Текст книги "Закон «джунглей». В поисках формулы жизни"

Благополучно прибыв в Оксфорд, Элтон и Саммерхейс систематизировали данные, собранные в ходе путешествия. Многие натуралисты, особенно не обделенные собирательской жилкой, вполне могли разочароваться при виде скудного материала, доставленного с арктических островов. Но Элтон понял, что благодаря относительной немногочисленности видов ему выпала редкая возможность описать все связи и отношения в целой экосистеме – познакомиться с жизнью животных.

Тогда как ранее натуралисты воспринимали подобное сообщество как единое целое, для Элтона было очевидно, что важнейшим ресурсом в «экономике» арктических островов была пища. Итак, он проследил, чем питались все организмы.

На суше пищи было очень мало, зато море ею изобиловало – оттуда он и начал. Он знал, что морские животные (планктон, рыба) служили пищей морским птицам и тюленям. В свою очередь, песцы ели морских птиц (также птицами питались поморники и чайки-бургомистры), а белые медведи питались тюленями. Эти отношения складывались в систему, которую Элтон назвал «пищевыми цепями».

Но связи между обитателями тундры далеко не ограничивались отношениями между некоторыми животными. В помете морских птиц содержится азот, связываемый бактериями. Бактерии питают растения, растения служат пищей для насекомых, как растениями, так и насекомыми питаются птицы, живущие вдали от берега (белая куропатка, бекас), которые в свою очередь попадают на обед песцу. Таким образом, пищевые цепи в экосистеме объединяются в более крупные структуры, которые Элтон назвал «пищевыми циклами»; позже закрепился термин «пищевая сеть». Элтон впервые начертил схему этих цепей и сетей, поместив данную иллюстрацию в статье, которую они с Саммерхейсом опубликовали в 1923 г. (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Пищевая цепь на острове Медвежий. Первая схема пищевой цепи, сделанная Чарльзом Элтоном. Чтобы проследить пищевую цепь на суше, начните с азота и бактерий в верхнем левом углу, а затем двигайтесь вправо, пока не дойдете до песца

Из работы В. Саммерхейса и Ч. Элтона

Сам Элтон быстро поднимался по академической «пищевой цепи», одновременно повышался и его статус в оксфордских университетских экспедициях. Получив диплом в 1922 г., уже в 1923 г. он был приглашен на преподавательскую работу и назначен научным куратором новой экспедиции, которую снаряжали на Шпицберген, – экстраординарная ответственность для 23-летнего человека, но оксфордцы сочли, что в данной ситуации это нормально. Полярные исследования – дело молодых, и Элтон оказался в замечательной компании: многие его спутники впоследствии сами отличились в других экспедициях. Но некоторые, к сожалению, и погибли в них…

Руководителем же названной экспедиции был Джордж Бинни, на тот момент – 22-летний студент-старшекурсник. Ему предстояло организовать эту экспедицию 1923 г. (а также гораздо более сложную и амбициозную экспедицию 1924 г.). Позже Бинни был произведен в рыцари за свои подвиги в годы Второй мировой войны – разрабатывал операции по проникновению в Швецию.

Кроме того, в составе экспедиции 1923 г. был Сэнди Ирвин, уже на следующий год попытавшийся взойти на Эверест и пропавший там вместе с Джорджем Мэллори, – они не дошли до вершины всего нескольких сотен метров. (Первым человеком, поднявшимся на семитысячник, стал военный врач Лонгстафф, который впоследствии покорял горные пики по всему миру.)

В экспедиции 1924 г. врачом был обладатель стипендии Родса 25-летний австралиец Говард Флори, иногда ночевавший с Элтоном в одной палатке. В годы Второй мировой войны Флори изобрел лекарственную форму пенициллина, за что в 1945 г. получил совместно с Эрнстом Борисом Чейном Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Экспедиция 1923 г. структурно отличалась от первой, и место ее назначения также изменилось. Бинни стремился организовать ее более гибко и эффективно, поэтому отобрал всего 14 участников: семеро ученых и семеро «ассистентов» – умелых охотников, гребцов и механиков. На этот раз «Тернинген» направился к Северо-Восточной Земле – малоисследованному острову, также входящему в архипелаг Шпицберген. Несмотря на то что этот остров расположен совсем близко от Западного Шпицбергена, добраться до него значительно сложнее. Путь кораблю преградил мощный ледяной припай, окружавший остров, при попытке прорваться через пролив сломался винт. Частично обездвиженный корабль продолжал дрейфовать вместе с ледовыми полями, и от планов исследования острова пришлось отказаться.

