Текст книги "Приручение. 10 биологических видов, изменивших мир"

Около 9000 лет назад серпы становятся распространенным орудием на территории Плодородного полумесяца. При этом нельзя сказать, что их используют повсеместно, в связи с чем некоторые археологи предполагают, что использование этого орудия скорее зависит от культурных предпочтений, а не представляет собой необходимое условие для сбора урожая злаков. Данная идея далеко не так удивительна, как кажется: по имеющимся данным, сбор колосьев пшеницы и ячменя вручную – так, как это до сих пор делают бедуины племени бедул, живущие в долине в районе Петры, – почти настолько же эффективен, как и использование каменного или даже металлического инструмента. Вероятно, распространение серпов на Ближнем Востоке 9000–6000 лет назад было связано скорее с вопросом культурной идентичности – служило «знаком» земледельцев, – чем способом повышения эффективности сбора урожая. Тем не менее нельзя утверждать, что рост числа серпов сугубо символичен, поскольку он свидетельствует о растущей потребности человека в злаках, которые изначально представляли лишь небольшую долю всех собираемых растений, как ясно из некоторых археологических раскопок. Но к 7000 году до н.э. в большинстве мест, где были обнаружены следы растений, уже преобладают зерновые. И пшеница, которую тогда собирали и использовали в пищу, не только не осыпалась, ее зерна были более крупными, чем у диких предков растения. Еще один пример того, как новый признак, который стал бы недостатком в дикой природе – слишком крупные семена труднее рассеиваются ветром, – оказался важным преимуществом для земледельцев.

Небольшое увеличение размера зерна наблюдается у диких видов пшеницы еще до появления прочной оси колоса. Затем в течение трех-четырех тысяч лет зерна постепенно укрупняются. Частично данный признак вызван генетическими изменениями, но он также в большой степени обусловлен условиями окружающей среды, ведь зерновым проще расти на возделанной почве, где не приходится соперничать с сорняками и можно даже рассчитывать на обильный полив.

Зерно современной культурной пшеницы содержит три важных компонента. Первый из них – эмбрион нового растения, или зародыш: в конце концов, речь идет о семени. Второй – оболочки (околоплодник, или плодовая оболочка, и семенная оболочка), составляющие около 12 % веса зерна и известные нам также в виде отрубей. Но самая крупная часть – это эндосперм, на который приходится 86 % веса зерна. Как желток в яйце, эндосперм создает среду для развития эмбриона пшеницы. В этой части зерна содержится крахмал – в очень большом количестве, – а также масла́ и белки. И именно несоразмерное изменение объема эндосперма приводит к росту размеров зерна, позволяя помещать все больше и больше питательных веществ в каждое семя. При этом изменяются и пропорции самого зародыша, пусть и не так кардинально, как доля эндосперма, но все же значительно. Более того, у злаков с крупными зернами есть еще одна важная характеристика, связанная с прорастанием и ранней стадией роста: их всходы гораздо более мощные, чем у видов с мелкими зернами.

Логично предположить, что увеличение размера зерна явилось результатом строгого, тщательного отбора, производимого древними земледельцами. Но опять же, возможно, данный признак был отобран ненамеренно. Первые земледельцы были, вероятно, заинтересованы в увеличении площади и урожайности полей, а не отдельных зерен. Разновидности пшеницы с крупными зернами и с более живучими всходами, скорее всего, имели естественное преимущество по сравнению с разновидностями, семена которых более мелкие. Конкуренция между всходами – вероятно, не достигавшая такой остроты среди диких растений, чьи семена разносил ветер, – на густо засеянных культивируемых полях могла быть весьма ожесточенной. Медленно, от лета к лету, поля занимала пшеница с более крупными зернами, к большой радости земледельцев.

