Текст книги "Волшебная эволюция"

Автор книги: Ханна Нюборг Стестад

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)

Глава 16
Непрерывное обучение

Даже быстрые генетические изменения требуют смены как минимум одного поколения. Животные-долгожители в ходе жизни, как правило, сталкиваются со значительными изменениями в окружающей среде, к которым они вынуждены приспосабливаться. И к счастью, поведение животных зависит не только от генетических предпосылок. Подобно людям, животные могут приспосабливаться к новым условиям благодаря обучению.

Когда мне было семь лет, мы с семьей отправились в поездку в США. Лучше всего мне запомнился Йеллоустонский национальный парк, расположенный на территории штатов Монтана, Айдахо и Вайоминг, на северо-западе страны. Незадолго до нашей поездки в разных районах национального парка случился лесной пожар, и я отчетливо помню, как повсюду торчали почерневшие голые стволы. Эта удручающая картинка так же прочно запечатлелась в моей памяти, как и образы великолепной природы национального парка: величественные водопады, теплые источники с ярко-голубой водой; огромный лось пасется на зеленых болотах, бизон спокойно шагает перед нашим автомобилем.

Примерно тогда же был реализован проект по восстановлению популяции волков в Йеллоустонском парке. Американские власти перемещали туда особей из национального парка Джаспер (Канада). С 1995 по 1996 год в Йеллоустонский парк переселили тридцать одного волка, что повлекло за собой гораздо более серьезные последствия для всей экосистемы, чем лесные пожары. Если из-за пожаров сократилось количество зеленых деревьев, то благодаря вновь прибывшим волкам случилось обратное: появилось больше деревьев, растительность в целом стала гуще.

В 1850 году увидеть волков в Йеллоустонском парке было обычным делом, они составляли важную часть экосистемы. Однако к концу XIX века охота достигла катастрофических масштабов, и к 1920 году волки здесь полностью исчезли. Жизнь благородных оленей (в том числе вапити), обитавших на территории парка, стала значительно спокойнее. После истребления волков популяция оленей резко увеличилась, они распространились по всему парку и начали поедать те растения, на которые раньше никто не посягал. Больше всего пострадали деревья с «вкусными» листьями – тополь осинообразный и ива. Олени сгрызали их буквально под корень, и вскоре в парке перевелись тополя, поскольку олени поедали все молодые побеги.

В 1990-х годах местные власти и биологи поняли, что пришло время восстановить естественный баланс Йеллоустонского парка. В исчезновении волков были виноваты люди, и людям же надлежало исправить ситуацию. По завершении тщательной подготовительной работы власти приняли решение вернуть волков в экосистему.

Перед биологами открылись уникальные исследовательские возможности. Как отреагируют другие виды на появление суперхищника, то есть вида, которым не питается никто другой? Примерно за двадцать лет ученым удалось задокументировать целый ряд изменений. Во-первых, количество оленей сократилось, что неудивительно, ведь волки едят оленей. Во-вторых, начали появляться тополя. На месте некогда голого берега реки теперь растет густой молодой лесок. Больше волков – меньше оленей, а меньше оленей – больше тополей.

Впрочем, привести к подобным экологическим цепным реакциям может не только изменение численности животных. Большое значение имеет поведение животных. Привыкшие пастись на берегу реки олени побоятся приходить туда снова, если за короткое время волки неоднократно нападут на их сородичей в этих местах. Скорее всего, олени найдут себе пастбище поукромнее, а значит, и тополя вдоль реки будут разрастаться. Волки оказывают влияние на поведение оленей, а это, в свою очередь, влияет на состояние деревьев.

