Книга - Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов
Джонатан Б. Лосос


Тайны жизни животных
Эта книга изменит ваш образ мыслей и представления об эволюции и естественном отборе. Вы удивитесь тому, как знания об эволюционных изменениях могут помочь защитить экосистему, обеспечить наши запасы продовольствия и бороться с вредными вирусами и бактериями. Автор познакомит вас с мировыми исследованиями, которые проливают свет на самые тайные загадки жизни на Земле. Вы узнаете, как эксперименты с гуппи, дрозофилами, бактериями, лисами и полевыми мышами могут показать, насколько быстрой и предсказуемой может быть эволюция. Этот убедительный рассказ предлагает новое понимание нас самих и нашей роли в природе и космосе.





Джонатан Б. Лосос

Удивительная эволюция: биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов


Посвящается моей жене, Мелиссе Лосос, и моим родителям, Джозефу и Кэролин Лосос, за их любовь и поддержку



Jonathan В. Losos

IMPROBABLE DESTINIES:

FATE, CHANCE, AND THE FUTURE OF EVOLUTION



© 2017 by Jonathan B. Losos. All rights reserved




Предисловие


Как и у многих детей, у меня был период увлечения динозаврами. В детском саду я прославился тем, что каждый день появлялся там с полной корзиной пластиковых ящеров. Аллозавры, стегозавры, анкилозавры, тираннозавры. У меня были все из примерно двадцати доступных тогда видов (у нынешних детей их гораздо больше).

В отличие от большинства детей я так и застрял в том периоде. У меня до сих пор есть игрушечные динозавры – теперь их уже намного больше. Я и сейчас помню их названия и даже могу произнести слово «паразауролоф» (па-ра-за-у-ро-лоф). Но теперь меня интересуют живые пресмыкающиеся: змеи, черепахи, ящерицы и представители отряда крокодиловых.

В значительной степени это произошло благодаря повторному показу старого телесериала «Предоставьте это Биверу» (Leave it to Beaver), в частности, в той серии, где Вэлли и Бив покупают заказанного по почте маленького аллигатора и прячут его в ванной. Нет нужды говорить о том, что когда Минерва, экономка, находит его, то начинается настоящее веселье. Решив, что это отличная идея, и зная, что в зоомагазинах в те дни (начало 1970-х) продавались маленькие кайманчики – центрально-американская и южно-американская версии аллигаторов, – я начал умолять маму купить мне его. Моя мама была из тех женщин, которые не любят говорить «нет», и предложила обратиться за советом к другу нашей семьи, Чарли Хёсслу, заместителю директора зоопарка Сент-Луиса, надеясь, что тот положит конец всей этой бредовой затее.

Каждый день, когда отец возвращался с работы, первым моим вопросом было: «Ты поговорил с мистером Хёсслом?» Будучи по своей природе не особо терпеливым (во всяком случае, не в возрасте десяти лет), я по мере того, как один день сменялся другим, испытывал сначала раздражение, а потом гнев. Я не мог понять, в чем проблема. Мой отец ждал встречи с Хёсслом, вместо того, чтобы просто позвонить ему. А если эта встреча так и не состоится? Я уже стал терять всякую надежду заиметь у себя дома живого крокодильчика, когда однажды вечером отец, вернувшись с работы, сказал, что он поговорил с мистером Хёсслом. «И что он ответил?» – спросил я, испытывая одновременно надежду и тревогу. А потом – восторг: «Хёссл сказал, что это отличная идея, и его интерес к герпетологии[1 - Герпетология – раздел зоологии, изучающий пресмыкающихся и земноводных.] начался именно с этого». Мать была в шоке, и вскоре наш подвал был уже забит всеми видами рептилий. Я был на пути к построению своей собственной карьеры в этой области.

Помимо того что я заботился о своих чешуйчатых подопечных, я также запоем читал ежемесячный журнал «Естествознание», выпускаемый американским музеем естествознания в Нью-Йорке. Ярким разделом каждого выпуска журнала была колонка под названием «Жизнь с ее различными проявлениями» блестящего эрудита ученого-палеонтолога из Гарварда Стивена Джей Гулда. Название колонки было взято из заключительной фразы дарвиновского труда «О происхождении видов». В ней автор регулярно анализировал свои нестандартные идеи относительно процесса эволюции, часто подчеркивая ее неясную и непредсказуемую природу. Тексты были написаны элегантным стилем с массой фактов из области истории, архитектуры и бейсбола. В них Гулд рисовал увлекательную картину своего видения мира.

Когда я поступил в Гарвард в 1980 году, то стал искать возможности познакомиться с этим великим человеком поближе, записавшись на непрофильный курс под скромным названием «История земли и жизни», который он вел. При личном общении он меня просто заворожил. Но педагогом, произведшим на меня самое сильное впечатление, был Эрнест Уильямс, преподаватель герпетологии Гарвардского музея сравнительной зоологии (должность, которую я в настоящее время занимаю).

Авторитетный и влиятельный ученый, он, тем не менее, с большой благосклонностью относился к юным дарованиям, которые проявляли интерес к пресмыкающимся. И вскоре я уже изучал определенный вид ящериц, которые составляли основу его главной научной работы.

Маленькие, обычно зеленые или коричневые, с липкими подушечками на пальцах и веерообразной яркой горловой сумкой, анолисы невероятно фотогеничны и забавны в своих проявлениях. Но славу в научных кругах им снискала их эволюционная избыточность. В настоящее время известны четыре сотни видов анолисов, и каждый год ученые открывают новые виды. Таким образом, анолисы являются одним из самых крупных родов позвоночных животных. Столь обширное их разнообразие дополняется местным изобилием – не менее десятка близкородственных видов – в сочетании с эндемизмом (распространенность животных и растительных организмов только в определенной географической местности), когда ареал большинства видов ограничен одним-единственным островом или маленькой частью тропиков материковой территории Америки.

В 1960-е годы студент магистратуры Стэн Рэнд, учившийся у Уильямса, писал, что различные виды анолисов способны сосуществовать, приспосабливаясь к разным частям их естественной среды обитания: кто-то живет высоко на дереве, кто-то – в траве или на ветках. Значительным открытием Уильямса стало понимание того, что один и тот же набор так называемых видов «специалистов» эволюционировал на каждом острове Больших Антильских островов (Куба, Эспаньола, Ямайка и Пуэрто-Рико). А именно, что все группы ящериц развивались независимо друг от друга, но в то же время эволюционировали, равномерно поделив доступные области обитания на всех четырех островах.

Будучи еще студентом, я работал над маленькой частью данного проекта, защищая диплом по теме взаимодействия двух видов ящериц в Доминиканской Республике. Окончив университет, я продолжил работать над защитой докторской диссертации в Калифорнии, поклявшись никогда больше не заниматься этими ящерицами, потому что все значительное было уже открыто Уильямсом и его лабораторией.

Ах, наивность юности. Любой, кто связан с научными исследованиями, знает, что успешные проекты отвечают на один вопрос, но ставят три новых.

Мне понадобилось два года магистратуры и десяток проваленных проектов, чтобы, наконец, осознать, что островные анолисы – это идеальная группа для изучения того, как происходит эволюционное расхождение.

В конечном счете, я провел четыре года, слоняясь по Карибам: лазил по деревьям, ловил ящериц и попивал пина коладу. В итоге с помощью новейших аналитических методов я обнаружил, что Уильямс был абсолютно прав. Анатомически и природно очень похожие виды эволюционировали на разных островах. Более того, изучение мной биомеханики – как ящерицы бегают, прыгают и цепляются за ветки – вскрыло адаптивную основу анатомического варьирования, объяснявшую, почему такие характеристики, как длинные ноги или большие подушечки на пальцах, развились у видов, обитавших в определенных частях ареала.

Не успели еще высохнуть чернила на моей диссертации, когда в книжных магазинах появилась величайшая работа Стивена Джей Гулда «Удивительная жизнь: Сланцы Бёрджес и естествознание». Я жадно проглотил ее и нашел убедительной аргументацию автора. Он утверждал, что путь эволюции извилист и непредсказуем: прокрути пленку жизни повторно, и получишь совершенно иной результат.

Но не торопитесь. Хотя идея Гулда повернуть время вспять и прокрутить повторно эволюционную пленку жизни кажется нереальной (по крайней мере, в природе), но другим способом проверить воспроизводимость эволюции можно будет, повернув время вспять во множестве разных мест. И разве Карибские острова, каждый из которых породил свой исконный вид ящериц-анолисов, не является, по сути, той самой прокручиваемой пленкой жизни? А если мы допустим, что на островах более-менее одинаковые природные условия, разве это не станет той самой проверкой на эволюционную воспроизводимость?

Конечно, станет. И вот тогда я оказался перед дилеммой. Гулд убедительно доказывал, что эволюция не может повторять себя, но в то же время мое исследование показывало, что может. Ошибался ли Гулд, или же моя работа была исключением, каким-то образом подтверждавшим правило? Я склонялся к последнему объяснению, принимая точку зрения Гулда, даже несмотря на то, что моя собственная работа являлась контрдоказательством.