Эти два важных признака – прочная ось, с которой не осыпаются зерна, и больший размер самих зерен – не развивались одновременно у всех видов. Совершенно очевидно, что это не взаимозависимые черты, как, например, цвет шерсти и послушание у собак. Каждый признак, таким образом, формировался с определенной скоростью и в силу определенных причин. И вероятно, как первые попытки приручения волков, преследовавших охотников-собирателей ледникового периода, процесс окультуривания растений был гораздо менее осознанным со стороны человека, чем принято считать. Но даже в отсутствие конкретного намерения действия людей привели к значительным изменениям зерновых, повысивших, пусть и почти случайно, их урожайность. По мере распространения и закрепления культурных признаков приобретающие их растения становились все более ценными для человека. Доля пшеницы в рационах древних людей постоянно возрастала, что обеспечило ее будущую роль одного из базовых пищевых продуктов.

Продолжительная и запутанная история окультуривания пшеницы больше похожа на сюжет любовного романа. Двое потенциальных партнеров – в данном случае вид Homo и вид Triticum – встречаются. Судьба свела их вместе, хотя знакомство могло бы никогда не состояться. Но это столкновение пробудило нечто, дремавшее в каждом из партнеров. И вот они начинают танец. Они растут вместе. Человеческая культура изменяется, подстраиваясь под существование Triticum; пшеница эволюционирует, чтобы стать еще более привлекательной для людей.

Однако на деле история этого союза чуть более сложна. Прежде всего речь идет не об одном типе пшеницы. В современной ботанике до сих пор различают три крупные группы, которые когда-то выделил Николай Вавилов на основе различия в количестве хромосом. Более того, современная генетика помогла человеку понять сложные взаимоотношения между этими группами.

Так, пшеница однозернянка, как дикорастущая, так и культурная, принадлежит к видам с простым двойным набором хромосом: их всего семь пар. На языке генетики такой организм именуется диплоидным (кстати, и мы с вами тоже диплоидные). В определенный момент в далеком прошлом у одной из разновидностей однозернянки набор хромосом удвоился. Это происходит время от времени, в основном в результате ошибки при делении клетки. Клетка удваивает набор хромосом, но по какой-то причине не делится на две самостоятельные клетки и так и существует одна с двойным набором хромосом. В результате такого удвоения хромосомного набора в древности появилась тетраплоидная пшеница, обладающая четырнадцатью парами хромосом (или семью парами хромосомных пар). Тетраплоидные древние дикорастущие предшественники пшеницы двузернянки и твердой пшеницы появились приблизительно 500 000–150 000 лет назад, задолго до неолитической революции.

Затем произошло скрещивание культурной пшеницы двузернянки (тетраплоидной) и дикого эгилопса (диплоидного), плодом которого стала разновидность пшеницы с двадцать одной парой хромосом, то есть с тройным набором хромосомных пар – гексаплоидный организм. По оценкам, гибридизация произошла около 10 000 лет назад, и ее плодом стал вид Triticum aestivum – пшеница мягкая, или летняя.

Зачем одному растению удвоенный набор хромосом? Ведь большинство организмов прекрасно обходятся двумя наборами. Кажется, что четыре это уже слишком. А шесть наборов – это просто расточительство. Но полиплоидность, то есть присутствие нескольких наборов хромосом, наблюдается у многих растений, и ни одно из них не страдает из-за этой особенности. На самом деле она даже дает некоторые преимущества. Наличие дополнительных генов означает, что если один из генов подвергнется мутации, то другой сможет «занять его место» и выполнить соответствующую функцию. Более того, мутировавший ген может получить новую, необычную роль в рамках генома. Сочетание генетического материала из различных источников – как это произошло при скрещивании пшеницы двузернянки и эгилопса – может способствовать укреплению гибрида благодаря совместной работе новых комбинаций генов, даже без новых мутаций. Помимо этого, полиплоидность часто связана с увеличением размера клеток растений, что, в свою очередь, приводит к росту размера семян и улучшению урожайности. Однако не все так прекрасно, и полиплоидные организмы тоже сталкиваются с проблемами. Так, например, усложняется процесс размножения, ведь приходится распределять все многочисленные хромосомы. Это может создать проблемы для развития зародыша, иногда даже приводящие к его гибели. Но, по крайней мере, у мягкой пшеницы развитие гексаплоидности в конце концов определенно пошло растению на пользу.