Но для Элтона экспедиция не прошла даром. На обратном пути корабль, как обычно, зашел в Тромсё. Элтон заглянул в городской книжный магазин и наткнулся на книгу Роберта Коллетта о норвежских млекопитающих – Norges Pattedyr. Хотя Элтон и не читал по-норвежски, книга настолько его заинтриговала, что он не пожалел на нее один из трех последних фунтов, отложенных на обратный путь. Позже Элтон признавался, что эта книга «полностью изменила его жизнь».

Вернувшись в Оксфорд, Элтон вооружился норвежско-английским словарем и тщательно сделал подстрочный перевод части книги. Это был раздел о леммингах, примерно пятьдесят страниц. Элтон никогда не видел леммингов – мелких зверьков, напоминающих морских свинок, – но увлекся ими. Его очень заинтересовали описанные Коллеттом «лемминговые годы», когда целые полчища леммингов приходили из Скандинавских гор и из тундры – люди веками помнили о таких экстраординарных событиях.

Элтон начертил график таких событий и обнаружил, что они происходили с явной периодичностью раз в три или четыре года. Он составил карты и отметил, что миграции различных видов леммингов в разных частях Скандинавии, по-видимому, в основном приходились на одни и те же годы. Он часами рассматривал карты, устилавшие весь пол у него в комнате в старом оксфордском здании, полагая, что явно упускает что-то важное. Затем, рассказывал Элтон, его осенило буквально на унитазе. Подобно Архимеду, совершившему свое открытие, лежа в ванне, сидевший в туалете Элтон осознал, что миграции леммингов были «разливами», связанными с периодическим увеличением популяции. В те времена зоологи полагали, что численность животных в целом остается стабильной. Но Элтон открыл, что размеры популяций могут очень сильно колебаться.

Продолжая докапываться до истины, Элтон задумался, насколько универсален этот феномен. Хотя и не было никаких конкретных данных о миграции леммингов в Канаде, Элтон смог логически восстановить эти события, размышляя о пищевых цепях. Ранее он читал книгу канадского натуралиста, описывавшую колебания численности других млекопитающих, в частности песца. Зная, что песцы питаются леммингами, Элтон нашел таблицу с данными о количестве песцовых шкур, заготовленных пушноторговой компанией Hudson Bay, и – что бы вы думали? – обнаружил явную корреляцию между всплесками добычи песцовых шкур и лемминговыми годами в Норвегии.

Открывались все новые следствия предложенной Элтоном концепции пищевой цепи. На леммингов также охотились птицы. Элтон отметил, что в лемминговые годы на юг Норвегии слетались целые стаи болотных сов, а также сапсанов, охотившихся на этих сов.

Лемминги оказались не единственной дичью, численность которой так сильно колебалась. Элтон обнаружил, что популяции канадского кролика (или американского беляка) изменяются таким же образом: резкие всплески численности примерно раз в 10 лет, а затем такие же резкие падения. Кролики – любимое лакомство канадской рыси. «Она живет кроликами, рыщет за кроликами, думает о кроликах, напоминает кролика на вкус, умножается вместе с кроликами, а когда их нет – гибнет от голода в обескроленных лесах», – писал один натуралист. При этом мех канадской рыси – излюбленная добыча трапперов из компании Hudson Bay. Оказалось, что компания вела тщательный учет количества шкур, заготовленных во все годы, начиная примерно с 1821-го. На графике эти цифры также выстраивались в явственные 10-летние циклы, коррелировавшие с увеличением численности кроликов (рис. 2.4).

Элтон считал такие циклы ценными свидетельствами о наличии механизмов, которым подчиняются сообщества животных. Они демонстрировали то, насколько сильно может увеличиться популяция, особенно если такой рост будет неконтролируемым. Аналогично, резкие спады численности леммингов и кроликов демонстрировали, что есть и такие силы (скажем, эпидемии), которые могут резко сократить число животных. Эти циклы также показывали, как численность одних животных может влиять на численность других животных в рамках пищевой цепи.

