Книга «Эгоистичный Ген»
жүктеу/скачать 7.42 Mb.
|
| «Я буду размораживать ископаемые Колена Ara-3, датируемые различными стратегически выбранными моментами, возвращаясь назад во времени.
Затем каждому из этих «клонов-Лазарей» позволят эволюционировать дальше, в режиме, подобном главному эволюционному эксперименту, от которого, конечно, они будут полностью изолированы. А теперь, вот мое предсказание. Некоторые из этих клонов-Лазарей «обнаружат», как обращаться с цитратом, но только если они разморожены из точки ископаемой летописи после особого, переломного поколения в первоначальном эволюционном эксперименте. Мы не знаем — пока что — когда было то волшебное поколение, но мы установим это ретроспективно, как момент, когда, согласно нашей гипотезе, мутация A попала в колено.» Вы будете рады услышать, что это именно то, что обнаружил студент Ленски, Захари Блаунт, проводя утомительную серию экспериментов с использованием приблизительно сорока триллионов — 40 000 000 000 000 — клеток E. coli всех поколений. Волшебный момент, оказалось, был приблизительно в 20 000 поколении. Размороженные клоны Ara-3, датируемые после 20 000 поколения в «ископаемой летописи», показали увеличенную вероятность эволюции усвоения цитрата в дальнейшем. Ни с одним клоном, датируемым ранее 20 000 поколения, этого не происходило. Согласно гипотезе, после 20 000 поколения клоны были теперь «подготовлены», чтобы получать преимущество от мутации B, когда бы она ни возникала. И не было никакого последующего изменения в вероятности, ни вверх, ни вниз, у тех ископаемых, чей «день воскрешения» был позже, чем волшебная дата 20 000 поколения: какое бы поколение после 20 000 не пробовал Блаунт, увеличение вероятности последующего приобретения способности использовать цитрат размороженными ископаемыми оставалась одинаковой. Но у размороженных ископаемых до 20 000 поколения не было вообще никакого увеличения вероятности развития способности использования цитрата. Колено Ara-3 до 20 000 поколения было точно таким же, как все другие колена. Хотя его члены принадлежали Колену Ara-3, они не обладали мутацией A. Но после 20 000 поколения Колено Ara-3 было «подготовлено». Только они были в состоянии получать преимущество от «мутации B», когда та подворачивалась — что, вероятно, происходило в некоторых других коленах, но без полезного эффекта. Бывают моменты большой радости в научном исследовании, и это, конечно, должен был быть один из них. Исследования Ленски показывают, в микрокосме и в лаборатории, сильно ускоренные, так, что они происходят прямо на наших глазах, многие из основных компонентов эволюции путем естественного отбора: случайную мутацию, за которой следует неслучайный естественный отбор; адаптацию к одной и той же окружающей среде отдельными независимыми маршрутами; то, как последовательные мутации, надстраиваются на своих предшественниках для возникновения эволюционных изменений; то, как некоторые гены при оказании своего воздействия опираются на присутствие других генов. И, тем не менее, все это случилось за крошечную долю того времени, которое обычно уходит на эволюцию. Есть комическое продолжение к этому триумфальному рассказу о научном предприятии. Креационисты его ненавидят. Мало того, что он показывает эволюцию в действии; мало того, что он показывает, что новая информация вносится в геномы без вмешательства создателя, возможность чего они все были научены отрицать («научены», потому что большинство из них не понимает, что означает «информация»); мало того, что он демонстрирует способность естественного отбора соединять комбинации генов, которые, по наивным вычислениям, столь любимым креационистами, должны быть равносильны невозможному; он также подрывает их центральную догму «неупрощаемой сложности». Поэтому неудивительно, что они были в расстроены исследованием Ленски и жаждали найти в нем недочет. Эндрю Шлафли, креационистский редактор «Консервапедии», вводящей общество в заблуждение имитации Википедии, написал доктору Ленски требование предоставить доступ к его исходным данным, по-видимому подразумевая, что были некоторые сомнения относительно их достоверности. Ленски был даже не обязан отвечать на это дерзкое предложение, но он