Волшебная эволюция: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

На первый взгляд жабовидная ящерица (или рогатая ящерица) скорее похожа на камбалу с ногами, чем на игуану, хотя она относится к подотряду игуанообразных. Благодаря камуфляжной окраске — темные пятна на бежевом фоне — ее плоское тело сливается с песком и сухой каменистой землей Техаса. Снующие рядом лисы обычно не замечают эту ящерицу. А если кто-то ее и заметит, она способна дать отпор.

Жабовидная ящерица оснащена тремя средствами защиты. Во-первых, ее тело сплошь покрыто шипами, а прямо за головой расположены два острых рога, так что жевать такую добычу не слишком удобно. Во-вторых, ящерица способна надуваться подобно иглобрюхой рыбе, которая вмиг превращается в колючий шарик. Однако наибольший интерес представляет третий защитный механизм: жабовидная ящерица умеет стрелять кровью из глаз. Когда ящерица чувствует угрозу (например, если рядом появляется слишком любопытная лиса), отток крови из головы перекрывается, кровяное давление в голове возрастает, капилляры вокруг век лопаются, и из уголков глаз ящерицы брызжет кровь прямо в морду лисице. Пока лиса пытается сообразить, что произошло, ящерицы уже и след простыл. К тому же вкус игуаньей крови лисе противен, и она решает поискать себе на обед что-нибудь получше.

Жабовидные ящерицы маленькие, и при отсутствии защитных средств они стали бы легкой добычей для многих хищников. Очевидно, что ящерица, оснащенная эффективными средствами обороны, обладает явным превосходством. Такая особь имеет больше шансов выжить и вывести многочисленное потомство. Конечно, больно, когда в глазах лопаются сосуды, и раны заживают не сразу, но если на кону жизнь, можно вынести кратковременное страдание. На чаше весов преимуществ больше, чем недостатков.

Ящерицы, чей образ жизни имеет значительные преимущества и несущественные недостатки, обзаводятся многочисленным потомством и передают следующему поколению свои особенности. Выгодные качества передаются по наследству, в то время как вредоносные постепенно исчезают. Игуана, умеющая выпрыскивать кровь из уголков глаз, выживает и производит на свет приплод, способный обороняться таким же способом.

Возможно, некоторые из детенышей этой ящерицы научатся еще более эффективно защищаться от врагов брызгами крови, и эти особи дадут потомство, куда более жизнеспособное, чем его бабушки и дедушки. Не слишком проворных съедят: лиса только рада поживиться нерасторопной добычей. В течение многих поколений, в которых самые успешные оказывались наиболее плодовитыми, способность разбрызгивать кровь из глаз постепенно развивается. В какой-то момент эти игуаноподобные достигают в своем умении поистине экспертного уровня: маленькая ящерица может выпрыскивать кровь на расстояние полуметра. Этот процесс называется естественным отбором.

Слепая пещерная рыба приспособилась к окружающей среде не за счет развития нового качества, а благодаря утрате одной способности. В недрах Мексики расположена сложная система темных пещер; воздух здесь прохладный и влажный, а попадающая извне вода скапливается в небольших подземных озерах. За исключением летучих мышей, здесь почти никто не живет, и ничего не растет: в таком мраке мало кто может найти пропитание. Но пещерной рыбе в этих условиях удалось выжить благодаря переходу на режим жесткой экономии.

Зрение — весьма энергозатратная функция. Энергия требуется не только для функционирования самой сетчатки глаза, но и для мозговой активности, связанной с обработкой полученной от органов зрения информации. К тому же глаза очень ранимы: зрение легко потерять, заразившись опасными для здоровья и жизни инфекциями. Мы с вами ведем активный образ жизни на свету и готовы пойти на многие неудобства ради способности видеть, однако у рыбы, обитающей на дне подземной пещеры, потребность в зрении равна нулю. В конечном счете что мог бы ей сообщить мозг, получающий сигнал от глаз? Разве что то, что вокруг все та же непроглядная тьма.

