Эволюция в ускоренном темпе
Ископаемые останки и генетические исследования предполагают, что эволюция происходила в очень медленном темпе. Однако это слишком далеко от истины.
Возьмем, к примеру, колюшку, которую Майкл Белл обнаружил еще в 1990 году, проезжая мимо озера Лоберг на Аляске. Белл был биологом, изучающим эволюцию колюшек, и не планировал собирать рыбу, так как местная колюшка была истреблена в 1982 году с целью улучшения озера для удильшиков.
Белл с удивлением заметил, что морские колюшки повторно заселили озеро. Само по себе данное явление не было чем-то необычным: морские колюшки могут жить и в пресной воде, а большинство пресноводных видов произошло от морских, которые заселяли ручьи и озера после того, как лед начал отступать в конце последнего ледникового периода.
Однако было в этих колюшках нечто странное. Спустя десять тысяч лет после ледникового периода пресноводные колюшки стали сильно отличаться от своих морских предков. Наиболее очевидным отличием стала потеря защитной чешуи, на развитие которой в пресноводной воде уходило бы слишком много времени. В озерах рыба с меньшей «защитой» может перерасти и вытеснить полностью защищенную рыбу.
Ранее считалось, что данный признак должен развиваться медленно – в течение тысяч лет. Именно поэтому Белл был так сильно удивлен, обнаружив меньше чешуи у некоторых рыб, выловленных им в озере Лоберг. В 1991 году Белл попросил друга собрать еще немного рыбы. Конечно же, большая часть из улова не имела защитной чешуи.
Белл, работавший в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, начал ловить колюшку каждый год. Раз за разом он находил все больше рыбы без защитной чешуи. К 2007 году 90 % выловленных экземпляров не имели защитных чешуек. Вместо положенных тысячелетий, данный признак успел развиться за пару десятилетий.
В отличие от постепенного процесса, описанного Дарвином, эта эволюция проходила с огромной скоростью. Помимо своей уникальности, поразительно здесь то, что такая высокоскоростная эволюция начинает казаться нормой. Очень немногие биологи пытаются отыскать доказательства происходящей эволюции. Но где бы ни находились ученые, эти доказательства находятся – от сорняков и вредителей до рыбы и человека. Теперь выясняется, что при любом изменении среды обитания происходит эволюция и самих обитателей. И делается это довольно быстро.
Такие выводы создают парадокс. Два основных способа изучения эволюции (исследование окаменелостей и сравнение с геномом ныне живущих организмов) предполагают, что процесс происходит постепенно, а некоторые виды почти не изменяются в течение десятков миллионов лет. И если эволюция – насколько быстрый процесс, как утверждают некоторые биологи, то почему данные из ископаемых и генетические исследования говорят об обратном?
Быстрая эволюция
Сообщения о быстрой эволюции поступали уже очень давно. Оказывается, еще в 1878 году британский энтомолог Альберт Фарн писал Дарвину о том, что в районах, «потемневших» от загрязнений, хариссы сероватые с темной окраской стали более распространенными, чем светлые особи. И это было почти за 20 лет до первых предположений о том, что знаменитые пяденицы березовые почернели по тем же причинам.
В 1897 году выяснилось, что несколько популяций насекомых становились резистентными к инсектицидам. К 1930-м годам таких примеров стало больше. Например, кокциды, развившие резистентность к синильной кислоте.
В следующие десятилетия биологи сталкивались с новыми и новыми примерами. Какие-то примеры стали известными (например, пяденица березовая), но все они расценивались как курьезы. «Люди говорили: "Надо же, как интересно. Должно быть, это исключение"», – вспоминает Майкл Киннисон из Университета Мэна в Ороно, один из первых исследователей, решивших взглянуть на эволюцию в действии.
В наши дни существуют тысячи примеров. И все больше биологов сходятся во мнении, что быстрое развитие – это далеко не исключение. А благодаря достижениям в области генетики мы начинаем понимать, каким образом это происходит.