На протяжении последней четверти века данная точка зрения подвергалась сомнениям. Появился интеллектуальный противовес гулдовскому акценту на непредсказуемость и невоспроизводимость. Эта альтернативная точка зрения подчеркивает универсальность адаптивной конвергентной эволюции: у видов, обитающих в сходных условиях, развиваются похожие свойства, как результат адаптации к одинаковому природному давлению отбора. И мои анолисы – пример подобной конвергенции. Сторонники данного взгляда утверждают: конвергенция демонстрирует, что эволюция, будучи далеко не извилистой и не определенной, на самом деле довольно предсказуема, так как существует ограниченное количество способов выжить в природе. И естественный отбор подстегивает эволюцию одних и тех же свойств снова и снова.

С тех пор, как вышла книга «Удивительная жизнь» и я получил докторскую степень, эволюционная биология ушла далеко вперед. Появились новые идеи, новые подходы и новые методы сбора информации. Количество ученых, изучающих эволюцию, существенно возросло. Мы разгадали геном, отобразили схему древа жизни, узнали об эволюции микробиома. Потрясающие открытия, сделанные благодаря найденным окаменелостям, прояснили большую часть истории эволюции.

И все эти данные могут многое рассказать о предсказуемости процесса эволюции. Чем больше мы узнаем об истории жизни на этой планете, тем больше видим доказательств того, что конвергенция происходила и что периодически возникали очень похожие результаты. Мои анолисы теперь уже не кажутся исключением из правил, а правило Гулда вызывает сомнения.

Но теперь мы знаем, что существует еще один способ изучать эволюцию, помимо описания того, что происходило на протяжении веков. Мы обнаружили, что можем изучать эволюцию по ходу ее развития, прямо у нас на глазах. А это означает, что мы в действительности можем проиграть пленку, задействуя силу экспериментального метода – важнейшую составляющую лабораторного дела – с целью рассмотреть проблему эволюционной предсказуемости.

Эксперименты – это эффективнейший способ изучать эволюцию. К тому же это невероятно увлекательно. Вспомните опыты, которые вы ставили в школе на уроках химии. Смешивать химические реагенты в мензурках и выливать их в пробирки не было особо занимательно – по крайней мере, для меня.

Но когда в качестве ваших пробирок выступают Багамские острова, а в качестве реагентов – ящерицы, то это уже совсем другая история. Конечно, иногда солнце бывает испепеляющим, и нет ничего обиднее, чем не суметь поймать важную для тебя ящерицу из-за того, что ты отвлекся на проплывающего мимо дельфина. Но экспериментальная эволюция находится на передовой эволюционной биологии, что позволяет нам проверять свои идеи в условиях природы в реальном времени. Что может быть более увлекательным? Эволюционные эксперименты проводятся в настоящее время по всему миру – от горных тропических лесов Тринидада до барханов Небраски и прудов Британской Колумбии. И они дают нам возможность напрямую изучать предсказуемость процесса развития.

О, как бы я хотел снова стать студентом-аспирантом. Дивное время для эволюционных биологов, золотой век. Обладая всеми доступными инструментами, от секвенирования генома (общее название методов, позволяющих установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК) до проведения экспериментов в реальных условиях, мы сможем ответить на вопросы, терзавшие наше сообщество весь последний век.

Я сел за написание этой книги, посвященной текущей научной работе, чтобы ответить на один из вопросов: насколько предсказуема эволюция? Но пока я писал, понял, что эта книга должна рассказать не только о том, что говорит нам наука, но еще и о многом другом. Научные знания не появляются из ниоткуда: это результат напряженной и кропотливой работы ученых, которые используют всю свою изобретательность и интуицию, чтобы изучить мир природы. А люди, изучающие эволюционную предсказуемость, вообще интересный народ.

В этой связи моя книга будет не только о том, что нам известно о процессе эволюции, но и о том, как нам удалось это узнать. Не только о чисто технических приемах и научных теориях, но и о том, откуда появляются разные идеи: как ученые обдумывают их и проверяют на практике, и какая часть научных открытий – результат случайного наложения разрозненных идей, сведенных вместе путем неожиданных наблюдений.

Более того, кажущиеся, на первый взгляд, сложными научные проблемы, которые они изучают, оказываются в итоге реально значимыми как для понимания нашего собственного места во Вселенной, так и для понимания того, как все живое вокруг справляется с постоянно меняющимся миром. Как результат, в этой книге – история о людях и местах, растениях и животных, масштабных вопросах и насущных проблемах. И начинается она, как и моя любовь к природе, с динозавров.




Вступление

Хороший динозавр


Трейлер к пиксаровскому мультику «Хороший динозавр» начинается с того, что к Земле летят огромные булыжники астероидов. Один булыжник выстреливает из кучи других, ударяясь о второй и срикошетив в третий. Он улетает в космос и направляется прямиком к отдаленному объекту. По мере того, как объект приближается, становится понятно, что это голубая планета с зелеными пятнами и белыми клочками. «Миллионы лет назад астероид шириной шесть миль[2 - 1 миля – 1609 м, или 1,6 км.] уничтожил всех динозавров на Земле», – произносит рассказчик. Мы видим, как астероид входит в атмосферу Земли, становясь оранжевым и шипя.

Вы знаете, что было дальше: падение астероида в Мексиканском заливе, землетрясения по всему земному шару, стихийное возгорание лесов в Северном полушарии, черное от копоти небо на протяжении нескольких месяцев. Динозавры и многие другие живые существа были стерты с лица земли. Действительно, печальный день. Этот пиксаровский продукт, несомненно, мрачнее большинства других их фильмов. Здесь трагедия, закончившаяся гибелью великих рептилий.

Или нет.

«А что если…?»– звучит вопрос в ролике. И мы видим, как астероид прочерчивает небо эпохи мелового периода.

Жующие траву исполины – динозавры-завроподы, паразавролофусы – на мгновение поднимают вверх головы, а потом продолжают набивать свои вместительные животы растительной пищей.

Астероид пролетает мимо – опасное сближение вместо фатального столкновения. И жизнь идет своим чередом. Беззаботные дни динозавров продолжаются.

Я знаю ответ на вопрос «что если?» Шестьдесят шесть миллионов лет назад динозавры были на пике своего господства. Они доминировали в мире на протяжении более сотни миллионов лет. Если бы не астероид, они продолжали бы править миром: тираннозавр реке, трицератопс, велоцираптор, анкилозавр – все они выжили бы. Появились бы новые ящеры, заменив прежних. По планете продолжалось бы шествие постоянно меняющихся динозавров. Скорее всего, динозавры и сегодня разгуливали бы по земле.

А кого бы не было сегодня? Нас, вот кого. Даже несмотря на то, что мы, млекопитающие, появились примерно двести двадцать пять миллионов лет назад, практически в то же самое время, что и динозавры, на протяжении первых сто шестьдесят миллионов лет существования наша численность была невелика. Динозавры следили за этим. Наши лохматые предки были несущественной второсортицей в мировой биосфере, в целом значительно мельче самого маленького динозавра. Они вели ночной образ жизни, чтобы избегать встречи со своими хозяевами-рептилиями, суетясь в мелколесье и питаясь теми объедками, которые удавалось найти. Вспомните опоссума, и у вас будет хорошее представление о том, как выглядел и жил наш дальний предок в меловой период. Хотя многие были, вероятно, еще гораздо меньшего размера.

Все обстояло именно так до тех пор, пока астероид не уничтожил динозавров, после чего команда млекопитающих получила свой эволюционный шанс. И мы, конечно же, воспользовались им, быстро размножаясь и заполняя пустую экосферу, трансформируя последние шестьдесят шесть миллионов лет в эпоху млекопитающих. Но всем этим мы обязаны удару астероида.

Мы все – и ученые, и дилетанты – когда-то считали, что доминирование млекопитающих было неизбежно, и что млекопитающие изначально стоят выше этих зверюг-рептилий благодаря крупному мозгу и способности согревать свое тело за счет внутренних возможностей организма. Прошло какое-то время, и мы, как гласит история, вытеснили динозавров, съев их яйца или каким-то иным способом показав, кто есть кто.

Теперь мы знаем, что это ерунда. У млекопитающих были крошечные роли в разыгрываемой в период мезозойской эры эволюционной пьесе. И динозавры замечательно чувствовали себя в тот прекрасный день, но тем не менее их владычеству бросили вызов те самые презренные, стоящие ниже их животные. Не будь астероида, жизнь продолжила бы свой прежний ход: рептилии плели бы свои козни и интриги, появлялись бы новые виды животных, а другие исчезали, как это было на протяжении миллионов лет. У нас мало оснований полагать, что мы, млекопитающие, вышли бы из тени, став главными игроками в рамках целой экосистемы. Динозавры уже были там, заполнив все экологические ниши и используя ресурсы природы. И только после того, как они исчезли, настала наша очередь в эволюционном процессе.

