Мало оценен тот факт, что Чарльз Дарвин был великим экспериментатором. В то время, когда данный метод еще только зарождался, Дарвин уже ставил эксперименты, проверяя, смогут ли семена выжить при погружении их в соленую воду (некоторые смогли), как растения тянутся к свету (ключевым фактором здесь является верхушка растения) и реагируют ли черви на музыку (по большей части, нет). Но Дарвин никогда не планировал поставить эксперимент, чтобы проверить свою величайшую идею – теорию эволюции – естественным отбором.

Объяснить эту нестыковку просто: проведение подобного исследования показалось бы тогда бессмысленным. Дарвин полагал, что эволюция происходит со скоростью смены ледниковых периодов, настолько медленно, что ее развитие можно определить лишь по прошествии миллиардов лет. «Мы не увидим никаких из этих медленных изменений в процессе развития, пока стрелка часов не отмерит длинный промежуток в несколько веков», – писал он в своем труде «О происхождении видов». Чтобы увидеть результаты эволюционного эксперимента, потребовались бы тысячи лет – слишком долго, чтобы это было возможно. Насколько мы знаем, Дарвин никогда не размышлял над подобным проектом.

Опыт практической научной работы Дарвина поражает. Он верно определил, как формируются коралловые рифы, какую роль играют черви в насыщении почвы кислородом, и, конечно же, то, что естественный отбор – главный двигатель эволюции.

Поэтому неудивительно, что коллеги Дарвина на протяжении более ста лет верили его словам о том, что эволюция движется со скоростью улитки.

Конечно, во времена Дарвина не было реальной информации относительно скорости эволюции. Никто тогда не изучал популяции в условиях дикой природы, наблюдая за тем, изменились ли они с течением времени и до какой степени. Скорее Дарвин основывал свои взгляды на традиционных знаниях темпа геологических трансформаций и викторианской восприимчивости к соответствующе низкому по меркам современной жизни уровню инноваций.

Однако за последние полвека мы узнали, что Дарвин неправильно понимал данное явление. Будет совершенно неправильно утверждать, что эволюция движется незаметно медленно, иногда она, и даже часто, движется с легкой скоростью. В противоположность тому, как считал Дарвин, естественный отбор может быть очень сильным, и когда это происходит, популяции могут за короткий период претерпеть существенные изменения.

Эта огромная перемена в понимании скорости эволюционных преобразований произошла благодаря разной информации, которая стала доступна в середине прошлого века. Вероятно, решающее значение сыграла ставшая теперь знаменитой история с пяденицой березовой, которая произошла в XIX веке в Англии.

Biston betularia кажется в этом плане совсем непримечательным видом. Маленький, серовато-белый мотылек из тех, что порхают вокруг подъездных фонарей летними ночами. Он получил свое название благодаря черным крапинкам, покрывающим его крылья. Кто бы мог подумать, что такое невзрачное чешуекрылое насекомое станет символом эволюции?

И, тем не менее, это так. Двести лет назад пяденица березовая соответствовала своему названию – серая с черными крапинками. Конечно, периодически возникавшая мутация меняла окрас или узор, но это длилось недолго. Причина проста: пяденица березовая проводит дни, сидя на деревьях, расправив крылья. А деревья в английских лесах с такими же крапчатыми стволами.

Обычные мотыльки достаточно хорошо сливались с деревом, а мутанты заметно выделялись и были удобной мишенью для голодных и зорких птиц.

В середине XIX века промышленная революция изменила мир не только людей, но и мотыльков тоже. Человеческие перемены были многочисленными и разнообразными, приведя в равной степени к прогрессу и социальным сдвигам. Что касается мотыльков, то здесь итоги были просты: в промышленных центрах и подветренных местностях деревья покрылись черной копотью, которую выбрасывали фабричные трубы. А для светлых мотыльков это стало проблемой. Если изначально они были превосходно замаскированы, то теперь их легко можно было обнаружить на фоне почерневших стволов деревьев.

