Текст книги "Нескучная биология"

Эволюция

Теперь, несколько забегая вперед, скажем, что такое эволюция. Вообще, evolutio – латинское слово, означающее развертывание свитка, листание книги, чтение. Само значение слова «эволюция» предполагает, что речь идет о неком постепенном процессе развертывания или развития. Большинство людей, говоря об эволюции, имеют в виду развитие жизни на планете вообще. Взяв в руки учебник биологии, вы узнаете, что жизнь на Земле начиналась с примитивных одноклеточных существ. Эти существа постепенно, от поколения к поколению, на протяжении миллиардов лет изменялись, становились все более сложными, и в результате от них произошли современные зайцы, георгины, верблюды, ананасы и мы с вами. Это и есть эволюция. В общем, все правильно. Но профессиональные биологи мыслят несколько более конкретно. Они называют эволюцией любое необратимое изменение наследственной информации, которой владеет вид.

Представьте себе, что небольшая стайка мелких птиц, спокойно летящая вдоль морского побережья, была подхвачена ураганом и унесена на тысячу километров от берега. Такие случаи совсем не редкость. Стайке повезло, пичуги увидели маленький островок в океане, приземлились и остались в живых. Через какое-то время стайка размножилась, но в результате дрейфа генов (стайка-то невелика) утеряли какие-то аллели. Потом в результате рекомбинации возникло сочетание признаков, которое на материке особого смысла не имело, а здесь оказалось полезным. Случилась пара мутаций, пусть даже бесполезных самих по себе, но изменивших взаимодействие генов. Генотип изменился, изменились и признаки строения, изменилось поведение. Затем Господь бог глянул на старушку Землю, тряхнул ее как следует, и между островом и материком возник перешеек. Птахи встретились со своими предками, которые остались на их, забытой уже, родине. Если изменения признаков зашли так далеко, что родичи или не узнали друг друга (изменилась окраска или ритуал ухаживания, скажем, песня), или генофонды оказались несовместимыми – все, обратного пути нет. Произошла эволюция. Если же спаривание возможно, то генофонд маленькой островной популяции быстренько растворится в многочисленном населении материка. Процесс оказался обратимым, эволюции нет, есть простое изменение частоты аллелей и некоторых генов. Уловили суть? Эволюция – это когда исчезла возможность скрещивания, возникла репродуктивная изоляция. Иными словами, эволюция – это возникновение новых видов, и ничего более.

Поскольку эволюция – это процесс, причем, как правило, неторопливый, то четкой границы между эволюцией и «неэволюцией» тоже нет. Тряхни Господь Землю пораньше, и возможность скрещивания, пусть неполная, но сохранилась бы. Вообще, видообразование – штука очень интересная, и мы еще поговорим о нем подробней.

Что такое приспособленность

Хотя мы уже не раз произносили слово «приспособленность» и вроде всем ясно, что оно значит, но понятие это настолько важное, что имеет смысл поговорить о нем подробней.

Вот, например, зеленый крокодил, живущий в мутно-зеленой реке Лимпопо. Он быстр, зорок и силен, он таится в засаде, и заметить его невозможно. Он охотится на антилоп, приходящих к водопою, гораздо лучше своих черных и не таких шустрых собратий. Он лучше приспособлен к жизни в Лимпопо, чем они? Но у этого зеленого крокодила есть один маленький дефект – у него плохо развита координация тонких и слабых движений челюсти. Он не может помочь своим детям освободиться от яичной скорлупы и осторожно перенести их из гнезда в безопасный водоем. Это не шутка, нильские крокодилы действительно очень заботливые родители и в самом деле охраняют гнездо, помогают детям вылупиться, относят их в безопасное место, да и там еще охраняют от многочисленных любителей маленьких крокодильчиков, пока дети не подрастут.

Самка нильского крокодила с детенышами

Наш суперкрокодил не оставит потомства, все его гены, обеспечивающие ему зоркость, силу и зеленый цвет, пропадут зазря. Естественный отбор его забракует. Так что такое приспособленность? Приспособленность – это СОЧЕТАНИЕ всех признаков и способностей, причем не обязательно наилучшее в данных условиях, оно может быть просто достаточным. А показателем приспособленности биологи считают число потомков, доживших до половой зрелости и оставивших, в свою очередь, больше потомков, чем дети соседа. То есть приспособленность организма определяется числом его детей, внуков и правнуков. Никакого другого способа оценить приспособленность нет. Биологи называют это итоговой приспособленностью.

