Текст книги "Волшебная эволюция"

Автор книги: Ханна Нюборг Стестад

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

Глава 15
Быстрая эволюция

Слово «эволюция» зачастую наводит нас на мысли о древних окаменелостях, динозаврах, развитии мира на протяжении миллионов лет. И это вполне оправданно, ведь тот или иной признак, как правило, несет лишь незначительное преимущество или недостаток для особи, а для того, чтобы влияние какой-либо характеристики испытала на себе целая популяция, может потребоваться не одна тысяча поколений. Но когда преимущество или недостаток становятся достаточно ощутимыми, изменения могут происходить очень быстро. Например, чрезвычайные ситуации, ведущие к гибели значительной части популяции в короткие сроки, играют роль своего рода фильтра: останутся только те, у кого есть необходимые для выживания качества. Если речь идет о наследуемых качествах, то уже в следующем поколении большее количество особей в популяции будут ими обладать. При таком раскладе эволюционное развитие происходит быстро. Это можно наблюдать и в наше время: вспомните, например, адаптацию березовых пядениц к почерневшим деревьям.

Вряд ли найдется много желающих отправиться на тропический остров в ураган. Однако именно это сделали Колин Донихью и его исследовательская команда в сентябре 2017 года. Ураган «Ирма» набирал силу неподалеку от карибского острова Пайн-Кей, где команда Донихью изучала анолисовых ящериц. Туристы устремились в аэропорт в надежде покинуть остров до прихода циклона. Заторопились и ученые, ведь тропические ураганы нередко несут с собой смертельную опасность. Но для начала команде предстояло завершить измерение ящериц.

Небольшие и изящные, внешне анолисы напоминают саламандр или гекконов. Они широко распространены в Южной и Центральной Америке, а также на островах Карибского бассейна. Это излюбленный объект работы исследователей, поскольку существует масса родственных видов анолисовых, обладающих разными наборами признаков. Команда Донихью прибыла на остров Пайн-Кей в связи с проектом, посвященным влиянию крыс на местную фауну. Ученым удалось провести замеры длины тела и ногу анолисов, после чего они, как и отдыхающие, заторопились на самолет.

Четыре дня спустя «Ирма» обрушилась на карибские острова. «Ирма» – один из наиболее разрушительных атлантических циклонов в истории, который стал прямой и косвенной причиной гибели ста тридцати четырех человек. «Ирма» сровняла с землей целые жилые кварталы, вырвала с корнем бесчисленные деревья. Как по воле злого рока, через две недели в этот и без того разоренный регион ворвался ураган «Мария».

Если перед силами природы не смогли устоять даже стены домов, сложно представить, каково было крошечным анолисам. Ничего другого не оставалось, как держаться изо всех сил за ветки и не ослаблять хватку, в противном случае безжалостный ветер тут же поднимет в воздух и выбросит в бурлящее море. Тот, кто не способен удержаться, обречен.

Хотя ураганы – далеко не новость для Карибского региона и все местные животные так или иначе приспособлены к ним, в последнее время подобные катаклизмы происходят гораздо чаще, чем раньше, и становятся они все сильнее. Вследствие изменения климата температура воды в море повышается, снабжая, таким образом, разрушительные ураганы дополнительной энергией. А значит, анолисы, успешно переживавшие прежние циклоны, могут не справиться с натиском более мощных ураганов.

Когда Донихью увидел репортажи о последствиях «Ирмы» и «Марии» в средствах массовой информации, он понял, что перед ним открывается уникальная возможность. Действительно ли выжила лишь часть анолисов? Отличаются ли в среднем выжившие анолисы от тех особей, которых они измеряли до урагана? Он незамедлительно отправился обратно на Пайн-Кей.

Длинные пальцы анолисов покрыты ламелями, цепкими пластинами, которые обеспечивают сцепление с гладкими поверхностями. Донихью с коллегами обнаружили, что на соседствующих островах Пайн-Кей и Уотер-Кей у переживших ураган анолисов сцепная поверхность пальцев передних ног в среднем на 9,2 % больше, чем у тех особей, которые населяли острова до урагана. «Плечи» у выживших ящериц оказались длиннее, а «предплечья» – короче. Благодаря такому строению анолис способен крепче хвататься за опору и плотнее прижиматься к поверхности, а значит, имеет больше шансов удержаться при штормовых порывах ветра. Всего за шесть недель в приспособляемости среднестатистического анолиса на Пайн-Кей ученые зафиксировали измеримый сдвиг.