В частности, урожайность мягкой пшеницы повысилась благодаря одной мутации, придавшей необычную форму пшеничному колосу. У древних предшественников этого вида колосья плоские, а вторичные колоски расположены последовательно по сторонам от центральной оси. Но у мягкой пшеницы одна-единственная полезная мутация вызвала изменение формы: колос имеет квадратную форму с расположенными плотно друг к другу вторичными колосками – эта классическая форма колоса делает пшеницу легко узнаваемой среди остальных злаков. Вероятно, гибрид полбы и эгилопса, известный нам как мягкая пшеница, Triticum aestivum, сразу же показал свою урожайность, чем привлек внимание ранних земледельцев.

Итак, пшеница и человек заключили союз, который длится уже многие тысячелетия и со временем лишь крепнет. Но с чего все началось? В какой точке на бескрайних просторах Плодородного полумесяца впервые появился каждый из этих злаков, а именно пшеница однозернянка, пшеница двузернянка и мягкая пшеница?

В течение двух столетий Ближний Восток оставался Меккой для археологов, и одной из целей экспедиций было установление географической родины базовых культур неолита. Но даже с появлением новой дисциплины археоботаники, с ее особым подходом к отдельным видам растений (который Николай Вавилов, несомненно, одобрил бы), точный источник происхождения культур был не совсем точно и ясно определен, по крайней мере до недавнего времени.

Здесь, там или повсюду

Плодородный полумесяц представляет собой обширную область, охватывающую часть территории современных Израиля, Иордании, Ливана, Сирии, Турции, Ирана и Ирака. Как мы уже видели, во время археологических раскопок в данном регионе находят семена злаков, первоначально дикорастущих, а позже замещенных культурными разновидностями. Помимо этого, здесь пересекаются зоны распространения отдельных видов дикорастущих пшеницы, ячменя и ржи. Однако речь идет о действительно огромной территории. В свое время Николай Вавилов уделял внимание каждому виду, тщательно записывая и собирая образцы культурных и дикорастущих разновидностей и используя данные для определения родины каждого из них. Какое-то время генетика и археология, казалось, шли нога в ногу.

Великий австралийский археолог Гордон Чайлд, светило Лондонского института археологии, рассматривал возникновение земледелия как важное качественное изменение в истории человечества. В 1923 году ученый ввел термин «неолитическая революция». Переход от охоты и собирательства к земледелию был подобен смене политического режима. Старые порядки были свергнуты. Новая волна прокатилась по Месопотамии и Леванту, сметая все на своем пути. Все получилось великолепно: как из творческого центра распространяются идеи, так из центров одомашнивания появлялись новые виды. Комплекс характерных признаков неолита, выделяемых археологами, включая все базовые культуры, точно совпадал с вавиловскими «Центрами происхождения». По всей видимости, на северной дуге Плодородного полумесяца и находился очаг революции, полностью изменившей мир. Элитная группа протоземледельцев на Ближнем Востоке осмелилась приручить природу, а затем их быстро растущее население заняло окружающие земли, распространив, таким образом, новые идеи.

От подсчета числа хромосом, как это делал Николай Вавилов, генетики перешли к декодированию ДНК. К началу 1990-х годов технология развилась настолько, что ученые могли исследовать несколько сходных сегментов ДНК различных растений и сравнивать последовательность нуклеотидов в них. Данная методика более эффективна, чем изучение отдельной небольшой области генома. Итак, ученые исследовали ДНК дикорастущих и культурных разновидностей пшеницы однозернянки и обнаружили, что все культурные сорта этого вида пшеницы располагаются на стройном генеалогическом древе с единственным корнем. Создавалось впечатление, что все разновидности пшеницы однозернянки произошли от одной конкретной популяции растений. ДНК культурной однозернянки наиболее полно совпадала с ДНК ее дикорастущих разновидностей, что встречаются у подножия Караджадага на юго-востоке Турции. По результатам этого анализа, казалось, было установлено значительное сходство видов пшеницы, обладающих двумя наборами хромосом, к которым относится и пшеница двузернянка. У этих растений также прослеживался общий источник, который тоже, вероятно, располагался у склонов Караджадага. Общая родина обнаружилась и у разновидностей ячменя, на этот раз – в долине реки Иордан. Молекулярная генетика, молодая наука, вступила в спор об источнике происхождения окультуренных растений – и разрешила его. Результаты исследований (в ходе которых изучали молекулы, а не кучи мусора), дававшие некую уверенность, которую никогда не могла подарить археология, и достойные публикации в научных журналах с наиболее обширной аудиторией, казалось, поставили точку в этом вопросе.

