Текст книги "Приспособиться и выжить!"
Автор книги: Шон Кэрролл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 21 страниц)
Видеть и верить: почему эволюция так важна
Наблюдение за ходом эволюции в реальном времени и открытия, сделанные благодаря древней летописи ДНК, подготовят нас к нашей послеобеденной беседе. В двух заключительных главах книги мне придется поспорить с современными и старинными аргументами противников эволюции; я расскажу, как важно для современного человека понимать суть эволюционного процесса. Природа неприятия теории эволюции или сомнений в ней становится понятней из предшествующей истории всеобщего невежества и недоверия к науке – к Галилею, к Пастеру и даже к науке, доказавшей, что ДНК есть основа наследственности. Данные астрономии, микробиологии и генетики вызывали у многих сопротивление, и только обилие ощутимых и видимых доказательств могло победить его. Информация, хранящаяся в ДНК, не оставляет места для сомнений. Эволюция подтверждается бесспорными фактами, число которых продолжает расти.
Критики могут назвать данную книгу «геноцентричной» – в том смысле, что в ней особое место уделяется генам и ДНК. Это действительно так, но в оправдание такого подхода хочу сказать, что я подбирал такие примеры, которые ярче всего иллюстрируют способность видов адаптироваться к самым разным, зачастую довольно экстремальным условиям обитания.
Новое понимание того, как создавались наиболее приспособленные организмы, заставляет нас еще больше восхищаться фантастическим разнообразием форм жизни – от древнейших микробов, живущих в кипящей воде, до рыб, умеющих дышать без помощи гемоглобина, птиц и бабочек, которые видят невидимые для нас цвета, и приматов, умеющих писать книги. Кроме того, оно объясняет, почему «наиболее приспособленный организм» – весьма условное и относительное понятие.
Повседневная математика эволюции и летопись ДНК говорят о том, что естественный отбор действует лишь на те признаки, которые полезны в данный момент времени. Естественный отбор не может сохранить то, что уже не используется, и не может предугадать, что понадобится в будущем. Жить сегодняшним днем в определенной степени опасно – ведь, если внешние условия изменятся быстрее, чем возникнет адаптация к ним, быстрее, чем будут созданы «самые приспособленные», существование популяций и видов окажется под угрозой.
История показывает, что при глобальном или локальном изменении условий на смену тем, кто на протяжении многих эпох был самым приспособленным, приходили другие. Летопись окаменелостей пестрит останками множества существ – трилобитов, аммонитов, динозавров и многих других, – которые когда-то были очень успешны, но впоследствии оказались за бортом эволюции. Ледяным рыбам удалось удивительное эволюционное превращение, позволившее им адаптироваться к изменению условий в Антарктике, однако, возможно, это тупиковый путь. Эти животные изменили способ существования и лишились способностей, восстановить которые уже не удастся. Их будущее, вне всякого сомнения, находится под угрозой.
Дитлеф Рустад обнаружил ледяную рыбу в сетях совершенно случайно, когда занимался ловлей криля – ракообразных животных длиной 5–6 см, которые находятся в центре пищевой цепи в антарктическом регионе. В конце 2004 г. биологи проанализировали данные, собранные исследователями из девяти стран за 40 с лишним лет, и обнаружили, что запасы антарктического криля с 1920-х гг. снизились на 80 %. Криль питается фитопланктоном и водорослями, которых становится все меньше из-за таяния океанских льдов, а сам служит пищей для кальмаров, морских птиц, китов, тюленей и ледяных рыб. За последние 50 лет температура воздуха на Антарктическом полуострове стала выше примерно на 4–5 °C, а в следующем столетии, согласно прогнозам, в Южном океане на несколько градусов повысится температура воды. Если это произойдет, вполне возможно, что многие адаптированные к холоду виды не смогут среагировать на столь быстрые изменения температуры и состава пищи и рыбный промысел в Антарктике, включая ловлю ледяной рыбы, просто прекратится.