Рис. 2.4

Десятилетние циклы колебания численности рыси и кролика на севере Канады. Элтон изучил архивы компании Hudson Bay, определив таким образом, что всплески и спады численности рыси и кролика повторяются с десятилетней периодичностью

Из Elton, 1924

Одним словом, циклы показывали, что численность животных зависит от многих факторов. Элтон изложил эти «Периодические флуктуации численности животных» в своей 45-страничной работе 1924 г. Он еще не знал, что тем самым закладывает краеугольный камень новой науки – экологии. Далее молодой естествоиспытатель стал строить ее фундамент.

В 1926 г. Джулиан Хаксли, бывший научный руководитель Элтона, подготовил серию коротких книг по биологии. Он стремился, чтобы все эти книги были написаны ведущими учеными и каждый рассказал бы о новых или формирующихся принципах. Хотя Элтону было всего 26, Хаксли высоко ценил его богатый опыт арктических исследований (на тот момент – уже три экспедиции) и восхищался оригинальностью мысли, свойственной его работам. Хаксли предложил Элтону написать короткую книгу об экологии животных, и Элтон согласился.

Элтон с головой ушел в эту работу. Он работал как проклятый почти каждую ночь с десяти вечера до часу ночи у себя в квартире близ музея Оксфордского университета и написал книгу менее чем за три месяца! Несмотря на бешеный темп подготовки, получившаяся работа «Экология животных» стала классической как в стилистическом, так и в содержательном плане. Эта 200-страничная книга написана увлекательно и живо, полна удачных аналогий. Ее главы логически выстроены вокруг ключевых идей, позволяющих читателю познакомиться с, так сказать, повесткой новой экологической науки, а также с теми ее аспектами, которые Элтон считал наиболее важными.

Элтон объяснял, что «одну из основных тем книги можно охарактеризовать как социологию и экономику животных». Он намеренно проводил аналогию с реалиями человеческого общества – экономикой и социологией. «Очевидно, что животные образуют сложное сообщество, не менее сложное и интересное, чем человеческое», которое «подчиняется экономическим законам», – писал Элтон. Эта аналогия имела глубокие корни в биологии. Концепцию «экономики природы» в XVIII в. разделял великий естествоиспытатель Карл Линней, а в XIX в. – Дарвин. Ее смысл заключался в том, что сообщества животных, как и человеческий социум, состоят из взаимодействующих существ, каждое из которых обладает своим местом и ролью.

«На первый взгляд попытка отыскать какие-либо общие принципы сообществ животных может показаться безнадежной, – писал Элтон. – Но внимательное изучение простых сообществ… (которым он и занимался в Арктике) демонстрирует, что действительно существуют некоторые принципы, позволяющие анализировать сообщество животных по частям, и в свете этих принципов мнимая сложность исчезает».

В основе упомянутых принципов лежала важнейшая роль, которую Элтон уделял пище и пищевым цепям. Он считал пищу «валютой» в экономике животных. «Основным движущим стимулом для всех животных является необходимость найти подходящую пищу в достаточном количестве. Пропитание – животрепещущий вопрос в сообществе животных, вся структура и деятельность этого сообщества зависят от проблемы пропитания», – утверждал ученый.

Все принципы, следовавшие из этой базовой посылки, Элтон сформулировал в виде очаровательных и удачно подобранных китайских пословиц:

Большая рыба ест малую; малая ест водяных жучков; водяные жучки едят водоросли и ил.

Пищевые цепи образуют «экономические» связи между различными членами сообщества. Цепи животных связаны пищей, и все животные в конечном итоге зависят от растений. В схеме Элтона травоядные были «базовым классом в обществе животных», выше располагался класс хищников, еще выше – класс более крупных хищников, питавшихся хищниками первого порядка, и т. д. вплоть до животного, «не имеющего естественных врагов», на котором заканчивается пищевая цепь.

По Элтону, структура таких пищевых цепей связана с размерами существ, находящихся на разных уровнях.

Большая птаха не склюет мелкого зернышка.