Таким образом, приспособленность с точки зрения естественного отбора – это способность гена сохраняться из поколения в поколение. Приспособленность к охоте – тоже приспособленность, но другая. Это, так сказать, частная приспособленность. В русскоязычной биологической литературе приспособленность организма (или его отдельной части) к выполнению определенной работы чаще называют, приспособлением, или адаптацией. Но строгих правил тут нет, так что каждый раз нужно хорошо понимать, о какой приспособленности идет речь.

Эволюционисты пользуются словами, которые кажутся понятными всем – естественный отбор, выживание наиболее приспособленных, борьба за существование. Быть может, поэтому после появления теории эволюции о ней принялись рассуждать все, кому не лень. Дарвин, кстати, в своих книгах чуть ли не через страницу предупреждал, что эти слова употребляются в метафорическом смысле, и разжевывал их истинное значение. Не помогло. За теорию Дарвина с восторгом ухватились экономисты, социологи и просто любители поразмышлять после обеда о смысле жизни. Теорию начали применять «в лоб» к общественной жизни человека, где она, кстати сказать, в таком «лобовом» виде практически не работает. Борьбу за существование представляли как дра-ку за кусок хлеба, а самым приспособленным признавался тот, кто сумел больше остальных нахапать. Очень удобная позиция, и совесть не мучает – ничего не поделаешь, эволюция. С точки зрения квалифицированного зоолога – бред сивой кобылы. Приличные социологи это, кстати, тоже понимали.

Куда ведет отбор

Любой вид живых существ – это поле боя двух противоположных сил. Рекомбинации и мутации изо всех сил стремятся увеличить разнообразие свойств – увеличить изменчивость. Кроме того, популяции, и даже виды в целом, редко бывают ну совсем уж наглухо изолированы друг от друга. В любой почти популяции время от времени, а порой и весьма часто появляются пришельцы из других популяций. Поскольку предки этих пришельцев несколько поколений жили в других условиях, то пришельцы могут принести аллели (или мутации аллелей), которые в этой местности редки или даже совсем отсутствуют. Иногда, особенно между близкими видами и особенно у растений, случаются и межвидовые скрещивания. Такие «незаконные» браки тоже приносят в популяцию новый генетический материал. Эта штука называется потоком генов, и она тоже работает на увеличение изменчивости.

С другой стороны выступают дрейф генов и естественный отбор, которые эту изменчивость уменьшают. Дрейф генов – это случайное увеличение или уменьшение (вплоть до полного выпадения) доли какого-то аллеля из-за колебаний численности популяции. Особенно сильно дрейф генов проявляется в маленьких популяциях. С отбором тоже все понятно, он давит на носителей определенных аллелей (на то он и отбор), снижает частоту этих аллелей и, соответственно, как правило, снижает генетическое разнообразие. Собственно, результат этой борьбы и есть эволюция. По результат может быть разным, отбор может двигать вид в самых разных направлениях, а может и заставить топтаться на месте.

Если измерить признаки особей какой-либо популяции, например длину хвоста, чувство юмора или остроту зрения, то окажется, что большинство животных (или растений) обладает средненькими признаками. Чем сильнее признак отклоняется от средней величины, неважно, в большую или меньшую сторону, тем реже такое отклонение встречается. В большинстве случаев отбор «откусывает» от популяции как раз тех и без того сравнительно редких особей, которые уклоняются от золотой середины. В природе действует так называемый «трамвайный закон» – не высовывайся! Возьмем самый простой пример – плодовитость.

Самки, скажем, водяной полевки, которые рождают совсем немного детенышей, оказываются в явном проигрыше по сравнению с самками плодовитыми. Их вклад в последующее поколение полевок окажется меньше, то есть частота «гена низкой плодовитости» будет все время снижаться. Но очень большой выводок трудно прокормить, детеныши будут мельче и слабее, они будут чаще гибнуть, и вклад очень плодовитых самок окажется тоже невелик. В наиболее выгодном положении окажутся самки с плодовитостью средней. Это касается любого признака. Та же шерсть, если она очень редкая, то это плохо – холодно. Но слишком длинная и густая шерсть тоже порой ничего хорошего, хотя бы потому, что она будет за все цепляться.