Таким образом, эволюционная биология представляет не только академический интерес, а признание добытых ею фактов – не из тех вопросов, которые могут решаться в ходе политических или философских дискуссий.
Сэр Питер Медавар говорил, что «альтернативой эволюционному способу мышления является отсутствие всякого мышления». И такую альтернативу мы как вид больше не можем себе позволить.
Голуби Дарвина. На примере большого разнообразия декоративных голубей, произошедших от сизарей, Дарвин иллюстрировал силу естественного отбора различных вариантов. Иллюстрации из сборника The Variations of Animals and Plants under Domestication, vol. 1, London: John Murray, 1868; монтаж Джейми Кэрролл.
Глава 2
Математика эволюции. Вероятность, отбор и время
Вся наука является не чем иным, как усовершенствованием повседневного мышления.
Альберт Эйнштейн
Раз в несколько месяцев по радио и телевидению сообщают, что джекпот популярной американской лотереи «Пауэрбол» до сих пор не взят и достиг гигантской суммы. Эти сообщения способствуют дополнительной продаже билетов среди тех, кто хочет разбогатеть таким достойным образом, и джекпот увеличивается еще больше. Многие жители штатов, где эта лотерея не разыгрывается, и даже те, кто обычно не покупает лотерейных билетов, проделывают немалый путь, чтобы все же купить несколько билетов, возможно, рассудив, что из-за 40 или 50 млн долларов суетиться не стоит, но 200 млн – это уже неплохие деньги.
Профессор Калифорнийского университета Майк Оркин считает, что вероятность погибнуть в автокатастрофе, проехав 25 км для покупки лотерейного билета, в 16 раз превышает вероятность выиграть джекпот. Минуточку, скажете вы, возможно, это верно, если купить всего один билет, но если купить несколько, то вероятность выигрыша вырастет. Да, это так, но, по расчетам того же Оркина, человек, покупающий 50 билетов каждую неделю, имеет шанс сорвать джекпот приблизительно один раз в 30 тыс. лет.
У нас действительно искаженные представления о статистике и теории вероятности, причем они не ограничиваются расчетом выигрыша в лотерею.
Случаи нападения акул неизменно попадают на обложки журналов (не говоря уже о сюжетах фильмов), и тот факт, что ежегодно опасность смертельного нападения акулы угрожает примерно одному человеку из 300 млн (в США), никак не ослабляет наш страх и болезненный интерес к этой теме. Но что там акулы, есть ведь еще и пумы! Опасность нападения пумы в Калифорнии, где численность этих животных растет, угрожает одному человеку из 32 млн в год. А вот вероятность умереть от укуса собаки в 50 раз выше (примерно один случай на 700 тыс. человек в год), но люди почему-то по-прежнему продолжают окружать себя этими симпатичными слюнявыми убийцами!
Что-то в нашей природе заставляет нас верить в возможность маловероятного события и при этом игнорировать гораздо более непосредственную и серьезную опасность. Очевидно, за рациональное мышление и статистический анализ отвечают разные участки нашего мозга.
Я привожу эти примеры по той причине, что эволюция также заключает в себе определенный элемент вероятности. И именно в этом кроется основной источник сомнений и путаницы. Некоторые люди, видя упорядоченность природы и изумительные способы адаптации живых организмов к окружающим условиям (как у ледяных рыб в ледяных водах Антарктики), не могут поверить, что во всем этом есть хотя бы небольшой элемент случайности. Скорее, считают они, случай мог бы воспрепятствовать появлению в природе чего-то нового, полезного и сложного. Чтобы разобраться в этом вопросе, нужно понять связь таких факторов, как вероятность, отбор и время. В этой главе я покажу, что понимание процесса эволюции (то есть изменения во времени) требует того же способа мышления и тех же математических знаний, которые мы используем (или должны использовать, если играем в лотерею) для расчета вероятности событий в каждодневной жизни.
