Эволюция. От Дарвина до современных теорий

Сборник, 2017

Появление жизни на Земле – это случайность или неизбежность? С чего все начиналось? Есть ли у эволюции цель или направление? Как жираф отрастил такую шею? Почему человек видит много разных цветов, но не видит ультрафиолет? Если выживают сильнейшие, то откуда берутся альтруисты? Но разве эволюция – это не просто теория? В этой книге собраны лучшие статьи экспертов журнала New Scientist. Здесь вы найдете мысли ведущих ученых и интервью с ними, познакомитесь с прошлым, настоящим и будущим науки об эволюции, узнаете о величайших изобретениях природы.

2

Что же такое эволюция?

В современной биологии эволюция стала связующим звеном. Она объединяет в себе такие разные области, как генетика, микробиология и палеонтология. Эволюция представляет собой элегантное и убедительное объяснение невероятного разнообразия животных — порядка 9 миллионов видов на Земле. И вот из чего она складывается.

Существует несколько направлений эволюции. Первое — это теория о том, что все живые виды являются видоизмененными потомками более древних видов, и что все мы в далеком прошлом произошли от общего предка. Таким образом, все виды связаны между собой на одном огромном древе жизни. Второе направление эволюции характеризуется естественным отбором, или «выживанием наиболее приспособленных».

Дарвин утверждал, что все особи ведут борьбу за выживание на ограниченных ресурсах. Однако некоторые из них обладают небольшими наследственными отличиями, повышающими их шансы на выживание и размножение. Такие особи обладают более высокой эволюционной приспособляемостью, а их полезные признаки распространяются внутри популяции, поскольку выживает большее количество потомков.

В конечном счете, эти благоприятные признаки становятся нормой. Неблагоприятные признаки, наоборот, быстро искореняются, поскольку их обладатели менее успешны в размножении. Следовательно, естественный отбор способствует созданию популяции, идеально подходящей для своей среды обитания и способной адаптироваться к изменениям.

Война полов

Особи подвергаются экологическому отбору, конкурируя за ограниченные ресурсы своей среды обитания. Причем к полезным признакам относятся не только черты, повышающие выживаемость, но и те, которые увеличивают вероятность размножения растения или животного. Данные признаки регулируются половым отбором.

Признаки, выделяемые в процессе полового отбора, могут повышать привлекательность мужской особи для женской. Например, павлиний хвост. Иногда эти признаки связаны со здоровьем особи, следовательно, являются наглядным подтверждением ее приспособляемости. Другой разновидностью половых признаков является физическое превосходство одного самца над другим. Например, рога оленя. Половой отбор может проявляться и на молекулярном уровне.

Птицы известны своей яркой окраской для привлечения партнеров. Но данный признак повышает их шансы быть замеченными хищниками. Другие признаки, регулируемые половым отбором, включают в себя: гриву львов, оперение синиц или волнистых попугаев, брачные игры тетеревов, ритуалы спаривания насекомых, высокий рост мужчин, человеческие волосы, интеллект и черты лица. Но естественный и половой отбор — это не единственное, что вызывает биологические изменения. Другим фактором является случайный генетический дрейф. Его можно охарактеризовать как «выживание счастливчиков» (см. рис. 6.1).

Рис. 2.1. Павлин — отличная иллюстрация полового отбора. Яркий хвост развивается благодаря тому, что их обладатели привлекают больше самок, чем конкуренты.

Видовой нерест

Несмотря на то что Дарвин назвал свою книгу «Происхождение видов», объяснить видообразование он все-таки не смог. Сам Дарвин называл видообразование «тайной за семью печатями». И по сей день, полтора столетия спустя, механизм возникновения генетической несовместимости двух групп животных так и остается одной из величайших загадок в биологии.

Мы понимаем, каким образом дарвиновские галапагосские вьюрки смогли эволюционировать от одного вида: разные популяции изолировались, и со временем настолько адаптировались к различным условиям среды, что перестали скрещиваться друг с другом.

Такое аллопатрическое видообразование наблюдается в случаях, когда некое географическое изменение (например, изменение русла реки или образование нового горного хребта) разделяет вид на две части. После разделения вида популяции продолжают развиваться обособленно, пока в конечном счете не трансформируются в отдельную и репродуктивно изолированную разновидность. Наглядный пример тому — антилоповые суслики по обе стороны Большого каньона в США.

