Прямо перед глазами
Ящерицы острова Мрчара
Сорок пять тысяч поколений: эволюция под микроскопом
Выше я сравнил эволюциониста с детективом, который реконструирует картину преступления по сохранившимся уликам. Но, возможно, я поспешил, сказав, что мы не в состоянии проследить за ходом эволюции. Несмотря на то, что подавляющее большинство эволюционных изменений произошло задолго до появления людей, есть примеры перемен настолько быстрых, что мы можем наблюдать их на протяжении человеческой жизни – буквально собственными глазами.
Есть данные, что подобное может происходить даже с такими медленно размножающимися громадами, как слоны. Дарвин считал слонов примером животных с крайне медленной репродукцией и одной из самых медленных на Земле смен поколений. Одна из основных причин смертности у африканских слонов – люди с ружьями, охотящиеся на них ради бивней. Естественно, охотники выбирают особей с самыми большими бивнями. Это означает, по крайней мере в теории, что особи с меньшими бивнями получают селективное преимущество. Как всегда бывает в эволюции, между разнонаправленными давлениями отбора возникает конфликт, и эволюционные изменения, которые в итоге произойдут, станут результатом компромисса. Слоны с крупными бивнями, без сомнения, имеют существенное преимущество в конкуренции с себе подобными, и это будет в какой-то степени уравновешивать те недостатки, которые проявляются при встрече с охотником. Любое увеличение интенсивности легального или браконьерского отстрела приведет к смещению баланса в сторону уменьшения размера бивней. При прочих равных условиях можно ожидать, что в результате охоты возникнет эволюционная тенденция к уменьшению размера слоновьих бивней. И чтобы эта тенденция обнаружила себя, не требуются тысячелетия.
В графике ниже приведены данные Департамента по делам охоты в Уганде, опубликованные в 1962 году: вес бивней слонов, отстреленных по лицензии в 1925–1958 годах, когда Уганда была протекторатом Британской империи. Точками обозначены среднегодовые значения. Линия, проведенная между точками, построена не на глаз, а при помощи статистического метода линейной регрессии. Заметно, что на протяжении тридцати пяти лет средняя масса бивней постоянно снижалась. Более того, тенденция обладает очень большой статистической достоверностью, что скорее всего означает, что перед нами действительно тенденция, а не просто совпадение.
Вес бивней добытых в Уганде слонов
Статистически значимая тенденция к снижению веса слоновьих бивней не обязательно означает, что мы наблюдаем эволюцию в действии. Если бы вы нарисовали график среднего роста двадцатилетних мужчин в XX веке, то обнаружили бы, что во многих странах мужчины стали существенно выше. Однако, как считается, эволюция здесь ни при чем: это скорее результат улучшения питания. Тем не менее, в случае слонов мы имеем веские причины предполагать, что идет активный отбор против особей с крупными бивнями. Более того, хоть график и построен на основании данных о деятельности легальных охотников, наибольшее эволюционное давление, вероятно, оказывают браконьеры. Надо всерьез рассмотреть возможность того, что в данной ситуации мы имеем дело с эволюционной тенденцией, причем быстро наметившейся. При этом нам не следует делать слишком далеко идущие выводы. Вполне возможно, мы наблюдаем сильный естественный отбор, имеющий высокие шансы отразиться на генофонде, но такие генетические эффекты пока не заметны. Может быть также, что различия между особями с большими и маленькими бивнями имеют негенетическую природу. Тем не менее я со всей серьезностью отношусь к возможному эволюционному объяснению наблюдаемых изменений.
Важно то, что мой коллега доктор Иэн Дуглас-Гамильтон, мировой авторитет в области изучения африканских слонов, также воспринимает эту гипотезу весьма серьезно и уверен в необходимости тщательного исследования феномена. Он считает, что тенденция обозначилась задолго до 1925-го и продолжается после 1958 года. Более того, у него есть причины думать, что эта же тенденция в прошлом привела к отсутствию бивней у многих популяций азиатских слонов. Похоже, мы наблюдаем случай быстрой эволюции, случай, исследование которого окупится сторицей.