Получается, Вавилов и Чайлд были правы: злаковые были введены в культуру за короткий срок, в изолированных центрах, откуда они потом распространились на волне бурного развития земледелия. Старая теория о неолитической революции подтвердилась. Действительно, существовали очаги и единственный источник происхождения для каждой злаковой культуры. Даже казалось, что избранная культурная группа на юго-востоке Турции придумала и воплотила в жизнь восхитительный замысел, поднявший их до уровня древней элиты и позволивший населению расти и осваивать соседние территории.

Такая красивая история – если бы только она оказалась правдой! Однако к началу XXI века в фундаменте данной научной теории появились первые трещины. Археологи и археоботаники в один голос заявляли, что введение в культуру растений, скорее всего, представляло собой продолжительный и сложный процесс. Так, археоботанические данные из долины Евфрата свидетельствовали, что для формирования у пшеницы однозернянки прочной оси – стержня пшеничного колоса, не дающего зернам осыпаться до обмолота, – потребовалось около тысячи лет. Это не противоречит результатам генетического анализа только в том случае, если ранние культуры с самого момента их появления были строго изолированы от диких сородичей для предотвращения гибридизации. Однако такая ситуация маловероятна.

Археологи, ведущие поиски истоков земледелия, многократно предлагали на роль колыбели неолитической революции различные участки на территории Плодородного полумесяца. Результаты раскопок неолитических слоев, проводившихся Кэтлин Кеньон в Иерихоне в 1950-х годах, навели на мысль о том, что земледелие зародилось в Южном Леванте. В то же время другие ученые указывали на северные и восточные окраины Плодородного полумесяца, а именно на холмы в преддверии Тавра и Загроса. Затем основным кандидатом стал «Золотой треугольник» между реками Тигр и Евфрат и горами Тавр, где также пересекались зоны произрастания многих «базовых культур». Тем не менее по мере накопления археологических данных имеющиеся сведения все четче указывали на вероятность одновременного окультуривания злаков на значительно более обширной территории. Более того, оказалось, что история раннего земледелия полна ложных путей и тупиков. Приблизиться к разгадке по-прежнему не удавалось. На Ближнем Востоке следы неолита были неравномерно и хаотично разбросаны по огромной территории и нескольким тысячелетиям истории.

Факты – результаты археологических раскопок и данные генетического анализа – подтверждали противоположные точки зрения на процесс окультуривания.

Компьютерное моделирование свидетельствовало о том, что результаты генетических исследований могут оказаться недостоверными, поскольку с помощью методик генетического анализа нельзя установить наверняка, происходит ли злаковая культура из единого источника или же из разных, с большим числом последующих скрещиваний. Однако идея быстрого и локального введения в культуру большого числа растений по-прежнему преобладала, пока внутри самого лагеря генетиков не начались разногласия. По мере расширения области исследований сложность открываемых отношений все возрастала.

Первые признаки того, что теория о едином, очаговом происхождении культур могла быть артефактом выбранного метода исследования, а не реальным и доказуемым открытием, появились при более глубоком анализе ячменя. У растений помимо хромосомной ДНК имеется дополнительный «комплект» ДНК в хлоропластах – миниатюрных фабриках растительных клеток, где проходит процесс фотосинтеза. Результаты секвенирования специфических фрагментов ДНК хлоропластов ячменя свидетельствуют, что родиной этого злака были по меньшей мере две разные области. Анализ участка хромосомы, непосредственно связанного с мутацией, которая привела к появлению неосыпающегося колоса у ячменя, подтверждает эту теорию. В результате дополнительных исследований ученые пришли к выводу, что ячмень был введен в культуру не только в долине реки Иордан, но и у подножия Заргоса. Чем более подробный анализ проводили генетики, тем больше нового они открывали. В ходе последних исследований всего генома ячменя обнаружилось, что разные сорта культурного растения генетически связаны с растущими по соседству разновидностями дикого ячменя. По всей видимости, речь идет не об одном общем предшественнике, а о нескольких. В частности, одно исследование приводит информацию из неожиданно лирического источника: «Поэтс и коллеги недавно продемонстрировали, что характер генетического разнообразия ячменя полностью опровергает представления о моноцентрическом происхождении».

