Текст книги "Волшебная эволюция"

Автор книги: Ханна Нюборг Стестад

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 12 страниц)

Еще один способ изменения наследственного материала отдельно взятого вида называется селекцией. По наследству передаются все гены, но каждый потомок получит не все гены родителя, а только часть их. В отличие от мутации, при которой может появляться абсолютно новый генетический материал, селекция подразумевает воздействие на существующий геном. У каждого вида имеется масса непохожих генов. Если приглядеться к воробьям в городском парке, можно заметить, что все они чем-то отличаются друг от друга: у одного перья темные, у другого светлые, у одного крылья покороче, у другого подлиннее. В основе некоторых из этих вариаций лежат условия взросления (птицы, которые сытнее питаются, вырастают крупнее), однако значимо и то, что у разных особей геном состоит из разных генов. Если какие-то из генов чаще других репродуцируются у последующих поколений, со временем меняется и вид в целом. Именно это и произошло в случае с березовыми пяденицами.

В английской популяции березовых пядениц на момент 1900 года существовало несколько разных генов, отвечающих за окраску. Большая часть бабочек была черной, однако по-прежнему появлялись на свет и белые особи. В течение XIX века экологическая обстановка продолжала меняться: в Англии были введены жесткие нормы выбросов вредных веществ, что привело к постепенному очищению воздуха и восстановлению прежней экологии. Деревья вновь стали светлыми, и преимущество оказалось на стороне белых березовых пядениц. Птицы уже не могли с прежней легкостью находить белых бабочек, ранее проигрывавших своим черным сородичам. В период с 1959 по 1984 год доля белых особей в английском городе Вест-Кирби увеличилась с 6 до 30 % от всей местной популяции, а в 2003 году почти по всей стране 90 % пядениц были белыми и только 10 % черными. Таким образом, после первого появления мутации популяция в целом тяготела то к белой вариации, то к черной, то снова к белой, – в зависимости от того, какая окраска оказывалась наиболее пригодной для жизни в окружающей среде. Помимо генетических изменений, на поведение может также влиять обучение и опыт. Но выработанные в ходе обучения качества вовсе не обязательно передаются по наследству, а значит, они не становятся частью эволюционного процесса так, как генетически детерминированное поведение. В конце книги мы вернемся к вопросу обучения (а также эволюции способности к обучению), и я расскажу о том, как животные приспосабливаются к быстрым изменениям окружающей среды.

Нам всем хорошо известно, что у любого выбора и образа жизни есть как преимущества, так и недостатки. Мало кому из нас доводится принимать решения, имеющие исключительно положительные последствия. Высокооплачиваемая работа оборачивается для нас высоким уровнем ответственности и стресса, а собственный дом за городом – длинной дорогой до ближайшего кинотеатра. В мире животных дела обстоят точно так же. Чтобы обороняться от хищников, превосходящих в размере их самих, жабовидным ящерицам приходится применять защитный механизм, который впоследствии заставляет их страдать от кровоточащих ран. Чтобы найти пищу в скупых водах подземных пещер, мексиканские пещерные рыбы вынуждены жить в режиме строгой экономии, отказавшись от всех лишних способностей, включая зрение. Для лемуров главное – спастись от хищников, так что они просто обязаны поддерживать спортивную форму. Березовым пяденицам выгодно быть белыми, если воздух чист, и черными, если он сильно загрязнен. Любая среда предъявляет собственные требования к своим обитателям, а значит, животные приспосабливаются к жизни очень по-разному.

Глава 2
Необыкновенные пищевые привычки

Станет ли то или иное поведение удачным, а его носитель хорошо приспособленным, зависит не только от самой среды обитания, но и от действий других особей. В природе идет беспрестанная борьба за ресурсы, и каждый пытается найти уникальный способ их освоения без необходимости делиться добычей с другими. Именно поэтому в мире существуют миллионы неповторимых стратегий выживания и, следовательно, миллионы уникальных видов.

