Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни
Шрифт:
Как в случае с любыми двумя видами, когда-то они были едины. Потом предковый вид претерпел “видообразование” и превратился в два новых. Именно это происходит в каждой точке ветвления эволюционного древа. Процесс видообразования начинается с разделения (изоляции) двух популяций одного вида, причем изоляция не всегда обусловлена географически. Из “Рассказа Цихлиды” мы узнаем, что предварительная изоляция приводит к различному статистическому распределению генов в двух популяциях. Это, в свою очередь, обычно приводит к эволюционному расхождению внешних признаков: формы тела, цвета, поведения. В случае узкоротых лягушек западный вид приспособился к более сухому климату. Но самое заметное их различие – брачные крики. Представители обоих видов издают скрипучее “блеяние”, но скрип западного вида продолжается примерно вдвое дольше (две секунды), чем скрип восточного, и его основной тон заметно выше: 4000 Гц против 3000 Гц. Иными словами, основной тон западного узкорота – примерно верхнее до (самая правая клавиша на пианино), тогда как основной тон восточного узкорота – примерно фа диез. Однако это не чистые тона: крики обоих видов содержат звуки выше и ниже основного тона. Просто диапазон восточного вида ниже. Крик западного вида длиннее и начинается с отчетливого писка, который повышается в тоне и затем переходит в скрип. У восточного же вида крик сразу начинается со скрипа.
Зачем я подробно это описываю? А затем, что эти данные верны лишь в зоне перекрывания, где сходство видов наибольшее. В этом суть. Уильям Ф. Блэр записал на пленку крики лягушек из большой выборки в разных штатах США и получил замечательные результаты. В областях, где два вида не встречаются – во Флориде для восточного вида и в Аризоне для западного, – их крики очень похожи: частота основного тона для обоих видов составляет около 3500 Гц (верхнее ля). В областях, близких к зоне перекрывания, но не лежащих в ней, крики двух видов различаются сильнее. Однако самой заметной разница становится именно в зоне перекрывания.
Итак, в зоне перекрывания некая сила заставляет представителей двух видов кричать по-разному. Блэр объясняет это тем, что так выбраковываются гибриды. Естественный отбор поддерживает признаки, которые помогают лягушкам различать виды и избегать неправильного спаривания. Поэтому в области, где это наиболее актуально, различия криков усиливаются. Выдающийся специалист по эволюционной генетике Феодосий Добржанский назвал это “усилением” репродуктивной изоляции. С Добржанским согласны не все, но “Рассказ Узкорота”, похоже, говорит в пользу его точки зрения.
Есть еще причина, по которой близкородственные виды в зоне перекрывания стараются максимально разойтись: конкуренция за ресурсы. В “Рассказе Галапагосского вьюрка” мы увидели, как вьюрки специализируются на поедании разных видов семян. Виды с большими клювами питаются крупными семенами, с маленькими клювами – маленькими семенами. Там, где виды не пересекаются, они могут есть и крупные, и маленькие семена. Однако в зоне перекрывания возникает конкуренция, заставляющая виды эволюционировать в противоположных направлениях. У видов с большим клювом клюв становится еще больше, с маленьким – меньше. Здесь я снова должен напомнить, что фраза “заставляет эволюционировать” – просто метафора. На самом деле происходит следующее: в зоне перекрывания преимущество получают те особи, которые сильнее всего отличаются от особей вида-конкурента.
Такое явление называют “смещением признака” или “обратным градиентом”. Эту схему можно спроецировать на все случаи, в которых два класса организмов в условиях совместной жизни отличаются сильнее, чем в условиях взаимной изоляции. Конечно, у меня возникает искушение провести параллель с человеческим обществом, но я этому искушению не поддамся. Как часто говорят авторы, предлагаю читателю самому поразмыслить над этим.
Рассказ Аксолотля
Мы привыкли думать, что детеныши – это маленькие взрослые. Но это отнюдь не общее правило. У большинства животных все устроено по-другому. Молодые особи живут по-своему, и их образ жизни отличен от родительского. Планктон в основном состоит из плавающих личинок, которые во взрослом состоянии (если доживут; это статистически маловероятно) будут совсем иными. У многих насекомых питание и наращивание тела происходит в основном в личиночной стадии, которая позднее подвергается метаморфозу и превращается во взрослое насекомое, чьей единственной функцией является расселение и размножение. В крайних случаях, например поденки, взрослая форма вообще не питается и (природа всегда скупа) не имеет кишечника и других органов пищеварения.