Стоит сразу отметить, что Ана Поэтс – генетик (хотя, кто знает, возможно, она еще и поэтесса, в конце концов, редко встречаются ученые, обделенные художественным талантом) и руководитель недавнего исследования, посвященного одинаковым мутациям у культурных и диких разновидностей ячменя. Вместе с коллегами Ана Поэтс доказала, что культурный ячмень не имеет единственного источника происхождения, напротив, история этого растения – настоящая мозаика: у него целый ряд дикорастущих предков, следы существования которых разбросаны в геномах современных растений. Конечно, очевидные связи с дикорастущими разновидностями могут быть результатом более поздней гибридизации, но эту вероятность исследователи также отвергли. Генетическая мозаика ячменя имеет гораздо более древние корни, чем предполагалось ранее.

При изучении пшеницы двузернянки генетикам также пришлось признать, что ее родословная более запутанная, чем кажется. Следы культурной полбы возрастом более 10 000 лет находят при археологических раскопках на всей территории Плодородного полумесяца. Однако результаты самых первых генетических исследований показывали, что весь вид культурной полбы ведет свое начало от отдельной популяции дикой пшеницы двузернянки на юго-востоке Турции. Казалось, это свидетельствует о том, что первый крошечный центр земледелия появился на территории Плодородного полумесяца около 11 000 лет назад. Но потом история изменилась: более поздние исследования показали, что и у полбы богатая родословная, с тесными связями с многими дикорастущими разновидностями этого растения, встречающимися на просторах Ближнего Востока.

Похожая гипотеза подтвердилась и для пшеницы однозернянки. Первичный генетический анализ указывал на единственный изолированный источник развития культуры. Но к 2007 году, благодаря детальным исследованиям, появились доказательства того, что история и этой культуры вовсе не так проста: не было сокращения генетического разнообразия – прохождения популяции через «бутылочное горлышко» доместикации. Наоборот, генетическая изменчивость культуры подтверждает ее происхождение от целого ряда дикорастущих предков, произраставших по всей северной дуге Плодородного полумесяца.

Поскольку истории ячменя, полбы и пшеницы однозернянки похожи друг на друга, можно предположить, что наличие многочисленных центров доместикации злаков – скорее правило, а не исключение. Существование небольшого «очага» на юго-востоке Турции сегодня больше не подтверждается имеющимися данными. Генетика и археология сошлись во мнениях: существовало множество связанных центров доместикации растений на территории Плодородного полумесяца. Такое «рассеянное» происхождение злаковых культур могло сыграть ключевую роль в выживании окультуренных разновидностей, поскольку адаптации к местной среде передавались от дикорастущих растений к культурным. Теперь все кажется логичным, ведь местные дикорастущие виды уже приспособлены к местным условиям существования. Если бы земледелец собрал семена злака, произрастающего в прохладном и влажном климате у подножия Караджадага, и попытался бы посеять их на жарких засушливых равнинах Южного Леванта, то он вряд ли бы добился успеха.

Тем не менее некоторые адаптации были бы полезны и вне изначальных условий произрастания. У многих культурных разновидностей ячменя, произрастающих в Европе и Азии, был обнаружен определенный фрагмент генома дикого ячменя, растущего в Сирийской пустыне. Этот участок ДНК распространился среди культурных видов растения и сохранился в их геноме, вероятно, он обеспечивает важное физиологическое преимущество, например устойчивость к засухе. Тот факт, что несколько обособленных популяций древних культурных растений обладают одинаковыми генами, указывает на скрещивание между ними. Кроме того, по-видимому, такое родство отражает не просто рассеивание семян по региону ветром и птицами. Сообщества людей, населявших Ближний Восток, также постоянно поддерживали связь друг с другом: сходство материальной культуры свидетельствует о распространении идей. Помимо прочего, люди обменивались товарами: большим спросом пользовался обсидиан, или вулканическое стекло, который переходил от одного сообщества к другому – можно бы даже назвать такой обмен торговлей. Разумно предположить, что подобным же образом передавались как знания о земледелии, так и сами семена растений. Но даже с учетом обмена посевным зерном изначальные культуры, выращиваемые в разных районах Ближнего Востока на заре неолита, были выведены от местных дикорастущих видов, а не занесены издалека.