В Северной Америке обитает необычная бабочка под названием данаида монарх. Ее ярко-оранжевые крылья с черными прожилками окантованы причудливым узором из белых точек на черном фоне. В августе некоторые из них мигрируют на север, в Канаду. Дело в том, что гусеницы бабочек монархов питаются листьями ваточника. Это растение содержит яд, который и поглощают гусеницы, и он сохраняется в их теле, когда они становятся бабочками. Яд не опасен для самих бабочек, а вот птицы не станут есть насекомых, полных горькой отравы. Ваточник обеспечивает данаидам защиту от хищников, однако цена этого узкоспециализированного образа жизни очень высока.

Осенью ваточник отмирает, и скатерть-самобранка сворачивается. Надвигается суровая канадская зима, а при заморозках бабочки монархи обречены на верную гибель. Чтобы выжить, они вынуждены мигрировать в теплые края. Сотни тысяч особей сбиваются в огромную стаю и преодолевают расстояние свыше четырех тысяч километров, пересекая США с севера на юг, пролетая над кукурузными полями, реками и автомобильными дорогами, пока наконец не находят подходящее место для зимовки в горах Мексики.

Там данаиды монархи живут всю зиму. Чтобы не замерзнуть, они скучиваются на деревьях, и порой в этом волшебном оранжевом лесу под весом тысяч ярких бабочек трещат ветви. Так монархи существуют вплоть до самой весны, с приходом которой они снова мигрируют на север. Тем же самым особям, которые еще недавно вернулись на юг, вновь предстоит долгий путь. Они летят примерно до Техаса, где останавливаются, чтобы отложить яйца на молодые побеги ваточника. Им уже не суждено продолжить путь: здесь все взрослые бабочки умирают.

Вылупляется новое поколение; оно питается ваточником, растет и затем отправляется в путь. Бабочки летят на север, следуя за весенним цветением ваточника. Через несколько тысяч километров они приземляются и откладывают яйца. Теперь приходит и их черед умирать, хотя они прожили от силы месяц-два. Тем временем их потомство набирается сил и летит дальше. Это повторяется три-четыре раза, так что добравшиеся до пункта назначения особи приходятся правнуками тем, кто зимовал в Мексике. Последнее поколение вылупляется уже в Канаде, гусеницы наедаются листьями ваточника и, превратившись в бабочек, спасаясь от наступающей зимы, отправляются обратно на юг, подгоняемые попутными ветрами.

Специализация на ваточнике как на основном источнике питания дает данаидам монархам значительное преимущество: яд защищает их от хищников. Однако необходимость регулярно мигрировать с севера на юг и обратно ставит под сомнение разумность этой стратегии выживания. Все-таки четыре тысячи километров для маленького насекомого – это очень много, хотя каждая отдельно взятая особь пролетает только часть пути. Чтобы не замерзнуть насмерть в Канаде, бабочки вынуждены каждую осень улетать на юг, а затем снова возвращаться на север в поисках ваточника. К слову, ваточник произрастает и в Мексике, так почему бы не оставаться там весь год?

На самом деле многие бабочки монархи так и поступают. Мигрирует только один из подвидов, а остальные обитают в южных районах круглый год. Однако на юге конкуренция за пищевые ресурсы очень высока, а на богатом ваточником севере у данаид практически отсутствуют соперники. Когда перед тобой расстилается такая скатерть-самобранка, дальнее путешествие оказывается более чем оправданным. Когда есть все шансы найти еду, на которую никто, кроме тебя, не претендует, игра стоит свеч.

Ученые выяснили, что мигрирующие бабочки монархи летают более эффективно, чем их собратья-домоседы, то есть на каждый преодолеваемый метр они затрачивают меньше энергии; зато у оседлых подвидов наблюдается более сильный взмах крыла. Вместо дальних полетов оседлые бабочки используют энергию на другие задачи: возможно, как и лемурам, им важнее избегать хищников. Хотя бабочки монархи невкусные, среди птиц все-таки находятся желающие поживиться ими.