Есть несколько комичных изображений коллекционера бабочек или мотыльков, особенно XIX века. Представьте себе джентльмена-натуралиста, одетого в мешковатые штаны, шерстяной пиджак и галстук плюс, возможно, очки и шерстяную шапочку. Теперь представьте себе того же джентльмена, бегущего за мотыльком, совершающим волнообразные движения. Человек бешено размахивает сачком и, как правило, промахивается, так как насекомое в последний момент резко уходит вниз или уворачивается.

В те времена коллекционирование бабочек и мотыльков было невероятно популярным занятием: проходили собрания, создавались общества любителей-энтомологов, выпускались информационные бюллетени. И когда обнаруживалось что-то новое, это становилось целым событием. О каждой новой находке исправно сообщалось в таких печатных изданиях, как «Ежемесячный журнал энтомолога» или «Архивы энтомолога». В итоге у нас есть подробно задокументированное описание того, когда и где появился черный окрас мотылька, и как широко и насколько быстро он распространился.

Первые темные мотыльки были пойманы в центральной Англии. Сначала в Манчестере в 1848 году, затем в Йоркшире в 1860 году. Вскоре их обнаружили на севере и на юге, а к концу века и в Лондоне. К началу 1950-х годов мотыльки темного цвета встречались практически по всей Англии. В промышленных районах и подветренной местности популяции мотыльков состояли зачастую почти из одних темных особей.

И хотя ученые изучали процесс распространения черной формы пяденицы березовой с начала XX века, на протяжении долгого времени значимость этой стремительной эволюционной трансформации была недооцененной. Все изменилось, когда Бернард Кетлвелл^[49], британский терапевт, ставший энтомологом, провел ряд ставших уже классическими экспериментов. Кетлвелл выпустил оба вида мотыльков в леса, расположенные в сельских и промышленных районах, а потом вернулся и вновь изловил их столько, сколько смог. Его исследование продемонстрировало^⁰¹, что выживаемость темных мотыльков была существенно выше в лесах, находившихся вблизи промышленных зон, где деревья были покрыты сажей. И, наоборот, в более чистых сельских районах типичный серый тип был более удачливым. Дополнительные исследования выявили фактор отбора: помещая мотыльков на разном фоне, Кетлвелл убедился в том, что птицы чаще подбирали мотыльков, выделявшихся на привычном для них фоне.

Данные исследования быстро стали учебным примером того, как происходит в природе процесс естественного отбора.

Экспериментальная демонстрация процесса сильного естественного отбора в сочетании с историческими сведениями о быстром изменении окраса, произошедшем за несколько десятилетий, явно указывали на то, что эволюция, вызванная естественным отбором, может происходить стремительно.

Примерно в то же самое время, когда Кетлвел проводил свои исследования, ученые и простые люди становились очевидцами происходящей вокруг них стремительной эволюции. Пенициллин – «чудодейственное лекарство», которое должно было стать проводником в будущее, свободное от инфекционного заболевания – был впервые массово применен в ходе Второй мировой войны. И почти сразу же у стафилококков (бактерий, вызывающих стафилококковую инфекцию) развилась сопротивляемость, так что к середине 1950-х годов большая часть преимуществ пенициллина была утрачена.

Впоследствии как только появлялся новый антибиотик, у бактерий быстро развивалась сопротивляемость к нему. Тетрациклин был представлен на рынке в 1950 году, а резистентные бактерии появились девять лет спустя. Эритромицин стал массово доступен в 1953 году, сопротивляемость обнаружена в 1968 году. У метициллина было всего два нерезистентных года после его дебюта в 1960 году. Стремительная эволюция стала заметна широкой публике и стоила многих человеческих жизней.

В то самое время, когда микробы делали антибиотики неэффективными, различные виды вредителей проделывали то же самое с нашими только что созданными пестицидами и гербицидами.

Полевой вьюнок был первым растением, у которого в 1950 году развилась сопротивляемость к гербицидам, и вскоре к нему присоединились многие другие растения, ставшие нечувствительными к нашим химикатам. Некоторым удалось это почти сразу после того, как появились новые гербициды.

