Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Глава 6
Новые виды, или Как предотвратить скрещивание
Вид — одно из самых странных и спорных понятий в биологии. Оно было введено английским ботаником Джоном Рэем в XVII веке. Вид, определенный Рэем, представлял собой череду неизменных предков и потомков, причем родитель мог дать начало только такому же, как и он сам, организму. Рэй наблюдал на своем огороде, что из семян культурного растения может вырасти только то же самое растение, а сорняки вырастают из других, своих собственных семян или корневищ (в то время многие думали, что они появляются из тех же семян культурных растений нежелательным, хотя и неизбежным приращением). Так что исходное определение вида такое: совокупность тождественных друг другу организмов, способных давать подобное себе потомство.
Через несколько промежуточных ступеней концепция вида обрела помимо свойства устойчивости еще и свойство изменчивости. С одной стороны, очевидно, что в природе действительно существуют более или менее четко обособленные совокупности похожих особей, которые, как правило, могут скрещиваться и производить плодовитое потомство и которые связаны более тесным родством друг с другом, чем с представителями других подобных совокупностей. С другой стороны, особи в группе никогда не бывают на одно лицо, как двое из ларца. С третьей, далеко не всегда удается четко и однозначно определить, где проходит граница, какие группы особей следует считать самостоятельнымии видами, а какие — только подвидами, породами или разновидностями. Поэтому попытки дать виду строгое определение, избавиться от всех «более или менее» и «как правило» неизменно терпят неудачу. Предложены десятки «концепций вида», сотни критериев, тысячи определений — все без толку. Понятие как было расплывчатым и нечетким, так и осталось.
Удивляться тут нечему. Как отмечал еще Дарвин, виды не должны, да и не могут быть совершенно четкими и дискретными. Ведь их главное свойство — пластичность, способность постепенно меняться в силу законов изменчивости, наследственности и отбора. Между разновидностью и видом нет четкой грани, потому что разновидности со временем могут стать видами, а существующие сегодня виды в прошлом были всего лишь разновидностями каких-то других, предковых видов. В современной биосфере мы застали разные совокупности особей на разных стадиях этого процесса. По-видимому, периоды относительно стабильного существования вида чередуются с периодами быстрых изменений, причем первые продолжаются в среднем дольше. Именно поэтому в биосфере все-таки преобладают «хорошие», четко обособленные виды, в то время как спорные, переходные случаи встречаются реже. Хотя и это тоже спорно. Трудно найти такую группу животных или растений, в классификации которой не было бы сомнительных мест.
При всей расплывчатости формального определения виды все же реальны, по крайней мере у организмов, размножающихся половым путем. Вид — это прежде всего единый генофонд, совокупность аллелей, эволюционирующих как одно целое (см. главу 3). С бесполыми организмами сложнее. Непонятно, как провести грань между разновидностью и видом, например, у бделлоидных коловраток. Как бы мы ни старались, и то и другое — всего лишь совокупности более или менее родственных, конкурирующих друг с другом клонов, неспособных к регулярному обмену наследственным материалом. Тем не менее специалисты по коловраткам изо всех сил стараются (честно говоря, не слишком успешно) поделить на четкие виды как моногононтных коловраток, размножающихся половым путем, так и бесполых бделлоидных — и поди разбери, что при этом имеется в виду на самом деле.
—————
Эволюция видов и языков: единство постепенности и дискретности
Эволюция языков похожа на эволюцию биологических видов, хотя это сходство не следует преувеличивать. Лингвистическая эволюция в основном нейтральна — не имеет приспособительного характера. Нельзя утверждать, например, что грамматика чукотского языка лучше приспособлена к холодному климату, чем грамматика языков африканцев. В биологической эволюции, впрочем, тоже велик элемент нейтральности. Для построения эволюционных деревьев биологи предпочитают использовать именно нейтральные признаки. Дело в том, что приспособительные признаки — менее надежное свидетельство родства. Они могут возникать у неродственных форм в сходных условиях из-за одинаковой направленности отбора. Специалисты по исторической лингвистике активно и успешно используют математические методы построения эволюционных деревьев, разработанные биологами (Lieberman et al., 2007; Pagel et al., 2007).