Не будь астероида и массовой гибели животных, не было бы эволюционного расцвета млекопитающих, не было бы ни тебя, ни меня. И потому меня так увлекли эти первые несколько секунд ролика. Компания «Пиксар» сняла мультфильм, посвященный исключительно динозаврам и тому, насколько иным был бы мир, если бы астероид прошел стороной. Мне было достаточно сорока пяти секунд просмотра фильма, чтобы понять, что его ждет успех.

Ролик продолжился кадрами того, как тираннозавр гонится за стадом травоядных животных, заставляя их в панике спасаться бегством – беспорядочное хаотическое передвижение огромных травоядных, длинношеих бронтозавров[3 - Какие-нибудь перфекционисты, увлеченные темой динозавров, могут заметить, что термин «бронтозавр» уже давно не используется. Вместо него по каким-то замысловатым научным причинам применяется термин «апатозавр». Этим брюзжащим всезнайкам я отвечу так: «Ха-ха! Благодаря новым научным открытиям термин «бронтозавр» был восстановлен в 2015 году».]


и трехрогих трицератопсов. Типичный день мезозойской эры. Но потом я посмотрел повнимательнее: часть этих зверей больше напоминала волосатых, крупнорогих бизонов, чем рогатых динозавров. А уже в следующей сцене мы видим бронтозавра, прыгающего вокруг с чем-то на голове – человеческий ребенок!

Если астероид прошел близко от Земли, то что тогда там делают млекопитающие? В конце концов, это пиксаровский мультик, так что здесь возможны некоторые вольности (например, динозавры, говорящие по-английски). Но есть ли какие-то научные факты, подтверждающие возможность совмещения бронтозавра, бизона и ребенка?

Если динозавры не были стерты с лица земли, могли ли тогда млекопитающие начать так многообразно развиваться, что впоследствии появились бизоны и – что важнее – мы? Динозавры на протяжении миллионов лет держали млекопитающих под контролем, выделив им скромное место – крошечный участок где-то в мелколесье. И возможно ли, что каким-то образом после столь долгого времени млекопитающие смогли эволюционировать и процветать, даже несмотря на то, что господство могущественных рептилий продолжалось?

Существует одна подобная вероятность, по крайней мере, по версии британского палеонтолога Саймона Конвея Морриса. Динозавры, будучи пресмыкающимися, предпочитают жаркий климат. Их низкий уровень метаболизма не обеспечивает достаточного количества внутреннего тепла, и они получали его из окружающей среды, согреваясь при необходимости за счет нахождения на солнце. Род динозавров смог просуществовать за счет долгого периода глобального потепления, времени, когда большая часть мира была тропиками – прекрасное время для рептилий.

Но Конвей Моррис отмечает, что климат в конечном итоге начал меняться примерно тридцать четыре миллиона лет назад. В мире стало прохладнее. И, в конце концов, наступило время ледниковых периодов, и на большей части планеты установился холодный климат. Вот причина, почему вы не найдете сегодня рептилий на крайнем севере и юге – для них там слишком холодно. Конвей Моррис выдвигает предположение, что даже если бы динозавры дожили до наших дней, глобальное похолодание дало бы начало развитию млекопитающих, запустив процесс их эволюционного распространения. Динозаврам пришлось бы отступить к тропическому экватору, освободив высокие и умеренные широты и дав, наконец, млекопитающим их эволюционный шанс.

Давайте согласимся с Конвеем Моррисом и предположим, что его сценарий верен. Млекопитающие начинают размножаться, занимая те экологические ниши, которые ранее принадлежали динозаврам. Они становятся крупнее и многообразнее. Возможно, этот запущенный ледниковым периодом процесс эволюционного многообразия привел бы к эре млекопитающих, не менее роскошной и многоплановой, чем та, которую породил астероид.

Но была бы это та же эра млекопитающих? Появились бы тогда слоны, носороги, тигры и трубкозубы?

Или же этот альтернативный мир породил бы совершенно другой набор животных – виды, совсем незнакомые нам, которые поделили бы ресурсы мира и заполнили его экологические ниши, но иным способом, чем делают это сегодня окружающие нас живые существа? Или, если поставить вопрос поконкретнее, эволюционировали бы мы? Смогли бы тогда появиться люди, рожающие малышей, что сидят верхом на пиксаровских бронтозаврах?

Конвей Моррис отвечает утвердительным «да». Для него и других ученых из его лагеря эволюция обусловлена, предсказуема и следует одним и тем же курсом раз за разом. Причина, по их мнению, в том, что существует очень много способов выжить в этом мире. И для каждой проблемы, возникающей в рамках той или иной окружающей среды, существует единственное оптимальное решение. Это подталкивает процесс естественного отбора к тому, чтобы выдавать одни и те же эволюционные результаты снова и снова.



В качестве доказательства они указывают на конвергентную эволюцию – феномен, когда у определенных видов независимо друг от друга развиваются похожие свойства.



Если есть ограниченное количество возможностей адаптироваться к конкретным условиям обитания, тогда можно ожидать того, что виды, живущие в схожих условиях, разовьют одинаковые адаптационные свойства. И именно это и происходит. Есть объяснение тому, почему дельфины и акулы выглядят так похоже: у них развилась одинаковая форма туловища, чтобы они могли быстро передвигаться в воде в погоне за добычей.



Глаза осьминогов и людей почти неотличимы, потому что у предков и тех и других развились очень похожие органы, чтобы замечать свет и фокусироваться на нем. Список эволюционных конвергенций можно продолжать до бесконечности, как мы увидим вскоре.



Конвей Моррис и его коллеги считают данное явление распространенным и неизбежным, что позволяет нам предсказать, как мог идти процесс эволюции. Конвей Моррис делает вывод, что «появление активных, проворных, живущих на деревьях обезьяноподобных млекопитающих


и, в конечном итоге, представителей семейства гоминидов было отложено, но не отменено… и если бы не упавший в конце мелового периода астероид… появление гоминидов было бы отложено приблизительно на тридцать миллионов лет. Другими словами, компания «Пиксар» имела все основания поместить человеческих детенышей и бронтозавров в один фильм.

Но давайте рассуждать дальше. Даже если млекопитающие всегда оставались в тени, мог ли такой вид, как наш, эволюционировать из другой ветви? Если конвергенция настолько неизбежна, а движение к конкретным решениям неумолимо, тогда нет причины полагать, что появление млекопитающих было необходимой предпосылкой. Обладающие крупным мозгом, двуногие, высокосоциальные виды с бинокулярным зрением и передними конечностями, способными производить манипуляции с предметами, могли эволюционировать от какого-то другого предка. Но если мы произошли не от млекопитающих, то тогда от кого?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно всего лишь переключиться с «Хорошего динозавра» на плохого. А конкретно на велоцираптора, злодея из фильма «Парк Юрского периода» (и неожиданно вернувшегося спустя двадцать лет героя в фильме «Мир Юрского периода»). Поговорим об умных существах! Эти хитрые рептилии действовали сообща, обманув опытного охотника сафари, и даже сумели открыть двери своими трехпалыми лапами. У них было хорошее зрение, и они ходили на двух ногах. Это вам никого не напоминает?

За несколькими исключениями портрет велоцираптора, по версии создателей фильма «Парк Юрского периода», был в целом точен[4 - На самом деле прототипом этого существа был близкий родственник динозавра дейноних. Одно главное различие между реальным и придуманным существом заключалось в том, что велоцираптор был, вероятно, высотой менее трех футов. Однако вскоре после выхода фильма «Парк Юрского периода» появились публикации, в которых палеонтологи описывали более крупного двоюродного брата велоцираптора под названием ютараптор, который был примерно одного размера с раптором из фильма.]. Мы, конечно, не знаем, насколько умны они были. Но они действительно обладали крупным мозгом. Некоторые палеонтологи высказывали предположение, что эти животные могли быть социальными, живя группами и координируя свою охоту подобно львам или волкам. Если вы ищете отправную точку эволюции животного семейства гоминидов, то велоцираптор в данном случае для этого вполне подойдет.

Именно с этого начал свои исследования канадский палеонтолог Дейл Расселл


в начале 1980-х годов. Он изучал близкого родственника велоцираптора еще одного маленького хищного динозавра по имени троодон, тоже жившего в конце мелового периода.

У троодона был самый крупный мозг относительно веса тела в отличие от всех остальных динозавров – мозг, сравнимый по размеру с мозгом броненосца или цесаркой. Другими словами, эти рептилии не были гениями, но и назвать их глупыми тоже нельзя. Расселл отмечал, что на протяжении нескольких сотен миллионов лет у животных неуклонно и стабильно увеличивался размер мозга. Тот факт, что самый крупный мозг среди динозавров появился у вида, обитавшего в конце периода их владычества, наводит на мысль о том, что динозавры тоже следовали этой эволюционной тенденции с течением времени. А что бы произошло, задается вопросом Расселл, если бы астероид не уничтожил их? Как бы эволюционировали потомки троодонов, если бы в результате естественного отбора у них развился еще более крупный мозг?