Записи Белла о колюшке до сих пор остаются одним из лучших задокументированных примеров. Помимо потери защитной чешуи рыба приобрела и другие признаки, типичные для пресноводных рыб (например, мелкие жабры). Иммунная система рыб также эволюционировала, чтобы лучше справляться с различными угрозами. Исследования, проведенные в начале этого года, показали, что популяция колюшки в Боденском озере (Швейцария) распадается на два вида буквально у нас на глазах. Обитатели главного озера имеют более длинный хребет и более прочную чешую, по сравнению с теми, кто живет в ручьях, впадающих в озеро.
Из генетических исследований мы узнали, что потеря чешуи происходит из-за мутаций в гене EDA, играющем роль в онтогенезе кожи. Эти мутации встречаются и у морской колюшки, хоть и очень редко. Они сохраняются на низких уровнях, поскольку данный признак – рецессивный. То есть рыба потеряет чешую только в том случае, если унаследует две копии мутантного гена.
Но как только колюшки попадают в пресную воду, в которой меньшая чешуя несет большую пользу, мутации становятся благоприятными и быстро распространяются под влиянием естественного отбора. Это объясняет, каким образом многократно развивался один и тот же признак по мере того, как колюшки заселяли озера после ледникового периода.
Похоже, такое предсуществующее генетическое разнообразие – и есть тот самый фактор, что позволяет популяциям быстро эволюционировать. Поддержка данной идеи основана на изучении колюшек в Заливе Кука (Аляска), которые только недавно перешли на пресноводный образ жизни. Чешуя этой рыбы осталась неизменной, а команда Белла обнаружила в данных особях меньшее генетическое разнообразие, чем у колюшки из озера Лоберг.
Как правило, быстрая эволюция связана с существующими мутациями. Однако новые мутации также могут сыграть свою роль. Например, комар обыкновенный развил резистентность к фосфорорганическим инсектицидам после того, как необычная мутация создала несколько копий одного гена, подаривших своему обладателю больше ферментов для расщепления пестицидов. Эта новая мутация распространилась по всему миру.
Новые виды в кратчайшие сроки
При правильных обстоятельствах стремительно развиваться могут даже новые виды. В 1866 году американские фермеры сообщили о появлении неизвестной личинки, поедающей яблоки – культуру, появившуюся двумя веками ранее. Энтомолог Бенджамин Уолш предположил, что «яблочная личинка» образовала новую линию боярышниковой мухи, перешедшей на другую диету. Уолш уже предполагал, что такой процесс может приводить к видообразованию.
Теперь мы знаем, что Уолш оказался прав. Генетические исследования показали, что боярышниковая муха находилась в процессе разделения на два вида. Более того, паразитические осы-наездники, личинки которых питались личинками насекомых, также находились в процессе распада на два вида.
Новых примеров появляется все больше и больше. Один вид рыб из озера в Никарагуа разделился на два всего за 100 лет. Новая разновидность развила в себе более узкую и острую голову и утолщенные губы, идеально подходящие для того, чтобы питаться насекомыми из расщелин. Основной вид обладал более крепкими челюстями и имел дополнительные зубы, позволяющие разламывать раковины улиток.
Лабораторные исследования показывают, что линии не скрещиваются друг с другом, даже находясь рядом. Это означает, что они уже находятся на пути становления отдельными видами.
Еще один пример – знаменитые галапагосские вьюрки. Супруги-ученые Питер и Розмари Грант изучают вьюрков на острове Дафни-Майор с 1973 года в рамках одного из долгосрочных исследований протекающей эволюции. В 2010 году они заявили, что, возможно, стал развиваться новый вид вьюрка. В 1981 году средний земляной вьюрок (Geospizafortis) с другого острова достиг Дафни-Майор и стал скрещивался с местными видами птицами, производя потомство с необычными клювами и песнями. Четыре поколения спустя, после сильной засухи, из-за которой погибло множество птиц, эта новая линия перестала скрещиваться с другими вьюрками. Не совсем ясно, почему прекратилось скрещивание, но если птицы будут продолжать избегать местных птиц, они скоро станут новым видом.