То же самое происходило и с сельскохозяйственными вредителями. Препарат ДДТ широко применялся в ходе Второй мировой войны. Первые свидетельства резистентности были обнаружены в начале 1940-х годов, а к началу 1960-х годов резистентность стала широко распространенным явлением. У крыс сопротивляемость к родентициду варфарину развилась в 1958 году, спустя десять лет после того, как препарат появился на рынке. В целом количество насекомых, которые нечувствительны к определенному виду инсектицидов, возросло с семи в 1938 году до четырехсот сорока семи в 1984 году. Стремительная эволюция стоила миллиардов долларов убытков, а в отдельных регионах привела к голоду и нищете.

ПЯДЕНИЦА БЕРЕЗОВАЯ, МИКРОБЫ, ВРЕДИТЕЛИ. К середине XX века точке зрения Дарвина относительно медленного хода эволюции противостояло уже целое течение. Но здесь таится большая подковырка. Дарвин говорил об эволюции в природном мире. А общность всех только что приведенных примеров в том, что они охватывают виды, адаптировавшиеся в ответ на радикальные изменения условий окружающей среды как результат воздействия человека. И неважно, столкнулись ли они с загрязнением воздуха или с разрушительным действием эффективных химических препаратов. Виды во всех этих примерах оказались пред лицом очень сильных новых воздействий естественного отбора, с которыми они никогда прежде не сталкивались. Более того, эти сильные воздействия, как правило, не были временными. Процесс естественного отбора был мощным и последовательным год от года, совсем непохожим на то, как он, согласно бытовавшему мнению, действовал в природе (не забывайте, что в то время было мало данных полевых исследований).

Начиная с 1920-х годов, генетики своими экспериментами доказывали, что плодовые мушки и другие животные быстро адаптируются, когда оказываются под воздействием сильных и постоянных селективных воздействий в условиях лаборатории.

Похожие типы селекции приводят к возникновению новых пород животных и сельскохозяйственных культур. Пяденицу березовую и резистентных микробов и вредителей можно рассматривать как природный аналог лабораторных и сельскохозяйственных исследований. Благодаря данным исследований в области искусственного отбора (как его называют) мы уже узнали, что когда люди применяют метод постоянной селекции, популяции стремительно адаптируются. Эти новые примеры продемонстрировали, что стремительная эволюция в ответ на похожие воздействия естественного отбора происходит в природе точно так же, как в лаборатории или на ферме.

Эта выявленная эквивалентность предполагает, что наблюдаемая стремительная адаптация вовсе не типична для эволюции, происходящей за миллиарды лет. Как утверждалось ранее, в естественных условиях процесс отбора редко бывает таким сильным или последовательным. Согласно представлению Дарвина, в природном мире, не тронутом людьми, эволюция, вероятно, идет гораздо более размеренным темпом. И лишь когда люди нагадят, процесс заметно ускоряется.

По иронии судьбы именно изучение птиц, названных в честь Дарвина – галапагосских вьюрков, – стало тем кинжалом, воткнутым в самое сердце идеи об исключительно медленном ходе эволюции. Подобно пяденице березовой, вьюрки Дарвина стали одним из живых примеров эволюции, и не только из-за их названия или истории. По большей части своей известностью они обязаны уникальной сорокалетней исследовательской программе, осуществленной биологами из Принстона Питером и Розмари Грант^[51].

Начиная с 1973 года, Гранты ежегодно проводили несколько месяцев на маленьком, похожем по форме на кратер галапагосском острове Дафни Майор. Их целью было изучить популяцию среднего земляного вьюрка (названного так потому, что есть еще крупные и мелкие его виды) и понять, менялись ли их популяции от поколения к поколению и как, а также попытаться «измерить» естественный отбор, подталкивающий к таким изменения.