Поведение волков тоже подвержено внешнему влиянию – влиянию людей. Волки обходят стороной городок Маммот из-за его людской суеты, так что рядом с городом обитает больше оленей и растет меньше тополей. Возвращение волков в Йеллоустон – наглядный пример того, как стремительные перемены в экосистеме способны затронуть множество видов за сравнительно короткий срок и как поведение животных сказывается на окружающем ландшафте. Можно ли считать эти изменения эволюционными? Съели ли волки всех взрослых оленей, так что остались лишь особи, которые предпочитают более укромные пастбища? Все это может стать элементом генетической селекции, однако столь же значимым оказывается поведение каждого отдельно взятого оленя: они усвоили, что открытые участки уже небезопасны. Любой из нас, чей домашний питомец попадал в неблагоприятные обстоятельства, знает, что страх очень быстро воздействует на поведение животного, заставляя его негативно реагировать на схожие ситуации в будущем. Я не раз встречала лошадей, которые отказываются заходить в фургон-коневоз после одной-единственной неудачной поездки. В таких случаях речь не идет об изменении генетики – животные меняют поведение на основе собственного опыта.

Гены или среда? Кажется, эта полемика никогда не исчерпает себя. И ничего странного в этом нет. Каждый из факторов играет свою роль в сложном взаимодействии, а главенство одного из них зависит от ситуации. Некоторые качества определяются (почти) исключительно генетикой (например, цвет глаз), тогда как другие в большей степени зависят от среды (например, длина волос). Подавляющее большинство признаков формируется как комбинация наследственности и среды.

Эволюционная история может пролить свет на поведение современных людей. Чтобы лучше понять собственное поведение, имеет смысл сравнить себя с другими видами и разобраться в том, какие факторы оказали решающее влияние на развитие наших предков. Это вовсе не означает, что таким образом мы можем найти объяснение всем проявлениям сегодняшней жизни. Если кто-то заявляет, что любит ходить в походы потому, что в его жилах течет кровь кочевников, или что люди жестоки оттого, что наши предки были охотниками, то в лучшем случае это упрощение. Как мы говорили в предыдущей главе, генетические изменения могут происходить быстро, но не мгновенно. Насколько далеко в прошлое нужно вернуться, чтобы найти объяснение нашему поведению? В Средневековье? Или во времена, когда люди жили на деревьях? Или вообще в эпоху одноклеточных организмов? Когда вид длительное время существует в той или иной среде, его развитие находит отражение в генах, однако важно помнить, что среда крайне изменчива, и то, чем занимались люди в каменном веке, вовсе не обязательно подойдет нам с вами. На протяжении последних четырех – девяти тысяч лет, то есть примерно с конца каменного века до сегодняшних дней, у многих европейцев выработалась способность переваривать молоко во взрослом возрасте. Эта определяемая генами характеристика получила распространение вместе с массовым производством коровьего молока в Европе.

И при этом поведение редко бывает предопределено исключительно генами, это касается прежде всего нас, людей. Подавляющее большинство животных (возможно, и все животные) обладают способностью к обучению. Они находятся под влиянием окружающей среды и адаптируют к ней свое поведение. Зависимость поведения от среды варьирует от вида к виду. Некоторые виды действуют в основном инстинктивно (то есть поведение предопределено генетически), тогда как другие виды, например люди, отличаются выраженной способностью к обучению и адаптации. На нас во многом сказывается среда – то, с кем мы живем, наш детский опыт, книги, которые мы читаем, позитивные и негативные примеры для подражания. Воздействие среды играет столь же значимую роль в формировании нашего поведения, как и наследственность.

Одни модели поведения у животного могут быть предопределены генетически, тогда как другие формируются на основании опыта. Как же понять, какое поведение наследственное, а какое приобретенное? Когда лазоревка издает свою характерную трель, а синица – свою, можно ли считать, что они унаследовали от своих родителей умение петь именно таким образом или это означает, что, будучи птенцами, они слушали пение своих родителей и перенимали их навык? Чтобы разобраться в этом, можно поместить птенца лазоревки в синичье гнездо и наоборот, а потом оценить трель повзрослевших птиц.

Один из моих коллег по Музею естественной истории, Ларс Эрик Юханнесен, участвовал в проведении подобного эксперимента совместно с Туре Слагсволдом из Университета Осло. Они поменяли местами яйца, отложенные лазоревками и синицами в районе Дэли, неподалеку от Осло, а потом записали и проанализировали трели уже повзрослевших птиц. И у лазоревок, и у синиц сформировался некий промежуточный вариант, смесь двух трелей, характерных для этих видов. Такое впечатление, что у птенцов была заложена своего рода генетическая отправная точка, а остальному они научились у своих приемных родителей. Так что свою лепту внесли и гены, и среда. Как и эксперименты common garden, эксперименты с перекрестным воспитанием помогают пролить свет на природу тех или иных признаков.