Водяная полевка

Первым, насколько известно, сообщил о «трамвайном законе» канадский орнитолог Гораций Бумпус в конце XIX столетия. Как-то в жесточайший мороз он подобрал и притащил домой целую стаю полумертвых воробьев. Выжило из них меньше половины. Из чистого любопытства он измерил у всех воробьев длину тела, длину крыла, цевки, хвоста и клюва. Это стандартные промеры, которые входят в описание любого вида птиц. К собственному удивлению, он обнаружил, что выжившие воробьи имели показатели, близкие к средним для этого вида. А у погибших эти признаки широко варьировали.

Череп совы: 1 – глазницы; 2 – камера среднего и внутреннего уха; 3 – мозговая коробка

Ну а, скажем, острота зрения или скорость бега? Вроде бы, чем лучше вы видите и чем быстрей бегаете, тем лучше. Значит, есть такие признаки, которые отбор всегда будет двигать только в одну сторону? Не все так просто. Та же острота зрения в первую очередь требует увеличения размеров глаза. Хотя глаза орлов, сов или кошек не кажутся такими уж большими, но на самом деле это разрез век у них небольшой. Само же глазное яблоко у остроглазых животных огромное. А чем больше глазное яблоко, тем меньше развиты челюстные мышцы. Для них просто не остается места. И располагаться им приходится «неудобно», чтобы дать место глазу. Значит, чем лучше зрение – тем слабее челюсти.

Отбор уничтожает не только анатомические, так сказать, крайности. Он не любит крайностей и в поведении. Хорошо известно, что у многих животных жертвами хищников становятся в первую очередь те, кто занимает в сообществе самое высокое и самое низкое положение. Изгои гибнут потому, что у них нет хорошего постоянного убежища, потому, что они вынуждены кочевать постоянно с места на место, потому, что их вытесняют из мест с хорошим кормом и они вынуждены много времени тратить на поиски пищи, вместо того чтобы сидеть себе спокойненько в норке и наслаждаться жизнью. Но и баловням фортуны не проще. Прежде всего потому, что лидер должен постоянно поддерживать свое лидерство. Он должен изгонять со своей территории чужаков, показывать кузькину мать подчиненным, постоянно демонстрировать самкам, какой он могучий и непобедимый. Так что времени на то, чтобы сидеть в норке, у него тоже не очень много.

Отбор, который благоприятствует среднему состоянию признаков, называется стабилизирующим. И работает только в сравнительно стабильных условиях. Но вот условия изменились. Скажем, резко повысилось количество корма. Животные получили возможность благополучно выкармливать помногу детенышей, большие выводки теперь прекрасно выживают. Отбор перестал давить на самок с повышенной плодовитостью, но еще сильнее давит на самок с низкой. Средняя плодовитость популяции начала увеличиваться. Это уже направленный отбор, смещающий признаки в одну сторону. И он будет работать до тех пор, пока плодовитость не придет в соответствие с новыми условиями. Тогда он снова превратится в отбор стабилизирующий.

Березовая пяденица: черная и белая формы

Один из самых ярких примеров направленного отбора – изменение окраски березовой пяденицы в Англии. Эта ночная бабочка день проводит сидя на стволах деревьев. Окраска – светло – серая, с темными крапинками – делает ее на покрытых лишайниками стволах совершенно незаметной. Первые черные экземпляры пяденицы были найдены в середине XIX столетия в окрестностях Манчестера. А уже в начале XX века черные бабочки составляли здесь почти 98 % популяции. Еще через пятьдесят лет светлых бабочек во всех промышленных районах Англии почти не осталось. Главную роль в отборе сыграли птицы. Специальные эксперименты показали, что в чистом лесу, где стволы покрыты не копотью, а лишайниками, птицы за несколько дней выедают всех черных бабочек, и лишь изредка им удается найти светлых. В промышленных районах – все наоборот.