ответил, очень по-джентльменски, мягко предложив Шлафли потрудиться прочесть его работу, прежде чем ее критиковать. Ленски продолжил, выразив красноречивый момент, что его наилучшие факты хранятся в виде замороженных культур бактерий, которые любой мог бы, в принципе, исследовать, чтобы проверить его заключения. Он был бы счастлив послать образцы любому бактериологу, имеющему компетенцию, чтобы обращаться с ними, указав, что в неквалифицированных руках они могли бы быть весьма опасными. Ленски перечислил эти требования в беспощадных деталях, и можно было почти услышать то удовольствие, с которым он это делал, прекрасно зная, что Шлафли — если вам будет угодно, адвокат, а вовсе не ученый — и едва ли будет в состоянии даже выговорить такие слова, уже не говоря об обладании квалификацией бактериолога, компетентного выполнить современные и безопасные лабораторные процедуры, сопровождаемые статистическим анализом результатов. Делу колко подвел итог знаменитый научный блогерный острослов П.З. Маерс пассажем, начинающимся: «Снова Ричард Ленски ответил тупицам и дуракам из Консервапедии, и парень их намного превзошел». Эксперименты Ленски, особенно с изобретательной техникой «сохранения ископаемых», показывают способность естественного отбора создавать эволюционные изменения в масштабе времени, сопоставимом со временем человеческой жизни, прямо у нас на глазах. Но бактерии предоставляют другие впечатляющие, хотя и менее проработанные примеры. У многих бактериальных штаммов эволюционировала резистентность к антибиотикам в эффектно короткие сроки. В конце концов, первый антибиотик, пенициллин, был героически разработан Флори и Чейном еще только во Вторую Мировую войну. С тех пор новые антибиотики выходили через короткие промежутки времени, и бактерии эволюционно развивали резистентность почти к каждому из них. В настоящее время самым зловещим примером является MRSA (метициллин-резистентный стафилококк Staphylococcus aureus), который преуспел в деле превращения множества больниц в весьма опасные для посещения места. Другая угроза — «C.diff» (Clostridium difficile). Здесь снова у нас есть естественный отбор, благоприятствующий штаммам, стойким к антибиотикам; но эти свойства перекрываются другими. Длительное использование антибиотиков имеет тенденцию убивать в кишечнике «хорошие» бактерии, наряду с плохими. Помимо резистентности к большинству антибиотиков C.diff. способствует отсутствию других видов бактерий, с которыми она обычно конкурирует. Существует принцип «враг моего врага — мой друг». Я был слегка раздражен, прочитав брошюру в комнате ожидания у моего доктора, предупреждающую об опасности прерывания полного курса антибиотиков. С самим этим предупреждением Все в порядке; но у меня была причина для беспокойства. Брошюра объяснила, что бактерии «умны»; они «учатся» справляться с антибиотиками. По-видимому, авторы думали, что явление резистентности антибиотиков было бы легче понять, если бы они назвали его обучением, а не естественным отбором. Но разговор об умных и обучаемых бактериях совершенно сбивает с толку, и прежде всего он не помогает пациенту понять смысл предписания продолжать принимать таблетки, пока они не закончатся. Любой дурак может увидеть, что не правдоподобно описывать бактерию как умную. Даже если бы были умные бактерии, почему преждевременное прекращение имело бы какое-нибудь значение для обучаемости умной бактерии? Но как только Вы начинаете думать в терминах естественного отбора, все становится совершенно логично. Как и с любым ядом, эффект антибиотиков, чаще всего зависит от дозировки. Достаточно большая доза убьет все бактерии. Достаточно низкая доза не убьет ни одной. Промежуточная доза убьет некоторые, но не всех. Если есть генетические вариации среди бактерий, такие, что некоторые из них более восприимчивы к антибиотику, чем другие, то промежуточная доза будет в самый раз для отбора в пользу генов резистентности. Когда доктор говорит Вам завершить весь курс таблеток, это для того, чтобы увеличить шансы убить все бактерии и не оставить резистентных или полурезистентных мутантов. Ретроспективно мы могли бы сказать, что если бы только все мы были лучше обучены мыслить по-дарвинистски, мы раньше