Параметры тела, например длина ног, по большей части определяются генетически, за исключением таких случаев, как низкорослость по причине неполноценного питания. Поэтому очевидно, что следующее поколение унаследует эти параметры, и анолисы будут лучше приспособлены к экстремальным погодным условиям, чем популяция в целом до урагана «Ирма». Так прямо на наших глазах происходит быстрая эволюция всего за одно поколение.

Ураган – это настоящая природная катастрофа. Возрастающие частота и интенсивность циклонов, вероятно, связаны с антропогенными изменениями климата, однако населяющие Карибский бассейн виды сталкиваются с ураганами уже на протяжении долгих тысяч лет. Однако некоторые формы воздействия человека на окружающую среду становятся для животных совершенно новыми. Например, раньше ежам не приходилось переходить автомобильные дороги, а воробьям – летать между высокими домами со стеклянными стенами. Городская жизнь требует иных приспособлений, чем лесная, а поскольку некоторые привычные для леса модели поведения оказываются крайне неблагоприятными в городе, адаптация происходит быстро.

Пугливым и опасливым животным приходится в городе непросто. Они расходуют много энергии, стараясь спрятаться всякий раз, когда мимо проходит человек, и шарахаясь при малейшем шорохе, и не осмеливаются пробовать новые условия. Неоднократно проводились исследования по сравнению поведения в городе и в сельской местности: городские певчие овсянки намного смелее своих сельских собратьев, городские белки меньше реагируют на людей, чем лесные. Чтобы понять, связана ли безбоязненность с привыканием к людям или же с изменением на генетическом уровне, исследователями проводятся эксперименты по переносу в общую среду (common garden experiment): яйца или детенышей из городской и сельской местности переносят в общие условия в неволе, где они растут вместе. Если они проявляют различную реакцию на одинаковые условия, налицо унаследованная характеристика.

Исследователи из Индианского университета в США поместили в лабораторию сорок птенцов серого юнко. Эта серо-черная птичка из семейства воробьиных широко распространена в Северной Америке. Часть подопытных птенцов поймали в мегаполисе Сан-Диего, а остальных – в лесах Маунт-Лагуна. Все птенцы росли вместе в больших клетках на территории университета. Когда птенцы повзрослели, ученые стали наблюдать, с какой скоростью особи съедали новую пищу и обнаруживали новые объекты, а также замерять уровень кортизола (гормона стресса) в крови птиц, когда их ловили люди. Результаты исследований показали, что городские юнко гораздо охотнее знакомились с новыми предметами и выдавали более низкий стрессовый ответ при физическом контакте с людьми, чем лесные юнко, хотя и те и другие птицы подвергались в равной степени воздействию людей в течение жизни.

И все же не всякое любопытство служит во благо. Когда я сижу летним вечером на веранде, я часто наблюдаю за насекомыми, которые роятся вокруг уличной лампы. Считается, что это происходит оттого, что насекомые летают под постоянным углом по отношению к свету Луны, однако если поблизости появляется другой источник света, они будут кружить вокруг лампы, также под постоянным углом, пока в конце концов не угодят внутрь лампы. Но у этого объяснения есть изъян. Казалось бы, мотыльки, которые не мигрируют, а значит, не преодолевают больших расстояний, не должны были бы ориентироваться на Луну, но и они летят на источники света. Ученым пока не удалось найти убедительное объяснение. Возможно, насекомые инстинктивно летят на воду, поверхность которой отражает лунный свет, и принимают лампу за поверхность воды? Как бы там ни было, свет привлекает насекомых, и если в природе это вполне безобидно, то в городе свет может представлять собой смертельную опасность.