Самое удивительное в миграции данаид монархов то, что отправляющиеся на юг особи никогда там не бывали. Они приходятся правнуками или даже праправнуками тем бабочкам, что мигрировали с севера на юг годом ранее. Откуда же им знать, куда лететь? Ответ на этот вопрос кроется в генетическом детерминизме. Информация о пункте назначения наследуется от родителей. Двое ученых из канадского Университета Куинс, Хенрик Моуритсен и Барри Фрост, поместили бабочек монархов в контейнер-симулятор, в котором вырабатывался искусственный солнечный свет. Фиксируя направление полета бабочек в зависимости от задаваемых условий, ученые заметили, что бабочки хорошо ориентировались в пространстве при различном положении источника света, но оказывались сбитыми с толку при выключенном «солнце». Ученые пришли к выводу, что бабочки монархи инстинктивно используют солнце в качестве основного ориентира.

Каменка обыкновенная – еще один пример живого существа, смирившегося с высокой «ценой» своего уникального рациона. Эта маленькая серая птичка с черной, как у грабителя, «маской» на голове зимует в тропических районах Африки. Летом каменки отправляются в Арктику, где все кишмя кишит аппетитными насекомыми, что наделяет смыслом дальний перелет на север весной и обратно на юг осенью. Ставки высоки, но цель оправдывает средства. Чтобы насладиться арктическим пиршеством, некоторые каменки летят из Восточной Африки до самой Аляски, преодолевая почти пятнадцать тысяч километров в каждую сторону.

Перелетные птицы издавна поражали воображение людей, и задолго до того, как мы начали изучать миграцию птиц, существовали самые фантастические объяснения исчезновения птиц зимой. Птицы превращались в мышей, прятались в подземном убежище, улетали на Луну. Эти вымыслы бытовали вплоть до 1822 года, когда немецкие охотники подстрелили аиста, в шее которого застряла стрела. Охотники разузнали, что такие стрелы были в ходу у некоторых африканских племен; получается, аист прилетел из самой Африки, чудом выжив, несмотря на проткнувшую его стрелу! Это навело охотников на мысль, что птицы (или, по крайней мере, аисты) зимой улетают в теплые края. Чучело этого легендарного аиста можно увидеть в собрании Ростокского университета. Под экспонатом значится: «Ростокский аист со стрелой» (нем. der Rostocker Pfeilstorch).

В отличие от бабочек монархов, птицы ориентируются не только по солнцу. Индиговый овсянковый кардинал (североамериканская ярко-синяя птичка размером с синицу) сверяется со звездным небом. Мы знаем это благодаря исследованию американского ученого Стивена Эмлена. Он поместил особей кардинала в планетарий и наблюдал за направлением их полета: птицы следовали «на юг», ориентируясь на ложные звезды, расположение которых не совпадало с фактическим югом. Разные виды используют разные ориентиры. Так, многие животные определяют направление в зависимости от изменения магнитного поля Земли. Это позволяет им перемещаться в темноте и тумане.

Важно понимать, что существует разница между унаследованным и приобретенным поведением. Птенцы американского журавля (это крупная белая птица с длинными ногами и красной головой) учатся у взрослых особей, за которыми они следуют в своем первом дальнем перелете. А вот бабочкам монархам приходится находить верный путь самостоятельно, имея в качестве карты один лишь наследственный материал. Когда каждая особь того или иного вида живет много лет, вполне разумно перенимать опыт родителей, бабушек и дедушек, однако короткоживущие виды располагают только генетической информацией. Также складывается впечатление, что отдельные виды используют сразу несколько ориентиров (например, и солнце, и магнитное поле), так что у них есть запасной вариант на случай «неисправности» первого. Таким образом они увеличивают свои шансы вовремя добраться до источника пищи.

Вовсе не обязательно отправляться далеко, чтобы найти пищу, на которую не претендует никто другой. Вполне достаточно выбрать корм, недоступный для остальных. В норвежском хвойном лесу обитает клест, маленькая красно-коричневая птичка, чем-то похожая на зяблика. В отличие от зяблика, который питается семенами с земли, клест подходит к вопросу питания более творчески.

Хвойный лес полон шишек, а шишки полны семян. Большую часть года семена спрятаны в самой глубине твердых плодов, и пока чешуйки не раскроются, семена остаются недоступными для большинства птиц. А вот клест, как следует из его названия, примечателен особым, крестообразным, строением клюва: надклювье и подклювье скрещиваются между собой, а их острые концы выдаются по бокам клюва.