Гусеница – специализированное на питании устройство. Вырастая до подходящего размера на растительной пище, она фактически перерабатывает собственное тело и превращается в бабочку, которая летает, сосет нектар, выполняющий роль авиатоплива, и размножается. Взрослые пчелы также обеспечивают свои летательные мышцы нектарным “топливом”, когда собирают пыльцу (а это совсем другой вид пищи) для своих червеобразных личинок. Многие личинки насекомых живут под водой до тех пор, пока не превратятся во взрослых особей, летающих по воздуху и распространяющих свои гены по другим водоемам. Очень многие морские беспозвоночные имеют взрослые стадии, живущие на дне и иногда постоянно прикрепленные к одному месту. Но их личиночные стадии сильно отличаются от взрослых: они распространяют свои гены, плавая среди планктона. К таким животным относятся моллюски, иглокожие (морские ежи, морские звезды, морские огурцы, офиуры), оболочники, разнообразные черви, крабы, омары и усоногие рачки. Паразиты обычно проходят ряд личиночных стадий, у каждой из которых характерный образ жизни и способ питания. Часто паразитическими бывают различные стадии, но паразитируют они каждая на своем хозяине. У некоторых паразитических червей пять совершенно разных ювенильных стадий.
Это означает, что особь должна нести в себе полный набор генетических инструкций для каждой личиночной стадии со своим образом жизни. Гены гусеницы “знают”, как сделать бабочку, а гены бабочки “знают”, как сделать гусеницу. Весьма вероятно, что в создание этих радикально разных тел вовлечены одни и те же гены. Другие гены “спят” в теле гусеницы и “включаются” в теле бабочки. Третьи активны в теле гусеницы, но “выключаются”, оказавшись в теле бабочки. Но оба тела несут весь набор генов, который передают следующему поколению. И не стоит удивляться тому, что такие разные животные, как гусеницы и бабочки, время от времени превращаются друг в друга.
Сказки населены лягушками, превращающимися в принцесс, и тыквами, оборачивающимися каретами, и белыми мышами, становящимися белыми лошадьми. Это противоречит идее эволюции. Но это невозможно не по биологическим причинам, а по математическим. Вероятность таких преобразований настолько низка, что может сравниться, скажем, с идеальным раскладом в бридже. Поэтому мы можем пренебречь этой вероятностью. Но гусеница без усилий превращается в бабочку: это происходит постоянно, по правилам, которые складывались под давлением естественного отбора. И хотя еще никто не видел, чтобы бабочка превращалась в гусеницу, это событие не так маловероятно, как превращение лягушки в принцессу. У лягушек нет генов принцесс. Зато у них есть гены головастиков.
Джон Гердон, мой бывший коллега из Оксфорда, продемонстрировал это в 1962 году, превратив взрослую лягушку (точнее, клетку взрослой лягушки) в головастика. Есть мнение, что это первое экспериментальное клонирование позвоночного, которое заслуживает Нобелевской премии. Точно так же у бабочек есть гены для превращения в гусениц. Не знаю, какие именно эмбриологические трудности нужно преодолеть, чтобы заставить бабочку превратиться в гусеницу. Это наверняка очень трудно. Но задача вполне реальна, в отличие от превращения лягушки в принцессу. Если бы биолог объявил, что сумел превратить бабочку в гусеницу, я бы с интересом его выслушал. Но если бы он сказал, что превратил лягушку в принцессу, я бы решил, что он мошенник.
Головастики – это личинки лягушек или саламандр. Водные головастики радикально меняются в процессе метаморфоза, превращаясь во взрослую лягушку или саламандру. Головастик не так сильно отличается от лягушки, как гусеница от бабочки, но это неважно. Типичный головастик живет как рыба: плавает с помощью хвоста, дышит жабрами и питается растительной пищей. Типичная лягушка ведет наземный образ жизни: она не плавает, а прыгает, дышит не растворенным в воде кислородом, а атмосферным воздухом, и является хищником. Но, несмотря на несходство, легко представить, как похожий на лягушку взрослый предок эволюционирует в похожего на головастика взрослого потомка. Ведь у всех лягушек есть гены головастика. На генетическом уровне лягушка “знает”, как создать головастика, а головастик “знает”, как превратиться в лягушку. То же справедливо в отношении саламандр, которые похожи на свои личинки гораздо сильнее, чем лягушки на свои. У взрослых саламандр сохраняется хвост, который, правда, теряет килеобразную форму, свойственную хвосту головастика, и становится округлым в сечении. Личинки саламандр нередко плотоядны, как и взрослые особи. И, как у взрослых, у них есть ноги. Самое заметное различие двух стадий следующее: у личинок длинные перистые внешние жабры. Но, помимо жабр, есть множество менее очевидных различий. Фактически превратить саламандру одного вида в саламандру другого, чья взрослая стадия была бы головастиком, просто: для этого нужно раннее созревание репродуктивных органов и подавление метаморфоза. И все же, если бы в виде ископаемых сохранялись лишь взрослые стадии, это бы выглядело как очень значительное, на первый взгляд “невероятное” эволюционное преобразование.