Аналогия с эволюцией языков помогает лучше понять два ключевых свойства биологической эволюции (на первый взгляд противоречивых): постепенность изменений и относительную дискретность видов.
С постепенностью все просто. Языки, как и виды, эволюционируют путем накопления мелких изменений. Один язык (например, латынь) превращается в другой (например, итальянский) постепенно. Каждое следующее поколение говорит лишь немного иначе, чем предыдущее. Не бывает так, чтобы родители, говорящие на латыни, родили детей, которые, научившись говорить, вдруг заговорили по-итальянски. Так же и в эволюции видов: родители одного вида не могут родить детенышей, относящихся уже к другому виду (в одном научно-популярном фильме были кадры, в которых мамочка из породы питекантропов родила сапиентного детеныша и с удивлением его разглядывает. Такого, конечно, не бывает). Переход происходит плавно и незаметно. Четкие различия проявляются, только если сравнивать конечные звенья длинной цепи постепенных изменений.
Менее очевидны причины дискретности. Несмотря на множество наблюдаемых случаев плавных переходов между видами, гибридных зон, кольцевых видов и тому подобного, большинство видов все-таки дискретны — имеют четкие границы. Обычно между видами есть заметные разрывы (хиатусы) как в геномных последовательностях, так и по видимым признакам. Если виды все время меняются, почему разнообразие все-таки структурировано, почему мы не наблюдаем повсюду одни лишь плавные переходы?
Одна из причин — дискретность экологических условий и пониженная конкурентоспособность промежуточных форм. Например, в тайге условия одни, среди арктических льдов — другие, к первым условиям лучше приспособлен бурый медведь, ко вторым — белый. Промежуточные формы в обоих биотопах будут проигрывать в конкурентной борьбе живущим там специалистам. О таком механизме формирования дискретности, основанном на пониженной приспособленности малочисленных промежуточных форм, писал еще Дарвин. Дополнительное объяснение можно получить из аналогии с языками.
Языки тоже в основном дискретны. Конечно, в зонах смешения разноязычных народов часто формируются гибридные диалекты (аналог гибридных зон в биологии). Но все-таки большинство людей говорит на каком-то определенном языке, а не на смешанном диалекте. Главная причина дискретности в биологии и лингвистике, по-видимому, одна и та же. Человеку выгодно уметь свободно и полноценно обмениваться информацией с достаточно большой популяцией себе подобных. Говорить на смеси русского и немецкого неудобно: плохо будут понимать и русские, и немцы. Живым организмам точно так же выгодно уметь свободно и полноценно обмениваться генами (смешивая их в потомстве) с достаточно многочисленной группой особей. В пределах каждого генофонда гены под действием отбора притираются, приспосабливаются друг к другу. Иметь в своем геноме смесь генов, приспособленных к разным генофондам, невыгодно, потому что потомство такого организма от скрещивания с любой из «чистых» форм, скорее всего, будет иметь пониженную жизнеспособность. Преимущество свободного обмена информацией (словесной или генетической) в пределах достаточно больших популяций в тенденции приводит к формированию и поддержанию наблюдаемой дискретности. В природе часто возникают межвидовые гибриды, но численность их, как правило, остается небольшой, а их потомство в будущем может постепенно разойтись по двум исходным видам. Попадая в генофонд вида А, смешанный набор генов гибридной особи будет под действием отбора постепенно очищен от «посторонних примесей», так что в итоге в генофонде останутся только гены, хорошо приспособленные именно к этому генофонду. То же самое произойдет и с теми генами гибрида, которые будут подвергаться отбору в пределах генофонда Б. Именно поэтому межвидовая гибридизация, явление довольно частое, лишь изредка приводит к слиянию двух разошедшихся видов в один.