Элтон доказывал, что размер – основной определяющий фактор в структуре пищевой цепи. Если съестное слишком крупное, чтобы его переварить, либо слишком мелкое, чтобы животное могло им насытиться, такая еда исключается из рациона: «Размер добычи хищников ограничен в восходящем направлении силой хищника и его охотничьим потенциалом, а в нисходящем – возможностью наловить мелкую добычу в достаточном количестве, чтобы ею можно было прокормиться».

В свою очередь, эти параметры, связанные с размерами, важным образом сказываются на численности различных видов животных в популяциях и в пищевых цепях.

Два тигра не укроются под одним холмом.

Элтон отмечал, что животные, находящиеся в основании пищевой цепи, обычно многочисленны, а те, что ее завершают, – например, тигры – встречаются относительно редко. Как правило, между двумя этими крайностями прослеживается устойчивое снижение численности животных. Элтон назвал эту закономерность «пирамидой чисел».

В качестве примера он приводил английскую дубраву, где можно найти «огромное количество растительноядных насекомых, например тлей, множество пауков и плотоядных наземных жуков, значительное количество мелких певчих птиц и всего одного-двух ястребов». Другой пример, который он лично задокументировал, – арктическая фауна, где обитает огромное количество рачков, которыми питается рыба, рыбу едят тюлени, а тюленей – сравнительно немногочисленные белые медведи. Элтон утверждал, что такие пирамиды существуют в сообществах животных по всему миру.

«Пирамиды чисел» предполагают, что в нормальных условиях в любом регионе численность животных остается сбалансированной. В таком случае возникает фундаментальный вопрос о том, каким образом поддерживается такая плотность: как животные регулируют собственную численность и избегают, с одной стороны, перенаселения, а с другой – вымирания? Элтон полагал, что в целом пределы роста популяции устанавливаются хищниками, патогенами, паразитами и доступностью пищи. Вымирания не происходит, объяснял он: если добычи становится мало, хищники переключаются на другую пищу, позволяя популяции восстановиться.

В свою очередь, нарисованная Элтоном картина регуляции количества животных сближается с кенноновской идеей о гомеостазе – показатели остаются в определенных диапазонах под действием факторов, уравновешивающих друг друга. Элтон не использовал этого термина, Кеннон пока его не популяризовал, но позже это сделали другие экологи.

Элтон считал, что регуляция численности животных – показатель не просто фундаментальный, но и важный с практической точки зрения, поэтому посвятил этой теме почти четверть своей книги. Но он признавался, что «приходилось выражаться общими фразами, так как в настоящее время столь мало известно о законах, регулирующих численность животных».

Действительно, книга Элтона побудила экологов выявлять эти законы регуляции численности животных, подобно тому как работы Кеннона сподвигли психологов искать закономерности, управляющие работой организма у человека и других животных.

Именно об этом мы и поговорим далее.

Но прежде следует упомянуть еще об одном моменте, связанном с публикацией книги Элтона: она породила миф о самоубийстве леммингов. Согласно элтоновскому прочтению книги Коллетта, лемминговый год наступает, когда «целое множество леммингов словно сходит с ума и спускается с гор». Он писал в своей «Экологии животных»: «Лемминги бегут в основном по ночам, они могут преодолеть более сотни миль по суше, прежде чем достигнут моря, а потом просто прыгают в воду и плывут, пока не погибнут». Однако это описание было основано на байках из книги Коллетта. Элтон никогда не видел ни лемминга, ни их миграции, ни тем более массового самоубийства.

Миф о самоубийстве леммингов еще сильнее закрепился после 1958 г., когда вышел диснеевский фильм «Белая пустошь», в котором рассказывалось о леммингах, бегущих к своей смерти. Рассказчик за кадром говорил: «Каждым крошечным грызуном овладевает своеобразное непреодолимое влечение, и он в безумии несется вперед». Зрители видели, как лемминги прыгают в воду с высокой скалы. На самом деле, эта сцена была постановочной: леммингов сбрасывали сами киношники.

Фильм был отмечен «Оскаром».

02
Логика жизни

Все, что подтверждается для E. coli, должно подтверждаться и для слона.

Жак Моно и Франсуа Жакоб

Элтон описал, какую огромную важность имеет регуляция численности животных как в природе, так и для прикладных дисциплин, а Кеннон объяснил, почему физиологическая регуляция критически важна для здоровья животных и человека. Однако, по их собственному признанию, ни то ни другое не позволяло детально судить о количестве тех веществ, уровень содержания которых регулируется в экосистемах или организме.