Динозавроид



Путем выстраивания логической цепочки Расселл пришел к выводу, что современный потомок троодона мог выглядеть следующим образом. Более крупный мозг требует более крупного черепа. Более крупный череп, как правило, ассоциируется с укороченной областью лица. Вес более тяжелой головы легче сбалансировать, если поместить ее сверху туловища. А это, в свою очередь, влечет за собой предпочтительное положение тела при хождении – вертикальное.

А значит, хвост в качестве противовеса уже не нужен, так как передняя половина больше не наклонена вперед. Еще несколько выводов относительно улучшенного строения колена и лодыжки для удобства прямохождения, и, вуаля, перед нами то, что было довольно грубо названо «динозавроидом» – зеленое чешуйчатое существо, жутко похожее на человека от ягодиц до ногтей на пальцах.

Обратите внимание, что Расселл не ставил перед собой цели понять, как динозавр мог эволюционировать в гуманоида.

Скорее его интересовал вопрос о том, какие другие анатомические изменения могли возникнуть в процессе укрупнения мозга. Конечный результат данного проекта привел к возникновению образа существа, поразительно похожего на нас, – рептилии-гуманоида.

Эволюционная проекция Расселла, пусть и опередившая свое развитие, согласуется с идеями Конвея Морриса, что эволюция гоминидов и подобных им существ неизбежна. Причем настолько согласуется, что Конвей Моррис даже появился в документальном фильме Би-би-си


, попивающим кофе в кафе рядом с динозавроидом, читающим газету.

Итак, у компании «Пиксар» было два варианта развития сюжета. Если бы астероид и вправду не угодил в Землю, тогда, согласно версии Конвея Морриса и других, люди или существа, похожие на нас, так или иначе все равно бы эволюционировали. Единственный вопрос заключался в том, были бы они волосатые – результат отложенного эволюционного расхождения млекопитающих – или чешуйчатые – итог естественного отбора с целью увеличения размера мозга динозавра.



ЗАБАВНО БЫЛО БЫ ПОРАЗМЫШЛЯТЬ В ПРОТИВОВЕС ИЗВЕСТНЫМ ФАКТАМ: что случилось бы, если бы история пошла иначе. Но вопросы о неизбежности эволюции гуманоидов выходят за пределы нашей темы, затрагивая историю планеты в целом.

Теперь нам известно, что существует множество других планет во Вселенной, на которых могла зародиться жизнь. На этих «обитаемых экзопланетах» не слишком жарко и не слишком холодно, а на поверхности есть вода в жидком виде. В недавнем исследовании указывается, что в одной только галактике Млечный путь могут существовать миллиарды подобных планет. Самая ближайшая к нам может находиться всего в четырех световых годах от нас


.

Предположим, жизнь зародилась на одной из таких планет. Как бы она выглядела? И насколько похожи были бы жизненные формы на те, что существуют на Земле? А как насчет наличия мыслящих существ, вроде нас, или даже еще умнее? Насколько сильно они были бы похожи на людей?

Во многом похожи, если верить тому, что мы видим в фильмах. И некоторые прославленные ученые соглашаются с этим.

«Если бы нам удалось пообщаться


с мыслящими существами из космоса», – писал ныне покойный биолог Роберт Вьери, – «то это не были бы сферы, пирамиды, кубы или блины. По всей вероятности, они выглядели бы жутко похожими на нас». Дэвид Гринспун


, старейшина в области недавно возникшего междисциплинарного научного направления – астробиологии[5 - Да, это реальная научная дисциплина, которая изучает жизнь во Вселенной, а также ее происхождение здесь, на Земле.] рассуждает так: «Когда они [пришельцы] в конечном итоге приземлятся на лужайке у Белого дома, то каким бы способом эти существа ни сошли с трапа – на двух ногах или ползком – их поведение, возможно, покажется нам странно знакомым». Не удивительно, что Конвей Моррис соглашается


с ним, высказывая предположение, что «давление эволюции и повсеместность конвергенции делают вероятность появления существ, похожих на нас, почти неизбежной». Но прежде чем исследовать научную основу предсказаний этих ученых относительно внеземных цивилизаций, давайте вернемся к планете Земля.


* * *

В ЧАСТНОСТИ, на юго-восток Африки. В лесах Замбии темнота наступает быстро. Я герпетолог, изучаю ящериц, так что выслеживать по ночам львов не входило в мои обязанности. Я приехал в Замбию, чтобы немного отдохнуть и восстановиться, прежде чем заняться полевыми работами в Южной Африке. Поразительно, но львы обычно привыкают к присутствию транспортных средств и могут позволить вам следовать за ними по пятам, пока они рыскают в округе. Вот этим мы и занимались.

Справа кто-то шевелится: это приближается какой-то не слишком крупный зверь, не подозревающий о том, что он оказался на пути следования прайда львов. Когда животное подходит, шурша, поближе, становится понятно, что это гребенчатый дикобраз, шестидесятифунтовый грызун, покрытый с головы до хвоста острыми иглами, некоторые из них длиной до полутора футов[6 - 1 фут – 0,3048 м.]. Иголки его, конечно же, для защиты, для ситуаций таких, как эта. Но не всегда они ему помогают. У львов есть для этого своя тактика: подсунуть лапу под дикобраза, чтобы перевернуть его незащищенным животом кверху. Дальше вы легко можете представить его действия.

В сериале «Сейнфелд» есть серия, в которой Джерри смотрит документальный фильм об антилопах. Львы нападают на животных, Джерри орет: «Беги, антилопа, беги! Ты же можешь бежать быстро, спасайся!» А следующим вечером он смотрит другой фильм, на этот раз посвященный львам. И львы гонятся за антилопой, а он кричит: «Догони антилопу и съешь ее. Укуси ее за голову! Обмани ее, не дай разогнаться!» И хоть этим вечером мы идем за львами, я на стороне дикобраза. Оставьте его в покое и найдите себе жертву своего размера!

Но львы, конечно, не послушают меня. Одна из львиц подходит к дикобразу. Он поворачивается к ней спиной и поднимает иголки. Нечто похожее на то, как у кошек выгибаются спины и шерсть встает дыбом. А потом он начинает трясти иголками на хвосте, которые стучат друг о друга «клэк-клэк».

Поразительно, но это работает. Мгновение спустя львица разворачивается и возвращается к прайду, а дикобраз исчезает в ночи.

В конце вечера я еще раз прокручиваю в голове все события дня, размышляя о своих предыдущих встречах с дикобразом. Помимо Африки и Азии дикобразы также встречаются на большей территории Нового Света. Я лишь однажды видел североамериканского дикобраза в природе, причем на дереве, на высоте тридцати футов, когда поднимался на горную вершину на горнолыжном подъемнике. Но в джунглях Коста-Рики я видел дикобразов с хвостами, приспособленными для зацепления, несколько раз, и опять в основном на деревьях.






Два дикобраза: североамериканский дикобраз (слева) и африканский гребенчатый дикобраз (справа).



Несомненно, существуют различия между отдельными их видами. Самое очевидное это размер животного: гребенчатый дикобраз в два раза крупнее своего североамериканского сородича и в тридцать раз больше миниатюрного ротшильдского дикобраза из Панамы. Иглы, соответственно, варьируются по длине – четырнадцать дюймов у гребенчатого, четыре дюйма у североамериканского и еще короче у ротшильдского[7 - Здесь имеются в виду жесткие прочные иголки, которые наносят наибольший урон противнику. Более тонкие и гибкие иголки зачастую значительно длиннее.]. У некоторых видов красные носы, у других – коричневые. У дикобразов с хвостами, приспособленными для цепляния, нет иголок на хвосте.

И все же различий гораздо меньше, чем сходства: и это не только наличие иголок, но также одинаковое приземистое туловище с короткими лапами, маленькие глазки и колючий причесон. Учитывая все эти схожести, я никогда не подвергал сомнению то мое предположение, что дикобразы – это одно счастливое родственное семейство. И все они произошли от одного колючего предка.

И теперь представьте мое удивление, когда я узнал, что ошибался. Несмотря на одинаковую их колючесть, дикобразы Нового и Старого Света имеют разную эволюционную историю. И своим симпатичным игольчатым видом они обязаны, как ни странно, не одному общему предку. Два рода животных эволюционировали независимо друг от друга и приобрели в ходе этого процесса иголки, хотя их предками были виды грызунов, не имевшие иголок. Они – результат конвергентной эволюции.



И Я НЕ ПЕРВЫЙ ЧЕЛОВЕК В ИСТОРИИ, который был обманут конвергенцией. На самом деле, я оказался в очень авторитетной компании. Сам Чарльз Дарвин был одурачен во время своего знаменитого визита на Галапагосские острова. Там он обнаружил маленьких птичек, названных впоследствии в его честь, – вьюрков Дарвина. Но Дарвин даже не догадывался, что эти виды птиц являются ближайшими родственниками, потомками одного предка-вьюнка, колонизировавшего острова в далеком прошлом.

А ученый считал, что данные виды представляют четыре группы, с которыми он был знаком еще дома: вьюрки, дубоносы, черные дрозды и крапивники.