Примерно пять миллионов лет назад какие-то рыбы, обитающие на территории современной Мексики, заплыли в пещеры и поселились в их недружелюбной темноте. Со временем они утратили способность видеть. Рыбы, которые не затрачивали лишнюю энергию на зрение, могли выживать при более скудном питании и экономить энергию для других целей. Они обзаводились многочисленными отпрысками, у которых зрение было еще менее развито, чем у родителей. Процесс повторялся до тех пор, пока все рыбы в пещерах не ослепли полностью.

Пещерные рыбы ориентируются в пространстве благодаря способности чувствовать малейшие изменения в давлении окружающей их воды. Для охоты им не нужны глаза; они поедают все, что попадается на пути, например экскременты летучих мышей. Эта особенность пещерных рыб нашла отражение и в строении их мозга: отдел мозга, отвечающий за обработку визуальной информации, у них значительно меньше, чем у их сородичей, обитающих в открытых реках. Существует множество изолированных пещер, населенных слепыми рыбами. Маловероятно, что лишенные зрения рыбы выходили на белый свет, чтобы перебираться из одной пещеры в другую, поэтому ученые предполагают, что потеря зрения повторялась и закреплялась многократно у разных линий рыб.

Напрашивается вывод о том, что при естественном отборе вовсе необязательно побеждает сильнейший. Или самый «продвинутый», или «сложносочиненный». Побеждает наиболее приспособленный, то есть имеющий больше преимуществ, чем недостатков. Таким образом, в ходе эволюции могут формироваться как более сложные, так и более простые структуры или навыки, — в зависимости от того, что выгоднее для конкретной среды обитания. Одни только бактерии чего стоят: жизнеспособность этих простейших организмов просто поражает.

У таких видов, как пещерные рыбы, обитающие в специфичной среде на протяжении многих поколений, было предостаточно времени, чтобы выработать у себя полезные качества, необходимые для жизни именно в этой среде. Если вам попадется безглазая рыба, то с большой долей вероятности можно утверждать, что она живет в кромешной тьме. Наблюдая за поведением животных, эволюционный биолог способен сделать довольно точные предположения о том, какие качества и способности важны (или не важны) для данного вида в данной среде. Наблюдение позволяет нам понять, почему животные выглядят и ведут себя именно таким образом.

Утром на острове Мадагаскар туман тяжелой неподвижной пеленой окутывает влажные стволы огромных деревьев тропического леса. В их плотной листве обитают тысячи видов животных. Среди них есть и лемуры; это настоящие эксперты по части жизни на ветвях, ведь они обитают в тропических лесах уже более пятидесяти миллионов лет. Однажды утром на свет появляется малыш, совсем кроха. В серой мгле движется тень. Загораются два желтых глаза. Они пытаются охватить весь окружающий влажный лес и оценить обстановку: нет ли какой опасности?

Детеныш лемура вари ползет по гладкой серо-коричневой ветви. Это маленькая самка, у нее мех густой и пушистый, черный на лбу и спине, белоснежный на ушах и руках; мордочка обрамлена пышной белой бородкой. Она похожа на плюшевого мишку и одновременно на панду. Вот она впервые вылезает из гнезда, прислушивается, оглядывается вокруг, широко раскрыв большие желтые глаза, и принюхивается, подергивая маленьким черным носиком. В тропическом лесу пахнет мокрой землей, мхом и цветами. До сих пор юная самка сидела в уютном гнезде из веток, листьев и собственной шерсти, ее кормили мать и тетки, но теперь она достаточно большая, чтобы искать пропитание самостоятельно. Она отталкивается ногами, прыгает на полметра вперед и оказывается на соседнем дереве.

Лемуры вари проводят большую часть жизни на деревьях, перепрыгивая с ветки на ветку. Некоторые разновидности лемуров, например кошачий лемур, которого легко узнать по полосатому хвосту, нередко спускаются на землю, однако именно на высоте лемуры проявляют свои самые сильные стороны. Отталкиваясь мощными задними ногами, они совершают прыжок и приземляются, обхватив ветку цепкими пальцами. Со стороны перемещение лемуров с дерева на дерево выглядит непринужденным и элегантным.