У большинства певчих птиц процесс формирования трели строится на генетическом «образце» и дальнейшем обучении на примере родителей. Однако это касается не всех видов. Камышовка-барсучок, маленькая желто-коричневая птичка из семейства воробьиных, издает точно такую же трель, как и ее сородичи, даже если они растут в полном одиночестве, без возможности наблюдать за другими особями. Таким образом, степень влияния генетических предпосылок варьирует от вида к виду. Почему же одни модели поведения генетически предопределены, тогда как другие нет?

Обучение стоит дорого. Оно требует времени и энергии, при этом высок риск ошибок, особенно в начале пути. На «продвинутом уровне» обучения нужен более развитый мозг, значит, больше энергии. Если можно избежать необходимости учиться чему-то, это тоже своего рода преимущество. На сложности, которые остаются одними и теми же на протяжении всей жизни животного и которые не меняются от поколения к поколению, выгоднее всего реагировать инстинктивно. Оленю всегда необходима способность бегать, и, как правило, проще всего делать это более или менее одинаково. Даже осиротевший олененок сможет подняться на ноги и побежать.

Однако генетически предопределенные признаки статичны. С момента рождения детеныша они меняются незначительно или вовсе не меняются. А вот к непредсказуемым сложностям разумно приспосабливаться. Чем больше продолжительность жизни животного и чем более переменчива среда его обитания, тем с большей вероятностью оптимальный ответ на внешние факторы будет изменяться с течением жизни и тем важнее способность адаптироваться к новым условиям. Олени живут долго, поэтому у них есть все шансы столкнуться с хищниками в разных местах. Поэтому олени отличаются способностью перестраивать свое поведение на основании жизненного опыта. Существует вероятность, что численность и районы обитания хищников будут меняться от поколения к поколению, так что совершенно бессмысленно слепо следовать примеру родителей, без оглядки на реальные обстоятельства. Гораздо выгоднее учиться.

Не стоит полагать, что обучение никак не связано с эволюцией. Физиологические процессы, отвечающие за способность животного к обучению, в значительной степени предопределены генетически. У певчих птиц за формирование трели отвечают гормонозависимые нейронные связи в мозге, и у большинства птиц в определенный момент наступает фаза кристаллизации, когда трель у особи окончательно «устанавливается». После этого птицы уже не могут освоить радикально новую песню. Наследуется именно этот механизм, а не сама трель.

Тем самым способность к обучению передается по наследству и развивается подобно остальным генетически предопределенным признакам. Обитающие в изменчивой среде животные вынуждены активно использовать эту способность, ведь от нее зависит, смогут ли они дать жизнь многочисленному потомству. Чем больше отпрысков, тем шире распространится способность к обучению и тем быстрее вид как таковой станет более обучаемым.

Чем лучше животное обучается и адаптируется, тем легче ему существовать в мире, которым правит человек. Городской ландшафт расширяется с невероятной скоростью, площадь тропических лесов стремительно сокращается, люди изобретают все новые средства охоты, чуждые виды из дальних регионов захватывают новые территории, уж не говоря о климатических изменениях. В таких условиях совершенно невыгодно руководствоваться одним лишь генетически предопределенным поведением. Выгодная десять лет назад модель поведения может оказаться гибельной сегодня. Способность к обучению сегодня ценна как никогда.

Потепление климата для синиц означает, что бабочки, личинками которых они кормят своих птенцов, появляются раньше обычного. Если синицы будут откладывать яйца в то же время, как и всегда, у них возникнут трудности с кормлением птенцов, ведь личинки уже превратятся во взрослых бабочек, а они не годятся в качестве пищи. Исследователи из Нидерландов посвятили изучению поведения синиц тридцать два года. Они обнаружили, что у самок, которые регулируют время откладывания яиц, ориентируясь на прошлогоднюю температуру, в течение жизни появляется более многочисленное потомство, чем у самок, которым не удалось столь удачно подгадать время для кладки. Это означает, что со временем будет больше синиц, способных рассчитывать оптимальный срок исходя из полученного опыта, тогда как те, кому это не удается, постепенно вымрут. Таким образом, по наследству передается не информация о некоем оптимальном сроке, а способность адекватно реагировать на изменения среды.