Стоит клесту найти подходящую шишку, как он цепляется за нее своими цепкими лапами, втыкает клюв между чешуйками шишки и раздвигает их. Крестообразный клюв позволяет не только отделить чешуйки друг от друга, но и прикладывать усилие, не рискуя сломать клюв: благодаря его загнутой форме давление распределяется более равномерно, чем при прямом клюве. Клюв раскрывается, щель между чешуйками увеличивается, и спрятанное в сердцевине семя оголяется. Клест высовывает свой длинный язык и осторожно захватывает семечко.

Клест – единственная птица, способная добывать хвойные семена таким изобретательным образом. А значит, хотя в лесу обитает множество других видов, только клест имеет доступ к семенам закрытых шишек. Возможно, питаться семенами с земли, подобно зяблику, было бы гораздо легче, но и конкуренция за этот корм слишком высока. Вместо борьбы клест предпочитает потратить дополнительные усилия и получить «индивидуальное меню».

Для животных, ведущих узкоспециализированный образ жизни, как те же бабочки монархи или клесты, скрещивание с другими видами может привести к потере уникальных признаков, важных для выживания. Если бы клест спарился с зябликом, на свет появился бы гибрид, похожий отчасти на клеста и отчасти на зяблика. Вероятно, он бы попытался добывать семечки из шишек так, как подобает клесту, поскольку это заложено в его генах, однако своим прямым, как у зяблика, клювом он не сумел бы ничего добыть и погиб бы от голода.

Такие неудачные комбинации дают потомство, которое «застревает» между двумя образами жизни и поэтому выживает с огромным трудом. Именно во избежание такого исхода каждый вид держится обособленно и избегает спаривания с чужаками. Чтобы привлечь потенциальных партнеров собственного вида, животные издают специальные звуки и применяют узнаваемые модели поведения, а также демонстрируют характерные черты своей внешности. Таким образом в природе сохраняется огромное разнообразие обособленных видов, каждый из которых использует собственные ресурсы для выживания.

Глава 3
Вместе надежнее

Хотя бабочки монархи имеют узкоспециализированный рацион и не конкурируют за пищу с другими видами, им, живущим большими стаями, приходится конкурировать друг с другом. Один из главных минусов стайного образа жизни как раз в том, что приходится делиться едой с другими. Однако есть и плюсы: вероятность того, что из всей стаи хищная птица съест именно тебя, гораздо ниже. Для бабочек монархов, как и для многих других стайных существ, жизнь в коллективе дает гораздо больше преимуществ, чем имеет недостатков; существование бок о бок с сородичами может быть выгодным и для животных более эгоистичного склада, чей приоритет прежде всего – собственное выживание.

В африканской пустыне Калахари обитают сурикаты. Сурикаты – это небольшие хищные млекопитающие, живущие колониями. Тимон из известного мультфильма «Король Лев» был одним из них. Сухая земля пустыни скрывает в себе множество питательных насекомых, и сурикаты в поисках добычи то и дело зарываются головой в песок.

Но когда охотишься, засунув голову в песок, вокруг ничего не видно. В любой момент сзади может подкрасться голодный лев, ловко маскирующийся благодаря своей золотистой шкуре. Поэтому разумно объединяться с сородичами в команду. В колонии сурикатов кто-нибудь всегда стоит на страже: дежурный находит хороший наблюдательный пункт, например большой камень, и встает на него в полный рост. Он осматривается в поисках опасности и одновременно издает негромкие звуки, чтобы остальные понимали, что тылы прикрыты, и могли спокойно сконцентрироваться на еде.

Заметив опасность, часовой издает громкий крик, и вся колония вмиг готова к бегству. Швейцарский биолог Марта Мансер вместе с американскими коллегами выяснили, что с помощью разных звуковых сигналов сурикаты предупреждают собратьев о разных видах хищников (например, о змеях и птицах) и о направлении их движения, чтобы сородичи могли адекватно среагировать. Круговая порука увеличивает шансы на выживание.