Как же мадагаскарским лемурам удалось научиться так прыгать? Казалось бы, все понятно: тот, кто умеет хорошо прыгать, с наименьшими усилиями заберется дальше остальных и найдет больше еды. Однако природа редко дает простые ответы. Изучением этой способности прыгать и ее развитием у лемуров занимались, в частности, два британских ученых — Робин Кромптон и Уильям Селлерс. Они замеряли различные показатели прыжков лемуров — высоту, длину, силу толчка. Ученые с удивлением обнаружили, что лемуры используют свои ресурсы отнюдь не оптимально. Техника прыжка лемуров такова, что длина прыжка не соответствует количеству затраченной на него энергии. Иными словами, если бы лемуры прыгали по-другому, они могли бы двигаться быстрее и находить больше еды с меньшими усилиями. Это странное обстоятельство навело исследователей на мысль: прыгая с дерева на дерево, лемуры преследуют вовсе не одну цель — поиск пищи, а несколько.

Совсем скоро нашей юной самке лемура предстоит использовать свое умение прыгать для достижения другой цели. Вот она нашла несколько сочных ягод и теперь медленно их пережевывает. Вдруг раздается предупреждающий крик, лемур настораживается. Раздается шорох, лемур оборачивается, видит чьи-то очертания, и вдруг из густой листвы прямо на нее выпрыгивает крупное животное. Это фосса — похожий на кошку или небольшую пантеру хищник со светло-коричневой шерстью, маленькой головой, круглыми ушами и большими зоркими глазами. Наша самка отталкивается одной из задних лап, отскакивает влево — туда, куда фоссе не добраться. Она стремительно перескакивает с ветки на ветку, с дерева на дерево и оказывается в безопасности.

Главное для лемура — не стать добычей для хищников, и исследование британских ученых доказывает, что лемурам удалось довести до совершенства технику прыжков, которая позволяет передвигаться максимально непредсказуемо. Например, они могут нагружать одну ногу больше другой, чтобы быстро менять направление. Таким образом, приоритет для лемуров вовсе не в дальности прыжка, а в точности и быстроте движений. Деревья тропического леса ломятся от плодов, и всеядным лемурам не нужно перемещаться далеко в поисках пищи. В то же время лемуры, особенно молодые, нередко подвергаются нападению хищников — фосс и крупных птиц.

Наиболее выгодным для лемуров было бы прыгать и непредсказуемо, и энергоэффективно, однако строение мышц и костей, а также сама техника прыжка таковы, что оптимизировать можно лишь что-то одно. Любая способность имеет как преимущества, так и недостатки; поскольку риск погибнуть от зубов хищника выше риска умереть от голода, лемуры на протяжении многих поколений специализировались именно на уходе от хищников, благодаря чему все лучше и лучше приспосабливались к своей среде обитания.

Ученые, посвящающие себя разгадке больших и малых тайн природы, опираются на опыт своих предшественников, которые ранее искали ответы на схожие вопросы. Приступая к очередному исследовательскому проекту, я в первую очередь пытаюсь найти всю информацию, уже имеющуюся в распоряжении науки, и зачастую нахожу полезные данные как в свежих исследованиях, так и в трудах самых первых биологов. Хотя многие ученые заслуживают уважения в этой связи, ни одну книгу об эволюции невозможно написать без упоминания Чарльза Дарвина. Почти вся деятельность современных биологов основана на принципах, заложенных Дарвином в его труде «Происхождение видов», увидевшем свет в 1859 году.

Вплоть до публикации научной работы Дарвина монополия на объяснение загадок природы принадлежала церкви. Бог поместил на Землю человека и животных, все они были приспособлены к своим задачам, поскольку Бог сотворил их именно такими. И точка. Дарвин же, напротив, аргументировал развитие естественным отбором. Хотя его взгляды были приняты научным сообществом не сразу, сейчас мы располагаем убедительными доказательствами того, что Дарвин был прав.

И все же Дарвин знал довольно мало о лежащем в основе эволюции механизме. Только в 1953 году, почти через сто лет после публикации «Происхождения видов», было совершено открытие, относящееся к структуре ДНК. Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс выяснили, как устроена ДНК^[2]. После этого открытия стало ясно, как именно наследственная информация хранится и передается потомкам. Когда мы наследуем те или иные качества от своих родителей, происходит копирование их ДНК, то есть генов. Я не стану подробно описывать генетический механизм, скажу лишь, что гены образуют основу, откуда следует все, в том числе и образ жизни животных. Поняв самое главное о генах, мы сможем лучше разобраться в самых странных природных феноменах.