Проблемы расшифровки законов регуляции для экологов и физиологов были в некоторой степени разными. Элтон и его коллеги обычно могли наблюдать «игроков» невооруженным глазом – речь шла о животных и растениях в конкретном месте. Но экологи не могли докопаться до правил своей игры, так как экология – в основном наблюдательная и описательная, а не экспериментальная наука.

Напротив, Кеннон и его соратники поднаторели в экспериментах, но также не могли работать в полную силу, поскольку в 1930-е гг. изучение физиологии в основном сводилось к наблюдению феноменов, проявляющихся на уровне органов и тканей. «Игроками», регулирующими эти феномены, являются невидимые молекулы, которые сложно выделить и идентифицировать.

В следующих трех главах я расскажу, как были открыты общие и некоторые частные законы физиологической регуляции. Довольно забавно, что первые прорывы в этих исследованиях произошли благодаря существам, не имеющим тела, – бактериям, обитающим в пищеварительной системе человека (глава 3). Однако эти первопроходческие исследования были важны потому, что, хотя рассматриваемые законы и были открыты при изучении бактерий, они действительно оказались универсальными и регулируют всевозможные процессы в разнообразных организмах, в том числе и у нас с вами. Именно по следам этих первопроходцев были открыты частные законы, регулирующие важные аспекты человеческого метаболизма, например переработку холестерина (глава 4) и рост клеток (глава 5). Когда удалось идентифицировать конкретных игроков и правила, по которым они играют, произошла биомедицинская революция, превзошедшая самые оптимистичные прогнозы Кеннона, – он и вообразить не мог ничего подобного.

Открытие универсальных законов оказалось важным еще по двум причинам. Во-первых, на этих законах основана так называемая логика жизни (термин предложен одним из первых молекулярных биологов Франсуа Жакобом). Термин используется как в формальном смысле (если А регулирует B, а B регулирует C, то A регулирует C), так и в более вольной коннотации: регуляторная логика имеет смысл для организма. В той же коннотации Кеннон употреблял выражение «мудрость тела». Я полагаю, что, уловив эту логику, можно значительно лучше понять, как устроена жизнь.

Вторая причина важности этих универсальных законов и одна из основных причин, по которым я написал эту книгу и структурировал ее именно так, заключается в том, что аналогичные законы и логика действуют и в экологических масштабах. Я перейду к конкретным экологическим законам ниже, в части III, но предупреждаю вас о важности и сходстве этих уровней логики уже сейчас, чтобы в нескольких следующих главах вы обращали внимание на детали каждой из изложенных историй.

Глава 3. Общие правила регуляции

Итак, работа клетки изменяется в зависимости от ее потребностей. Клетка производит лишь то, в чем нуждается, и тогда, когда в этом нуждается.

Франсуа Жакоб

Не только в Великобритании были заинтересованы исследованием полюсов. В первой половине XX в. многие государства снаряжали экспедиции на крайний север и крайний юг планеты, руководствуясь стратегическими и экономическими соображениями, иногда – ради национального престижа, а порой и из научного любопытства.

Одиннадцатого июля 1934 г. трехмачтовый французский корабль под названием «Пуркуа па?» («Почему бы и нет?») вышел из порта Сен-Мало в Нормандии и отправился к ледяным берегам Гренландии. Среди членов команды был и прославленный исследователь-полярник Жан-Батист Шарко. Шарко учился на врача, но отошел от медицины и сделал себе имя как участник двух арктических экспедиций, профинансированных французским правительством: на кораблях «Франция» в 1903–1905 гг. и «Пуркуа па?» в 1908–1910 гг. Пришлось немало вынести: льды, штормы, морозы до 40 с лишним градусов, длинная полярная ночь. Но Шарко открывал новые земли, нанес на карту более 1800 миль материкового и островного побережья, стал национальным героем и вызывал у коллег-исследователей неподдельное восхищение. После Первой мировой войны он заинтересовался Арктикой. Это путешествие было 25-й полярной экспедицией в карьере 67-летнего исследователя, причем он уже в десятый раз отправился к Гренландии.