И все же в отношении поведения, обусловленного генами и не меняющегося на протяжении жизни животного, термин «генетическая предопределенность» нужно использовать с осторожностью. ДНК – вовсе не непреложный закон, которому организм следует от А до Я всю жизнь. Гены можно «включить» и «выключить» при помощи генов-регуляторов, и гены могут иметь разное проявление. Это называется эпигенетическими изменениями и означает, что такие изменения происходят в дополнение к прочим генетическим изменениям.

К примеру, у всех клеток в вашем организме один и тот же изначальный набор ДНК, но разные клетки функционируют по-разному. Клетки «включают» или «выключают» отдельные гены в зависимости от собственных задач. Клетка в вашей печени активировала гены, отвечающие за формирование клеток печени, чтобы превратиться в одну из них, тогда как клетка мозга активировала гены, отвечающие за формирование клеток мозга, и развилась именно в клетку мозга, хотя у нее тот же набор ДНК, что и у клетки печени. Представьте, что вы готовите ужин, и в рецепте указано, что перец чили можно добавить по вкусу: у вас под рукой всегда один и тот же рецепт, но потенциально разные результаты.

Когда человек сталкивается с переменами окружающей среды, могут активироваться и деактивироваться различные гены, то есть каждый раз могут проявляться разные гены. У крысы, которая многократно подвергалась острому страху, наблюдается повышенная выработка фермента, который играет важную роль в работе памяти. Страх вызывает активацию выработки фермента.

В научной среде идет дискуссия о том, в какой степени подобные изменения передаются следующему поколению. В ходе одного известного эксперимента мышей научили связывать запах ацетофенона (он пахнет цветами или миндалем) с электрическим шоком. Всякий раз появление запаха сопровождалось небольшим электрическим разрядом. Спустя некоторое время мыши негативно реагировали на появления запаха, они усвоили, что он несет с собой неприятные ощущения. Казалось бы, ничего удивительного в этом нет, но примечательно, что их детеныши, которые никогда не сталкивались ни с ацетофеноном, ни с электрическим шоком, негативно отреагировали уже при первом появлении запаха. Эффект наблюдался и у внуков первых подопытных мышей. Некоторые исследователи считают это максимально убедительным подтверждением того, что изменения в работе генов могут передаваться от поколения к поколению, однако у этой точки зрения есть и противники. Противники, в частности, не уверены, каким образом передача информации о запахе происходит на чисто физическом уровне: через сперматозоиды отца или яйцеклетки матери? Эпигенетика – увлекательная область науки, где исследователям, без сомнения, предстоит сделать множество открытий.

Многие животные, включая людей, социальны, а значит, учатся у своих сородичей. Модели поведения могут передаваться от поколения к поколению посредством социального обучения, и подобные «традиции» нередко составляют важную часть биологии вида. Это называется культурной эволюцией. Перенимать опыту более сведущих особей выгодно, ведь тогда можно избежать хотя бы части ошибок самому. В изменчивой среде социальное обучение играет значительную роль, поскольку новые модели поведения распространяются за счет культурной эволюции гораздо быстрее, чем посредством естественного отбора. Если в результате генетической мутации у животного появляется новый способ реагирования на тот или иной внешний фактор, на распространение генов этой особи потребуется множество поколений, однако если другие наблюдают за своим сородичем и подражают ему, весь вид осваивает новый метод за короткий срок.