Когда Альберта Эйнштейна спросили о том, что является самой могущественной силой во Вселенной, он ответил: «Сложный процент». Если бы Эйнштейн не был таким умным, он бы ответил: «Естественный отбор». Обе эти силы приводятся в движение одним и тем же математическим принципом. Этот принцип формулируется очень просто: даже при низких исходных значениях (например, небольшая сумма в банке) и низкой скорости ежегодного прироста (например, небольшая процентная ставка) при начислении сложных процентов в течение длительного времени исходная цифра кардинально увеличится.
Если речь идет об эволюции, «низким исходным значением» является число особей в популяции, обладающих определенным признаком, а «низкая скорость прироста» – это небольшое селективное преимущество, которое дает обладание этим признаком. Как мы увидим далее, «длительное время» для эволюции признака может оказаться гораздо более коротким, чем можно предполагать. Для широкого распространения признака в популяции нужно больше времени, чем время жизни одной особи, но часто это время не превышает нескольких сотен поколений. На шкале геологических эпох это краткий миг. Люди осознали это лишь через много лет после того, как Дарвин сформулировал теорию естественного отбора. Однако значение этого простого факта, основанного на простой математике, очень велико: небольшие различия между особями, накапливаясь под действием естественного отбора, через определенный промежуток времени могут привести к значительным различиям между видами.
Преодолеваем сомнения с помощью голубей и крыс
Тот, кто впервые открывает книгу «О происхождении видов», возможно, рассчитывает, что его ожидает красочное описание невообразимого разнообразия форм жизни или захватывающий рассказ о происхождении человека. Ни того ни другого там нет. В первой главе самой важной книги по биологии мы встречаемся… с голубями.
Да-да, после пятилетнего кругосветного путешествия и 20 с лишним лет исследований и работы над книгой Дарвин открывает свой главный труд описанием английских голубей.
Это первая из множества его блестящих находок.
Прежде чем приступить к объяснению идеи естественного отбора и происхождения всех видов от общих предшественников, Дарвин решил объяснить свою теорию на более понятном всем примере разведения голубей.
Сам Дарвин был экспертом по голубям. Вот как он пишет об этом в начале книги: «Полагая, что всегда лучше изучать какую-нибудь специальную группу, я после некоторого размышления остановился на домашних голубях. Я разводил все породы, какие только мог купить или достать, и получал шкурки, которые мне любезно присылали с различных концов света».
Голуби рассказали Дарвину о взаимосвязи изменчивости и отбора и убедили его в том, что естественный отбор слабых изменений может со временем приводить к значительным различиям между видами.
Дарвин указывал, что многие голуби настолько сильно отличаются друг от друга, что, если показать их орнитологу и сказать, что это дикие птицы, орнитолог отнес бы каждый вариант к отдельному виду. Однако сам Дарвин правильно понял, что все они являются потомками сизых голубей, и впоследствии применил свои знания о голубях для объяснения устройства природы в целом.
Натуралисты и селекционеры ошибочно считали, опираясь на внешние различия, что каждая порода домашнего животного (крупного рогатого скота, овец и др.) происходит от отдельного предка. Дарвин писал: «Когда я впервые завел у себя голубей и начал наблюдения над несколькими породами их, то, хорошо зная, насколько они при разведении в себе остаются постоянными, я был так же мало склонен допустить, что… все они произошли от одного общего родоначальника, как и всякому натуралисту трудно прийти к подобному выводу по отношению к многочисленным видам вьюрков или других птиц в естественном состоянии». Он так объяснял непонимание идеи отбора: «Специалисты слишком увлекаются различиями между интересующими их породами… и… отказываются от всяких обобщений, т. е. от суммирования в уме тех слабых различий, которые накопляются в течение длинного ряда… поколений [курсив Ш. К.]».