Как же сурикаты назначают часового? Будь кто-нибудь из колонии эгоистом, он бы всячески отлынивал от дежурства, чтобы вдоволь наесться. Однако если бы «откосить» пытался каждый и никто не стоял бы в дозоре, все зарывшиеся в песок сурикаты оказались бы как на тарелочке у голодных львов. Но какой смысл нести вахту и голодать, когда на карауле уже кто-то есть? Разумнее всего меняться, – и именно так поступают сурикаты. Они смотрят, чем заняты другие, и просто заступают на пост, если обстановка того требует.

Исследователи также заметили, что если сурикату дать больше еды, чем обычно, он будет нести вахту дольше. Сытому сурикату важнее не попасться на обед хищнику, чем поесть самому, поэтому он охотнее стоит на страже, нежели роется в песке в поисках еды. Бдительные животные быстрее других распознают приближающуюся опасность и имеют больше шансов спастись от зубов хищника. Как показывает одно исследование (что, впрочем, неудивительно), гепарды почти всегда нападают на самую рассеянную газель, в то время как особям, держащим ухо востро, зачастую удается унести ноги. Получается, отлынивать от дежурства не так уж и выгодно.

Чем больше особей живут вместе, тем легче разделить ношу караула. Роберт Кенуорд, биолог из Оксфордского университета, провел в 1978 году эксперимент, в ходе которого он отправлял прирученного ястреба-тетеревятника охотиться на стаи вяхирей различной численности. Ученый заметил, что охота на небольшие стаи зачастую оказывалась успешнее. Большим стаям удавалось улететь быстрее, чем малым, поскольку шанс, что кто-то из вяхирей заметит приближающегося ястреба, был выше. Этот же принцип работает и в случае сурикатов. Но не стоит забывать, что в многочисленной группе делиться едой приходится со всеми собратьями.

Таким образом, система безопасности в колонии сурикатов основана вовсе не на альтруистическом желании кого-то из особей пожертвовать собственной сытостью ради защиты остальных, а, напротив, на эгоистических решениях каждой особи, совокупность которых в итоге идет на пользу всем. Безусловно, в мире существуют виды, готовые пожертвовать собой ради других (об этом я расскажу в десятой главе), однако большинство животных в первую очередь заботятся о себе и о своем прямом потомстве.

Хотелось бы верить, что животные готовы приносить себя в жертву ради «всеобщего блага», ведь более «сильный» вид, состоящий из бескорыстных особей, способен доминировать над более «слабым» видом. Однако не стоит забывать, что на исчезновение одних видов и появление новых уходит очень много времени, зачастую миллионы лет. Эгоистические потребности особей, а также генов, как правило реализуются немедленно, тогда как закрепление новых наследственных поведенческих признаков может произойти лишь спустя много поколений. Хитрый рвач быстрее других обзаведется многочисленным потомством, и именно эти гены распространятся задолго до того, как вид, к которому он принадлежит, начнет доминировать над другими видами. Таким образом, в природе куда более важную роль играет не «всеобщее благо» целого вида, а «личное благо» отдельно взятой особи, то есть «личное благо» генома.

В этом смысле люди устроены иначе: мы способны на долгосрочное планирование и умеем мириться с временными неудобствами во имя интересов будущих поколений. Остальные животные живут настоящим, и их мало заботит жизнь вида как такового. Тем не менее взгляды ученых на важность внутривидовых изменений расходятся. За последние годы появился ряд новых исследований, доказывающих, что эволюция на уровне вида, вероятно, имеет гораздо большее влияние на развитие многообразия в природе, чем было принято считать ранее.

В стайной жизни, наравне с взаимным присмотром, есть масса других преимуществ. Например, вместе теплее спать, легче защищать свою территорию и нападать на крупную добычу. И все же в стайной жизни есть свои недостатки, помимо необходимости делиться едой, о которой мы упоминали выше. В стае быстрее распространяются паразиты и инфекционные заболевания, а хищникам гораздо легче заметить издалека группу животных, чем одну особь. К тому же групповая жизнь требует координации: животные вынуждены сотрудничать между собой, иначе неизбежны столкновения и конфликты. Когда муравьи-листорезы отправляются на поиск листьев, муравейник одновременно покидают и возвращаются в него тысячи особей. Чтобы избежать столкновений, муравьи разработали целую систему магистралей, движение по которым строго организовано. Получается, что существа, которых мы привыкли считать менее разумными, чем мы сами, на самом деле способны к сложному взаимодействию. Как им это удается?