Перейдем теперь к случаю, который демонстрирует более чем интересные современные результаты эволюции: к ящерицам с островов Адриатического моря.
Есть данные, что подобное может происходить даже с такими медленно размножающимися громадами, как слоны. Дарвин считал слонов примером животных с крайне медленной репродукцией и одной из самых медленных на Земле смен поколений. Одна из основных причин смертности у африканских слонов – люди с ружьями, охотящиеся на них ради бивней. Естественно, охотники выбирают особей с самыми большими бивнями. Это означает, по крайней мере в теории, что особи с меньшими бивнями получают селективное преимущество. Как всегда бывает в эволюции, между разнонаправленными давлениями отбора возникает конфликт, и эволюционные изменения, которые в итоге произойдут, станут результатом компромисса. Слоны с крупными бивнями, без сомнения, имеют существенное преимущество в конкуренции с себе подобными, и это будет в какой-то степени уравновешивать те недостатки, которые проявляются при встрече с охотником. Любое увеличение интенсивности легального или браконьерского отстрела приведет к смещению баланса в сторону уменьшения размера бивней. При прочих равных условиях можно ожидать, что в результате охоты возникнет эволюционная тенденция к уменьшению размера слоновьих бивней. И чтобы эта тенденция обнаружила себя, не требуются тысячелетия.
В графике ниже приведены данные Департамента по делам охоты в Уганде, опубликованные в 1962 году: вес бивней слонов, отстреленных по лицензии в 1925–1958 годах, когда Уганда была протекторатом Британской империи. Точками обозначены среднегодовые значения. Линия, проведенная между точками, построена не на глаз, а при помощи статистического метода линейной регрессии. Заметно, что на протяжении тридцати пяти лет средняя масса бивней постоянно снижалась. Более того, тенденция обладает очень большой статистической достоверностью, что скорее всего означает, что перед нами действительно тенденция, а не просто совпадение.
Статистически значимая тенденция к снижению веса слоновьих бивней не обязательно означает, что мы наблюдаем эволюцию в действии. Если бы вы нарисовали график среднего роста двадцатилетних мужчин в XX веке, то обнаружили бы, что во многих странах мужчины стали существенно выше. Однако, как считается, эволюция здесь ни при чем: это скорее результат улучшения питания. Тем не менее, в случае слонов мы имеем веские причины предполагать, что идет активный отбор против особей с крупными бивнями. Более того, хоть график и построен на основании данных о деятельности легальных охотников, наибольшее эволюционное давление, вероятно, оказывают браконьеры. Надо всерьез рассмотреть возможность того, что в данной ситуации мы имеем дело с эволюционной тенденцией, причем быстро наметившейся. При этом нам не следует делать слишком далеко идущие выводы. Вполне возможно, мы наблюдаем сильный естественный отбор, имеющий высокие шансы отразиться на генофонде, но такие генетические эффекты пока не заметны. Может быть также, что различия между особями с большими и маленькими бивнями имеют негенетическую природу. Тем не менее я со всей серьезностью отношусь к возможному эволюционному объяснению наблюдаемых изменений.
Важно то, что мой коллега доктор Иэн Дуглас-Гамильтон, мировой авторитет в области изучения африканских слонов, также воспринимает эту гипотезу весьма серьезно и уверен в необходимости тщательного исследования феномена. Он считает, что тенденция обозначилась задолго до 1925-го и продолжается после 1958 года. Более того, у него есть причины думать, что эта же тенденция в прошлом привела к отсутствию бивней у многих популяций азиатских слонов. Похоже, мы наблюдаем случай быстрой эволюции, случай, исследование которого окупится сторицей.
Перейдем теперь к случаю, который демонстрирует более чем интересные современные результаты эволюции: к ящерицам с островов Адриатического моря.