Однако видообразование может происходить быстро и без какой-либо физической изоляции популяций. Такие случаи сложнее объяснить, и исследователи все еще пытаются понять точные биологические механизмы, лежащие в его основе. Примерами такого симпатрического видообразования являются 13 видов галапагосских вьюрков или африканских цихлид. Данные виды адаптируются к различным условиям окружающей среды, а затем перестают скрещиваться между собой. Возможно, это происходит из-за какого-то изолирующего механизма. К тому же новые виды могут образовываться в результате гибридизации (например, подсолнухи). (Подробнее об этом см. «Как образуются новые виды» в главе 7.)

Виды, как и особи в популяции, борются за выживание, и большинство из них со временем вымирает. Виды могут исчезать в процессе массового вымирания (например, того, который повлек за собой гибель динозавров). Сегодня мы можем сталкиваться с другой формой массового вымирания, вызванного чрезмерной эксплуатацией естественной среды обитания животных со стороны человека.

Сценарии эволюции

Начиная с путешествия на «Бигле», Дарвин посвятил свою жизнь сбору доказательств теории естественного отбора. В «Происхождении видов» он показал, как его теория подтверждалась в эмбриологии, географии, палеонтологии и сравнительной анатомии. Доказательства своей теории Дарвин обнаружил и на примерах конвергентной эволюции, коэволюции и адаптивной радиации.

Конвергентной эволюцией называется явление, когда при равном давлении отбора в различных линиях видов возникают одинаковые адаптации. В наши дни конвергентная эволюция прослеживается в таких не похожих друг на друга видах, как акулы и верблюды; креветки и кузнечики; фламинго и колпицы; сумчатые, плацентарные млекопитающие и биолюминесцентные морские обитатели. Другим наглядным примером служат уши и зубы млекопитающих.

В процессе коэволюции эволюционная история двух видов или групп видов тесно взаимосвязана. Среди примеров можно выделить: коэволюцию цветковых растений и опылителей (пчелы, ящерицы и мотыльки); гоферовые и их вши; люди и кишечные микробы; а также война, которую наша иммунная система ведет с атакующими ее болезнетворными микроорганизмами.

Адаптивная радиация — это быстрое видообразование одного родственного вида для заполнения нескольких пустых экологических ниш. Наиболее часто адаптивная радиация отмечается в случаях, когда растения и животные оказываются на ранее необитаемых островах. Примеры адаптивной радиации: галапагосские вьюрки, австралийские сумчатые, гавайские цветочницы и дрозофилы, мадагаскарские хищники и другие млекопитающие, новозеландские птицы и доисторические летающие птерозавры.

Как жираф отрастил свою шею?

Многие верят в то, что длинные шеи жирафам нужны для пропитания. Если у вас длинная шея, считают люди, вы сможете дотянуться до таких высоких деревьев, до которых не дотянутся ваши конкуренты. Но есть и другое объяснение. Появление столь необычной шеи имеет мало общего с пропитанием и напрямую связано с размножением.

Доказательства в поддержку теории о пропитании весьма неоднозначны. Южноафриканские жирафы проводят много времени в поисках пищи высоко на деревьях. Однако исследования в Кении показали, что даже при отсутствии пищи жирафы не проявляют беспокойства.

Длинные шеи имеют свою цену. Мозг жирафа расположен в 2 метрах над сердцем, поэтому оно должно быть большим и мощным. Получается, что для того, чтобы кровь достигла мозга, ее необходимо перекачивать с самым высоким давлением среди всех животных. Так что должна быть какая-то другая веская причина.

Другая теория гласит, что длинные шеи жирафа являются результатом полового отбора. То есть шеи самцов развивались для привлечения самок.

Для жирафов-самцов характерна «борьба шеями», чтобы привлечь самок. Самцы подходят друг к другу и начинают раскачивать затылками, нанося друг другу удары в ребра и ноги. В этой борьбе жирафам помогают их чрезвычайно толстые черепа, а также роговидные отростки на макушке, называемые оссиконами. То есть жирафы как бы таранят друг друга головами. И в таких дуэлях длинные и мощные шеи служат явным преимуществом. Было замечено, что самцы с длинными шеями чаще одерживают победу, а также их охотнее предпочитают самки.

Идея «шеи для секса» тоже весьма спорна, однако она объясняет, почему в процессе эволюции шеи жирафов вытянулись больше, чем ноги. Если бы жирафы развивались для того, чтобы дотягиваться до более высоких ветвей, то логичнее было бы предположить, что будут стремительно удлиняться и ноги. Однако этого не произошло.