Чтобы осуществить это, Грантам пришлось ежегодно ловить и измерять всех живущих на острове вьюрков. Только так они могли заметить, меняются ли свойства популяции – вес тела, размер клюва, длина крыла и так далее – от поколения к поколению.

Поймать птицу – процесс более спокойный, чем ловить мотылька или ящерицу. Вместо того, чтобы активно искать добычу и заманивать ее в ловушку каким-то хитроумным способом, будь то сеть или капкан, орнитологи предоставляют птицам возможность ловиться самим. Хитрость заключается в том, чтобы расставить сооружение, которое выглядит как огромная сетка ракетки для бадминтона, только очень тонкая, настолько, что птица часто не замечает ее, пока уже не будет слишком поздно: летит прямо в нее и безнадежно запутывается. Когда это происходило, один из Грантов подходил и осторожно извлекал сопротивляющегося вьюрка, засовывая его в холщовый мешок и относя обратно в лагерь для изучения.

Сам лагерь был небольшой: скальный навес, брезентовые тенты для защиты от солнца и раскладывающиеся стулья. С помощью циркуля Гранты аккуратно измеряли клюв: его длину, ширину и толщину. Затем они проворно расправляли крыло, чтобы записать его длину, а также измерить кости лап. И, в завершение, они завязывали вокруг лап птицы цветные ленточки, снабжая ее своей индивидуальной идентификационной карточкой.

Возвращаясь туда каждый год, Гранты смогли наблюдать ход движения эволюционного процесса. Естественный отбор возникает тогда, когда успешное выживание и размножение особи связано с ее фенотипом. Собранные Грантами данные позволили им задаться вопросом, имеет ли он место. Каждый год они вносили в сводную таблицу сведения о том, кто из птиц выжил с предыдущего года, а кто нет. В итоге они провели все фенотипические измерения птиц, так что могли просто соотнести два вида информации: была ли связь между длиной лап птицы или шириной ее клюва и тем, выжила ли она или погибла?

И открытия не заставили долго ждать. Четвертый год их исследовательской программы выдался необычайно сухим. Если в обычный год в сезон дождей там выпадает пять дюймов осадков, то в 1977 году их количество было менее дюйма.

Остров Дафни Майор превратился в высохшую пустошь. Растения засохли. Воды стало еще меньше, чем обычно. Семян – основного питания этих вьюрков – было наперечет. Птицы гибли целыми стаями. Голод и отсутствие воды стали мощным ударом потому, что у голодных птиц не вырастали новые перья, и когда старые стирались, то с незащищенной кожи увеличивалась потеря влаги. В январе 1977 года на острове было тысяча двести средних земляных вьюрков. Спустя двенадцать месяцев засухи их осталось всего сто восемьдесят.

Но смертность не была огульной. Самые крупные птицы и особи с самыми крупными клювами выживали лучше. Причина в том, что запас из маленьких семян был съеден в первую очередь, а когда они исчезли, то птицам с меньшим по размеру клювом не повезло: им не хватало силы, чтобы расколоть оставшиеся крупные семена. Это был один из самых впечатляющих примеров действия естественного отбора, когда-либо наблюдаемых в дикой природе.

Естественный отбор совсем не обязательно ведет к эволюционным изменениям. Если птицы с крупными клювами выживают и размножаются лучше, тогда средний размер клюва должен со временем увеличиваться. Но данное предположение верно только в том случае, если птицы с большим клювом производят на свет потомство с таким же клювом. То есть изменение признака должно иметь генетическую основу, чтобы плюсы данного свойства передавались от родителя потомству. Зачастую так и бывает, но не всегда. У людей, к примеру, дети бодибилдеров необязательно унаследуют их крупные мышцы.

Или вспомните теплолюбивое домашнее растение на кухонном окне в вашем доме. Если вы поставите его в затененный уголок, то оно будет расти гораздо медленнее.

Здесь также будет иметь значение объем воды и удобрений, которые вы ему даете. А еще лучше взять десяток генетически идентичных растений, полученных путем прививки или обрезки, и обеспечить им разные условия, изменяя сочетания света, воды и удобрения. А несколько месяцев спустя вы почти наверняка получите самые разные по виду горшечные растения.