И лишь когда Дарвин вернулся в Лондон и передал свои образцы прославленному орнитологу Джону Гулду, он и узнал о своей ошибке. Оказалось, что данные виды не были представителями разнородного набора знакомых типов птиц. Фактически они являлись членами одной группы, уникальной для Галапагосских островов. Таким образом, Дарвина ввела в заблуждение конвергентная эволюция. Данное открытие коррелировало с другими находками, сделанными Дарвином во время его путешествия. И все они указывали на одно и то же – трансмутабельность вида. К тому времени, когда он внес правки в свою ставшую бестселлером книгу «Путешествие на «Бигле» 1845 года, история с вьюрком была лишь намеком на то, что произойдет десятилетие спустя. «Наблюдая эту градацию и разнородность строения тела у одной маленькой близкородственной группы птиц, можно только догадываться, что из первоначально малочисленной группы птиц, обитавших на этом архипелаге, один-единственный вид развился в разных направлениях».

Но Дарвин также увидел в этой истории и более широкий смысл: вьюрки смогли эволюционировать на Галапагосских островах, используя все многообразие существующих там сред обитания. И хотя он не ссылался на конвергентную эволюцию в своем «Путешествии», Дарвин четко озвучил эту идею четырнадцать лет спустя в работе «О происхождении видов». «Подобно тому, как два человека иногда независимо друг от друга приходят к одному и тому же изобретению, так и естественный отбор… наделил различные существа сходными органами, поскольку это касается их функции, но строение их общего органа необязательно унаследовано от общего предка».

Дарвин был не единственным естествоиспытателем, так обманутым конвергенцией. Когда капитан Кук высадился на берег Ботани-Бей в 1770-м году во время своего первого путешествия по южной части Тихого океана, ученый-естествоиспытатель Джозеф Бэнкс, находившийся в составе экспедиции, выслал образцы и рисунки австралийских птиц в Англию. С этого момента пошел поток отправляемого колонистами и путешественниками на родину материала, продолжавшийся на протяжении полувека, в результате чего было обнаружено существование многих новых видов.

Ключевой фигурой, увидевшей смысл во всем этом изобилии новых видов, был Джон Гулд. Примерно в то же время, когда он консультировал Дарвина по поводу вьюрков, Гулд решил составить полное описание австралийских птиц. Быстро поняв, что для того, чтобы выполнить работу правильно, ему необходимо отправиться в Австралию, он переселился на другой конец света, проведя там три года и в итоге создав грандиозный труд из семи томов с рисунками и описаниями.

Но если в отношении дарвиновских вьюрков Гулд оказался прав, то в случае с эволюционными родственными сходствами австралийской птичьей фауны он все же ошибался. Большинство австралийских птиц очень похожи внешностью и поведением на такие европейские виды, как крапивники, пеночки, кустарницы, мухоловки, зарянки, поползни и другие. В результате Гулд причислил недавно открытые виды австралийских птиц к знакомым семействам птиц Северного полушария.

Ошибка Гулда объяснима. На протяжении следующих полутора сотен лет многие очень известные орнитологи совершали ровно ту же ошибку и рассматривали этих птиц как представителей колонии, образовавшейся в результате массового нашествия в Австралию многочисленных видов птиц.

Однако генетические исследования, начавшиеся в 1980-х годах


, показали, что фактически возникновение большинства данных видов – это итог крупного процесса эволюционной радиации в Австралии, происходившего на материке. Другими словами, эти австралийские птицы – ближайшие друг другу родственники. И они не являются представителями разнообразных семейств, обитающих в Северном полушарии, но связаны с ними конвергентной

Обнаружение неожиданных случаев конвергентной эволюции продолжается по сей день. Действительно, теперь, когда доступна масса генетических данных по столь многим видам, наше понимание эволюционных связей усиливается значительными темпами, давая нам гораздо более четкое представление об эволюционном древе жизни.

Мы все чаще сталкиваемся со случаями, когда нас вводит в заблуждение анатомическая схожесть вида. Но лишь теперь мы начинаем понимать, что подобное происходит не вследствие того, что определенный вид произошел от одного общего предка, а по причине его независимого развития.

Как можно объяснить эту безудержную конвергентную эволюцию? Существует одно разумное объяснение, предложенное Дарвином. Если виды обитают в схожих условиях и сталкиваются с похожими сложностями в процессе выживания и размножения, тогда естественный отбор приводит к эволюции одинаковых признаков. Так, к примеру, крупные семена – тот пищевой [8 - В Австралии не только не было волны птичьей колонизации материка, все данные указывают на то, что ряд птичьих семейств, в частности, певчих птиц, зародился в Австралии, и оттуда они распространились по всему свету.] ресурс птиц, который требует наличия крупных клювов, чтобы раскрыть эти семена. И, следовательно, птицы с крупными клювами будут эволюционировать в тех местах, где есть крупные семена. Подвергающиеся опасности со стороны представителей семейства кошачьих крупные грызуны эволюционируют таким образом, чтобы обрести защиту в виде иголок, эффективную как против львов в Африке, так и против пум в Северной и Южной Америке.

За последние два десятилетия некоторые биологи распространили данную точку зрения и на космос. Здесь на Земле различные виды животных во все времена сталкиваются с одинаковыми проблемами выживания и вырабатывают похожие решения. Эти ученые утверждают, что те же самые проблемы физического характера, которые возникают здесь, стоят и перед живыми существами, обитающими на подобных нашей планетах, и решают они их аналогичным способом. Джордж Макги, палеонтолог из Ратгерского университета, полагает, что существует только один способ создать быстро плавающий водный организм. Вот почему дельфины, акулы, тунцы и ихтиозавры (исчезнувшие морские рептилии эпохи динозавров) выглядят одинаково.

И далее он рассуждает о том


, что «если в океанах спутника Юпитера Европы обитают крупные быстро плавающие организмы, перемещающиеся под вечными льдами, то я с уверенностью предсказываю, что у них обтекаемые, веретенообразные тела… такие же, как у белухи, ихтиозавра, меч-рыбы или акулы». Конвей Моррис соглашается


с ним, высказывая свою точку зрения: «Конечно, нельзя утверждать, что на каждой подобной Земле планете существует жизнь, не говоря уже о гуманоидах. Но если вы захотите создать сложное растение, то оно будет жутко похоже на цветок. Если вам понадобится летать, то у вас есть всего несколько способов сделать это.

Если вам нужно плавать, как акуле, то у вас есть лишь несколько способов добиться этого. Если вам понадобится изобрести такое свойство, как теплокровность, как у птиц и млекопитающих, в вашем распоряжении ограниченное количество вариантов».






Акула (сверху), ихтиозавр (в центре) и дельфин (снизу).



НЕ КАЖДЫЙ СОГЛАСИТСЯ С ДАННОЙ ТОЧКОЙ ЗРЕНИЯ. Давайте разберемся почему на примере нескольких фильмов.

В кульминационной сцене ставшего классикой фильма «Эта удивительная жизнь» 1946 года Джордж Бейли (его играет Джимми Стюарт) в отчаянии произносит, что его жизнь – полное фиаско, и что лучше бы он не родился. И тогда Клэренс Одбоди, его ангел-хранитель, показывает ему, насколько иной была бы жизнь в Бедфорд Фоллс, если бы Джорджа не было: его брат умер, друзья и родные несчастны, лишены дома или сидят в психушке. Корабль с солдатами тонет, а город становится прибежищем беззакония. Все было бы гораздо хуже без него, и Джордж понимает, что его жизнь прошла достойно, и отказывается от мыслей о самоубийстве. В итоге он избавляется от долгов, когда жители города приходят ему на помощь в благодарность за все его добрые дела.

В 2006 году американский институт кино назвал фильм «Эта замечательная жизнь» самым вдохновляющим фильмом всех времен. Стивен Джей Гулд, прославленный палеонтолог и биолог-эволюционист, относится к числу тех, кого вдохновила данная история, правда, совсем иным способом. Для него этот фильм – аллегория эволюционного характера жизни. И даже название для своей книги, вышедшей в 1989 году, – «Удивительная жизнь» – он взял из этого фильма. В книге Гулд отстаивал доминантную важность исторической вероятности, или контингентности, в процессе эволюции. Под контингентностью он подразумевал, что конкретная последовательность событий существенным образом определяет ход истории: А ведет к Б, Б ведет к В и так далее. Если вы в исторически вероятном мире измените А, то не дойдете до В. Если бы Джордж Бейли не родился, то события в Нью-Бедфорде развивались бы иначе.

Гулд утверждал, что жизнь полна событий, спровоцированных Джорджем Бейли. Какие-то из них значительные, в основном – мелкие, но любое из них могло повести жизнь совсем в другом направлении.

Удары молнии, поваленные деревья, упавшие астероиды и даже случайный выбор того, какой генетический набор передаст мать своей дочери, – любое из этих событий способно внести изменение, которое запустит дальнейшие ответвления, длящиеся на протяжении миллиардов лет. Вторя персонажам фильма «Эта удивительная жизнь», Гулд писал: «Любое проигрывание пленки [истории жизни] с внесенным в самом начале, казалось бы, незначительным штрихом произведет… результат совершенно иного порядка».