Гены, отдельные участки молекулы ДНК, являются своего рода инструкцией. В них закодирована, то есть прописана, информация о последовательности аминокислот в структуре белков, набор которых определяет все, начиная от цвета глаз и заканчивая даром речи. Жабовидная ящерица разбрызгивает кровь из глаз потому, что в ее генах заложены способности, необходимые для функционирования этого механизма, например способность перекрывать отток крови из головы. Гены располагаются в строго определенном порядке, который называется генóмом. Благодаря сложному взаимодействию миллионов генов внутри генома формируется мышечный каркас, гормоны, нервная система, тип реакции и множество других элементов, сумма которых и составляет модель поведения. Если поведение оказывается полезным, существует высокая вероятность, что отвечающие за него гены передадутся следующему поколению, и тогда, со временем, подобное поведение станет обычным для особей этого вида, поскольку оно будет закреплено в генах. У тех же муравьев-листорезов имеется множество различных генов, благодаря которым муравьи знают, где искать листья, как выстраиваться в колонну, как ухаживать за грибницей; эти гены передаются из поколения в поколение на протяжении миллионов лет.

Группа животных одного вида, проживающих вместе и обменивающихся генетическим материалом, то есть спаривающихся, называется популяцией. Понятия вид и популяция пересекаются, но как правило, вид состоит из нескольких популяций. Например, все проживающие на одном острове лисы составляют одну популяцию. В фокусе внимания эволюции находятся изменения, затрагивающие среднестатистического представителя популяции или вида. Если в Норвегии рождается один человек с очень длинными ногами, это вовсе не означает, что население Норвегии в целом хоть как-то изменилось. Чтобы говорить об эволюционном развитии, должно быть зафиксировано увеличение среднего роста населения. Изменение должно затронуть те гены, которые являются обычными и распространенными.

Существуют три основных способа изменения генов от поколения к поколению: рекомбинация, мутация и селекция. Рекомбинация происходит при спаривании двух организмов, в результате чего потомство получает комбинацию генов обоих родителей. Половина генов достается приплоду от матери, половина — от отца. Так происходит у всех животных, однако иногда случается, что у отпрыска, при объединении свойств родителей, возникают совершенно новые качества, которыми предки не обладали. Такое, например, может произойти, если спариваются представители разных видов и у них рождается потомство. В Южной Америке обитает ядовитая гадюка Bothrops neumedi, яд которой состоит из смеси различных белков. Одни белки вызывают быстрое свертывание крови, другие запускают воспалительные процессы. У предков этой змеи яд был значительно проще по составу и воздействию, однако со временем при спаривании особей с разными свойствами ядов сформировался сложносоставной яд, вызывающий синяки, опухоли и даже смерть клетки у человека, а также способный убить небольшую мышь.

Мутация — это «программный сбой». При копировании генов иногда, по чистой случайности, выходят не совсем идентичные копии, так что генетический материал у потомства немного отличается от родительского. Большинство мутаций незначительны и незаметны для животного в целом, однако некоторые из них могут привести к опасной патологии и даже летальному исходу. Особи с серьезными мутациями зачастую погибают задолго до того, как мать осознает, что беременна. Однако крайне редко, опять же абсолютно случайно, мутация может сыграть в пользу особи. Вдруг появляется ген, наделяющий отпрыска позитивными признаками, которых не наблюдалось у родителей. У этой особи появляются более высокие шансы на выживание, а значит, мутация с большой долей вероятности передастся следующему поколению. С течением времени такие полезные мутации распространяются, в итоге меняя признаки, присущие всей популяции.