—————
Хоть биологи и не могут дать четкого определения вида, видообразование (появление новых видов) является фундаментальным эволюционным процессом. Опять-таки это относится в первую очередь к организмам, размножающимся половым путем. Микробиологи, скажем по секрету, уже махнули рукой на попытки выстроить «нормальную» классификацию своих объектов на видовом уровне и предпочитают говорить о линиях, штаммах и клонах. Считать ли, например, бактерий, выработавших в эксперименте Ленски способность питаться цитратом, новым видом бактерий? Никто не знает. Непонятно, как решать подобные вопросы в принципе. Разве что голосованием.
Но у эукариот, практикующих половое размножение, понятие «вид» — нечто большее, чем просто условность. Пока две популяции не превратились в два разных вида, между ними продолжается генетический обмен, их генофонд развивается как единое целое, их эволюционные судьбы тесно связаны. Они могут выработать мелкие различия, адаптируясь к местным условиям, как хомячки в районах со светлой и темной почвой, но поток генов между популяциями будет эти различия постоянно размывать. Чтобы различия между популяциями начали накапливаться, чтобы популяция получила шанс пойти своим, независимым эволюционным путем, поток генов, связывающий ее с другими популяциями, должен прекратиться или как минимум резко уменьшиться. Должна возникнуть репродуктивная изоляция. Это обязательное условие видообразования (Mayr, 1942). История рождения нового вида — это история последовательного формирования разных типов репродуктивной изоляции, накладывающихся друг на друга. Одни формы изоляции начинают процесс видообразования, другие его продолжают, третьи заканчивают, делая разделение необратимым. Последовательность событий, приводящих к видообразованию, может быть очень разной.
В роли первичного изолирующего фактора может выступать географический барьер (морской пролив, пустыня, горный хребет, широкая река). В этом случае говорят об аллопатрическом или географическом видообразовании. Но барьер может и не быть таким масштабным, он может иметь совсем другую, негеографическую природу. Барьером могут стать экологические или поведенческие свойства видов. Например, популяции могут разойтись по разным кормовым растениям или по срокам размножения. Такое видообразование, происходящее без помощи географического барьера, называют симпатрическим или экологическим.
Независимо от природы первичного изолирующего барьера разделившиеся популяции рано или поздно становятся генетически несовместимыми. Возникает постзиготическая изоляция, проявляющаяся в снижении жизнеспособности или плодовитости гибридного потомства. «Постзиготическая» значит «после образования зиготы». То есть происходит скрещивание, оплодотворение, формируется зигота — а все проблемы начинаются уже потом. Состоят они в пониженной приспособленности этой зиготы и организма, который из нее вырастет. Постзиготическая изоляция — не адаптация, развившаяся под действием отбора. Она лишь побочное следствие накопления генетических различий между популяциями (см. ниже).
Аллопатрическое (a) и симпатрическое (б) видообразование.
Если две разобщенные популяции, между которыми уже возникла частичная постзиготическая изоляция, вдруг встретятся (например, из-за исчезновения географического барьера, разделявшего их), то они, скорее всего, поначалу будут охотно скрещиваться друг с другом. Но гибридное потомство будет иметь пониженную приспособленность, а это значит, что отбор поддержит любые мутации, снижающие вероятность гибридизации и способствующие выбору «своих» в качестве брачных партнеров. Этот эффект называется «усилением» (reinforcement), и он приводит к тому, что представители разошедшихся популяций перестают даже пытаться спариться друг с другом. На этом этапе могут быстро развиться разнообразные изолирующие механизмы, в том числе морфологические (например, различия в строении копулятивных органов) и поведенческие (разные брачные наряды и ритуалы ухаживания). Эти механизмы уже являются настоящими адаптациями для предотвращения гибридизации, поскольку они развились под действием отбора. Изоляция, порождаемая такими адаптациями, называется презиготической (до образования зиготы).