были бы разбужены опасностью отбора стойких штаммов. Такие брошюры, как в комнате ожидания моего доктора, не помогают в этом обучении — и, что печально, упускают возможность дать урок о поразительной силе естественного отбора. Гуппи Мой коллега, доктор Джон Эндлер, недавно переехавший из Северной Америки в Университет Эксетера, рассказал мне следующую изумительную — а также, увы, наводящую печаль историю. Он летел внутренним рейсом в Соединенных Штатах, и пассажир, сидевший рядом, завел беседу, спросив его, чем он занимается. Эндлер ответил, что он профессор биологии, проводит исследование диких популяций гуппи в Тринидаде. Мужчина все больше и больше заинтересовывался исследованием и задавал много вопросов. Заинтригованный элегантностью теории, которая, похоже, лежала в основе экспериментов, он спросил Элдера, что это была за теория, и кто ее создал. Только тогда доктор Эндлер обронил, что, как он правильно догадывался, было громом среди ясного неба: «Она называется дарвиновской теорией эволюции путем естественного отбора!» Все поведение мужчины сразу же изменилось. Его лицо стало красным; он резко отвернулся, отказался разговаривать дальше и прервал то, что до того времени было любезной беседой. Действительно, более чем любезной: доктор Эндлер написал мне, что мужчина «задал до этого несколько отличных вопросов, показывающих, что он с энтузиазмом и пониманием следил за рассуждением. Это действительно печально. Эксперименты, о которых Джон Эндлер рассказывал своему предвзятому попутчику, изящны и просты, и они служат красивой иллюстрацией скорости, с которой может работать естественный отбор. Здесь уместно обратится к собственным исследованиям Эндлера, потому что он также является автором «Естественного отбора в дикой природе», ведущей книги, в которой были собраны примеры таких исследований и изложены их методы. Гуппи — популярная пресноводная аквариумная рыбка. Как и фазаны, с которыми мы встретились в главе 3, самцы более ярко окрашены, чем самки, и аквариумисты ведут селекцию на еще большую яркость. Эндлер изучал диких гуппи (Poecilia reticulata), которые водятся в горных потоках в Тринидаде, Тобаго и Венесуэле. Он заметил, что местные популяции поразительно отличались друг от друга. В некоторых популяциях взрослые самцы были радужно окрашены, почти столь же красочны. как выведенные в аквариумах. Он предположил, что их предки подвергались отбору на свои яркие цвета самками гуппи, таким же образом, как самцы фазанов отбираются самками. В других местах самцы были намного более блеклыми, хотя они все равно были ярче, чем самки. Как и самки, хотя в меньшей степени, они были хорошо замаскированы на фоне каменистого дна речных потоков, в которых они живут. Эндлер показал с помощью изящных количественных сравнений по многим местам в Венесуэле и Тринидаде, что ручьи, где самцы были менее яркими, были ручьями с большей активностью хищников. В ручьях со слабой активностью хищников самцы были более ярко окрашены, с большими, более аляпистыми пятнами, и большим их количеством: здесь у самцов более свободно могла эволюционировать яркая окраска, чтобы нравиться самкам. Давление самок на самцов для эволюции ярких цветов существовало там все время, во всех различных изолированных популяциях, независимо от того, сильное или слабое давление оказывали местные хищники в противоположном направлении. Как всегда эволюция нашла компромисс между давлениями отбора. Гуппи интересны тем, что Эндлер фактически мог видеть, как компромисс варьирует в различных ручьях. Но он сделал еще лучше. Он продолжал экспериментировать. Представьте, что Вы хотели бы поставить идеальный эксперимент, чтобы продемонстрировать эволюцию камуфлирующей окраски: что бы Вы сделали? Замаскированные животные сливаются с видимым фоном. Могли бы Вы поставить эксперимент, где у животных на самом деле прямо у Вас на глазах эволюционирует окраска, напоминающая фон, который Вы для них обеспечили в эксперименте? Желательно два фона, с различными популяциями на каждом? Цель состоит в том, чтобы устроить нечто похожее на отбор двух линий кукурузы с высоким и низким содержанием масла, которую мы видели в Главе 3. Но в этих экспериментах отбор будет проводиться не