И пусть все рассказанное выше кажется вам лишь древней историей (хотя это действительно так, и история эта весьма занимательна), данные догадки относительно процесса окультуривания и генетических основ конкретных признаков растений могут иметь большое значение для нас с вами. Если бы ученым удалось установить, какой именно признак закодирован в том участке ДНК дикорастущего сирийского ячменя, в будущем мы могли бы использовать эти знания для улучшения зерновых культур. Не стоит полагать, что окультуривание растений относится к событиям слишком далекого прошлого и не имеет никакого отношения к нашей жизни в настоящем. Несомненно, приблизительно 8000-10 000 лет назад растительные культуры переживали период интенсивных изменений, и именно тогда у злаков появились крупные зерна и прочные оси колосьев. Но культурные растения также не перестают изменяться и развиваться, и человек по-прежнему влияет на их эволюцию, вероятно, даже более осознанно, чем раньше. Николай Вавилов прекрасно понимал, что изучение далекого прошлого культурных растений поможет создать полезные инструменты для современного сельского хозяйства. Почти век спустя это утверждение все еще остается верным и сотрудничество генетики и археоботаники позволяет выявить множество разных генов (и других участков генома), которые целесообразно распространить или даже модифицировать в культурных растениях. Работа современных ученых по улучшению злаковых культур – это лишь последние достижения на долгом пути, начавшемся еще до того, как человек стал сеять и выращивать культурные растения, когда он только собирал, обмолачивал и смалывал в муку зерна дикорастущих злаков, чтобы выпекать хлеб.

Что ж, тогда все, кажется, складывается должным образом. Генетика, археология и археоботаника пришли к согласию. Теперь нам известна связная история: 12 500 лет назад человек уже всерьез взялся за возделывание злаков и, вероятно, даже пек лепешки из муки тонкого помола; примерно 11 000 лет назад в отдельных, но связанных между собой центрах постепенно появляются первые злаковые культуры. Уже 8000 лет назад большая часть пшеницы и ячменя, выращиваемых на Ближнем Востоке, имели неосыпающиеся колосья с крупными зернами.

Однако знания человека не абсолютны. Современной науке – на момент написания этой книги – еще многое предстоит узнать о процессе окультуривания пшеницы. Рассказанная здесь история неизбежно изменится, хотя бы немного, по мере появления и анализа новых данных. Тем не менее маловероятно, чтобы вся система уже представленных на сегодня доказательств полностью обрушилась. По всей видимости, ученые раскрыли саму суть истории, и она вряд ли изменится. На настоящий момент нам достоверно известно, когда, где и как происходило окультуривание пшеницы. Но мы по-прежнему еще не выяснили – по крайней мере, в ходе нашего повествования – причины этого процесса.

А ведь это, вероятно, самый любопытный вопрос. Ведь пшеница, в конце концов, – трава. Скромная травка. Несомненно, не самый очевидный продукт питания. Коль скоро из семян травы начали изготавливать муку тонкого помола для выпекания хлеба, как, вероятно, поступали с ячменем древние натуфийцы, тогда да, привлекательность этого растения становится понятной. Но как догадались о том, что злаки можно использовать таким способом? Мелкие семена дикорастущих злаков кажутся совершенно непривлекательными для употребления в пищу. Более того, существует столько других семян, орехов и плодов, которые выглядят более аппетитно: лакомые кусочки, не требующие такого упорного труда, чтобы превратиться в съедобные. Что же происходило тогда, двенадцать с половиной тысяч лет назад, что заставило людей обратить внимание на такой неприглядный и неаппетитный продукт, как злаки? Что заставило наших предков зависеть от такого странного источника пропитания? И почему это произошло именно тогда?