Рис. 3.1

Корабль «Пуркуа па?» в Гренландии

Снимок Жака Моно, © Институт Пастера/Архив Жака Моно

Команда корабля состояла из 35 человек, все они были добровольцами. Кроме того, на борту были шестеро студентов, четверо из которых сошли на берег близ деревни Ангмагссалик, где собирались прожить год среди эскимосов, занимаясь этнографическими исследованиями. Еще двое планировали вести научную работу на борту и на берегу – одним из них был 24-летний Жак Моно.

Моно вырос близ знаменитого приморского курорта Канны. Он был опытным яхтсменом, но по сравнению с командой Шарко – просто дилетантом. Ранее ему не доводилось бывать в таких морях, куда сейчас лежал путь. Молодой зоолог отложил исследования, которыми занимался в парижской Сорбонне, сочтя за честь присоединиться к группе Шарко и отправиться в двухмесячное плавание по Арктике, что было для него настоящим приключением. Его обязанности были приблизительно теми же, что и у Элтона с соотечественниками, – собирать образцы.

Спустя 12 дней после выхода из Франции корабль причалил к окутанным туманом Фарерским островам. Подремонтировав поврежденный бойлер, команда взяла курс на Исландию, откуда, пополнив запасы угля, корабль направился в Гренландию. По пути Моно, бросая за борт невод, постоянно собирал планктон – мелких рачков, морских червей и личинок. Корабль уходил во все более высокие широты, с каждым градусом воздух становился холоднее, а на пути встречалось все больше льда. Когда судно подошло к заливу Скорсби на восточном побережье Гренландии, путь ему преградили ледовые поля. Пять дней корабль медленно продирался через них, дозорный в «вороньем гнезде» выискивал проходы между льдин, которые иногда закрывались столь же быстро, как и возникали, а другие члены команды на корме отталкивали льдины, чтобы те не повредили винт.

Когда Моно наконец высадился на берег, у него было всего три дня на сбор образцов прибрежной морской фауны, а затем корабль уходил в Ангмагссалик (ныне – Тасиилак). Моно с товарищем хотели пособирать породы и минералы, для этого стали подниматься в горы по берегам фьорда. Моно, страстный скалолаз, был очарован всем, что перед ним открывалось. «Я видел столько всего красивого и невероятного! – писал он родителям. – Дорогие мои, если бы вы знали, насколько я поражен, просто дух захватывает!»

Запасы угля на корабле иссякали, требовалось отправиться в Исландию и пополнить их. Корабль то и дело сотрясали ураганные ветры. Приходилось лавировать между айсбергами в условиях плохой видимости, но Шарко решил, что путь нужно продолжать во что бы то ни стало, так как уголь был на исходе. Команде удалось добраться до Рейкьявика, загрузить корабль углем и добраться домой без происшествий.

Моно опубликовал предварительный отчет о своих коллекциях и наблюдениях, но, увы, ему не довелось стать биологом-полярником. Через два года его вновь пригласили на «Пуркуа па?», отправлявшийся в новую экспедицию к Гренландии. Моно был склонен согласиться, но в последний момент передумал и отправился в Калифорнийский технологический институт изучать генетику в лаборатории нобелевского лауреата Томаса Ханта Моргана.

Это решение оказалось для Моно очень удачным. Пятнадцатого сентября 1936 г. «Пуркуа па?» вновь остановился в порту Рейкьявика, пережидая шторм, – корабль пришел из Гренландии, куда доставлял припасы. Затем судно отправилось домой, но через несколько часов попало в жестокий шторм. Рано утром 16 сентября косые паруса судна были изорваны в клочья, а затем корабль потерял фок-мачту и радиоантенну. Искалеченный парусник лег в дрейф, пошел боком и разбился о рифы. Шарко, а вместе с ним все, кроме одного, члены экипажа (43 человека) погибли в студеном бурном море.

К счастью для биологии, Моно сохранил жизнь. Хотя он и ничего не открыл, будучи в Калифорнии, позже Моно стал одним из основателей новой дисциплины – молекулярной биологии. Ему и его коллегам предстояло открыть первые общие законы регуляции жизни на молекулярном уровне, и именно благодаря этим открытиям Моно вновь отправился на север – в Стокгольм, получать Нобелевскую премию.

Но сначала ему предстояло пережить длительную смертоносную бурю.