Создается впечатление, что насекомые уже начали понемногу приспосабливаться к коварным огням. Исследователи заметили, что горностаевые моли, обитающие в местах с высокой степенью световой загрязненности, менее подвержены влиянию света, чем особи из естественно темных районов. И все же большая часть насекомых по-прежнему летит на рукотворные источники света. Стоит насекомым собраться вокруг манящего источника света, как они тут же превращаются в угощение для хищных пауков.

На одном из пешеходных мостов Вены обитает паук-крестовик, получивший говорящее прозвище «мостовой паук». Он прекрасно знает, как устроить себе настоящий пир. Пешеходный мост освещается расположенными на небольшом расстоянии друг от друга фонарями, так что ограждение моста визуально делится на светлые и темные участки. Зоолог Астрид Хайлинг заметила значительное скопление паутины вокруг тех секций ограждения, которые в темное время суток залиты светом фонарей, тогда как неосвещенные участки были практически свободны от паутины. В своей лаборатории Хайлинг провела наблюдения за паучьими яйцами и вылупившимися пауками и обнаружила, что даже те пауки, которые ранее никогда не находились вблизи искусственных источников света, предпочитали плести паутину именно в освещенных местах. Чем больше света, тем больше прилетит насекомых и тем сытнее будет ужин. Для насекомых это означает, что манящий свет ламп становится вдвойне опасным, и возможно, это говорит о том, что эволюционное развитие идет стремительно, благодаря чему мотыльки теряют влечение к свету гораздо быстрее, чем когда-либо.

Анолисы тоже приспособились к городской жизни. В дикой природе они лазят по деревьям и ветвям, однако в городе им приходится форсировать гладкие поверхности. Кристин Уинчелл из Университета Вашингтона в Сент-Луисе получила докторскую степень за исследование адаптации анолисов к городской среде на острове Пуэрто-Рико. Она обнаружила, что у городских ящериц ноги длиннее, а на пальцах больше ламелей, чем у их лесных собратьев, хотя они выросли в одинаковых условиях в ходе эксперимента common garden. Уинчелл интересовало, стоят ли за особенностями их движений какие-либо физические различия. Она построила беговую дорожку длиной в два с половиной метра с тремя видами покрытий – древесной корой, крашеным бетоном и алюминиевыми пластинами. Исследовательница предположила, что городские ящерицы быстрее преодолеют гладкие поверхности, а лесные – участок из древесной коры.

Оказалось, что городские ящерицы в принципе бегают быстрее, независимо от качества поверхности. Все из подопытных ящериц с трудом передвигались по гладким поверхностям, поскольку для них привычнее цепляться когтями, однако городские ящерицы с длинными ногами и многочисленными ламелями более ловко перемещались как по гладкой поверхности, так и по шершавой древесной коре. В непростых городских условиях анолисы вынуждены вкладывать максимум собственных ресурсов в эффективный бег, тогда как их собратья в естественной среде обитания приспосабливаются сразу к нескольким факторам: им, как и мадагаскарским лемурам, в равной степени важно хорошо прыгать и удерживать равновесие на тонких ветках.

Поскольку за изменением в поведении (ускорение бега у ящериц) стоят физиологические изменения (увеличение длины ног и рост числа ламелей), которые к тому же сохранились в ходе эксперимента common garden, создается впечатление, что в основе этой адаптации лежат генетические характеристики. Вдруг со временем городские анолисы выделятся в самостоятельный, узкоспецифичный вид?

В Лондоне полным ходом идет формирование нового вида. Когда под столицей Великобритании построили метро, некоторые комары проникли в подземелье, где теперь обитает целая обособленная популяция. В отличие от своих наземных собратьев, комары лондонского метро не впадают в зимнюю спячку (питаются они кровью людей и крыс). После неудачной попытки спарить городских и подземных особей некоторые исследователи стали утверждать, будто это два самостоятельных вида. Однако также существует мнение, что популяции недостаточно отличаются друг от друга, чтобы считаться разными видами, и что комары лондонского метро – лишь вариация комаров, обитающих в более южных районах, и что она вовсе не отпочковалась в отдельный вид. Так, комары лондонской подземки все еще считаются подвидом городских комаров. Подвид – это вариация вида. Например, все собаки относятся к одному виду, но среди них существует масса подвидов – пород. Определить, что является видом, а что подвидом, бывает непросто. Возможно, стоит подождать каких-нибудь пару лет, и перед нами окажутся два полноценных вида. В любом случае можно сказать, что по меркам эволюции (которой уже не первый миллион лет) сегодня развитие происходит действительно быстро.