Феномен, при котором генетически идентичные организмы порождают разные фенотипы в зависимости от условий их среды обитания, называется «фенотипической пластичностью».

Однако в случае с вьюрками Дарвина фенотипическое расхождение основывалось на генетике, передаваясь от родителя потомству. Команда Грантов продемонстрировала удивительные результаты, сравнивая родителей и потомство – они знали, где чьи родители, потому что привязывали ленточки птицам вскоре после их поимки, пока те еще были в гнезде. Гранты обнаружили сильную взаимосвязь между родителями и потомством: чаще всего наследовался общий размер тела, как и пропорции клюва, крыла и лап.

В итоге более крупный размер тела и клюва переживших засуху птиц передался следующему поколению, и в последующие годы вьюрки были больше по размеру и с более крупными клювами. Сильный естественный отбор привел к стремительному эволюционному изменению.

Гранты продолжали изучать вьюрков с острова Дафни Майор на протяжении последующих тридцати пяти лет. И они обнаружили, что столь сильный естественный отбор был не редкостью. Так, несколько лет спустя сильные последствия влияния течения «Эль-Ниньо» привели к выпадению пятидесяти четырех дюймов осадков – в десять раз больше нормы. Наводнение породило изобилие мелких семян, что способствовало сильному естественному отбору птиц с маленьким изящным клювом, с помощью которого было удобнее и быстрее собирать урожай из мелких семян. В очередной раз популяция стремительно эволюционировала в ответ на новые условия.

Работа Грантов имела огромное значение не только благодаря тому, что они описывали, но и по причине того, что они продемонстрировали, что возможно в природе.

В противовес традиционным знаниям они доказали, что эволюцию можно изучать в природе в режиме реального времени. Их работа служила источником вдохновения для нескольких поколений биологов, работавших в полевых условиях. И в результате количество людей, проводивших подобные исследования, резко увеличилось, равно как и объем доступной информации относительно темпов эволюции в природе.

ИДЕЯ всех этих исследований ясна: когда меняется окружающая среда, виды способны очень быстро адаптироваться. Достаточно быстро, чтобы увидеть это собственными глазами. Достаточно быстро, чтобы описать это в ходе пятилетнего курса исследовательской работы.

Всего лишь несколько лет назад возможность описать стремительное эволюционное изменение, происходящее за короткий период времени, становилась целым событием. Теперь это уже ожидаемый результат.

Дарвин был умным экспериментатором, умевшим использовать простые, доступные ему материалы, чтобы проверить свои идеи. Например, при изучении слуховых способностей червей он отмечал их реакцию на громкий свист, звук фагота, пианино и его собственные крики. Черви игнорировали все эти акустические воздействия. Но когда их помещали поверх пианино во время игры, а не на примыкающий к нему столик, черви приходили в заметное возбуждение. Очевидно, что звук – это одно, а вибрация – совсем другое дело.

Зная обо всех экспериментальных наклонностях Дарвина, мы можем лишь догадываться, что бы он сделал, если бы знал, как быстро может происходить эволюция. Но он не знал этого, а потому никогда не задумывал эксперимент, чтобы проверить свою теорию эволюции с помощью естественного отбора. И, следуя по стопам Дарвина, ученые на протяжении еще более чем ста лет даже не пытались попробовать осуществить это.

Стивен Джей Гулд был первым сторонником идеи, что эволюция иногда идет чрезвычайно быстро.

Согласно его теории «прерывистого равновесия», вокруг которой в свое время шли жаркие дебаты^[52], эволюция представляла собой чередование продолжительных периодов с едва заметными изменениями и этапов бурного развития. И все же Гулд не проводил связи между быстрой эволюцией и возможностью реализовать на практике свой мыслительный эксперимент с прокручиванием пленки. Эту работу он оставил для следующих поколений ученых.