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

Джонатан Б. Лосос, 2017

Эта книга изменит ваш образ мыслей и представления об эволюции и естественном отборе. Вы удивитесь тому, как знания об эволюционных изменениях могут помочь защитить экосистему, обеспечить наши запасы продовольствия и бороться с вредными вирусами и бактериями. Автор познакомит вас с мировыми исследованиями, которые проливают свет на самые тайные загадки жизни на Земле. Вы узнаете, как эксперименты с гуппи, дрозофилами, бактериями, лисами и полевыми мышами могут показать, насколько быстрой и предсказуемой может быть эволюция. Этот убедительный рассказ предлагает новое понимание нас самих и нашей роли в природе и космосе.

Посвящается моей жене, Мелиссе Лосос, и моим родителям, Джозефу и Кэролин Лосос, за их любовь и поддержку

Jonathan В. Losos

IMPROBABLE DESTINIES:

FATE, CHANCE, AND THE FUTURE OF EVOLUTION

© 2017 by Jonathan B. Losos. All rights reserved

Предисловие

Как и у многих детей, у меня был период увлечения динозаврами. В детском саду я прославился тем, что каждый день появлялся там с полной корзиной пластиковых ящеров. Аллозавры, стегозавры, анкилозавры, тираннозавры. У меня были все из примерно двадцати доступных тогда видов (у нынешних детей их гораздо больше).

В отличие от большинства детей я так и застрял в том периоде. У меня до сих пор есть игрушечные динозавры — теперь их уже намного больше. Я и сейчас помню их названия и даже могу произнести слово «паразауролоф» (па-ра-за-у-ро-лоф). Но теперь меня интересуют живые пресмыкающиеся: змеи, черепахи, ящерицы и представители отряда крокодиловых.

В значительной степени это произошло благодаря повторному показу старого телесериала «Предоставьте это Биверу» (Leave it to Beaver), в частности, в той серии, где Вэлли и Бив покупают заказанного по почте маленького аллигатора и прячут его в ванной. Нет нужды говорить о том, что когда Минерва, экономка, находит его, то начинается настоящее веселье. Решив, что это отличная идея, и зная, что в зоомагазинах в те дни (начало 1970-х) продавались маленькие кайманчики — центрально-американская и южно-американская версии аллигаторов, — я начал умолять маму купить мне его. Моя мама была из тех женщин, которые не любят говорить «нет», и предложила обратиться за советом к другу нашей семьи, Чарли Хёсслу, заместителю директора зоопарка Сент-Луиса, надеясь, что тот положит конец всей этой бредовой затее.

Каждый день, когда отец возвращался с работы, первым моим вопросом было: «Ты поговорил с мистером Хёсслом?» Будучи по своей природе не особо терпеливым (во всяком случае, не в возрасте десяти лет), я по мере того, как один день сменялся другим, испытывал сначала раздражение, а потом гнев. Я не мог понять, в чем проблема. Мой отец ждал встречи с Хёсслом, вместо того, чтобы просто позвонить ему. А если эта встреча так и не состоится? Я уже стал терять всякую надежду заиметь у себя дома живого крокодильчика, когда однажды вечером отец, вернувшись с работы, сказал, что он поговорил с мистером Хёсслом. «И что он ответил?» — спросил я, испытывая одновременно надежду и тревогу. А потом — восторг: «Хёссл сказал, что это отличная идея, и его интерес к герпетологии^[1] начался именно с этого». Мать была в шоке, и вскоре наш подвал был уже забит всеми видами рептилий. Я был на пути к построению своей собственной карьеры в этой области.

Помимо того что я заботился о своих чешуйчатых подопечных, я также запоем читал ежемесячный журнал «Естествознание», выпускаемый американским музеем естествознания в Нью-Йорке. Ярким разделом каждого выпуска журнала была колонка под названием «Жизнь с ее различными проявлениями» блестящего эрудита ученого-палеонтолога из Гарварда Стивена Джей Гулда. Название колонки было взято из заключительной фразы дарвиновского труда «О происхождении видов». В ней автор регулярно анализировал свои нестандартные идеи относительно процесса эволюции, часто подчеркивая ее неясную и непредсказуемую природу. Тексты были написаны элегантным стилем с массой фактов из области истории, архитектуры и бейсбола. В них Гулд рисовал увлекательную картину своего видения мира.

Когда я поступил в Гарвард в 1980 году, то стал искать возможности познакомиться с этим великим человеком поближе, записавшись на непрофильный курс под скромным названием «История земли и жизни», который он вел. При личном общении он меня просто заворожил. Но педагогом, произведшим на меня самое сильное впечатление, был Эрнест Уильямс, преподаватель герпетологии Гарвардского музея сравнительной зоологии (должность, которую я в настоящее время занимаю).