Ядовитая бабочка Amaurus naivius – модель для подражания

Самка неядовитой бабочки Papilio merope

Существует еще и третий вариант отбора – дизруптивный, или разрывающий. Это когда существа с крайними значениями признака получают преимущество перед «середнячками». Есть случаи, когда в одной местности обитают разные формы одного и того же вида и, очень может быть, возникновение этих форм как раз и есть результат разрывающего отбора. Например, в Южной Африке один из видов бабочек-парусников имеет несколько форм, отличающихся по окраске. Встречаются эти формы в одних и тех же местах, и каждая форма «подражает» одному из ядовитых видов бабочек из этой же местности.

Вообще, такое подражание очень полезно, но только в том случае, если подражателей значительно меньше, чем ядовитых образцов для подражания. Если наоборот, то хищник просто не поймет, что таких бабочек надо избегать. Ну, попадаются среди них изредка вонючие, но большинство-то вкусные. Так что подражать сразу нескольким видам очень выгодно.

Встречаются здесь и бабочки с промежуточной окраской, ни то ни се, но редко. Поскольку бабочки «ни то ни се» выедаются хищниками гораздо чаще, чем «подражательницы», то очень может быть, что мы имеем дело с дизруптивным отбором. Разрывающий отбор – это тот единственный случай, когда отбор увеличивает изменчивость.

Склонность животных и растений походить на ядовитые, опасные или несъедобные вещи носит название мимикрии. Впервые обратил внимание на это явление английский натуралист Генри Уолтер Бейтс, современник Дарвина и близкий друг Альфреда Уоллеса. Он много лет исследовал дебри Амазонки и именно здесь заметил, что безобидные бабочки часто похожи на ядовитых. Это явление получило название «бейтсовской мимикрии». Распространена мимикрия очень широко, не только среди бабочек. Существует еще «мюллеровская мимикрия», которую обнаружил немецкий зоолог Фриц Мюллер. Это когда несколько ядовитых видов похожи друг на друга. Хищникам не нужно заучивать множество разных предупредительных сигналов, и это очень способствует их скорейшему обучению.

Зачем павлину хвост

Понятно, что для красоты. Но как он мог появится и куда смотрел отбор? Хвост павлину, или, скажем, самцу райской птицы, несомненно мешает. С таким хвостом сложно добывать пищу, а тем более спасаться от врагов. Значит, продолжительность жизни самца будет меньше и он оставит меньше потомков. Мало того. Какого черта самки выбирают таких самцов? Ведь это снижает жизнеспособность их потомков мужского пола и снижение частоты их собственных генов в будущем. Это мы с вами можем купиться на красоту, а естественный отбор признает только одну форму оплаты – жизнеспособное потомство. По идее, отбор должен был выдрать хвост павлина еще в зародыше. Можно, однако, предположить, что самка именно потому выбирает хвостатого самца, что хвост мешает ему жить. Если уж самец исхитряется благоденствовать с таким хвостом, то это, вне всякого сомнения, нечто, значит он могуч, здоров, и даже хвост не мешает ему выжить. Логично? Вроде бы да. Но есть и другая гипотеза, впрочем, первой она не про-тиворечит.

Дело может быть не только в демонстрации силы и здоровья. Самка, коль скоро она выбирает, неизбежно ориентируется на какие-то признаки. И эти признаки должны приобретать для них самостоятельную ценность, по той простой причине, что у привлекательных самцов будут привлекательные сыновья, а значит самка имеет шанс получить от брака с таким самцом больше внуков и правнуков. Самцу будет выгодно выпячивать и усиливать этот признак или признаки. До тех пор, конечно, пока недостатки такого украшения не перевесят его достоинства. Но и это объяснение не очень удовлетворяет многих биологов. Так что происхождение броских и неудобных брачных нарядов покрыто тайной, единого мнения на эту тему нет.

Понятно, что выбор партнера – очень важное дело для любого. От его наследственных качеств в значительной степени зависит жизнеспособность потомства и, следовательно, ваша приспособленность. Но самка обычно подходит к выбору партнера более тщательно, чем самец. В большинстве случаев основная тяжесть выкармливания и воспитания детей, не говоря уж о вынашивании, ложится на самку. Так что риск у самки выше, просто потому, что выше ставка. Даже если родители о потомстве не заботятся, родительский вклад самки обычно все равно больше. Выносить икринки трудней, чем сперматозоиды. Вдобавок, самец может спариться с несколькими десятками самок, количество сперматозоидов у него практически не ограничено, с какой-нибудь и повезет, потомство окажется качественным, а труд невелик. Самка же может родить за свою жизнь только ограниченное количество детей.