Дарвин был знаком со многими любителями голубей и знал от них, сколько времени занимает получение нового признака с помощью селекции. По его словам, самый искусный специалист, сэр Джон Себрайт, говорил, что готов получить голубя с любым оперением за три года, но для получения определенной формы головы или туловища ему нужно шесть лет.
Дарвин был уверен в том, что со временем естественный отбор может изменить очень многое. Но даже у самых горячих защитников его теории возникали сомнения.
Основным камнем преткновения был вопрос о том, является ли естественный отбор настолько эффективным, чтобы производить небольшие различия между особями, или он проявляется только в значительных изменениях. Самый верный сторонник Дарвина, биолог Томас Хаксли, несомненно, верил в отбор. Но и он считал, что трудно объяснить различия между современными и ископаемыми видами естественным отбором, длительно и непрерывно действующим на уровне небольших различий. Хаксли предпочитал считать, что отбор действует на уровне «сальтаций», то есть заметных скачкообразных изменений. Любимым примером Хаксли были люди и животные с дополнительными пальцами. Если такое отличие появляется всего за одно поколение, то, с точки зрения Хаксли, различие в количестве пальцев между разными видами скорее объясняется сальтацией, чем постепенным изменением. Хаксли придерживался такой точки зрения до конца своих дней. Вопрос о том, достаточно ли мощным механизмом является естественный отбор, чтобы отвечать за постепенную эволюцию сложных структур, остался в наследство следующему поколению биологов. И пока этот вопрос не нашел ответа, судьба теории Дарвина оставалась нерешенной.
Хаксли и Дарвин сошли в могилу, не имея никакого представления о механизме наследования признаков. Первые законы наследственности были открыты монахом-августинцем Грегором Менделем, когда он занимался экспериментами по разведению гороха в конце 1850-х и начале 1860-х гг. (то есть именно тогда, когда вышла книга Дарвина). Мендель знал о работах Дарвина, но великий натуралист ничего не слышал о работах Менделя, хотя немецкий журнал, в котором были опубликованы открытия Менделя, можно было найти и в Великобритании. Только в 1900 г., через 34 года после публикации и через 16 лет после смерти Менделя, научный мир обратил внимание на его труды.
Одним из тех, кто ухватился за идеи Менделя, был биолог из Кембриджского университета Уильям Бэтсон. Он занимался изучением законов изменчивости и написал большую книгу обо всех видах значительных дискретных вариаций, существующих в природе. Он считал, что нашел подтверждение тому, что естественный отбор действует на уровне больших различий между особями, и что дарвиновская версия постепенной эволюции путем отбора слабых изменений была ошибочной.
Бэтсон был уверен, что работы Менделя подтверждают его точку зрения. Мендель показал, что некоторые признаки гороха наследуются простым образом. В частности, форма и цвет горошин определяются отдельными факторами (теперь мы называем эти факторы генами). Для Бэтсона это было веским доказательством того, что эволюция имеет дело с крупными дискретными различиями, такими как сморщенная или гладкая форма гороха, зеленый или желтый цвет, но не с промежуточными формами. Сделанные Менделем открытия еще больше расширили пропасть между сторонниками и оппонентами теории естественного отбора. Было очевидно, что законы Менделя верны, так почему же тогда противостояние продолжалось и что же в конце концов переломило ситуацию в пользу теории Дарвина?
По иронии судьбы, поворотный момент произошел, как это часто бывает в науке, когда у сомневающейся стороны стало накапливаться все больше и больше фактов. Эта история в точности отразила предупреждение Т. Хаксли: «Наука учит меня с осторожностью соглашаться с тем, что соответствует моим предварительным гипотезам, и требовать для них более веских доказательств, чем для тех, с которыми я не соглашался».