Над болотистыми землями Англии медленно садится солнце. Февраль. С запада дует холодный ветер, и казалось бы, даже самым стойким орнитологам пора спешить домой греться. Но нет, наблюдатели все прибывают, с наступлением сумерек «партер» полон вооруженных биноклями и камерами зрителей. Все они хотят стать свидетелями потрясающего природного явления – вечернего «танца скворцов».

Сначала появляются отдельные черные птички; они сбиваются в небольшую стайку и начинают летать, как кажется, по случайной траектории. Затем к ним присоединяются все новые и новые участники, и вот уже сотни тысяч черных точек образуют целую тучу. Она скользит по огромным дугам, вдруг стремительно падает вниз, снова взмывает ввысь. Подобно привидению, этот гигантский живой организм извивается на фоне угасающего неба. Так продолжается где-то полчаса, после чего все птицы почти одномоментно успокаиваются и опускаются в камыши.

Стаи птиц и рыб, двигающиеся словно единый организм, неизменно производят сильное впечатление на наблюдателей. В 1931 году орнитолог Эдмунд Селус высказал предположение, что эти живые существа согласуют свои движения за счет передачи мыслей на расстоянии. Такое скоординированное поведение до сих пор остается отчасти загадкой, однако исследователям удалось найти более логичное объяснение, нежели телепатия.

Британский ученый Иэйн Коузин совместно с немецкими коллегами исследуют мурмурацию (скоординированное движение) в больших стаях с помощью современных технологий. В специальный аквариум с виртуальной реальностью они помещают управляемую 3D-модель рыбы и наблюдают за реакцией на нее настоящих рыб. Подобный подход команда ученых использует и в работе с мышами и дрозофилами. Также они снимают на видео стаи животных в дикой природе, а затем анализируют полученные записи при помощи компьютерных программ, которые фиксируют каждую особь и отслеживают ее перемещение. Эти методы позволяют собирать множество данных о движении особей относительно друг друга, и данные, в свою очередь, используются в статистических моделях. Команда Коузина доказала: если знать, какая из рыб начнет движение первой (например, в случае обнаружения хищника), можно спрогнозировать перемещение всего косяка. Рыбы оказывают прямое влияние друг на друга и немедленно реагируют на поведение особи так, что каждый копирует своего соседа. Рыба не «задумывается» над тем, что вздрагивание «прикатилось» от дальнего сородича на другом конце косяка, она просто повторяет движение своего ближайшего соседа.

Таким образом, движением стаи не управляет один-единственный вожак, и коллективная самоорганизация не связана с телепатией. Каждая отдельно взятая особь ориентируется исключительно на своих соседей. Итальянские ученые, изучавшие мурмурацию скворцов над Римом, выяснили, что каждая птица следит за действиями ближайших шести-семи соседей, независимо от расстояния до них, и согласует с ними собственное движение. Если одна из птиц меняет направление полета, ее примеру следуют соседи, а затем направление постепенно меняет и вся стая.

Такая система взаимодействия подразумевает множественные случаи «ложной тревоги», ведь никто не проверяет, был ли у крайней птицы или рыбы реальный повод вздрогнуть и шарахнуться в сторону. Коузин утверждает, что мозг рыбы образует ошибочные связи в каждом третьем или четвертом случае, а это означает, что рыба нередко начинает движение без объективной причины. И хотя вероятность того, что отдельно взятая особь повторит движение, повышается, если большинство из ее соседей резко бросятся в сторону (а это обычно происходит при возникновении реальной опасности), движения рыбьего косяка во многом оказываются избыточными. Но ничего страшного в этом нет, ведь это не требует чрезмерной энергии. Гораздо опаснее не среагировать, когда это следовало бы сделать, так что ради спокойствия все предпочитают сверяться со своим окружением. Преимущества ориентации на соседей значительно перевешивают недостатки. Так, благодаря эгоистичным действиям отдельных особей формируются большие стаи животных, а мурмурация птиц и рыб, образующих динамические объемные фигуры, не перестает поражать наше воображение.