В теории о сексуальной составляющей есть другая проблема: по идее, у самок жирафов не должно быть длинных шей. Однако они есть. И одно из предположений заключается в том, что, возможно, шеи жирафов, начинали расти как способ добывать труднодоступную пищу, а затем «переключились» на спаривание. Как только шеи достигают определенной длины, самцы начинают пользоваться ими для борьбы шеями, и здесь вступает в силу половой отбор, доводя длину шеи до экстремальных размеров.

Секретный код

Дарвин смог открыть естественный отбор без какого-либо понимания генетических механизмов наследования или источника новых вариаций в популяции. Но его собственная теория о передаче признаков под названием «пангенезис» оказалась в корне неверной.

Генетический механизм наследования был открыт лишь в начале XX века (подробнее см. главу 3).

Интервью. Чудеса природы стали моим утешением в жизни

Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) открыл эволюционную теорию естественного отбора независимо от Чарльза Дарвина и основал науку об эволюционной биогеографии. Переписка Уоллеса, из которой подбирались ответы на данные интервью, доступна в открытых источниках. В своих письмах Уоллес рассказывает о собственных исследованиях, экспедициях и стойком увлечении тайнами природы.

— Вы стали всемирно известны благодаря своей работе, опубликованной в 1858 году в соавторстве с Дарвином и описывающей происхождение видов и естественный отбор. Как у вас впервые зародилась эта идея?

— [В 1847 году] Я стал сильно разочаровываться в скудной местной коллекции — из нее мало что можно было узнать. Мне захотелось собрать и досконально изучить представителей какого-то одного семейства, главным образом с точки зрения происхождения видов. Я твердо уверен, что таким образом были бы достигнуты определенные результаты.

— Это желание привело вас в Бразилию, где вы собрали коллекцию птиц, бабочек и жуков, пытаясь понять, что движет эволюцией новых видов. Произошли ли какие-то значимые события в путешествии?

— В пятницу, 6 августа [1852 года]… капитан (который был владельцем судна) вошел в каюту и сказал: «Боюсь, корабль загорелся. Идите посмотрите сами».

— Несмотря на столь печальный опыт, вы все-таки отправились в восьмилетнюю экспедицию на Малайский архипелаг, где и обнаружили невидимую границу между животными Азии и австралийского региона. Затем эту границу назовут линией Уоллеса в вашу честь. Что вас больше всего заинтересовало в этой поездке?

— Птицы интересовали меня куда больше, чем насекомые. Они более многочисленны и проливают свет на законы географического распределения животных на Востоке… В качестве примера я могу назвать какаду — группу птиц, живущих в Австралии и Молуккских островах, но совершенно не известную на Яве, Борнео, Суматре и Малакке… Многие другие виды подтверждают эту же тенденцию.

— Как известно, вы проявили великодушие, поделившись своим открытием естественного отбора с Дарвином…

— Удачным стечением обстоятельств лично я считаю тот факт, что не так давно начал переписку с г-ном Дарвином на тему «Разновидностей». Это привело к более скорой публикации части его исследований и позволило ему претендовать на приоритет, которому могла бы нанести вред любая независимая публикация под моим или чьим-либо другим авторством.

— Что общего у вас с Дарвином?

— В молодости мы оба — и Дарвин, и я — были страстными охотниками за жуками. У нас обоих было то, что Дарвин называет «простой страстью к коллекционированию»… И именно этот поверхностный, почти детский интерес к внешним формам живых существ, часто презираемый как лженаучный, оказался тем самым ответом, который приведет нас к разгадке проблематики видов.

— Считаете ли вы, что ваш вклад был преуменьшен?

— Идея эволюции пришла ко мне, как и к Дарвину, внезапной вспышкой озарения; она была осмыслена за несколько часов… записана с набросками различных применений и развитий… а затем перенесена на тонкую почтовую бумагу и отправлена Дарвину. На все это ушло не более одной недели.

У меня не должно быть оснований для недовольства. Наш обоюдный вклад в объяснение естественного метода органического развития мог бы оцениваться пропорционально количеству времени, которое каждый из нас посвятил исследованию, представленному миру. Другими словами, пропорционально 20 годам к одной неделе.

— Как вы себя чувствуете, оглядываясь на работу всей своей жизни, длиною в 89 лет?

— Чудеса природы были радостью и утешением… моей жизни. Природа подарила мне… нескончаемое восхищение, а попытка решить некоторые из ее бесчисленных проблем — все возрастающее ощущение таинственности и благоговения.