Эта точка зрения имеет важные импликации для понимания многообразия окружающей нас жизни. Если эволюция определяется контингентностью, то тогда не может быть ни предсказуемости, ни детерминизма Конвея Морриса. И, следовательно, конечный результат будет подвержен столь сильному влиянию случайных факторов, что никто не сможет предсказать в самом начале то, что произойдет в конце. Начни все сначала, и ты получишь совершенно иной результат. И, переходя к самой животрепещущей теме


, Гулд делает вывод: «Проиграй пленку [жизни] миллион раз… и я сомневаюсь, что нечто подобное хомо сапиенсу могло бы появиться снова».



АРГУМЕНТАЦИЯ ГУЛДА, изящно и убедительно представленная, не может не откликнуться в сердцах каждого. Кто из нас не сожалел о том, что «если бы я не сделал это, то не случилось бы то», где «это» может быть чем-то незначительным (неправильно произнесенным именем) или значительным (выпил слишком много), а «то» – событие, которого вы не желали.

И все же какой бы разумной ни была аргументация, где доказательства? Существует только один вариант истории жизни. Как мы проверим повторяемость эволюции? Гулд предлагал провести мысленный эксперимент, который бы ответил на эти вопросы. Прокрутите пленку жизни, говорит он, вернитесь к тем же исходным условиям и посмотрите, последуют ли те же самые результаты. Такой умозрительный эксперимент имеет длинный послужной список в науке и в философии. Его применяли многие, и он оказался наиболее действенным методом.

Конвей Моррис и его коллеги, конечно же, не соглашаются с базовой предпосылкой Гулда: изменение некоего предшествующего события не обязательно повлечет за собой существенные изменения всей последующей цепочки событий. Они утверждают, что повсеместность конвергентной эволюции демонстрирует бессилие контингентности и что в большинстве случаев последует примерно одинаковый результат вне зависимости от исторической последовательности событий.

Когда Гулд писал свою книгу «Удивительная жизнь», проблема конвергенции и эволюционного детерминизма еще не была поднята. Однако, полемизируя


с Конвеем Моррисом, опубликовавшим свою книгу девять лет спустя, Гулд высказал очень простую мысль: значимость конвергенции «переоценена», и привел в качестве доказательства номер один Австралию.

Давайте еще раз обратимся к экспедиции капитана Кука в страны противоположных полушарий. Среди первых встреченных ими животных были кенгуру. Сегодня кенгуру – основные потребители растительной пищи в Австралии. Они выполняют похожую функцию, что и олени, бизоны и бесчисленное множество других травоядных, обитающих во всем мире. И все же, как отмечал Гулд (Стивен Джей, а не Джон), кенгуру не приблизились к другим видам травоядных – даже ребенок вам скажет, что кенгуру и олень – это разные животные.

А есть еще коала, этот милый, похожий на медвежонка зверь, что любит обнимать деревья и ведет медлительный образ жизни. Он спит по двадцать часов в сутки, так как в процессе сна нейтрализуются ядовитые вещества, содержащиеся в эвкалиптовых листьях, которыми они питаются (поэтому их шерсть пахнет ментолом). Никого подобного больше не существует


нигде в мире и, судя по ископаемым находкам, никогда не существовало[9 - Хотя, и это чрезвычайно любопытно, кончики пальцев коал покрыты бороздками и пальцевыми узорами, столь похожими на наши, что специалисты с трудом различают отпечатки пальцев коал и людей.].

Но когда мы говорим о единичных эволюционных случаях, то здесь есть только один король. Ядовитые шпоры на голенях, роскошная шкура, способность чувствовать электрические разряды, исходящие из мышц их жертвы электрорецепторами, расположенными у них на морде. Сильный плоский хвост, перепончатые ноги, откладывает яйца. Клюв, как у утки. Самое крупное в мире животное – утконос, сборная солянка из свойств, позаимствованных у всего животного царства.






Утконос



Животное столь обескураживающее, что когда первые образцы были доставлены в Англию в конце восемнадцатого столетия (их отгрузили из порта Сиднея и перевезли по Индийскому океану), ученые часами искали швы, с помощью которых умелые китайские купцы, вероятно, сшили свою подделку.

Эти примеры взяты из стран Южного полушария, но эволюционные единичные случаи происходят повсюду. Жирафы, слоны, пингвины, хамелеоны – все это виды, адаптировавшиеся исключительно к своим специфическим экологическим нишам без эволюционного копирования сейчас или в прошлом. (Обратите внимание, что эволюционные единичные случаи необязательно относятся к одному единственному виду животных. Так, в настоящее время существует три вида слонов, а еще большее их количество жило в прошлом – такие виды, как мастодонты и мамонты. Однако все виды слонов произошли от одного предка. Вот почему слонов можно считать эволюционно уникальным видом – хоботные животные эволюционировали только один раз).



КОНВЕРГЕНТНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ – это научный феномен, и можно было бы предположить, что к настоящему времени ученые уже смогли определиться в вопросе ее повсеместности. Но проблема в том, что узнать то, что произошло когда-то, не так просто. В школе нас учили, что такое научный метод: как с помощью наблюдений формулируется гипотеза, которая затем проверяется в окончательном эксперименте в лабораторных условиях. Эта формулировка в самом упрощенном виде фиксирует то, как работают науки, изучающие механизмы химической реакции, а именно науки, которые исследуют механизмы работы клетки или атома. Допустим, один конкретный

ген ответственен за возникновение определенного признака. Можно воспользоваться достижениями молекулярной биологии, чтобы блокировать этот ген, и посмотреть, разовьется ли в этом случае данный признак.

Но эволюционная биология – это историческая наука. Подобно астрономам и геологам мы, эволюционные биологи, пытаемся вычислить, что происходило в прошлом. И нас, так же как историков, сбивает с толку асимметрия направления времени – мы не можем вернуться в прошлое, чтобы увидеть, что происходило. Более того, процесс эволюции, как известно, происходит медленно, что делает невозможным наблюдение за ее ходом.

Стивен Джей Гулд спланировал эксперимент, который мы бы хотели провести: проиграть пленку эволюции снова и снова и увидеть, насколько разным будет результат к экспериментальным пертурбациям. И мы неслучайно называем подобные идеи мысленным экспериментом: в реальном мире их не осуществишь. Или же мы так привыкли думать.

Оказывается, Дарвин и его последователи на протяжении целого столетия ошибались в одном ключевом аспекте: эволюция не всегда ползет со скоростью улитки. Когда естественный отбор силен, что случается, когда условия меняются, эволюция может нестись со скоростью света (в четвертой главе я расскажу вам историю о том, как мы пришли к пониманию того, что эволюция в не меньшей степени напоминает зайца, чем черепаху).

Реальное существование быстрой эволюции позволяет нам выйти за рамки простого наблюдения за тем, как реагируют виды. Дарвин бы сильно удивился, узнав, что сейчас ученые ставят свои собственные эволюционные эксперименты, меняя условия контролируемым и статистически выверенным способом. В точности как биологи в лабораториях, мы можем тестировать эволюционные механизмы, но только в условиях природы, среди реальных популяций. Исследователи помещают мышей светлого и темного цвета в клетки размером в две тысячи квадратных метров в песчаных дюнах Небраски; перемещают гуппи в Тринидаде из проточных водоемов с хищниками в водоемы, где хищников нет; или попеременно меняют среду обитания палочников.

Я сам не раз проводил подобные эксперименты, проверяя гипотезы относительно того, почему у маленьких ящериц на Багамах развились разные по длине ноги. Я знаю, о чем вы подумали, но я и мои коллеги готовы приносить жертвы во имя науки. Довольно непросто торчать на продуваемых ветрами островах, окруженных со всех сторон океаном, но кто-то должен выполнить эту работу, и мы в числе таких добровольцев. Об этом будет более подробно в шестой главе, пока же скажу, что если вы год за годом возвращаетесь на Багамы и измеряете ноги тысячам ящериц переносным рентгеновским аппаратом, вы заметите, что популяции ящериц способны стремительно эволюционировать. Более того, если вы экспериментальным путем измените условия жизни ящериц, заставив их поменять привычки, то популяции на этих островах будут быстро эволюционировать, причем предсказуемым образом.

И хотя эволюционные эксперименты в природе пока еще в стадии развития, ученые в лабораториях осуществляют подобную работу уже на протяжении десятилетий. В этих исследованиях приносятся в жертву реалии природы ради высокой точности лабораторных открытий, обеспечивая полный контроль над условиями, в которых пребывают развивающиеся популяции. Более того, укороченная жизнь лабораторных организмов, в частности микробов, означает, что эти исследования могут быть продолжительнее и охватывать большее количество поколений, создавая, таким образом, больше возможностей для начала процесса эволюции.

В одном лабораторном эксперименте, длившемся на протяжении более четверти века, прослеживалась эволюция микробов. Его целью было изучить, до какой степени двенадцать популяций микробов способны эволюционировать одинаковым образом.