С поглощением дикой природы городским ландшафтом возникает масса новых сложностей, справляться с которыми можно лишь «инновационными» методами. В 1921 году в местечке Суэйтлинг неподалеку от английского города Саутгемптон синицы нашли хитрый способ пропитания. В те годы молоко в дома доставляли в стеклянных бутылках, а поскольку молоко не обезжиривали и не гомогенизировали, в верхней части бутылки собирался толстый слой сливок. Некоторые синицы придумали такой фокус: они проклевывали в тонкой крышке дырку и через нее добирались до вкусных и питательных сливок. Эта уловка быстро распространилась среди местных синиц, намного быстрее, чем это могло бы произойти посредством естественного отбора. К 1950 году трюк с крышками на бутылках освоили синицы почти по всей Юго-Восточной Англии. Возможно, вы скажете, что тридцать лет – это долго, но если вспомнить, что виды, появившиеся миллион лет назад, в биологии считаются молодыми, то тридцать лет сразу покажутся мгновеньем.

Исследователи проанализировали отчеты наблюдений за птицами, которые вскрывают бутылки, и предположили, что этот трюк был, скорее всего, «изобретен» не только в Суэйтлинге, и маловероятно, что каждая особь научилась этому самостоятельно. География распространения навыка, с исходными точками в отдельных городах, говорит о том, что птицы, очевидно, подражали друг другу. Тем не менее до сих пор продолжается дискуссия о том, действительно ли синицы и лазоревки способны обучаться, лишь подражая друг другу, и могут ли такие «традиции» распространяться и поддерживаться среди диких птиц. В 1980 году американские исследователи провели эксперимент с черношапочными гаичками (небольшая птичка из семейства синицевых) с целью доказать, что это возможно, однако оказалось, что каждая особь способна самостоятельно научиться вскрывать бутылки, и наблюдение за другой особью, которая уже это умеет, никак процесс обучения не ускоряет. Как следствие, к роли социального обучения в распространении метода открывания молочных бутылок синицами долгое время относились как к мифу.

Лишь в 2014 году был успешно проведен эксперимент с синицами в лесу Уайтхэм Вудс, неподалеку от Оксфорда, доказавший, что социальное обучение может играть значимую роль у диких синиц. Исследовательница Люси Эплин собрала шестнадцать синиц – по две особи из каждой стаи. Птицы из трех стай были возвращены «домой», не научившись ничему новому; это делалось для того, чтобы проконтролировать, что сама манипуляция никак не повлияет на чистоту эксперимента. Всех остальных птиц обучили открыванию банок с едой. Банка открывалась двумя способами: специальную дверцу можно было толкнуть направо или налево. Птицы из двух стай получали пищу, толкнув дверцу слева направо, тогда как птицы из оставшихся трех стай добирались до еды, толкнув дверцу в обратном направлении. Исследователи обучали синиц на протяжении четырех дней, после чего выпустили на волю, расставив при этом по лесу банки; еда в них была расположена как справа, так и слева от дверцы.

В контрольных стаях, которые не прошли никакого обучения, некоторые особи, тем не менее, сумели добыть пищу из банок, но их было не слишком много, и дверцу в банках они открывали случайным образом. Спустя двадцать дней более половины птиц в контрольных стаях научились извлекать пищу из банок. Однако в стаях, куда вернулись две птицы, обученные открывать дверцы слева направо, уже спустя несколько дней почти все особи умели открывать дверцу слева направо. То же самое произошло в стаях, члены которых прошли обучение открыванию справа налево: очень скоро почти все птицы освоили открывание справа налево, хотя они могли добыть столько же еды, открывая дверцу в противоположном направлении. Обученные особи дали пример своим сородичам, а те стали им подражать.

Девять месяцев спустя, когда многие из участвовавших в эксперименте птиц умерли и на их место пришли более молодые особи, Эплин с коллегами снова расставили по лесу банки с едой и обнаружили, что стаи по-прежнему следуют своей «традиции». Благодаря социальному обучению новые модели поведения могут быстро распространяться и передаваться от поколения к поколению и у диких птиц.

Способность к обучению новому, как посредством заимствования навыков у сородичей, так и на собственном опыте, несет огромную пользу. Именно поэтому данная способность сформировалась у самых разных животных. Она позволяет легче приспосабливаться к радикальным и стремительным изменениям окружающей среды. А именно это им потребуется в ближайшие десятилетия и столетия.