной (причем в буквальном смысле). Так вот предположим, что у нас есть 10 млн жуков на правом берегу, которые обладают теми же генами, что и до наводнения.

На левом берегу у нас только 10 тысяч жуков, которые выстояли в воображаемом стихийном бедствии. Жуки и сами по себе размножаются как сумасшедшие, а те, у кого челюсти лучше подходят для жевания сухой древесины, будут справляться с этим особенно хорошо. В довершение всего хищники, которые питаются жуками и другими насекомыми, например богомолами или крохотными птичками наподобие крапивниц, конечно, не обрадовались романтическому изменению пейзажа. Они больше не могут находить жуков в загроможденной местности, заваленной погибшими деревьями, и это в результате приводит к тому, что жуки на левом берегу станут размножаться более успешно. Предположим, что в рамках этого мысленного эксперимента популяции в конечном итоге стабилизируются, отношения хищника и жертвы урегулируются, зафиксировав определенную численность с каждой стороны. И даже если левобережная популяция достигнет того же размера, что и популяция на правом берегу, их гены на левом берегу будут иметь гораздо более скудное разнообразие, потому что все они – потомки гораздо менее крупной популяции. Это явление называется эффектом генетического бутылочного горлышка – предки жуков прошли через «сужение» их генофонда, что аналогично прохождению узкого горлышка бутылки.

Есть кое-что замечательное в отношении бутылочного горлышка. Мы можем измерить гены в разных популяциях и с большой долей вероятности сделать заключение о том, кто в растительном мире и в мире животных для кого является предком. На основании этого заключения мы можем делать выводы о естественной истории целых континентов и экосистем. Итак, с помощью инструментов современного секвенирования, или генного упорядочивания (в том числе некоторых удивительных химических реагентов и исключительных аппаратов), мы можем исследовать ДНК из крови различных жуков и определить, какие популяции имеют большее генетическое разнообразие. Популяция, пережившая наводнение, могла бы иметь меньшее разнообразие, чем популяция, которая не так сильно пострадала в стихийном бедствии. Это то, чего можно было ожидать. И главное, примерные механизмы этого процесса были понятны еще до того, как стало известно о ДНК и генном секвенировании.

Наглядный, а главное, реальный пример эффекта бутылочного горлышка можно наблюдать на Галапагосских островах. Молодой Дарвин во время своего путешествия обратил внимание, что птицы на острове, в частности вьюрки, были очень похожи. Тем не менее они также имели небольшие, но характерные различия в клювах. И Дарвин сумел сделать выводы из увиденного.

Допустим, что вы – счастливый вьюрок, летающий по просторам материковой части, где теперь расположен Эквадор; и вдруг начинается чудовищная буря, циклон, накрывающий несколько сотен километров. Пока вы и еще несколько членов вашей стаи лениво чирикаете, обсуждая сорта орехов, вас подхватывает сильный ветер и выносит в океан. Вам приходиться усиленно работать своими крылышками, чтобы спастись. Многие ваши товарищи довольно быстро выбиваются из сил и исчезают в пучине океана. Но вы и еще несколько счастливчиков в конечном итоге оказываетесь на острове. Здесь много орехов – видимо, много лет назад некоторые семена были заброшены сюда ветром во время подобной бури. Орехи вполне съедобны. Вас и нескольких ваших друзей нередко дразнили на материке из-за вашего крючковатого клюва. Зато здесь он отлично пригодился – им очень удобно раскрывать скорлупки орехов. Вы организуете новое сообщество и размножаетесь в течение многих лет. Поколения ваших потомков летают над скалами и деревьями, болтают об орехах и судачат о соседских вьюрках.

Затем еще одна огромная буря проходит через этот остров. Мощные бури – довольно частое явление в этой части света. Несмотря на опыт своих предков или, возможно, как раз благодаря ему, эти пра-пра-пра- (много раз пра-) правнуки птиц также уносятся ветром в океан, многие из них и в этот раз тонут, но некоторые все же приземляются на соседнем острове, расположенном чуть западнее. Новая популяция выходит на новый старт, и т. д. С каждым последующим сильным штормом и высадкой на все новом острове вьюрки создают в архипелаге Галапагос популяцию или сообщество, которое растет и размножается из одного набора генов, а, значит, по своей сути имеет все меньшее и меньшее разнообразие.