Я ЧАСТО СРАВНИВАЮ ЭВОЛЮЦИОННУЮ БИОЛОГИЮ с детективным романом или фильмом. Совершено преступление – или, в данном случае, что-то эволюционировало – и мы хотим узнать, как это произошло. Если бы у нас была машина времени, мы бы могли вернуться в прошлое и увидеть все своими глазами. Если бы можно было прокрутить пленку, мы бы просто начали все заново.

Но подобное невозможно (за одним важным исключением, к которому я вернусь в девятой главе). Вместо этого у нас куча зацепок, и мы, как Шерлоки Холмсы, вынуждены докапываться до истины, насколько это возможно. Мы видим модели эволюционной истории; виды, которые появляются сегодня, и окаменелости, хранящие в себе прошлое. И это позволяет нам оценить, насколько часто эволюция выдавала похожие результаты. Мы также способны изучать ход сегодняшнего процесса развития. Проводя эксперименты, мы можем понять, насколько повторяема и предсказуема эволюция: а именно, если начать с той же точки, всегда ли ты получишь тот же самый результат? А если начать с разных точек, но вести отбор похожим способом, придешь ли ты в итоге к тому же результату? Так что, даже не имея возможности прокрутить пленку, мы можем изучать эволюционную модель и процесс. Сложив их вместе, ученые совсем скоро смогут понять эволюционную повторяемость.

В этом смысле данная книга о том, до какой степени жизнь способна повторять себя, создавая в итоге виды, у которых развиваются схожие адаптивные свойства в ответ на схожие условия обитания, действительно ли естественный отбор неизбежно дает те же эволюционные результаты, и влияют ли определенные события на конечный итог.

А еще вы прочтете здесь о том, как ученые изучают данные проблемы, как различные инструменты от определения последовательности ДНК до проведения полевых исследований в отдаленных уголках мира, которые синтезируются с целью понять эволюционный источник той жизни, что окружает нас.

Ну, и о том, как развивается сама наука, как рождаются новые идеи и внедряются исследовательские программы для их тестирования. Я, в частности, подробно остановлюсь на появлении экспериментальных методов, изучающих эволюцию, – подход, который был немыслим на протяжении целого столетия после эпохи Дарвина.

В книге будет много рассказов об ученых и их исследованиях как в стерильных условиях лабораторий, так и на лоне природы. Но данная тема выходит за рамки академического интереса. Эволюция сегодня происходит повсеместно, и здесь уже не до скрытой полемики. Самое примечательное во всех этих процессах – непосредственные эволюционные битвы, происходящие между людьми и нашими «сотрапезниками». С одной стороны, природа отвоевывает у нас то, что мы пытаемся контролировать. Мы воспринимаем отдельные виды как вредителей, потому что они имеют дерзость использовать то, что мы приберегаем для себя. Сорняки, заполоняющие наши поля, крысы, поедающие наше зерно, насекомые, уничтожающие наш урожай. Мы задействуем целый арсенал химического и уже все больше генетического оружия, чтобы контролировать их, но они быстро учатся обходить наши ловушки.

Население планеты составляет семь с лишним миллиардов человек, Иногда мы сами представляем собой тот ресурс, который можно эксплуатировать. Малярия, ВИЧ, хантавирус, грипп – для микроорганизмов наши тела подобны урожаю, и они эволюционируют, чтобы использовать нас. Мы же, в свою очередь, ведем с ними битву, как с сельскохозяйственными вредителями, с помощью химических средств, и тогда у них мгновенно вырабатывается сопротивляемость.

Вот где спор между контингентностью и детерминизмом выходит за рамки академичности и касается каждого из нас. Если нам удастся предсказать не только то, когда произойдет стремительная эволюция, но и какую форму она примет, мы сможем вывести общие принципы и, значит, сумеем отреагировать наиболее эффективно. Но если каждый случай быстрой эволюции увязан на специфических обстоятельствах, тогда нам придется начинать каждый раз с самого начала, когда мы будем сталкиваться с новым сорняком, вредителем или болезнью, вычисляя, как адаптируется наш эволюционный враг, и что мы можем с этим сделать.



СПОР О КОНТИНГЕНТНОСТИ и детерминизме влияет на нас и иным, более эфемерным способом. Человек не меньше других видов подвержен конвергентной эволюции. Так, к примеру, наша способность пить молоко во взрослом возрасте уникальна среди животных. Она, конечно же, была невозможна до тех пор, пока мы не приручили крупный рогатый скот в течение последних нескольких тысяч лет. И с тех пор она конвергентно эволюционировала в нескольких сельских сообществах по всему миру. Цвет кожи также результат конвергентной эволюции, как и способность выживать на больших высотах, и многие другие признаки.

Сам человеческий род, конечно же, не конвергентен. Мы одни из тех единственных в своем роде, которые не имеют эволюционного двойника. Можем ли мы благодаря нашему пониманию эволюционного детерминизма сказать что-то о том, как мы менялись и почему? А если бы люди не появились на этой планете, занял бы тогда кто-то другой наше место, и смог бы этот вид развиваться так, как мы, причем настолько похоже, что кто-то – или что-то другое – сейчас писал бы вот эту книгу, пусть даже чешуйчатой трехпалой рукой? А если нет, тогда, может быть, на спутниках Юпитера или на каких-то других планетах?

Но я снова забегаю вперед. Давайте в очередной раз вернемся к нашей планете и посмотрим, насколько распространена конвергентная эволюция на Земле.




Часть первая

Природные двойники





Глава первая

Эволюционное дежавю


Представьте себе кита, плывущего в океане: обтекаемое туловище, хвостовой плавник, маленький плавник на спине, хвост волнообразно двигается вверх и вниз. Наблюдая за этой безмятежной картиной, кто обвинит древних греков в том, что они считали кита рыбой? Данная точка зрения существовала тысячелетия, пока двести пятьдесят лет назад Карл Линней не выправил ситуацию, признав левиафанов млекопитающими на основании того, что они производят на свет живого детеныша, имеют молочные железы и другие признаки[10 - Теперь мы знаем, что не все млекопитающие производят на свет живых детенышей. Утконосы и ехидны, будучи однопроходными млекопитающими, откладывают яйца. Способность вырабатывать молоко и наличие шерсти – два наиболее очевидных признака всех млекопитающих (хотя у некоторых млекопитающих, таких как киты, есть всего несколько усов).]. Греки были обмануты конвергентной эволюцией.

Мы прошли долгий путь со времен долиннейских ученых. Нам, несомненно, известно гораздо больше об эволюции, чем было известно им. И наше углубленное знание анатомии и взаимосвязей видов помогло определить бесчисленные случаи конвергентной эволюции. Тем не менее наш список далеко не полный. По мере поступления новых данных молекулярной биологии мы снова и снова обнаруживаем, что были введены в заблуждение, так же как и греки, и что виды, которые мы считали похожими из-за принадлежности общему предку, на самом деле выработали схожие признаки независимо друг от друга.

Позвольте привести два недавних примера. По некоторым оценкам, морские змеи относятся к числу смертельно опасных животных. Яд отдельных их видов такой же смертельный, как у любой змеи. К счастью, большинство морских змей редко кусают человека, даже если их взять в руки. Но совсем иная ситуация с носатой энгидриной, которая будет свирепо защищаться: именно она ответственна за девяносто процентов случаев со смертельным исходом во всем мире. Названная так за особый кончик на морде, который выступает над нижней челюстью, она может быть широко распространена географически – от Арабского залива до Шри-Ланки, Юго-Восточной Азии, а также Австралии и Новой Гвинеи. Это один из самых широко распространенных в мире видов змей.

По крайней мере, так считалось. В 2013 году команда шриланкийских


, индонезийских и австралийских ученых сообщила, что они провели штатные генетические сравнения среди популяций данного вида и получили неожиданный результат. Даже несмотря на то, что популяции демонстрировали лишь малые анатомические внутривидовые различия, генетически они были максимально различными. В частности австралийские популяции носатой энгидрины были схожи с другим австралийским видом энгидрины, а не с азиатскими популяциями данного вида. Точно так же азиатские популяции носатой энгидрины входили в наиболее тесную связь с другими азиатскими видами. Иными словами, существует не один вид носатой энгидрины, а два. И признаки, которые определяют данный вид, – не только его нос, окрас и общий внешний облик, но и скверный нрав – эволюционировали конвергентно, причем настолько сильно, что его дальние родственники, обитающие на противоположных берегах Индийского океана, считались представителями того же самого вида.

А теперь пример более знакомый для тех, кто никогда не видел морскую змею. Юношей я был чист душой и телом и довольно поздно познал радости алкоголя и распутства.