Список примеров продолжал расти, и Киннисон с коллегами начали систематизировать данные и смотреть, что эти данные говорят нам об эволюции. «Мы пришли к пониманию, что подобные случаи были вовсе не исключением, а новой нормой». Теперь, как считает Киннисон, понятие «быстрая эволюции» скорее сбивает с толку, поскольку указывает, что обычно эволюция проходит медленно. Киннисон предлагает более корректное название – «современная эволюция». Конечно же, доказать, что современная эволюция стала нормой развития миллионов видов по всему миру, – задача не из легких.
Если быстрая эволюция действительно была нормой, то почему же ископаемые и генетические исследования говорят об обратном? Возможно, потому, что новые виды и признаки не только быстро развиваются, но и быстро исчезают, не оставляя следов в ископаемых или генетическом материале.
Обратная эволюция
Наглядный пример обратной эволюции также родом с Галапагосских островов. В 1977 году засуха на Дафни-Майор уничтожила растения с мелкими семенами, и многие из питавшихся ими вьюрков погибли. Особи с большими клювами могли питаться более крупными семенами, поэтому чувствовали себя немного лучше. А спустя несколько поколений размер клюва увеличился на 4 %. Во влажный 1983 год мелкие семена снова появились в большом количестве, и эволюция пошла в обратном направлении.
Видообразование может идти в обратном направлении. На соседнем острове Санта-Крус два зарождающихся вида снова сливаются в один. Исследовательская работа, проведенная в 1960-х годах, показала, что вьюрки на этом острове разделились на две линии: с крупными и мелкими клювами, в зависимости от размера поедаемых семян. В настоящее время большинство птиц обладает клювами среднего размера. Скорее всего, это связано с тем, что люди кормят птиц рисом, а это делает маленькие или большие клювы менее полезными.
Также было обнаружено много других примеров. Озеро Виктория в Восточной Африке стало домом для более 500 видов цихлид, многие из которых образовались за последние 15 000 лет. Сейчас многие виды снова объединяются. Причина в том, что самки узнают самцов своего вида по яркому окрасу. Поскольку в результате человеческой жизнедеятельности озеро начало мутнеть, самки все чаще размножаются с самцами другого вида, создавая гибридов, которые в конечном счете и заменят два первоначальных вида.
Такие эволюционные колебания могут стать новой нормой. В результате изменения давления отбора популяции развиваются быстрее сначала в одном, затем в другом направлении, а затем возвращаются туда, откуда начали.
Эволюционные «качели» могут обуславливаться не только внешними факторами (например, погода), но и взаимодействием между видами. Около десяти лет назад команда Нельсона Хэйрстона из Корнелльского университета в Нью-Йорке начала эксперименты с одноклеточными водорослями и питающимися ими крошечными животными под названием «коловратки». Ученые ожидали увидеть классический цикл «хищник-жертва»: снижение количества водорослей на фоне увеличения численности коловраток, последующий спад количества хищников из-за сокращения запаса пищи, дальнейшее восстановление популяции водорослей и т. д. Но ученые заметили неожиданные закономерности. Иногда популяция коловраток росла даже при постоянной численности водорослей.
Хэйрстон понял, что причиной данного явления послужила быстрая эволюция водорослей, в процессе которой происходили поочередное распределение ресурсов в защиту и размножение. То есть создавалось больше пищи для коловраток. Численность коловраток периодически увеличивалась с «правильной» скоростью, сдерживая тем самым быстрое размножение водорослей. Когда же команда повторила те же эксперименты с генетически идентичными клетками водорослей для замедления эволюции, они увидели классические циклы.
Позже Хэйрстон обнаружил, что теоретические биологи уже предсказывали то, что быстрая эволюция может создавать подобные закономерности. Единственное, что так и осталось неясным, – это то, как часто подобное явление происходит в дикой природе.
Одним из мест, где может образоваться данный цикл, является гавайский остров Кауаи, на котором не так давно затихли все сверчки. В 1990-х годах на остров прибыла муха-паразит, которая выслеживала самцов сверчков в брачный период и откладывала в них яйца. Затем личинки мухи заживо поедали сверчков, что привело к резкому сокращению популяции.
В 2003 году на острове еще было тихо. Именно поэтому Марлин Зук из Миннесотского университета была так удивлена, обнаружив множество живых сверчков.