Ящерицы острова Мрчара
В Адриатическом море, неподалеку от хорватского берега, лежат два островка – Копиште и Мрчара. На Копиште существовала популяция обычной для Средиземноморья ящерицы Podarcis sicula, которая питается в основном насекомыми. На острове Мрчара таких ящериц не было. В 1971 году экспериментаторы переселили пять пар P. sicula с Копиште на Мрчару. В 2008 году другая группа ученых, в основном бельгийских, связанная с Энтони Херрелом, посетила острова, чтобы проверить, что произошло за это время. Исследователи нашли на Мрчаре процветающую популяцию ящериц, и анализ их ДНК подтвердил, что это действительно P. sicula. Предполагается, что все эти животные – потомки переселенных на остров пяти пар. Херрел и его коллеги наблюдали за потомками ящериц-переселенцев и сравнили их с ящерицами, живущими на Копиште. Обнаружились существенные различия. Ученые вполне резонно предполагали, что ящерицы Копиште за последние тридцать шесть лет не изменились и, таким образом, соответствуют предкам переселенных на Мрчару ящериц (точнее, являются их современниками предкового типа). Пусть даже такое предположение ошибочно и, например, ящерицы Копиште эволюционировали с такой же скоростью, как на острове Мрчара, мы все равно собственными глазами, на протяжении всего нескольких десятилетий, наблюдаем расхождение популяций.
Что же за различия (да еще и проявившиеся всего за тридцать семь лет или около того) обнаруживаются между двумя островными популяциями? У ящериц острова Мрчара, представителей “эволюционировавшей” популяции, головы существенно больше, чем у их сородичей на Копиште – длиннее, шире и выше. Почему? Очень просто: более крупная голова предполагает наличие более сильных челюстей. Как правило, такие изменения морфологии связаны с переходом на предпочтительно растительную диету – и действительно, ящерицы острова Мрчара употребляют существенно больше растительной пищи, чем их предки с Копиште. В отличие от ящериц Копиште, по-прежнему в основном насекомоядных, обитатели Мрчары питаются преимущественно растениями, особенно летом.
Летний рацион ящериц P. sicula, обитающих на адриатических островах Копиште и Мрчара
Почему при переходе к растительноядности животному нужны более сильные челюсти? Потому, что стенки растительных клеток, в отличие от клеток животных, укреплены целлюлозой. Зубы травоядных животных – лошадей, коров и слонов – подобно жерновам перемалывают целлюлозу, тогда как острые, похожие на клинки зубы хищников предназначены для разрывания мяса, а игольчатые зубы характерны для насекомоядных животных. Жевательная мускулатура травоядных более массивна, и череп обладает выраженным рельефом для прикрепления мышц (вспомните “гребень” на черепе гориллы)[27].
Кишечник травоядных также устроен иначе. В общем, животные не способны переваривать целлюлозу без помощи бактерий или иных симбионтов, и многие позвоночные имеют специальный отросток кишечника – слепую кишку, в которой поселяются бактерии. Фактически слепая кишка работает как ферментационная камера (аппендикс – рудимент более крупной слепой кишки наших в основном растительноядных предков). У многих специализированных травоядных живот ных слепая кишка и другие отделы кишечника приобретают весьма сложное строение. Среди приспособлений, развивающихся в их пищеварительном тракте, не последнее место занимает цекальный клапан. Он представляет собой не полностью замкнутый, иногда мускульный участок, способный регулировать, замедлять или ускорять поток химуса через кишечник либо увеличивать площадь внутренней поверхности слепой кишки. На рисунке изображена вскрытая слепая кишка ящерицы, диета которой состояла в основном из растительной пищи.
Слепая кишка ящерицы. Стрелка указывает на цекальный клапан
Вернемся к нашим ящерицам. Самое удивительное то, что хотя цекальный клапан у P. sicula практически не выражен и в целом редок у представителей семейства, к которому относится эта ящерица, он (клапан) начал появляться у представителей популяции, живущей на острове Мрчара, – популяции, которая на протяжении последних тридцати семи лет эволюционирует в сторону травоядности. Исследователи увидели и другие эволюционные изменения. Плотность проживания ящериц возросла, они прекратили охранять свою территорию, как делают представители предковой популяции на Копиште. Хочу еще раз напомнить: единственное, что удивительно в этой истории, – то, что все события происходят чрезвычайно быстро, буквально перед нашими глазами.