Авторитетный и влиятельный ученый, он, тем не менее, с большой благосклонностью относился к юным дарованиям, которые проявляли интерес к пресмыкающимся. И вскоре я уже изучал определенный вид ящериц, которые составляли основу его главной научной работы.

Маленькие, обычно зеленые или коричневые, с липкими подушечками на пальцах и веерообразной яркой горловой сумкой, анолисы невероятно фотогеничны и забавны в своих проявлениях. Но славу в научных кругах им снискала их эволюционная избыточность. В настоящее время известны четыре сотни видов анолисов, и каждый год ученые открывают новые виды. Таким образом, анолисы являются одним из самых крупных родов позвоночных животных. Столь обширное их разнообразие дополняется местным изобилием — не менее десятка близкородственных видов — в сочетании с эндемизмом (распространенность животных и растительных организмов только в определенной географической местности), когда ареал большинства видов ограничен одним-единственным островом или маленькой частью тропиков материковой территории Америки.

В 1960-е годы студент магистратуры Стэн Рэнд, учившийся у Уильямса, писал, что различные виды анолисов способны сосуществовать, приспосабливаясь к разным частям их естественной среды обитания: кто-то живет высоко на дереве, кто-то — в траве или на ветках. Значительным открытием Уильямса стало понимание того, что один и тот же набор так называемых видов «специалистов» эволюционировал на каждом острове Больших Антильских островов (Куба, Эспаньола, Ямайка и Пуэрто-Рико). А именно, что все группы ящериц развивались независимо друг от друга, но в то же время эволюционировали, равномерно поделив доступные области обитания на всех четырех островах.

Будучи еще студентом, я работал над маленькой частью данного проекта, защищая диплом по теме взаимодействия двух видов ящериц в Доминиканской Республике. Окончив университет, я продолжил работать над защитой докторской диссертации в Калифорнии, поклявшись никогда больше не заниматься этими ящерицами, потому что все значительное было уже открыто Уильямсом и его лабораторией.

Ах, наивность юности. Любой, кто связан с научными исследованиями, знает, что успешные проекты отвечают на один вопрос, но ставят три новых.

Мне понадобилось два года магистратуры и десяток проваленных проектов, чтобы, наконец, осознать, что островные анолисы — это идеальная группа для изучения того, как происходит эволюционное расхождение.

В конечном счете, я провел четыре года, слоняясь по Карибам: лазил по деревьям, ловил ящериц и попивал пина коладу. В итоге с помощью новейших аналитических методов я обнаружил, что Уильямс был абсолютно прав. Анатомически и природно очень похожие виды эволюционировали на разных островах. Более того, изучение мной биомеханики — как ящерицы бегают, прыгают и цепляются за ветки — вскрыло адаптивную основу анатомического варьирования, объяснявшую, почему такие характеристики, как длинные ноги или большие подушечки на пальцах, развились у видов, обитавших в определенных частях ареала.

Не успели еще высохнуть чернила на моей диссертации, когда в книжных магазинах появилась величайшая работа Стивена Джей Гулда «Удивительная жизнь: Сланцы Бёрджес и естествознание». Я жадно проглотил ее и нашел убедительной аргументацию автора. Он утверждал, что путь эволюции извилист и непредсказуем: прокрути пленку жизни повторно, и получишь совершенно иной результат.

Но не торопитесь. Хотя идея Гулда повернуть время вспять и прокрутить повторно эволюционную пленку жизни кажется нереальной (по крайней мере, в природе), но другим способом проверить воспроизводимость эволюции можно будет, повернув время вспять во множестве разных мест. И разве Карибские острова, каждый из которых породил свой исконный вид ящериц-анолисов, не является, по сути, той самой прокручиваемой пленкой жизни? А если мы допустим, что на островах более-менее одинаковые природные условия, разве это не станет той самой проверкой на эволюционную воспроизводимость?

Конечно, станет. И вот тогда я оказался перед дилеммой. Гулд убедительно доказывал, что эволюция не может повторять себя, но в то же время мое исследование показывало, что может. Ошибался ли Гулд, или же моя работа была исключением, каким-то образом подтверждавшим правило? Я склонялся к последнему объяснению, принимая точку зрения Гулда, даже несмотря на то, что моя собственная работа являлась контрдоказательством.