Дарвин появился на научной арене задолго до того, как стало известно о генетическом разнообразии. С того времени очень многие исследователи дополнили его теорию, предложив множество новых идей. Генетический набор популяций вьюрков ожидаем в случае их переноса в этой части Тихого океана. Например, в Галапагосском регионе есть игуаны, которые напоминают тех, что живут на материке, но при этом они другие. Во-первых, они могут плавать. Игуаны, живущие в джунглях, этого не умеют. Иногда бури бывают достаточно мощными для того, чтобы забросить на острова и более крупных животных, но в данном случае игуаны прибыли другим путем. Вдоль побережья, заросшего густыми лесами, нередко дрейфует множество бревен или поваленных деревьев. Если вы ящерица, ползающая по деревьям, то что вам остается делать, если ваше дерево очутилось в море? Держаться покрепче. В конечном итоге, если вы окажетесь на острове, вы изо всех сил начнете делать то, что необходимо для жизни – а значит, вплотную займетесь вопросом размножения с другой приплывшей на дереве игуаной. Мы можем исследовать их гены и сравнить с генами игуан, оставшихся на материке, чтобы получить результат, предсказанный эволюционной теорией: уменьшение разнообразия с востока на запад вдоль всего архипелага.

Этот вид новых популяций, закрепляющихся и осваивающих определенную местность, доселе им незнакомую, мы называем «основателями». Они создают новые сообщества так же, как люди-основатели учреждают компании или ведомства. Только эти основатели из животного мира боролись за свою жизнь и, в частности, за жизни своих потомков.

В общем, основатели появляются из генетического бутылочного горлышка и сами же его создают. Ведь численность основателей, начинающих новую жизнь в незнакомой им местности, будет меньше, а следовательно, и генное разнообразие в этой небольшой популяции также будет меньше, чем можно увидеть у исконных племен или общин, из которых они появились. Популярный пример такого явления – поселенцы в Южной Африке. Приплыв из Голландии, они, видимо, завезли с собой ген, который делает человека восприимчивым к болезни Хантингтона – дегенеративного заболевания головного мозга. Люди, страдающие этим заболеванием, часто совершают резкие движения, особенно лицом и плечами и к тому же имеют определенную форму слабоумия. На мысе Доброй Надежды в Южноафриканском регионе людей с таким заболеванием гораздо больше, чем среди всего остального мирового населения. Города Кейптаун и Йоханнесбург были основаны сравнительно небольшой группой голландцев, в которой кто-то нес в себе этот неприятный ген. Когда на юге Южной Африки образовывалось местное сообщество, гены этой африканской популяции прошли через бутылочное горлышко. Еще один знаменитый пример – это превалирование гемофилии в кровных представителях британской королевской семьи.

Феномен бутылочного горлышка и основателей привели ученых к размышлениям о роли случайности в эволюции. Ученые давно спорят о важности смены условий обитания для биологического и особенно генетического разнообразия. Я бы мог сформулировать проблему следующим образом: Необходимы ли крупные или незначительные катастрофы, и в том числе опустошительные массовые вымирания, для того, чтобы создать новые виды? Примером подобной взаимосвязи являются жуки из нашего эксперимента. Это увлекательный вопрос, ибо он возвращает нас к более глубокому: откуда мы все взялись? Взгляните иначе: где бы мы были, если бы не тот хаос на Земле в свое время?

Теперь, когда геологи узнали, что конкретно они ищут, и сконструировали специальное оборудование для своих поисков, они открывают десятки метеоритных кратеров по всей земле. Ставший роковым для динозавров камень, который 66 млн лет назад упал в районе современной Мексики, едва ли был единственным. Представьте, что вы жук из нашей истории, и вдруг где-то поблизости, поджигая все вокруг, падает гигантский, добела раскаленный камень – ясное дело, что дело плохо, ведь вы и все ваши товарищи могут мгновенно превратиться в чипсы! Хотя, не исключено, что вам повезет и вы сможете пройти по краю пропасти. Вы и несколько ваших товарищей выживут, и впоследствии перед вами откроется совершенно новый пейзаж с очень немногими выжившими живыми существами вокруг. Кроме того, в течение какого-то времени, возможно десятилетий, у вас будет очень мало конкурентов. Даже если вы не будете исследовать окружающую местность, а просто начнете пожирать побеги молодых растений, всходящих на новой, обогащенной питательными веществами почве, то, возможно, яйца, которые вы умудритесь отложить, смогут выжить уже в первый сезон, и ваше потомство будет резвиться в обновленном ландшафте в течение многих лет. Огромная успешная популяция укоренится, хотя генное разнообразие в ней будет гораздо меньше – по крайней мере, ваши гены там будут.