Кстати, нужно твердо помнить, что когда мы говорим о выборе партнера, о выгодах хвоста или, скажем, умении крокодила ловить рыбу – это метафора чистой воды. Ни павлин, ни крокодил не знают генетики, и ими движет отнюдь не желание оставить много потомков. Просто те гены, благодаря которым организм обладает строением и поведением, обеспечивающими большую плодовитость и выживаемость, начи-нают преобладать в генофонде. А их менее успешные коллеги постепенно из генофонда исчезают.

М-да… Вот перечитал я все, что понаписал в предыдущих главах, и стало мне грустно. Эволюция и ее причины – страшно интересная область биологии. Ведь это попытка разобраться в путях развития жизни вообще и в происхождении нашего собственного рода в частности. Но рассказать о путях и законах эволюции в двух коротких главах невозможно. Однако, если кому-то стало действительно интересно, разыщите для начала две книги: «Эгоистичный ген» Ричарда Докинза и «Эволюция человека» Александра Маркова. Это книги, написанные серьезными специалистами для широкого круга читателей. И читаются они, как самый захватывающий детектив.

Кто есть кто

Чем занимаются систематики

За три с половиной миллиарда лет эволюция произвела на свет неисчислимое количество разнообразных живых существ. Окинуть их единым взглядом просто невозможно. И чтобы не запутаться в полчищах мышей, лягушек, стафилококков и динозавров, их требуется разложить по полочкам. Вообще, классификация – основа любой науки, и классификация живых существ – основа биологии. Занимается классификацией организмов одна из самых старых и почтенных биологических дисциплин – систематика. Классифицировать объекты можно по самым разным признакам, например, по размеру. Или по окраске. Кстати сказать, даже такая классификация лучше, чем никакой. Но систематика недаром так называется – она строит систему. Это значит, что во внимание принимаются в первую очередь родственные связи организмов. На одну полочку укладываются живые существа, сходные по происхождению, а следственно – сходные по строению. Такая система называется филогенетической, от слова филогенез: фила – по-гречески племя, и генезис – происхождение. Вообще же, строение и происхождение не совсем одно и то же. Строение может быть в чем-то сходным в результате обитания в сходных условиях. Киты похожи на рыб, а летучие мыши на птиц. Однако, киты и летучие мыши довольно близкие родственники, а летучие мыши и птицы – весьма дальние. Так что раскладывание живых существ по полочкам отнюдь не простое занятие. Нужно учитывать не внешнее сходство и не функцию органа, а его внутреннее строение, его принципиальную конструкцию. Довольно часто принцип устройства можно понять, только рассмотрев в деталях развитие органа в ходе эмбриогенеза – развития зародыша. При таком подходе становится ясным, что в основе китового плавника, крыла летучей мыши и собачьей лапы лежит одна схема, а в основе птичьего крыла – несколько другая. И обе схемы не имеют ничего общего с крылом мухи или бабочки. Однако и этого иногда оказывается мало. В некоторых случаях установить степень родства позволяет только сравнение строения молекул белка или хромосом. Иногда пролить свет на происхождение какой-либо группы организмов позволяет их распространение на планете.

Одно из основных понятий систематики – вид. Это совокупность организмов самой близкой степени родства. Особи одного вида всегда способны скрещиваться и производить на свет плодовитое потомство, если для этого вида вообще характерно половое размножение. Близкие виды объединяются в роды, близкие роды – в семейства. А вот группы близкородственных семейств ботаники и зоологи называют по-разному, ботаники – порядками, а зоологи – отрядами. Родственные отряды (или порядки) объединяются в классы, а родственные классы в типы (зоологи) или отделы (ботаники). Высшая категория – это царство, объединяющее родственные типы или отделы. Впрочем, около десяти лет назад ввели еще одну, высшую категорию, – домен.