Открытие Менделя активизировало множество исследований в области генетики, включая эксперименты по улучшению пород животных. Одной из наиболее видных фигур в этой области был Уильям Касл из Гарвардского университета, который быстро объединил законы Менделя о наследовании и теорию Бэтсона о прерывистых изменениях как основе эволюции. Однако достаточно скоро Касл вынужден был изменить свое отношение к идеям Бэтсона.
Изменение позиции Касла было связано с результатами длительной серии экспериментов по скрещиванию крыс. Сначала Касл и другие биологи полагали, что отбор не может привести к такому изменению признака, которое выходит за пределы исходного набора вариаций. Касл работал с так называемыми капюшонными крысами. Туловище у этих животных белое, а голова и плечи темные, как в капюшоне. Однако Касл и его студенты обнаружили, что в результате селективного скрещивания можно получить абсолютно новый вариант окраски. Некоторые особи имели промежуточный вариант окраски по отношению к исходным версиям, однако были и такие, окраска которых выходила за пределы исходного набора вариаций (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Вариации окраски крыс в экспериментах Касла. Размер темного пятна («капюшона») на голове и спине крыс изменился в результате селективного скрещивания, и характер окрашивания вышел за пределы вариаций в родительских линиях. Это послужило важным доказательством могущества отбора. Из публикации W. E. Castle and J. C. Phillips (1914), Carnegie Institute of Washington Publication, no. 195.
Касл понял, что за окраску меха и создание непрерывного множества вариаций отвечают многие гены. Селекция, которую он проводил, действовала на сочетания вариантов этих генов. В конечном итоге он пришел к точке зрения, которая была противоположна его исходным взглядам и заключалась в том, что отбор незначительных различий в ряду непрерывных вариаций вполне может быть основой эволюции.
Эксперименты Касла и изменение его точки зрения были лишь одним из факторов, склонившим мнение ученых в пользу верности идей Дарвина. Кроме экспериментальных доказательств немаловажную роль сыграл математический подход, который стал применяться при изучении проблем эволюции, естественного отбора и генетики.
Алгебра эволюции
Еще один активный противник теории Дарвина, генетик Реджинальд Паннетт, инициировал определенные математические расчеты и тем самым непреднамеренно способствовал появлению новых подтверждений естественного отбора. Паннетт занимался изучением мимикрии у бабочек. Мимикрия – это имитация бабочками, съедобными для птиц, окраски других, несъедобных бабочек, проживающих на той же территории. Паннетт заинтересовался тем, как быстро естественный отбор может привести к распространению определенного признака в популяции бабочек или к его исчезновению, и обратился за помощью к математику Г. Т. Дж. Нортону.
Нортон занялся этим вопросом и, к большому удивлению Паннетта и многих других, обнаружил, что скорость отбора и эволюции может быть намного выше, чем предполагалось: «Эволюция, под которой в данном случае мы понимаем вытеснение одной формы другой формой, может происходить гораздо быстрее, чем мы подозревали до сих пор, поскольку естественный отбор, если имеет варианты для выбора, действует чрезвычайно стремительно».
Ключевое слово в этой цитате – «подозревали». Пока Нортон не поработал с числами, временные рамки процесса отбора на уровне популяции или вида оставались неопределенными.
Нортон поставил простой вопрос: если какой-то признак встречается в популяции с определенной частотой, как много времени понадобится для ощутимого снижения или повышения этой частоты при разных скоростях отбора? Ход мысли Нортона совершенно очевиден, и именно здесь мы сталкиваемся с аналогией с расчетом прибыльности банковских вкладов. Вопрос Нортона очень похож на следующий вопрос: «Как имеющаяся у нас сумма денег изменится со временем при разных процентных ставках?»