На протяжении последней четверти века данная точка зрения подвергалась сомнениям. Появился интеллектуальный противовес гулдовскому акценту на непредсказуемость и невоспроизводимость. Эта альтернативная точка зрения подчеркивает универсальность адаптивной конвергентной эволюции: у видов, обитающих в сходных условиях, развиваются похожие свойства, как результат адаптации к одинаковому природному давлению отбора. И мои анолисы — пример подобной конвергенции. Сторонники данного взгляда утверждают: конвергенция демонстрирует, что эволюция, будучи далеко не извилистой и не определенной, на самом деле довольно предсказуема, так как существует ограниченное количество способов выжить в природе. И естественный отбор подстегивает эволюцию одних и тех же свойств снова и снова.

С тех пор, как вышла книга «Удивительная жизнь» и я получил докторскую степень, эволюционная биология ушла далеко вперед. Появились новые идеи, новые подходы и новые методы сбора информации. Количество ученых, изучающих эволюцию, существенно возросло. Мы разгадали геном, отобразили схему древа жизни, узнали об эволюции микробиома. Потрясающие открытия, сделанные благодаря найденным окаменелостям, прояснили большую часть истории эволюции.

И все эти данные могут многое рассказать о предсказуемости процесса эволюции. Чем больше мы узнаем об истории жизни на этой планете, тем больше видим доказательств того, что конвергенция происходила и что периодически возникали очень похожие результаты. Мои анолисы теперь уже не кажутся исключением из правил, а правило Гулда вызывает сомнения.

Но теперь мы знаем, что существует еще один способ изучать эволюцию, помимо описания того, что происходило на протяжении веков. Мы обнаружили, что можем изучать эволюцию по ходу ее развития, прямо у нас на глазах. А это означает, что мы в действительности можем проиграть пленку, задействуя силу экспериментального метода — важнейшую составляющую лабораторного дела — с целью рассмотреть проблему эволюционной предсказуемости.

Эксперименты — это эффективнейший способ изучать эволюцию. К тому же это невероятно увлекательно. Вспомните опыты, которые вы ставили в школе на уроках химии. Смешивать химические реагенты в мензурках и выливать их в пробирки не было особо занимательно — по крайней мере, для меня.

Но когда в качестве ваших пробирок выступают Багамские острова, а в качестве реагентов — ящерицы, то это уже совсем другая история. Конечно, иногда солнце бывает испепеляющим, и нет ничего обиднее, чем не суметь поймать важную для тебя ящерицу из-за того, что ты отвлекся на проплывающего мимо дельфина. Но экспериментальная эволюция находится на передовой эволюционной биологии, что позволяет нам проверять свои идеи в условиях природы в реальном времени. Что может быть более увлекательным? Эволюционные эксперименты проводятся в настоящее время по всему миру — от горных тропических лесов Тринидада до барханов Небраски и прудов Британской Колумбии. И они дают нам возможность напрямую изучать предсказуемость процесса развития.

О, как бы я хотел снова стать студентом-аспирантом. Дивное время для эволюционных биологов, золотой век. Обладая всеми доступными инструментами, от секвенирования генома (общее название методов, позволяющих установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК) до проведения экспериментов в реальных условиях, мы сможем ответить на вопросы, терзавшие наше сообщество весь последний век.

Я сел за написание этой книги, посвященной текущей научной работе, чтобы ответить на один из вопросов: насколько предсказуема эволюция? Но пока я писал, понял, что эта книга должна рассказать не только о том, что говорит нам наука, но еще и о многом другом. Научные знания не появляются из ниоткуда: это результат напряженной и кропотливой работы ученых, которые используют всю свою изобретательность и интуицию, чтобы изучить мир природы. А люди, изучающие эволюционную предсказуемость, вообще интересный народ.

В этой связи моя книга будет не только о том, что нам известно о процессе эволюции, но и о том, как нам удалось это узнать. Не только о чисто технических приемах и научных теориях, но и о том, откуда появляются разные идеи: как ученые обдумывают их и проверяют на практике, и какая часть научных открытий — результат случайного наложения разрозненных идей, сведенных вместе путем неожиданных наблюдений.

Более того, кажущиеся, на первый взгляд, сложными научные проблемы, которые они изучают, оказываются в итоге реально значимыми как для понимания нашего собственного места во Вселенной, так и для понимания того, как все живое вокруг справляется с постоянно меняющимся миром. Как результат, в этой книге — история о людях и местах, растениях и животных, масштабных вопросах и насущных проблемах. И начинается она, как и моя любовь к природе, с динозавров.

Примечания

1

Герпетология — раздел зоологии, изучающий пресмыкающихся и земноводных.