людьми, а хищниками и самками гуппи. Единственной вещью, которая будет различаться в двух экспериментальных линиях, будет различные фоны, которые мы предоставим. Возьмите нескольких животных одного вида с камуфляжной окраской, можно насекомых, и распределите их произвольно по различным клеткам (или вольерам, или водоемам, в зависимости от того, что подходит), имеющим различающиеся цветом или узором фоны. Например, Вы могли бы придать половине вольеров фон зеленого леса, а другой половине — красновато-коричневый фон пустыни. Поместив Ваших животных в их зеленые или коричневые вольеры, затем оставьте их жить и размножаться в течение стольких поколений, сколько времени у Вас есть, после чего вернитесь, чтобы посмотреть, эволюционировала ли у них окраска, напоминающая их фон, зеленая или коричневая соответственно. Конечно, Вы можете рассчитывать на результат, только если Вы поместите в вольерах и хищников. Итак, давайте поместим туда, скажем, хамелеона. Во все вольеры? Нет, конечно нет. Помните, это — эксперимент; поэтому поместите хищников в половину зеленых вольеров и в половину коричневых. Эксперимент должен проверить предсказание, что в вольерах с хищниками насекомые эволюционируют, становясь зелеными или коричневыми — чтобы стать более похожими на их фон. Но в вольерах без хищников они могли бы эволюционировать, становясь более отличными от их фона, чтобы быть приметными для самок. Я долго лелеял мечту поставить точно такой же эксперимент с плодовыми мушками (потому что их репродуктивный цикл настолько короткий), но, увы, я так и не смог найти для этого время. Поэтому я особенно рад сообщить, что это именно то, что Джон Эндлер проделал, не с насекомыми, а с гуппи. Конечно, он использовал в качестве хищников не хамелеонов, а выбрал рыбу, названную креницихла сердцевидная, Crenicichla alta, которая является опасным хищником для этих гуппи в дикой природе. И при этом он использовал не зеленый против коричневого фона — он выбрал кое-что более интересное. Он заметил, что маскировка гуппи обязана большей частью своим пятнам, часто весьма большим, узор из которых напоминает узор дна, засыпанного гравием, их родных ручьев. В некоторых ручьях гравий более каменистый, в других более мелкий, более песчаный. Это были те два фона, которые он использовал, и Вы согласитесь, что маскировочная окраска, которую он искал, была более тонкой и более интересной, чем мои зеленый цвет против коричневого. У Эндлера была большая оранжерея, чтобы моделировать тропический мир гуппи, и он устроил в ней десять водоемов. Он обложил гравием дно всех десяти водоемов, но пять из них имели грубый, крупный гравий, а другие пять — более мелкий, песчаный. Вы можете видеть, к чему это идет. Предсказание состоит в том, что подвергаясь интенсивному отлову хищниками, гуппи на этих двух фонах разойдутся друг от друга за эволюционное время, каждый в направлении, соответствующем их собственному фону. Там, где хищников мало или нет вообще, предсказывается, что самцы должны иметь тенденцию становиться заметными, чтобы впечатлять самок. Вместо того, чтобы в половину водоемов поместить хищников, а в другую половину — нет, Эндлер снова поступил более тонко. У него было три уровня хищничества. В двух водоемах (в одном с мелким и одном с крупным гравием) не было хищников вообще. В четырех водоемах (двух с мелким и двух с крупным гравием) была опасная креницихла сердцевидная. В оставшихся четырех водоемах Эндлер поместил другой вид рыбы, ривулус Харти Rivulus hartii, которая, несмотря на ее английское название, «killifish» [звучит как «убийственная рыба»] (на самом деле, оно весьма неуместно, так как ее назвали в честь мистера Килле), относительно безопасен для гуппи. Это — «слабый хищник», тогда как креницихла сердцевидная является сильным хищником. Условия со «слабым хищником» — лучшая контрольная группа, чем без хищников вообще. Причина в том, что, как объяснял Эндлер, он попытался смоделировать два вида естественных условий, и он не знает ни одного природного ручья, совсем не содержавшего хищников: таким образом сопоставление между сильным и слабым хищничеством более соответствует природным условиям. Итак, структура такова: гуппи были распределены