Насколько мы можем судить, падение астероидов – это не единственная катастрофическая проблема, с которой сталкивается жизнь. Огромные потоки базальтовых вулканических извержений, подобные тем, что некогда изливались в Сибири и Индии, отравляли атмосферу земного шара пылью и вредными газами, по крайней мере, 15 раз за известный нам период геологической истории Земли. Глобальные похолодания, возможно, привели к периодам, когда вся планета была заключена в ледяной саркофаг. Движения материков неоднократно вызывали кардинальные изменения в климате, циркуляции в химическом составе океана. Были, вероятно, и другие тяжкие испытания, о которых мы даже пока не знаем. И были, конечно, значительно меньшие, но зато бесчисленные экологические кризисы (засухи, наводнения и т. д.), которые уничтожали целые популяции и создавали благоприятные условия для появления новых основателей.

Эволюционным биологам, таким как Добржанский и более современный влиятельный американский исследователь Стивен Джей Гулд, можно адресовать вопрос: сколько таких событий было необходимо, чтобы получить такое разнообразие, какое мы наблюдаем в мире сегодня? Сколько непредвиденных обстоятельств нужно живым существам, чтобы получить достаточно мутаций для всех нас, обитателей Земли?

Некоторые ученые-эволюционисты считают, что катастрофы не влияли на то, что все мы имеем четыре конечности и челюсти, поскольку это следствие конвергентной эволюции. Они утверждают, что жизнь на Земле выглядела бы примерно так же, как она выглядит сегодня, независимо от того, сколько счастливых совпадений произошло или миновало нашу планету. Некоторые из этих ученых говорят о том, что Земле были необходимы катастрофы для освобождения так называемых экологических ниш для новых видов ради биологического разнообразия. Они указывают на массовые вымирания из палеонтологической летописи и заявляют, что без этих мировых «откатов» мы бы не увидели животных, растений и микробов, которых мы можем наблюдать сегодня. Вы можете перенести это утверждение из мирового масштаба в масштаб локальный и все равно получите то же самое. Без крупных изменений в окружающей среде или без регуляции численности видов посредством модели «хищник-добыча», у нас не было бы этого разнообразия.

Почему этот вопрос вызывает у некоторых весьма образованных и опытных биологов такое возбужденное волнение, мне не совсем понятно. Очевидно, что нам нужны и конвергенция, и случайности. Мы должны повиноваться законам физики, и мы должны пользоваться возможностями. Взглянув на виды, обитающие в Австралии или Новой Зеландии, вы поймете, что я имею в виду. В Австралии в природных экосистемах можно встретить похожих собак и кошек. Там есть и падальщики, которые бродят стаями, и ночные охотники, в одиночку рыщущие в поисках пищи.

Могли бы мы наблюдать сегодня австралийских собак и кошек, если бы Австралийский континент в свое время, скажем, в ледниковый период, когда снег и лед сковали воды морей, не был соединен сухопутным мостом с материком? Действительно ли каждой экосистеме необходимы эти групповые падальщики или одинокие охотники? Являются ли они естественным следствием существования многоклеточных животных, питающихся растениями, и того, что питает растения? Заполняются ли эти экологические ниши естественными формами жизни на Земле, или это просто случайные потомки потомков? И если некоторые из видов давным-давно канули в глубины геологической истории, то не появится ли у них аналогов сегодня?

Для меня очевидно, что оба этих фактора актуальны. Мы не можем сказать наверняка, какое количество ног – четыре, восемь или десять – стало бы наилучшим решением проблемы мобильности. Зато мы можем сказать, что все структуры, существующие на данный момент, занимаются решением одних и тех же физических и химических задач посредством тех инструментов, коими природа наделила их, то есть всех землян. Но я не вижу никаких доказательств того, что во всем этом принимала участие некая суперсила (или супергерой). Задумайтесь, ведь есть неопровержимые доказательства того, что ее нет, по крайней мере, в вопросе выбора победивших и проигравших особей.

Вы можете исследовать эту тему глубже и решить для себя, какой фактор кажется вам более значимым: конвергентные формы, такие как крылья и ноги, цветы и стебли? Или случайные события: наводнения, астероиды, ледники и т. д.? Я не вижу никаких разумных гипотез, способных объяснить все происходящее в мире без упоминания как конвергенции, так и случайностей в природе. Ну а как иначе? Ведь если бы все было по-другому, то все было бы по-другому!