Те из моих читателей, чей возраст уже позволяет иметь пенсионные счета, или те, кому удалось накопить кое-какие сбережения, должны быть знакомы с механизмом начисления процентов. Количество чего угодно (денег, людей, рыбы) растет по экспоненциальному закону, если скорость роста пропорциональна текущему количеству. Когда речь идет о деньгах, рост капитала зависит от размера кумулятивной годовой ставки по вкладу (то есть ставки, учитывающей начисление процентов на проценты). При кумулятивной годовой ставке 7 % сумма на счету вкладчика будет удваиваться примерно каждые десять лет, а при ставке 1 % – лишь каждые 70 лет. Через 70 лет разница в размерах ставки приведет к тому, что сумма на счету у первого вкладчика удвоится семь раз, а у второго вкладчика – только один раз. Капитал первого вкладчика вырастет в 2х2х2х2х2х2х2=128 раз, а капитал второго – лишь в два раза, то есть по своей доходности эти вклады будут различаться в 64 раза. Таким образом, разница между ставками в 6 %, очевидно, кое-что значит.
В биологии бесконечный экспоненциальный рост невозможен, поскольку живые организмы умирают и их источники ограниченны. Известно изречение Дарвина о том, что у пары слонов, которые за 60 лет производят на свет шесть детенышей, через 500 лет будет 15 млн потомков, причем с учетом смерти животных от старости. Однако все живые организмы конкурируют между собой за территорию, источники пищи и воды. Эта конкуренция ограничивает рост популяции, но при этом является важнейшим условием естественного отбора. Там, где есть конкуренция (а она происходит повсеместно) и наследование вариаций признаков, действует естественный отбор.
Для количественного определения силы естественного отбора биологи используют так называемый коэффициент отбора (обозначается через s – от selection), который аналогичен процентной ставке. Этот коэффициент показывает разницу в приращении численности особей, которые имеют определенный признак, и тех, которые его не имеют. Если, например, наличие какого-то признака дает особям некоторое преимущество и позволяет произвести на свет 101 жизнеспособного потомка, в то время как особи без этого признака производят на свет лишь 100 потомков, имеет место преимущество в 1 % (кумулятивная ставка 1 %), a s = +0,01. Если наличие какого-то признака является небольшим недостатком и позволяет произвести на свет не 100, а лишь 99 потомков, s = -0,01. Эти положительные или отрицательные значения коэффициента отбора отражают приспособленность, которая представляет собой относительный, а не абсолютный показатель.
Подобно тому как Эйнштейн и удачливые вкладчики оценили силу кумулятивной процентной ставки, так биологи при помощи Нортона оценили силу естественного отбора. Например, Нортон рассчитал, что скромное селективное преимущество 0,01 позволит доминантному признаку, встречающемуся лишь у восьми особей из 1000, достичь частоты встречаемости 90 % всего через 3 тыс. поколений. При десятикратном повышении селективного преимущества (s = 0,1) это значение достигается всего через 300 поколений. Поскольку время жизни поколения у многих видов организмов не превышает одного года, эти расчеты потрясли многих биологов. Появились и другие математические расчеты, в частности сделанные Джоном Верденом Сандерсоном Холдейном, который вместе с Роландом Фишером и Сьюэлом Райтом вывел набор формул, позволяющих понять связь между эволюцией, отбором и временем в широком диапазоне условий.
До сих пор я говорил о распространении уже имеющихся признаков в популяции, однако естественный отбор может обеспечить и экспоненциальное изменение этих признаков. Рассмотрим геометрические размеры какого-нибудь организма – высоту растения или длину тела животного. Мы знаем, что в популяции диких растений и животных эти параметры варьируют в каких-то пределах. Теперь предположим, что в каждом поколении у более высоких растений или более длинных животных имеется некоторое селективное преимущество. Если скорость изменения размера составляет всего 0,2 % за одно поколение (то есть приращение растения высотой 1 м или животного длиной 1 м составляет всего 2 мм), поначалу такое изменение будет незаметным. Однако всего через 200 поколений высота или длина этих растений или животных увеличится на 50 %.
Подобные расчеты показывают потенциальную мощь и скорость естественного отбора. Теперь посмотрим, что же происходит на самом деле.