произвольно по десяти водоемам, пяти с крупным гравием и пяти с мелким. Всем десяти колониям гуппи позволили свободно размножаться в течение шести месяцев без хищников. В этот момент эксперимент начинался по-настоящему. Эндлер поместил одного «опасного хищника» в каждый из двух водоемов с крупным гравием и в двух водоемах с мелким гравием. Он поместил шесть «слабых хищников» (шесть, а не одного, чтобы достичь лучшего приближения к относительной плотности двух видов рыб в дикой природе) в каждый из двух водоемов с крупным гравием и двух водоемов с мелким гравием. А остальные два водоема просто остались как прежде, вообще без хищников. После пяти месяцев хода эксперимента Эндлер провел перепись по всем водоемам, а также подсчитал и измерил пятна на всех гуппи во всех водоемах. Девять месяцев спустя, то есть всего через четырнадцать месяцев, он провел еще одну перепись, подсчеты и измерения тем же способом. И каковы результаты? Они были захватывающими, даже спустя столь короткое время. Эндлер использовал различные показатели «цветных узоров» рыб, один из которых был «количеством пятен на одну рыбу». Когда гуппи были впервые помещены в их водоемы, прежде, чем внедрили хищников, был очень большой разброс по числу пятен, потому что рыба была собрана из многих ручьев с большим разнообразием состава хищников. В течение этих шести месяцев, прежде чем ввели каких-либо хищников, среднее число пятен на одну рыбу подскочило вверх. По-видимому, это произошло под влиянием отбора самками. Затем, в момент, когда ввели хищников, произошло разительное изменение. В четырех водоемах, в которых был опасный хищник, резко упало среднее число пятен. Разница была вполне очевидной при пятимесячной переписи, и число пятен уменьшилось еще больше к четырнадцатимесячной переписи. Но в двух водоемах без хищников и четырех водоемах со слабой активностью хищников число пятен продолжало увеличиваться. Оно достигло плато еще при пятимесячной переписи и осталось высоким до четырнадцатимесячной переписи. В отношении числа пятен, слабое хищничество, кажется, в значительной степени было равносильно отсутствию хищников, пересиливаемое половым отбором самками, которые предпочитают много пятен. Это все, что касается числа пятен. Размеры пятен рассказывают столь же интересную историю. В присутствии хищников, не важно слабых или сильных, крупный гравий содействовал возникновению относительно больших пятен, в то время как мелкий гравий благоприятствовал относительно маленьким пятнам. Это легко истолковать как имитацию размерами пятен размеров камней. Восхитительно, однако, то, что в водоемах, где не было вообще никаких хищников, Эндлер обнаружил в точности противоположную ситуацию. Мелкий гравий способствовал возникновению крупных пятен на самцах гуппи, а крупный гравий благоприятствовал небольшим пятнам. Они более заметны, если не имитируют камни на соответствующем им фоне, и это хорошо для привлечения самок. Изящно! Да, изящно. Но это было в лаборатории. Мог ли Эндлер получить аналогичные результаты в условиях дикой природы? Да. Он отправился к природному ручью, содержащему опасную креницихлу сердцевидную, в котором самцы гуппи были все относительно неприметны. Он поймал гуппи обоих полов и пересадил их в приток того же самого ручья, который не содержал ни гуппи, ни опасных хищников, хотя мелкий хищник ривулус Харти присутствовал. Он оставил их там жить и размножаться, и ушел. Двадцать три месяца спустя он возвратился и вновь исследовал гуппи, чтобы увидеть то, что произошло. Удивительно, менее чем через два года самцы заметно сдвинулись в направлении более яркой окраски, без сомнения, подталкиваемые самками и свободно идущие по этому пути в отсутствие опасных хищников. Одна из хороших вещей в науке, что это общественное дело. Ученые публикуют свои методы, а также свои выводы, что означает, что любой другой, в любой точке мира, может повторить их работу. Если они не получают те же результаты, мы хотим знать, почему. Обычно они не просто повторяют предыдущую работу, но расширяют ее: продвигают ее. Блестящее исследование Джона Эндлера гуппи просто просится быть продолженным и расширенным. Среди тех, кто их продолжил, был Дэвид Резник из Калифорнийского