Что же за различия (да еще и проявившиеся всего за тридцать семь лет или около того) обнаруживаются между двумя островными популяциями? У ящериц острова Мрчара, представителей “эволюционировавшей” популяции, головы существенно больше, чем у их сородичей на Копиште – длиннее, шире и выше. Почему? Очень просто: более крупная голова предполагает наличие более сильных челюстей. Как правило, такие изменения морфологии связаны с переходом на предпочтительно растительную диету – и действительно, ящерицы острова Мрчара употребляют существенно больше растительной пищи, чем их предки с Копиште. В отличие от ящериц Копиште, по-прежнему в основном насекомоядных, обитатели Мрчары питаются преимущественно растениями, особенно летом.
Почему при переходе к растительноядности животному нужны более сильные челюсти? Потому, что стенки растительных клеток, в отличие от клеток животных, укреплены целлюлозой. Зубы травоядных животных – лошадей, коров и слонов – подобно жерновам перемалывают целлюлозу, тогда как острые, похожие на клинки зубы хищников предназначены для разрывания мяса, а игольчатые зубы характерны для насекомоядных животных. Жевательная мускулатура травоядных более массивна, и череп обладает выраженным рельефом для прикрепления мышц (вспомните “гребень” на черепе гориллы)[27].
Кишечник травоядных также устроен иначе. В общем, животные не способны переваривать целлюлозу без помощи бактерий или иных симбионтов, и многие позвоночные имеют специальный отросток кишечника – слепую кишку, в которой поселяются бактерии. Фактически слепая кишка работает как ферментационная камера (аппендикс – рудимент более крупной слепой кишки наших в основном растительноядных предков). У многих специализированных травоядных живот ных слепая кишка и другие отделы кишечника приобретают весьма сложное строение. Среди приспособлений, развивающихся в их пищеварительном тракте, не последнее место занимает цекальный клапан. Он представляет собой не полностью замкнутый, иногда мускульный участок, способный регулировать, замедлять или ускорять поток химуса через кишечник либо увеличивать площадь внутренней поверхности слепой кишки. На рисунке изображена вскрытая слепая кишка ящерицы, диета которой состояла в основном из растительной пищи.
Вернемся к нашим ящерицам. Самое удивительное то, что хотя цекальный клапан у P. sicula практически не выражен и в целом редок у представителей семейства, к которому относится эта ящерица, он (клапан) начал появляться у представителей популяции, живущей на острове Мрчара, – популяции, которая на протяжении последних тридцати семи лет эволюционирует в сторону травоядности. Исследователи увидели и другие эволюционные изменения. Плотность проживания ящериц возросла, они прекратили охранять свою территорию, как делают представители предковой популяции на Копиште. Хочу еще раз напомнить: единственное, что удивительно в этой истории, – то, что все события происходят чрезвычайно быстро, буквально перед нашими глазами.
Сорок пять тысяч поколений: эволюция под микроскопом
Частота смены поколений у ящериц P. sicula не превышает двух лет, поэтому эволюционные изменения, которые мы наблюдаем на острове Мрчара, произошли всего за восемнадцать-девятнадцать поколений. Теперь задумайтесь: что если на протяжении трех-четырех десятилетий следить за эволюцией бактерий? Бактерий, поколения которых сменяются не за годы, а в течение нескольких часов, даже минут? Бактерии преподносят эволюционисту и другой бесценный подарок: в некоторых случаях их можно на неограниченное время заморозить, а после оживить, и они продолжат размножаться как ни в чем не бывало. Таким образом, экспериментаторы могут составлять собственную “палеонтологическую летопись”, делать мгновенный снимок состояния эволюционного процесса в любой его точке. Представьте: если бы мы могли вернуть к жизни “Люси”, человеческого предка, чьи окаменелые остатки были найдены Дональдом Йохансоном, из глубокой заморозки и предоставить ей как представительнице своего вида возможность размножаться и эволюционировать! Именно это и сумел проделать с бактерией Escherichia coli Ричард Ленски и его коллеги из Мичиганского университета. В наши дни многие исследования по плечу только большому коллективу ученых. Когда я буду рассказывать, что “Ленски сделал то-то”, меня следует понимать так: “Ленски со своими сотрудниками и студентами”. Мы увидим, почему эксперименты Ленски так нервируют креационистов.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента