Текст книги "Любовь и смерть в живой природе. Брачные игры животных, обряды прощания и другие причуды биологии"

6. Почему мы состоим из множества клеток, а не из одной?

Миллиарды лет назад вся жизнь была одноклеточной. Потом клетки начали взаимодействовать, что привело к возникновению экзотических форм жизни. Но был ли этот процесс неизбежен?

(Когда-то давным-давно)

(в неглубоком теплом море)

(молекула обрела оболочку)

(та принялась бешено пульсировать, вырабатывая гормоны)

(бульк-бульк)

(заинтригованная этим химическим посланием, другая оболочка стремительно плывет к первой)

(вжик-вжух)

(их влажные мембраны соприкасаются, нащупывают друг друга, сливаются в одно целое)

(они образуют первый метаорганизм)

(за ним последуют еще многие другие.)

Планета Земля. Чуть более двух миллиардов лет назад. Суперконтинент Колумбия еще не сформировался – пока он больше похож на огромный кусок суши, дрейфующий в гигантском океане. Дни короче, чем сейчас (около 20 часов), поскольку планета вращается быстрее. Жизнь существует здесь уже около двух миллиардов лет, и она невероятно продуктивна. Цианобактерии в избытке производят кислород, который скапливается в атмосфере. Время идет. Ядовитый для подавляющего большинства организмов того времени, этот кислород достигает такой концентрации, что вызывает самое первое массовое вымирание, истребившее большинство живых существ. Множество одноклеточных форм жизни выйдут из игры, и их безымянные остатки будут оседать на дне древнего океана.

Время идет. Высвободившийся кислород окисляет метан из атмосферы, расщепляя его на углекислый газ и воду, что создает парниковый эффект в 30 раз слабее, чем метан. Планета резко остывает и погружается в беспрецедентный ледниковый период – Гуронское оледенение. На протяжении миллионов лет из космоса Земля выглядит как снежный ком.

Время идет. Астероид диаметром в 15 километров ударяется о горные породы, которые однажды сформируют Южную Африку, и оставляет после себя ударный кратер в два раза больше[46]46
  Диаметр кратера Вредефорт составляет 300 километров. Что касается размеров кратера Чикшулуб – последствия удара, который привел к вымиранию трети всех живых существ на Земле и, в частности, нептичьих динозавров, он составляет «всего» 170 километров…


[Закрыть], чем от другого астероида, который в отдаленном будущем приведет к вымиранию динозавров. Ледниковый период подходит к концу, уровень кислорода остается прежним. Время идет. Во всех океанах планеты клетки пульсируют и занимаются метаболизмом, одноклеточные организмы эгоистично борются за собственную жизнь. Но в один прекрасный день те же самые клетки скоординируют свои усилия и начнут действовать вместе ради общей цели.

Долгое время считалось, что жизнь на планете Земле развивалась по следующему сценарию: на протяжении миллиардов лет одноклеточные организмы безмятежно прозябали в одиночестве на суровой планете. Ледниковые периоды и астероиды следовали один за другим, но жизнь по-прежнему оставалась в своем примитивном состоянии на уровне одноклеточных организмов. И вот однажды, спустя миллиарды лет ожидания… от одной искры вспыхнуло все то биоразнообразие, которое мы наблюдаем сегодня.

Кембрийский взрыв, случившийся 540 миллионов лет назад, часто называют Большим взрывом в зоологии: в этот неповторимый момент возникло великое множество разновидностей животных. И метафора, связанная со взрывом, не так уж и преувеличена: в геологических слоях можно различить «до» и «после» с точки зрения анатомического разнообразия ископаемых.

Если суммировать вкратце, то можно сказать, что до этого взрыва животная жизнь была представлена преимущественно одноклеточными организмами либо довольно простыми колониями[47]47
  И тем не менее этим колониям удавалось создавать такие удивительные образования, как строматолиты!


[Закрыть]. После взрыва животная жизнь приобретает множество форм – одна экзотичнее другой: морские животные опабиния, маррелла или невероятная галлюцигения – существо настолько загадочное, что ученые долго спорили, к какому типу его причислить! Нам немногое известно об их жизни, даже установить их родство с ныне живущими животными сложно, но в одном мы можем быть уверены наверняка: эти внезапно возникшие существа обладали теми биологическими чертами, которые являются основополагающими для современного животного мира.

Двусторонняя симметрия[48]48
  Благодаря двусторонней симметрии у каждого из нас две ноздри, два глаза и правая и левая стороны наших тел зеркальны.


[Закрыть], трехслойность[49]49
  Трехслойность (триплобластия) описывает наше строение на стадии эмбриона: каждая жизнь начинается с этапа трех зародышевых листков, которые по мере своего развития превратятся в отдельные органы.


[Закрыть] и целом[50]50
  Целом – это в буквальном смысле дыра, полость внутри тела. Животные вмещают в нее различные органы, например кишечник.


[Закрыть] – все эти эволюционные новшества возникли именно в тот момент, и сегодня они свойственны большинству живых организмов – таким, как мы, например. Многоклеточные организмы больше не бесформенные образования: они превратились в сложные, обособленные структуры, обладающие передней и задней частями, отростками, симметрией и многим другим.

Жизнь прекрасна, но и не молода

И пусть даже кембрийский взрыв полмиллиарда лет назад остается в глазах палеонтологов моментом «смены биологической парадигмы», открытия последних лет немного проясняют наше понимание этого перехода от «простой» одноклеточной жизни к «сложной» многоклеточной. Например, находят микроископаемые акритархов в экосистеме Вэнъань[51]51
  «Акритархи Вэнъаня»… По всей видимости, Ктулху жил полмиллиарда лет назад.


[Закрыть], которые на 100 миллионов лет старше кембрийского взрыва. Речь идет об образованиях, без всякого сомнения, органических, но идентифицировать их точнее сложно. Они плавали и размножались в компании других многоклеточных: дикинсонии (подобие рифленого дискообразного животного, которое достигало метра в длину), чарнии (организм в виде листа, изборожденного прожилками) и многих других.

Само собой, переход от одноклеточных к многоклеточным не произошел за день, но весь этот процесс эдиакарского и кембрийского усложнения охватил временной отрезок в 100 миллионов лет[52]52
  Первые крупные окаменелости эдиакарской фауны обычно датируются примерно 600 миллионами лет до нашей эры, а конец кембрийского взрыва приходится примерно на 520 миллионов лет назад.


[Закрыть], то есть за довольно короткий период – на фоне предшествовавших ему миллиардов лет царства одноклеточных.

Канонический сценарий жизни на Земле выглядит следующим образом: с момента своего возникновения 3,8 миллиарда лет назад жизнь была одноклеточной, шло время, клетки бултыхались и, – паф! – с большим опозданием жизнь стала многоклеточной, когда наступила пора Большого кембрийского биологического взрыва.

При этом серия научных публикаций начала 2010-х годов сообщила об удивительном открытии в Габоне, недалеко от города Франсвиль – административного центра провинции Верхнее Огове. Речь шла об ископаемых величиной сантиметров 15, которые приняли странную дискообразную форму: ее центр образовывал купол, а края выщерблены расходящимися в разные стороны желобками.

Таким строением, по мнению исследователей, могла обладать многоклеточная форма жизни, появившаяся преждевременно.

Установив возраст горных пород, в которых обнаружили ископаемых, палеонтологи осознали, что они, вполне вероятно, опровергли классический взгляд на историю возникновения жизни на планете: эти загадочные существа обитали более двух миллиардов лет назад, то есть за полтора миллиарда лет до кембрийского взрыва!

Тогда придется все переписать. В неглубоком теплом море, а может, даже в дельте реки происходил доисторический эксперимент: это была самая первая попытка многоклеточных организмов обрести жизнь. Но следы исчезают: время грубо стирает все напоминания о них из поздних осадочных слоев. Была ли эта попытка такой настолько неудачной, что все ее наследие ограничивается считаными ископаемыми в тех местах, которые потом назовут Габоном? Или же это очень далекий предок тех форм жизни, которые появятся гораздо позже в экосистемах в эдиакарский период? Никто не знает наверняка. К тому же и в других не менее древних отложениях обнаруживаются их собственные предковые формы жизни, которые тоже становятся предметом споров. Нитевидные окаменелости Grypania spiralis, обнаруженные в геологических пластах Мичигана, вполне могут соответствовать очень примитивным эукариотам[53]53
  Эукариотами называют все организмы, клетки которых имеют ядро. То есть к ним относятся ваши родители, голубь за окном, растение в горшке на столе и все грибки в труднодоступных местах вашей ванной. Их противоположность – прокариоты, у которых нет ядра, то есть бактерии и археи.


[Закрыть], которые сворачивались в свои спирали более 2,3 миллиарда лет назад.

Бессчетные многоклеточные

Все-таки давайте оставим эти увлекательные вопросы палеонтологам и попытаемся разобраться в самом механизме. Действительно, что стало причиной возникновениях этих форм жизни из экосистеме Франсвиля, а затем и кембрийских организмов? Было ли неизбежным появление сложных многоклеточных? И, в конце концов, почему мы многоклеточные организмы?

Поскольку обычный человек состоит из нескольких десятков триллионов клеток[54]54
  Авторы доходят до весьма точной цифры 3,72 × 10¹² клеток в теле человека.


[Закрыть], вполне справедливо задать такой вопрос: и почему же не хватило одной большой клетки во весь человеческий рост? Ведь биосфера преимущественно состоит в конце концов из одноклеточных организмов: бактерий и других эукариот, как по количеству видов, так и по биомассе. Судя по всему, этот механизм работает, так какой смысл усложнять себе жизнь, заставляя множество клеток сотрудничать друг с другом?

Уже на протяжении десятилетий ученые ломают голову над этим вопросом, и нужно сказать, что он так до конца и не разрешен. Пока достигнут следующий компромисс: многоклеточность стала нормой, поскольку она неоднократно возникала в процессе эволюции, тем не менее оставаясь маловероятной.

Давайте разберемся, почему сейчас мы точно знаем – многоклеточные формы жизни возникали более 20 раз независимо друг от друга во время эволюции эукариотических организмов! Например, предки социальных амеб (Dictyostelium discoideum) и животных научились вырабатывать белки, способные соединять клетки между собой. α– и β-катенины животных находят свои аналоги в амебах[55]55
  Аналог β-катенина амеб называется… Aardvark, то есть трубкозуб – от имени знаменитого млекопитающего из Южной Африки. Возможно, биологи специально назвали животное в честь белка, которого не может быть в животном организме, чтобы запутать студентов.


[Закрыть], и, таким образом, эти два вида благодаря конвергенции добились биологических инноваций, необходимых для сосуществования. Это свойство уже несколько раз замечено за красными водорослями (Rhodophyta), часть разновидностей которых – каждая независимо друг от друга – прошли превращение из простого организма в сложный!

Прежде чем прийти к этому удивительному заключению, исследователи опирались на взаимосвязь между группами организмов. Проще говоря, если две группы организмов обладают одним свойством, то возможны два варианта: либо они унаследовали это свойство от обладавшего им общего предка, либо тот не обладал этим свойством и эти организмы развили его в себе самостоятельно. Изучая, каким образом распределяется этот признак в «двоюродных» группах организмов, родство которых становится все более далеким, мы можем сделать некоторые выводы в отношении признаков, носителями которых был общий предок… и таким образом выбрать один из двух сценариев.

Благодаря этим методам биологи смогли проиллюстрировать довольно банальную схему, по которой жизнь возникает в группе среди клеток, ранее одиночных. Эта идея подкрепляется существованием множества переходных форм многоклеточности… у бактерий.

Сообщества бактерий

Эти крохотные организмы создают великое многообразие общностей: «биопленки», нити, сферы. Благодаря таким структурам бактериальные клетки получают множество преимуществ: они способны удерживать воду или питательные вещества в матрице, защищаться от токсинов или антибиотиков, быстро обмениваться ресурсами на большом расстоянии и так далее. Эти способы организации одновременно крайне эффективны (например, способность бороться с нашими обеззараживающими средствами создает немало проблем) и невероятно древние. Если первые разновидности многоклеточных эукариотов, обнаруженные в породах Габона, насчитывают два миллиарда лет, а взрывообразное возникновение многообразия форм жизни имело место полмиллиарда лет назад, то самые древние следы существования бактериальных колоний восходят к периоду около 3,5 миллиарда лет назад…

Клетки этих прокариотов уже давно исчезли, но результат их метаболической активности уцелел в виде тонких осадочных пород особого характера. Целые поколения погибших бактерий и выделявшаяся ими слизь наслаивались друг на друга с незапамятных времен, создавая уникальные геологические образования – строматолиты. Они разбросаны по разным уголкам планеты – от Австралии до Южной Африки, и некоторые из них все еще активны!

Унесенные амебой

Тем не менее, хотя амебы и способны сосуществовать в колониях на протяжении миллиардов лет, им так и не удалось создать сложный многоклеточный организм, как это произошло с кембрийской фауной. Понятно, что существует некий переходный этап от временных клеточных колоний к сложным многоклеточным организмам, как, например, ваше комнатное растение, – с промежуточными этапами.

Чтобы понять механизмы в основе этого перехода, исследователи изучают организмы, которые часто переходят от одиночной жизни к жизни в сообществе, переключаясь с одного образа жизни на другой в зависимости от ситуации. Одним из примеров такого поведения является социальная амеба (Dictyostelium discoideum), о которой мы уже говорили ранее. Представители этого вида спонтанно формируют группы путем агрегирования в случае нехватки пищи: различные особи, не связанные друг с другом, объединяются в маленькие холмики.

Те, в свою очередь, сжимаются до тех пор, пока не становятся похожими на… ползущий палец. Это подобие слизня сливается с другими «слизнями», питается и так далее. Он остановится только для того, чтобы принять другую форму, а именно стебля с уплотнением на макушке. При таком разнообразии форм и видов клетки стебля жертвуют собой для того, чтобы клетки из уплотнения сверху превратились в споры, которые затем унесет ветер или животное[56]56
  Чтобы так самоотверженно жертвовать собой, и правда нужно быть лучшими амебами на свете.


[Закрыть].

Те же самые споры породят одноклеточные особи, которые, если условия позволят, смогут найти других сородичей. Благодаря этому виду исследователи смогли многое узнать о «принципе» самого механизма агрегации: задействованные в прикреплении клеток гены, химические сигналы, проходят сквозь массу «слизня» и координируют клетки, чтобы заставить его двигаться вперед, и так далее. Но все это объясняет то, как возникла многоклеточность, оставляя нас наедине со следующим вопросом: почему клетки живут вместе, а не поодиночке?

Игра в жизнь

Чтобы ответить на этот вопрос, биологи решили провести эксперимент. В рамках исследования, опубликованного в 2019 году, они подвергли одноклеточные зеленые водоросли Chlamydomonas reinhardtii воздействию хищной инфузории, а затем долгое время внимательно отслеживали судьбу этих клеток. 750 поколений спустя их ждал сюрприз: появились многоклеточные организмы, которые обеспечили этим клеточным скоплениям отличную защиту от хищников. Другие исследования доказали, что колонии, сформированные таким образом, сохранялись даже после исчезновения хищника. Жить вместе – значит иметь больше шансов набирать вес, а следовательно, меньше шансов быть съеденным.

Но почему бы тогда не вырасти и не остаться одному, просто увеличивая вес одной-единственной клетки? Причина кроется в простой геометрической задаче: объем шара пропорционален диаметру в кубе, а площадь поверхности шара – диаметру в квадрате. Таким образом, по мере роста клетки ее объем растет значительно быстрее площади поверхностной мембраны, которая служит для обмена веществом и энергией с окружающей средой. Поэтому для сферической клетки обязательно существует диаметр, при котором эта мембрана больше не является достаточно большой поверхностью обмена, чтобы отвечать потребностям клетки.

Именно это геометрическое правило объясняет, почему в мире[57]57
  Исключением является Valonia ventricosa – морская одноклеточная водоросль, которая достигает нескольких сантиметров. Этот зеленый шарик имеет очень структурированное строение из «мешочков», соединенных «мостиками». Короче, он немного жульничает. Есть и другие водоросли, как Caulerpa taxifolia, которые достигают 60 сантиметров. Водоросли определенно не любят подтверждать гипотезы биологов.


[Закрыть] так редко встречаются клетки, которые можно различить невооруженным глазом, – размер большинства клеток не превышает нескольких десятков микрометров. То есть, чтобы набрать вес, лучше размножиться, чем распухнуть. Увеличение в размерах определенно способствовало развитию многоклеточности у наших далеких предков, но, вполне возможно, это не единственная причина.

Когда клеткам стала доступна дифференциация, они смогли выполнять несколько задач одновременно. Тогда у колоний цианобактерий появились гетероцисты – особые клетки, поглощающие атмосферный азот для других членов группы. Именно для этой цели их цитоплазма заполнена ферментами нитрогеназа, а их более плотная внутренняя стенка поддерживает внутреннюю часть клетки в анаэробном[58]58
  Анаэробия – это отсутствие кислорода. Не путать с Найроби, столицей Кении!


[Закрыть] состоянии, что позволяет ферментам функционировать должным образом. Такое разделение труда сделало эти бактерии стать настолько эффективными, что два миллиарда лет назад они заполнили атмосферу кислородом, вызвав тем самым первое массовое вымирание в истории.

Другое последствие деятельности цианобактерий еще более удивительно. Несколько исследований подтвердили взаимосвязь концентрации кислорода в атмосфере с разнообразием эукариотов. Другими словами, кембрийский взрыв мог произойти исключительно благодаря существованию цианобактерий (и гетероцист, как следствие)! Получается, что одна многоклеточная форма жизни помогла другой во временном масштабе нескольких сотен миллионов лет.

Учитывая совокупность всех преимуществ, которые дает многоклеточность, вероятность перехода к ней должна была возникать неоднократно в истории эволюции. И однажды этот переход произошел. Как ни странно, пришлось ждать несколько миллиардов лет, чтобы многоклеточные организмы обрели форму более сложную, чем сгусток или биопленка. Точку в этом споре поставило исследование биологов Эрша Сатмари и Льюиса Уолперта: «Так ли сложно совершить переход к многоклеточности? Прямой ответ на этот вопрос – нет, совершенно не сложно, поскольку многоклеточность уже раз 20 возникала в ходе эволюции. И тем не менее только три вида смогли создать сложные организмы: растения, животные и грибы. Три успешных кейса за 3,5 миллиарда лет – это не так уж и много»[59]59
  E. Szathmáry, L. Wolpert, «The transition from single cells to multicellularity», изд. P. Hammerstein, Genetic and Cultural Evolution of Cooperation, MIT Press, Cambrige, 2003. P. 285–304.


[Закрыть].

Хотя мы все-таки можем немного сравнять счет благодаря исключениям в виде красных и бурых водорослей, заключение авторов не теряет своей силы: даже если многоклеточность – повсеместное явление, сложные формы жизни по-прежнему невероятно редки на нашей планете.

Поэтому так важно различать такие многоклеточные формы жизни, как бактериальная колония и моя бабушка[60]60
  Которой, к слову, посвящен отдельный раздел.


[Закрыть]. Каким образом скопления, состоящие из множества организмов, умудряются функционировать согласованно? Как клеткам удается кооперироваться? Мы узнаем это в следующем разделе!

7. Рак, землекопы и кубинские ракеты

Внимание, загадка: каким образом клеткам, которые живут в пространстве какого-то микрометра, удается создать такой огромный[61]61
  И, без всяких сомнений, замечательный.


[Закрыть] организм, как вы?

Когда ваши пальцы потянутся к мышке, чтобы кликнуть на сайт и оставить там ругательный отзыв на эту книжку, задумайтесь о следующем: все эти действия требуют одновременной и скоординированной работы миллиардов клеток. А именно: лихорадочно работают мускульные клетки, клетки Меркеля фиксируют контакт, когда вы кликаете мышкой, нейроны отдают команду к действию, и, само собой, все клетки отвечают за собственное питание, защиту и так далее. Говоря проще, все это множество клеток, каждая из которых могла жить своей жизнью, «решило» больше не размножаться и посвятить себя чему-то большему, чем они сами, – вам. Невероятно, правда? И хотя наука позволяет довольно легко увлечься такими фантазиями[62]62
  Стул, на котором вы сидите, буквально кишит атомами, вау! И древесина, из которой он сделан, тоже! И одно бесконечное множество чисел больше других бесконечных множеств чисел!. Да, вы правы, согласен, тут я уже немного переборщил. Георг Кантор уже доказал, что множество действительных чисел больше, чем множество натуральных чисел, и оба они – бесконечны. Читайте дальше, а я схожу за аспирином и тут же вернусь.


[Закрыть], от нас никуда не денется следующий интересный вопрос: каким образом весь этот крохотный мир начал сотрудничать и главное – почему?

Чтобы отправиться в путь к истокам сотрудничества, нам понадобится немного воображения. Итак, закройте глаза, сделайте глубокий вдох и постарайтесь представить, что вы – голый землекоп (Heterocephalus glaber).

Ого.

Великолепно.

Самые «горячие» грызуны твоего района

Относительно непривлекательное по нашим меркам[63]63
  По сути, оно напоминает свежевыбритую тестикулу длиной в десять сантиметров и с длинными зубами на конце.


[Закрыть], это млекопитающее привлекает внимание биологов по нескольким причинам.

Возможно, вы и не оцените, но вот его лучший портрет!

Этот бесшерстный грызун живет в колониях из нескольких сотен особей в норах на территории Восточной Африки, где он преимущественно питается кореньями. Несколько черт отличают его от других млекопитающих. Во-первых, он не регулирует температуру собственного тела. Такой отказ от терморегуляции, которая присуща всем остальным млекопитающим, логически проистекает из подземного образа жизни – ведь под землей температура намного стабильнее. Вместо этого голый землекоп использует поведенческие методы контроля тепла: когда температура падает, особи стараются прижаться друг к другу. А если становится действительно очень холодно, тогда… ну, они умирают.

Норная жизнь предполагает еще один удивительный адаптивный навык: устойчивость к очень высокому уровню углекислого газа и очень низкому уровню кислорода. Лабораторно доказано, что голые землекопы могут жить без кислорода 18 минут и процветать в атмосфере с 80-процентным содержанием углекислого газа, в то время как для человека опасной считается концентрация газа уже в несколько процентов! С вентиляцией в норах проблемы, поэтому в ходе эволюции эти грызуны научили вырабатывать гемоглобин, который очень эффективно поглощает кислород. С другой стороны, дышать углекислым газом означает накапливать кислоту в тканях, но не беспокойтесь: они к этому уже приспособились. Этот адаптивный навык, по-видимому, связан с высокой устойчивостью к боли: они практически не чувствуют ее! К тому же у них очень редки случаи рака – в природной среде обитания у этого вида никогда не наблюдалось опухолей. Эту особенность связывают с многочисленными адаптивными навыками в отношении выработки белков, с высоким содержанием гиалуроновой кислоты и очень низким содержанием кислорода в их среде обитания.

Словом, физиология этого животного – удивительна и невероятна. И к тому же она обеспечивает ему более длинную жизнь, чем у многих других грызунов, – голые землекопы доживают примерно до 30 лет.

Также недавно выяснилось, что каждая колония вырабатывает собственные звуки[64]64
  Они используют целый арсенал звуков, и особенно часто – пронзительный «чип-чип».


[Закрыть] для своего «диалекта», который отражает ее культуру и напрямую связан с королевой. Стоит им сменить королеву – меняется и диалект! Ну и наконец, в 2013 году журнал Science присвоил этому зверю звание «Позвоночное года», что доказывает – этот приз можно вручить по любому поводу и без.

Гораздо более социальные животные, чем мы

Однако самое удивительное свойство этого животного – его социальная организация.

Эусоциализация – это форма организации, которая отличается повышенной кооперацией: лишь некоторые особи размножаются, а остальные помогают им в этом процессе. Это целые группы, в которых поколения работают вместе, чтобы заботиться о молодых. К ним также относятся стерильные особи, которые выполняют свои задачи: ищут пищу, защищают группу и так далее. Такая организация обычно встречается у таких общественных насекомых, как муравьи, термиты, пчелы, осы… и в этой области она глубоко изучена. Но существуют и другие эусоциальные организмы: некоторые креветки рода Synalpheus живут в полостях, вырытых в губках (см. следующую страницу), в то время как папоротник Platycerium bifurcatum[65]65
  Или папоротник «Олений рог», как его называют продавцы в садовых магазинах: его часто разводят как комнатное растение.


[Закрыть] произрастает компактными группами, что позволяет ему удерживать влагу. Многие особи этого рода не размножаются, чтобы сосредоточиться на сборе и удержании воды!

Что касается редких примеров эусоциальных млекопитающих, то… ну да, это голые землекопы[66]66
  Даже не проверяйте, люди не входят в число эусоциальных видов. Просто потому что мы не делегируем размножение одному из членов группы!


[Закрыть]. Несколько сотен особей, которые составляют одну колонию, делят набор ролей: королева – единственная самка, способная размножаться, и не способные к этому самцы и самки, которые окружают королеву и трудятся на благо колонии. Они добывают пищу, роют подземные ходы и защищают их от возможных хищников, прежде всего от змей. Такая организация сообщества практически уникальна для млекопитающих – подобная встречается только у одного другого вида грызунов – дамарского пескороя, который обитает в похожей экологической зоне Южной Африки.

Предсказать существование землекопов

За этой биологической диковинкой скрыто прекрасное подтверждение эффективности теории эволюции. Помимо прочего, верность научной теории во многом зависит от ее способности формулировать проверяемые прогнозы, которые в итоге подтверждаются; и загадочное сообщество голых землекопов как раз таки представляет собой подобный случай. В 1974 году биолог Ричард Александр недвусмысленно заявил о существовании позвоночного, которое может быть эусоциальным. По его мнению, эусоциальность в значительной степени зависит от заботы родителей о потомстве и поэтому должна возникать у позвоночных, где такая родительская забота широко распространена. Александр попытался создать эволюционную модель эусоциальности и даже предсказал конкретные условия, при которых она должна возникнуть: в безопасной среде, с обильным источником пищи, которую можно добывать без риска, наподобие пня для колонии термитов.

Лишь немногие среды обитания позвоночных подходят под это описание, и подземные норы оказались идеальным вариантом. В норах преимущественно живут млекопитающие, а среди них преобладают грызуны. Главным источником питания должны быть крупные клубни и коренья, которые в основном встречаются в тропиках с выраженным засушливым сезоном. Это логическое умозаключение, сделанное еще до открытия эусоциальности голых землекопов и дамарских пескороев, – одно из самых удивительных предсказаний теории эволюции.

Эволюционные матрешки

Несмотря на этот научный подвиг, объяснить, каким образом возникают тотальные общества, или суперорганизмы[67]67
  Суперорганизмом называют организацию, которая состоит из представителей одного вида, как муравейник; речь идет о холобионте, когда несколько видов взаимодействуют одновременно. Да, биологи изобретают новые концепции так же легко, как другие ходят в кино. Каждый сам придумывает себе развлечение на субботний вечер.


[Закрыть], – все еще вызов для ученых. И он тем более удивителен, что ответ на этот вопрос поможет нам понять, почему мы состоим из множества клеток. В 1995 году биолог Джон Мейнард Смит и его коллега Эрш Сатмари опубликовали исследование «Основные переходы в эволюции», в которой они предположили, что жизнь в ее нынешнем состоянии есть результат смены нескольких крупных парадигм. Гены, изначально независимые, объединились в хромосомы, одиночные клетки сгруппировались, чтобы создать отдельных особей, а те, в свою очередь, создали целые общества или колонии. Со стороны общество землекопов (или наше) представляет собой набор матрешек, в каждой из которых скрыт новый уровень организации. Задавшись вопросом о существовании суперорганизмов, два исследователя доказали важность вопроса, почему существа с потенциально эгоистичными интересами образуют кооперативные группы.

Математика кооперации

У одноклеточных существ такие организации возникают благодаря нескольким механизмам. Агрегация – наиболее интуитивная форма: различные клетки группируются и слипаются друг с другом, как в случае с амебами из предыдущего раздела. Преимущество этой многоклеточной формы жизни заключается в том, что она очень быстрая; однако без родственных связей между клетками такие группы особенно рискуют обнаружить в своих рядах «обманщиков», которые получают от группы больше, чем сами ей дают.

Есть и другой, более медленный метод: достичь многоклеточности с помощью деления. Исходная клетка будет дублировать себя, чтобы создать «дочек», которые останутся прикрепленными к ней.

Хотя такой процесс более трудоемок, клоны, полученные таким образом, имеют одинаковый генетический багаж и одинаковый интерес к сотрудничеству. Генетическая близость как двигатель кооперации была революционной идеей в биологии. Хотя обычно все гениальные догадки связывают с именем Чарльза Дарвина[68]68
  Кажется, что Дарвину принадлежат идеи абсолютно во всех областях эволюционной биологии. И вместе с тем у него было достаточно времени: он терпеливо совершенствовал свою теорию более двадцати лет, прежде чем впервые опубликовать ее в 1859 году под названием «Происхождение видов». Но главное – Дарвин публиковал книги до 1881 года! Ученый начал с опыления и окультуривания орхидей, а замкнула список его трудов книга о земляных червях; таким образом, Чарльз Дарвин действительно охватил предельно широкий круг тем из доступных в ту эпоху.


[Закрыть], в этом случае именно Холдейн прославился тем, что сформулировал эту проблему. Знаете такую известную фразу: «Я бы отдал жизнь ради двух братьев или восьмерых кузенов»? По легенде Холдейн произнес ее, сидя с Джоном Майнардом за пинтой в пабе и нацарапав на столе какие-то расчеты. Эволюционный успех особи, который исчисляется в переданных ею генах, зависит не столько от количества ее прямых потомков, сколько от количества потомков ее родных и двоюродных братьев и сестер.

Отобран, чтобы быть стерильным

Представим следующий гипотетический сценарий: некая аллель запускает у некоторых людей психологический механизм, подталкивающий человека к тому, чтобы произвести на свет как можно меньше потомков, но при этом сделать все возможное, чтобы побудить своих братьев и сестер иметь как можно больше детей. Братья и сестры, в свою очередь, также являются носителями этой аллели (в конце концов, им принадлежит половина общих генов), но по какой-то причине она не оказывает на них никакого влияния. В итоге благодаря альтруизму этого члена семьи у них будет больше детей… что увеличит частоту аллели в следующем поколении популяции. В таком случае можно сказать, что наша крайне семейно-ориентированная особь увеличивает свою инклюзивную приспособленность, то есть речь идет не только о его детях, но и о расширенной семье. С точки зрения генетики помочь брату или сестре обзавестись еще двумя детьми все равно, что родить собственного ребенка[69]69
  По крайней мере, есть все основания надеяться: не забывайте, что речь идет о вероятностном расчете. Ваши братья и сестры имеют по меньшей мере половину ваших генов, но их может быть больше или меньше в зависимости от того, каким образом будут перетасованы гены при их появлении на свет.


[Закрыть]. И тогда столь парадоксальный, на первый взгляд, альтруизм объясняется простым генетическим расчетом, который учитывает всех родственных особей. Несколько лет спустя Уильям Дональд Гамильтон сформулировал эту идею на языке математики в виде следующей формулы: rB>C.

И все. Ожидали большего? Эта формула означает следующее: репродуктивный ущерб (С) альтруистического акта по отношению к кому-либо должен быть меньше, чем родство (r) с этим индивидом, умноженное на репродуктивный выигрыш (В), который он получает от альтруистического поступка. Собственно, это и называется родственным отбором.

Многофункциональное уравнение

Как только эта формула появилась в статье, опубликованной в 1960-х годах, исследователи начали испытывать ее в лабораториях по всему миру. Среди 19 000 статей, ссылающихся на работу Гамильтона[70]70
  Карьера этого ученого была блестящей и… весьма экзотической. Перевернув наше представление о кооперации в биологии благодаря изучению насекомых, он математически описал поведение, в рамках которого одна особь готова понести ущерб (в том числе и эволюционный) только для того, чтобы навредить другой особи (например, детоубийство). Он также интересовался красками осеннего леса, которые, по его мнению, можно рассматривать как сигнал деревьев насекомым. Вместе с Джоном Мейнардом Смитом и Джорджем Прайсом он значительно ускорил математическую формализацию эволюционной биологии. В конце своей жизни Гамильтон поддерживал противоречивые теории о происхождении ВИЧ и умер на обратном пути из экспедиции в Конго, куда отправился в поисках аргументов для своей революционной теории. Верный своему научному кредо до последнего, исследователь опубликовал свое завещание в рецензируемом журнале, в котором подробно объяснил свое желание отдать на съедение скарабеям собственное тело после смерти. Говорю же вам: верен себе до последнего!


[Закрыть], встречаются исследования о возникновении каннибализма у личинок саламандры, детоубийстве у львов, защите кладки яиц клопов сторонними особями, о птичьих обрядах в период спаривания (токование) и, само собой, о таких эусоциальных организмах, как насекомые или землекопы.

Рассмотрим в качестве примера водоросли вольвокс или… ваше тело (тоже сгодится). Все клетки этих организмов с генетической точки зрения идентичны. То есть их интересы полностью совпадают, поэтому r = 1. Тогда уравнение выглядит следующим образом: B>C. Другими словами, для возникновения альтруистического поведения достаточно, чтобы выигрыш хотя бы немного превосходил репродуктивный ущерб. В таком случае клетка не замедлит пожертвовать собой ради достижения цели.

Что касается социальных насекомых, таких как муравьи, достаточно просто взглянуть на их семейное фото. Поскольку самцы происходят из неоплодотворенных яйцеклеток[71]71
  Они появляются на свет благодаря бесполому размножению.


[Закрыть], они имеют только одну хромосому[72]72
  Для красоты можно даже сказать: «гаплоидные».


[Закрыть]. Чтобы произвести на свет рабочих, королевы, имеющие две хромосомы[73]73
  А это уже диплоидные.


[Закрыть], размножаются с самцами, у которых только одна хромосома. Поэтому все рабочие особи, рожденные в результате такого союза, имеют одну отцовскую хромосому (вместе с тем он может передать только одну хромосому), и эти сестры делят гораздо больше общих генов, чем, например, две сестры нашего вида.

У людей братья и сестры делят в среднем половину генов (совпадение составляет 0,5), а у муравьев этот показатель возрастает до 0,75! Последние делят три четверти общих генов.

Особая половая система социальных насекомых означает, что две рабочие пчелы (внизу справа) имеют одинаковые отцовские гены и половину общих материнских генов

В таком контексте формула Гамильтона предсказывает, что альтруистическое поведение должно возникать спонтанно. Неслучайно такая специфическая система размножения, как у муравьев, которую называют гаплодиплоидией, встречается и у других социальных насекомых: ос, пчел, а также трипсов – букашек, которые живут в галлах, то есть наростах на стеблях или листьях растений где селятся целые сообщества.