Однажды я был в гостях у своей подруги. Она предложила мне чаю. Я не любил чай, но хотел показаться светским юношей, и согласился. Вскоре я почувствовал себя странно. Мое тело покалывало, руки дрожали, сердце бешено стучало в груди. Я подумал, что у меня случился сердечный приступ. Но потом сделал логичный вывод, что я еще слишком молод, да к тому же инфаркт не мог сопровождаться таким всплеском энергии. Я уже не помню, насколько невозмутимо мне удалось выведать причину моего состояния у хозяйки, но наверняка я сделал вежливое признание, что чувствую себя слегка необычно. И она быстро объяснила, что я выпил особенно бодрящий сорт чая – нечто, сравнимое с теперешним напитком «Ред Булл». Теперь, будучи уже взрослым человеком, я начинаю свое утро с чашечки яванского кофе, но стараюсь не пить его после четырех часов дня. Если я выпью его позже, то не буду спать всю ночь.

Возможно, у вас по-другому, но меня жизнь постоянно заставляет повторять одни и те же ошибки. И точно так же я мучился однажды ночью в бразильском Пантанале, крутясь и ворочаясь в своей постели, не в силах уснуть, несмотря на тяжелый день и обильный ужин. «Почему я не могу уснуть?» – задавался я вопросом, а в голове мельтешили разные мысли. И вдруг прозрение. Тот незнакомый фруктовый прохладительный напиток за ужином. Я хотел пить и выпил две банки. Он был газированным, с легким привкусом яблочного сока. Что за напиток?

Я быстро пробежался по клавиатуре и нашел название шипучки – гуарана антарктика – и ее состав. Гуарана, крупнолистовое вьющееся растение из семейства кленовых родом из амазонских джунглей. А теперь угадайте, что содержат семена гуараны. Тот же состав, что и в кофе, чае, пепси, маунтин дью и шоколаде. Пуриновый алкалоид, 1,3,7-триметилпурин-2,6-дион. Молекулярная формула: C


H


N


O


.

Кофеин.

Несмотря на мое знакомство со средствами его доставки (пепси, чай, энергетические напитки), я никогда особо не задумывался над тем, откуда берется сам кофеин. Кофе и чай получают из одноименных растений. Колу, по крайней мере, изначально, производили из плода дерева кола; шоколад – из какао; гуарану антарктику – из семян гуараны (кофеина в них в два раза больше, чем в зернах кофе).

Все эти растения вырабатывают кофеин. И не различные его виды, а абсолютно одинаковое вещество. Кофеин – это кофеин, вне зависимости от его источника. Одно вещество – масса источников.

Мое любопытство должно было бы разгореться из-за того большого количества разных растений, которые производят кофеин, наведя меня на мысль о том, являются ли все они близко родственными или же процесс выработки кофеина конвергентно эволюционировал много раз. Но вскоре я уснул, и эта мысль так и не пришла мне.

К счастью, несколько пытливых ботаников решили исследовать данный вопрос. В статье, опубликованной в 2014 году


, международная команда ученых использовала генетические данные, работая двумя группами, чтобы продемонстрировать, что процесс производства кофеина в этих растениях эволюционировал независимо. Одна группа сравнила ДНК многих видов растений, чтобы построить эволюционное древо видов, содержащих кофеин. Они сконцентрировались на трех видах – кофе, чае и какао. Такие эволюционные деревья – технический термин «филогенез» – напоминают генеалогические древа. У близкородственных видов можно выявить сходство благодаря поиску недавнего общего предка, точно так же, как братья и сестры выявляют свое родство благодаря родителям. Дальние родственники, такие как четвероюродные братья, появляются на сравнительно далеких ветках филогенеза, и нужно копнуть глубже, изучив эволюцию, чтобы найти их недавнего общего предка.

Филогенез показал, что растения кофе, чай и какао расположены на разных ветках эволюционного древа – они не близкие друг другу родственники. Какао скорее ближе к клену и эвкалипту, чем к чаю или кофе. А кофе происходит от предка, давшего начало картофелю и томатам, а не чаю или какао.

Чай располагается на своей собственной эволюционной ветке, далекой от всех остальных рассматриваемых видов. Иными словами, необходимо погрузиться глубже в процесс филогенеза, вернувшись в прошлое, чтобы найти предка давшего начало чаю, какао и кофе.

Тот факт, что кофеиносодержащие виды, не являются близкими родственниками, указывает на то, что способность вырабатывать кофеин, вероятней всего, эволюционировала независимо в трех типах растений. Но ученые копают глубже, чтобы проверить гипотезу их кофеиновой конвергенции, исследуя, как развивалась способность вырабатывать кофеин. Если виды независимо развили у себя эту способность, тогда фактический биохимический способ, которым они делают это, может не совпадать, и изучение ДНК может вскрыть разные пути, ведущие к одинаковому результату. И наоборот, если виды унаследовали данную способность от одного общего предка, тогда можно предположить, что они вырабатывают кофеин одинаково.






Филогенез, демонстрирующий эволюционные связи выбранных двудольных растений (растения с особым типом пыльцы, составляющие более половины всех видов растений). Виды, имеющие общего предка, более тесно связаны друг с другом, чем виды, произошедшие не от одного предка. Значок с дымящейся чашкой обозначает виды, вырабатывающие кофеин. Так как эти три вида не являются близко родственными, то наиболее вероятное объяснение, что кофеин эволюционировал независимо в каждой из этих групп (либо же выработка кофеина была родовым свойством, которое независимо утрачивалось много-много раз, но этот сценарий требует гораздо больше эволюционных изменений и, таким образом, менее вероятен).



Кофеин синтезируется путем преобразования исходной молекулы, именуемой ксантозин. Этот процесс осуществляют ферменты, именуемые N-метилтрансферазы (НМТ), которые последовательно отрезают части молекулы ксантозина, а потом добавляют новые. Среди растений существует много типов НМТ, которые выполняют самые разнообразные функции. Так что изначально они эволюционировали не с целью выработки кофеина. Скорее способность производить кофеин стала результатом эволюционного изменения в этих ранее существовавших ферментах, когда ксантозин преобразуется в кофеин.

Изучая геном различных видов, ученые выделили ДНК разных НМТ и обнаружили, что те НМТ, которые были преобразованы в кофе, отличались от тех, которые были преобразованы в чай и какао. Таким образом, эволюционные пути к выработке кофеина были различны – конвергенция осуществилась разными дорогами.



ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ отличается от большинства других наук тем, что ее базовые открытия, касающиеся истории жизни, получены не на основе первопричин. Здесь не работают дедуктивные методы. Нельзя просто подойти к доске и вывести формулу для утконоса. Скорее здесь задействован индуктивный метод, когда общие принципы возникают за счет накопления множества изученных случаев.

Эти исследования позволяют нам отличать то, что происходит регулярно, от того, что случается лишь изредка. Другими словами, эволюция идет самыми разными путями: практически все правдоподобное, что вы можете себе представить, развивалось где-то когда-то у определенных видов. Если подождать, то в конечном итоге произойдет даже самое невероятное. Как сказал математик Ян Малкольм в фильме «Парк Юрского периода»: «Жизнь находит способ». Таким образом, чтобы понять основные модели эволюции жизни, мы задаемся не вопросом «что может случиться?», а «что обычно случается?»





Конец ознакомительного фрагмента. Получить полную версию книги.


Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=51980918) на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.



notes


Примечания





1


Герпетология – раздел зоологии, изучающий пресмыкающихся и земноводных.




2


1 миля – 1609 м, или 1,6 км.




3


Какие-нибудь перфекционисты, увлеченные темой динозавров, могут заметить, что термин «бронтозавр» уже давно не используется. Вместо него по каким-то замысловатым научным причинам применяется термин «апатозавр». Этим брюзжащим всезнайкам я отвечу так: «Ха-ха! Благодаря новым научным открытиям термин «бронтозавр» был восстановлен в 2015 году».




4


На самом деле прототипом этого существа был близкий родственник динозавра дейноних. Одно главное различие между реальным и придуманным существом заключалось в том, что велоцираптор был, вероятно, высотой менее трех футов. Однако вскоре после выхода фильма «Парк Юрского периода» появились публикации, в которых палеонтологи описывали более крупного двоюродного брата велоцираптора под названием ютараптор, который был примерно одного размера с раптором из фильма.




5


Да, это реальная научная дисциплина, которая изучает жизнь во Вселенной, а также ее происхождение здесь, на Земле.




6


1 фут – 0,3048 м.




7


Здесь имеются в виду жесткие прочные иголки, которые наносят наибольший урон противнику. Более тонкие и гибкие иголки зачастую значительно длиннее.




8


В Австралии не только не было волны птичьей колонизации материка, все данные указывают на то, что ряд птичьих семейств, в частности, певчих птиц, зародился в Австралии, и оттуда они распространились по всему свету.




9


Хотя, и это чрезвычайно любопытно, кончики пальцев коал покрыты бороздками и пальцевыми узорами, столь похожими на наши, что специалисты с трудом различают отпечатки пальцев коал и людей.




10


Теперь мы знаем, что не все млекопитающие производят на свет живых детенышей. Утконосы и ехидны, будучи однопроходными млекопитающими, откладывают яйца. Способность вырабатывать молоко и наличие шерсти – два наиболее очевидных признака всех млекопитающих (хотя у некоторых млекопитающих, таких как киты, есть всего несколько усов).