Оказалось, что почти у всей популяции отметилась мутация, которая изменила крылья самцов и сделала так, что при трении лапок не издается никаких звуков. Популяция выжила, поскольку несколько самцов все еще могло стрекотать. «Немые» самцы собирались вкруг стрекочущих самцов и перехватывали потенциальных партнеров для спаривания.
Но Зук заинтересовал вопрос: что же будет дальше? В настоящее время сверчки приближаются к эволюционному тупику. «Не думаю, что "немая" популяция сможет выжить», – считает ученый. Вместо этого, по мнению Зук, мы станем свидетелями цикла «хищник-жертва», обусловленного быстрой эволюцией – той же самой, которую в свое время отмечал Хэйрстон. По мере увеличения популяции «немых» самцов количество паразитов будет снижаться, что приведет к восстановлению численности стрекочущих самцов. А это, в свою очередь, приведет к восстановлению популяции паразитов и т. д.
Смена направления
Сама идея эволюционной гонки, при которой виды должны постоянно эволюционировать для поддерживания жизни, довольно стара. Этот процесс называется «гипотезой Красной Королевы». Однако новое здесь то, что эволюция такого рода способна не только происходить быстрее, чем принято, но и сами участники могут менять свое направление.
Сложите все это воедино, и вы получите новую картину эволюции, которая в корне отличается от общепринятых представлений. По словам Киннисона, популярный взгляд на эволюцию перевернут с ног на голову. Почему-то люди верят в то, что эволюционные изменения незаметны в ближайшем будущем, однако сильно влияют на будущее через миллионы лет. На самом деле все совсем наоборот. Оказывается, что организмы стремительно эволюционируют в ответ на любые изменения среды обитания, но по прошествии длительного времени большинство эволюционных изменений друг друга нейтрализует. Таким образом, чем дольше изучаемый период, тем медленнее происходит эволюция.
Быстрая эволюция у людей
Члены племени Форе из Папуа – Новой Гвинеи считали, что когда кто-то умирает, их близкие должны съесть тело умершего. Дочери ели мозг умершего и иногда кормили грудью своих детей. Эта традиция привела к распространению дегенеративного заболевания мозга, называемого куру. Куру, как и болезнь Крейтцфельдта – Якоба, вызывается патологическим белком приона, который накапливается в мозге.
В некоторых поселениях от куру умерли почти все молодые женщины. Однако некоторые не заразились. Они были потомками человека, рожденного около 200 лет назад и имевшего необычную мутацию в прионном белке. Эта мутация мешала развитию патогенной формы приона. По мере увеличения заболеваемости куру, мутация также стала стремительно распространяться. В настоящее время половина женского населения из наиболее пострадавших от куру областей имеет уникальную мутацию, которая не зафиксирована ни в одном уголке мира. Если бы в 1950-х годах не отказались от традиции ритуального каннибализма, то болезнь еще сильнее распространилась бы внутри племени.
Появление резистентности к куру является одним из ярчайших примеров сверхбыстрой эволюции человека. Но это далеко не единственный пример. Около 3000 лет назад предки тибетцев отделились от популяции, породившей китайскую этническую группу Хань. Как только тибетцы стали жить на возвышенностях, их популяция начала адаптироваться. Несмотря на то что ряд адаптаций стал результатом жизни в горах (что-то вроде высокогорных тренировок у спортсменов), какая-то часть из них передавалась на генетическом уровне.
Например, один из вариантов гена, контролирующего выработку эритроцитов, встречается у 78 % тибетцев, но лишь у 9 % ханьцев. По мнению авторов данного исследования, процесс отбора идет в самом разгаре.
Дополнительные данные были получены из исследования тибетских женщин, живущих на высоте свыше 4000 метров. У женщин с высоким уровнем кислорода в крови выживало в среднем по 3,6 ребенка, а у женщин с низким уровнем – всего по 1,6 ввиду высокой детской смертности. Это говорит о том, что аллель, отвечающая за высокий уровень кислорода в крови, активно передается потомкам и становится все более распространенной.