До сих пор в этой главе мы рассматривали примеры, в которых, вероятно, можно предполагать произошедшие генетические изменения. Однако на самом деле существует крайне мало случаев, в которых мы имеем дело с фактическими изменениями в генетическом материале. Даже на результаты экспериментов common garden нельзя полагаться стопроцентно, поскольку мы можем не знать о том, какому влиянию успели подвергнуться принесенные из дикой природы яйца или детеныши, будь то особенности диеты родителей, температура воздуха или другие факторы окружающей среды. Чтобы удостовериться в наличии генетических изменений, необходимо провести анализ ДНК. До настоящего времени этим методом пользовалось довольно мало исследователей, однако в феврале 2019 года в научном журнале Science была опубликована статья об исследовании с применением анализа ДНК.

Объектом наблюдения стал олений хомячок, грызун размером с мышь. Таким маленьким зверькам нужно всячески прятаться от хищников. Существует простая теория: грызунов с хорошим камуфляжем сложнее найти, поэтому грызуны с генами, отвечающими за маскировочную расцветку, чаще выживают, а значит, таких особей будет становиться все больше. Грызуны с непригодной к маскировке окраской чаще попадаются хищникам. Со временем гены, обеспечивающие выигрышный окрас, получают более широкое распространение.

Роуэн Баррет и его коллеги решили убедиться на практике в верности этой теории. Как ни странно, но раньше удалось продемонстрировать лишь некоторые составляющие этой теории, например, что хищники легче распознают плохо закамуфлированную добычу. Но никогда не получалось подтвердить теорию целиком: что гены влияют на характеристики внешности, что эти характеристики влияют на способность выживать, что различный уровень выживания влияет как на генетический материал, так и на физические особенности следующего поколения.

В районе Сэнд-Хиллз в штате Небраска песок несколько светлее, чем в других частях региона. С геологической точки зрения это довольно молодая местность, образовавшаяся примерно десять тысяч лет назад. Окрас обитающих здесь оленьих хомячков также светлее, чем у тех, что живут на более темной земле. Баррет с коллегами взяли оленьих хомячков из Сэнд-Хиллз и других районов и поместили их в несколько загонов. Одну половину загонов расположили на светлом песке, вторую половину – на темной земле, при этом «население» каждого состояло поровну из светлых и темных грызунов. Исследователи очистили загоны от змей и прочих хищников, однако эти участки оставались незащищенными сверху, а значит, подопытные хомячки могли подвергнуться нападению хищных птиц. Неоднократно над загонами были замечены совы.

Примерно год спустя почти все грызуны в загонах погибли, и их место заняли их дети, а затем и внуки. Хомячки, чей окрас совпадал с цветом земли, прожили дольше хомячков с «неправильным» цветом. Это означает, что способные лучше маскироваться грызуны имели в своем распоряжении больше времени, чтобы обзавестись потомством. В результате всего лишь через четырнадцать месяцев цвет шерсти хомячков в светлых загонах стал в среднем в полтора раза светлее, тогда как окрас обитателей темных загонов потемнел практически вдвое.

Тут пришло время проводить генетические тесты. Исследователи выяснили, что в загонах со светлым песком получили широкое распространение семь мутаций, и эти же мутации реже встречались в загонах с темной землей. В особенности это касалось одной из мутаций, delta-Ser. Обнаружилось, что эта мутация напрямую влияет на окрас и именно она распространилась всего за четырнадцать месяцев. Таким образом, оленьи хомячки чуть более чем за год прошли адаптацию к изменившейся окружающей среде на генетическом уровне. Налицо эволюция в реальном времени.

В принципе, способность животных быстро адаптироваться к новым обстоятельствам полезна. Хочется верить, что благодаря этому больше видов смогут приспособиться к радикальным антропогенным изменениям и что мы на том или ином уровне сможем поддерживать биологическое разнообразие. Но для уязвимых видов стремительная эволюция не всегда идет во благо.