университета в Риверсайде. Спустя девять лет после того, как Эндлер провел серию своих экспериментов с такими захватывающими результатами, Резник и его коллеги повторно посетили это место и исследовали потомков экспериментальной популяции Эндлера еще раз. Самцы были теперь очень ярко окрашены. Движимая самками тенденция, которую наблюдал Эндлер, здорово продвинулась. И это было не все. Вы помните серебристо-черных лис Главы 3, и как искусственный отбор по одному признаку (приручаемость) потянул за собой целую группу других: изменение сезона случки, уши, хвост, цвет меха и другие? Что ж, нечто подобное случилась и с гуппи, под действием естественного отбора. Резник и Эндлер уже заметили, что, когда Вы сравниваете гуппи в кишевших хищниками ручьях с гуппи в ручьях с только слабым хищничеством, различия в цвете — лишь вершина айсберга. Есть целая группа других различий. Гуппи из ручьев с низким хищничеством достигают половой зрелости позже, чем гуппи из ручьев с высоким хищничеством, и они крупнее, когда достигают взрослого возраста; они производят молодняк реже; и их выводки имеют меньшую численность, а сами мальки крупнее. Когда Резник исследовал потомков гуппи Эндлера, его результаты были почти слишком хороши, чтобы быть правдой. Те гуппи, которым дали свободу следовать движимому самками половому отбору, а не движимому хищниками отбору на выживание особи, не только стали более ярко окрашенными: во всех других отношениях, которые я только что перечислил, у этих рыб эволюционировала целая группа других изменений, сродни тем гуппи, что обычно встречаются в диких популяциях, где хищники отсутствуют. Гуппи созревали в более позднем возрасте, чем в ручьях, населенных хищниками, они были крупнее, и производили меньше и более крупное потомство. Баланс сместился в направлении нормы для прудов без хищников, где сексуальная привлекательность имеет приоритет. И все это случилось ошеломляюще быстро по эволюционным стандартам. Позже в книге мы увидим, что эволюционные изменения, засвидетельствованные Эндлером и Резником, движимые исключительно естественным отбором (собственно, включая половой отбор), мчались вперед на скорости, сопоставимой с достижениями при искусственном отборе домашних животных. Это — захватывающий пример эволюции прямо у нас на глазах. Одна из удивительных вещей, которую мы узнали об эволюции — что она может быть и очень быстрой, как мы видели в этой главе, а при других обстоятельствах, как мы знаем из ископаемой летописи, очень медленной. Медленней всего у тех живых существ, которых мы называем «живыми ископаемыми». Они не буквально воскресли из мертвых, как замороженные бактерии Ленски. Но они — существа, которые изменились так мало по сравнению с их отдаленными предками, что это почти тоже самое, как если бы они были ископаемыми. Лингула Моим любимым живым ископаемым является брахиопод Lingula. Вам не нужно знать, что такое брахиопод. Они, конечно, были бы основным продуктом меню в процветающем ресторане даров моря перед великим пермским вымиранием четверть миллиарда лет назад — самым катастрофическим вымиранием всех времен. На первый взгляд их можно спутать с двустворчатыми моллюсками — мидиями и их разновидностями — но на самом деле они очень отличаются. Две их раковины — верхняя и нижняя, тогда как раковины мидий — левая и правая. В эволюционной истории двустворчатые моллюски и плеченогие были, как незабываемо выразился Стивен Джей Гулд, судами, которые перемещаются ночью. Некоторые плеченогие пережили «Великое Вымирание» (снова фраза Гулда), и современная Lingula (вверху) настолько подобна ископаемой Lingulella, ниже, что ископаемому первоначально дали то же самое родовое название, Lingula. Этот конкретный экземпляр Lingulella восходит к ордовикской эре, 450 миллионам лет назад. Но есть ископаемые, также первоначально названные Lingula, а теперь известные как Lingulella, датируемые более чем пятистами миллионами лет, кембрийской эрой. Я должен признать, однако, что окаменелые раковины — это не слишком детальная база, и некоторые зоологи ставят под сомнение притязания Lingula считаться почти неизменившимся «живым ископаемым». жүктеу/скачать 7.42 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|