Когда тот или иной вид оказывается на грани полного исчезновения, биологи, как правило, стремятся поймать несколько особей, чтобы временно содержать их в неволе. Это позволяет зафиксировать, какие факторы (например, охота) угрожают виду в дикой природе. Когда ситуация стабилизируется, животных вновь отпускают на свободу. Содержание вымирающих животных в неволе также дает возможность сохранить несколько особей вида на случай, если в дикой природе он исчезнет окончательно. Однако если планируется вернуть животное в естественную среду обитания, важно следить за тем, чтобы оно не слишком привыкало к зависимости от человека.

На севере Австралии обитает северная сумчатая куница, напоминающая крысу с большими глазами, длинной острой мордочкой и взъерошенным хвостом. Как и кенгуру, эта куница относится к сумчатым. У этих живородящих животных детеныши появляются на свет недоразвитыми; словно живые бобы, они доползают до сумки матери, где питаются молоком и растут до тех пор, пока не станут самостоятельными. Сегодня ареал северной сумчатой куницы подвергается разрушению – люди все дальше в него вторгаются, застраивая местность. К тому же на этих куниц нередко нападают более крупные хищники – динго, домашние собаки и кошки.

Но мало того, сумчатая куница то и дело пытается пообедать ядовитой жабой ага, которую люди завезли в этот регион в 1930-х годах с целью борьбы с вредителями. Но эксперимент не удался: большие, неповоротливые жабы ага не спешили поедать местных вредителей, зато все животные, включая сумчатых куниц, которые пытались съесть ядовитых «иммигрантов», травились. Появление этих жаб серьезно сказалось на местной фауне; теперь это хрестоматийный пример того, что человеку не следует решать проблемы в природе путем введения новых видов.

И резкое сокращение ареала, и натиск хищников, и угроза в виде ядовитых жаб – все привело к тому, что северная сумчатая куница внесена в «Красную книгу» Международного союза охраны природы со статусом «вымирающие» (Endangered). В 2003 году австралийские биологи начали предпринимать усилия для сохранения сумчатых куниц и для начала перевезли часть особей на острова, где не водятся жабы ага. Оказалось, что там сумчатым куницам вполне хорошо. Тринадцать лет спустя, в 2016 году, ученые обучили некоторых из подопытных куниц обходить этих жаб стороной: они доставляли куницам физический дискомфорт, показывая при этом жабу ага. После окончания обучения куниц доставили обратно на материк. Вновь столкнувшись с жабами, куницы больше не пытались к ним приблизиться, однако большую часть куниц-возвращенцев съели динго, и в гораздо большем количестве, чем до проведения эксперимента. Это заставило биологов задуматься. Могли ли куницы утратить свою способность спасаться от динго спустя всего несколько поколений в изоляции? Тогда ученые собрали сумчатых куниц как с материка, так и с островов и поселили их в неволе, где вскоре появилось потомство с разным происхождением, но одинаковыми условиями роста. Чтобы проверить, боится ли новое поколение динго, исследователи поместили в клетку к каждой кунице по три банки с едой – одну банку с запахом динго по краю, вторую – с запахом кошки, третью – чистую. Банки оставили на ночь, а с утра замерили, сколько оказалось съеденным в каждой из них.

Выяснилось, что материковые детеныши с большим опасением отнеслись к запаху динго, чем островные. Это означает, что опасливость – характеристика, отчасти передающаяся по наследству, и островная популяция ее утратила всего лишь за тринадцать лет. Нет ничего удивительного в том, что островные куницы не боялись динго, ведь у них просто-напросто больше не было соответствующих инстинктов.

Хочется надеяться, что среди куниц-репатриантов остались те, кто по-прежнему предпочитает обходить динго стороной, и что у них появится более многочисленное потомство, чем у тех, кто не видит в динго угрозы. Тогда куницы вновь обретут свою осмотрительность по отношению к хищным динго. Время покажет, произойдет ли именно так и будет ли этого достаточно, чтобы северные сумчатые куницы выжили в изменчивом и непредсказуемом мире.