Березовая пяденица, маленькая бабочка, оказалась в выигрыше именно благодаря удачной мутации. В конце XVIII века индустриальная революция в Англии ощутимо сказалась на экологической обстановке. В некогда чистом и свежем воздухе витала взвесь пыли и грязи, а линия горизонта едва читалась сквозь охристый туман. Белые стволы деревьев почернели. Для пядениц это стало настоящей бедой. Прежде на белых крыльях пядениц были черные пятнышки, такая окраска позволяла им сливаться с белой корой берез во время сна. Но теперь этот камуфляж не мог скрыть их от голодных птиц. Множество беззащитных бабочек погибло, однако в начале XIX века произошло кое-что необычное: на свет появилась черная березовая пяденица^[3]. Своим обликом они были обязаны ошибке: целый отрезок цепочки ДНК оказался не на своем месте, так что в геноме закрепился код, отвечающий за несколько иные белки. Как следствие, изменилась выработка пигмента на крыльях. Черная пяденица вышла победителем, дала многочисленное потомство, и измененный геном распространился по популяции березовых пядениц Англии. Впервые черная березовая пяденица была зарегистрирована в 1848 году в Манчестере, а к концу XIX века почти все березовые пяденицы в этом городе стали черными.

Еще один способ изменения наследственного материала отдельно взятого вида называется селекцией. По наследству передаются все гены, но каждый потомок получит не все гены родителя, а только часть их. В отличие от мутации, при которой может появляться абсолютно новый генетический материал, селекция подразумевает воздействие на существующий геном. У каждого вида имеется масса непохожих генов. Если приглядеться к воробьям в городском парке, можно заметить, что все они чем-то отличаются друг от друга: у одного перья темные, у другого светлые, у одного крылья покороче, у другого подлиннее. В основе некоторых из этих вариаций лежат условия взросления (птицы, которые сытнее питаются, вырастают крупнее), однако значимо и то, что у разных особей геном состоит из разных генов. Если какие-то из генов чаще других репродуцируются у последующих поколений, со временем меняется и вид в целом. Именно это и произошло в случае с березовыми пяденицами.

В английской популяции березовых пядениц на момент 1900 года существовало несколько разных генов, отвечающих за окраску. Большая часть бабочек была черной, однако по-прежнему появлялись на свет и белые особи. В течение XIX века экологическая обстановка продолжала меняться: в Англии были введены жесткие нормы выбросов вредных веществ, что привело к постепенному очищению воздуха и восстановлению прежней экологии. Деревья вновь стали светлыми, и преимущество оказалось на стороне белых березовых пядениц. Птицы уже не могли с прежней легкостью находить белых бабочек, ранее проигрывавших своим черным сородичам. В период с 1959 по 1984 год доля белых особей в английском городе Вест-Кирби увеличилась с 6 до 30 % от всей местной популяции, а в 2003 году почти по всей стране 90 % пядениц были белыми и только 10 % черными. Таким образом, после первого появления мутации популяция в целом тяготела то к белой вариации, то к черной, то снова к белой, — в зависимости от того, какая окраска оказывалась наиболее пригодной для жизни в окружающей среде. Помимо генетических изменений, на поведение может также влиять обучение и опыт. Но выработанные в ходе обучения качества вовсе не обязательно передаются по наследству, а значит, они не становятся частью эволюционного процесса так, как генетически детерминированное поведение. В конце книги мы вернемся к вопросу обучения (а также эволюции способности к обучению), и я расскажу о том, как животные приспосабливаются к быстрым изменениям окружающей среды.

Нам всем хорошо известно, что у любого выбора и образа жизни есть как преимущества, так и недостатки. Мало кому из нас доводится принимать решения, имеющие исключительно положительные последствия. Высокооплачиваемая работа оборачивается для нас высоким уровнем ответственности и стресса, а собственный дом за городом — длинной дорогой до ближайшего кинотеатра. В мире животных дела обстоят точно так же. Чтобы обороняться от хищников, превосходящих в размере их самих, жабовидным ящерицам приходится применять защитный механизм, который впоследствии заставляет их страдать от кровоточащих ран. Чтобы найти пищу в скупых водах подземных пещер, мексиканские пещерные рыбы вынуждены жить в режиме строгой экономии, отказавшись от всех лишних способностей, включая зрение. Для лемуров главное — спастись от хищников, так что они просто обязаны поддерживать спортивную форму. Березовым пяденицам выгодно быть белыми, если воздух чист, и черными, если он сильно загрязнен. Любая среда предъявляет собственные требования к своим обитателям, а значит, животные приспосабливаются к жизни очень по-разному.

Глава 2

Необыкновенные пищевые привычки

[2] Еще в 1944 году эксперимент Освальда Эверца, Колина Маклауда и Маклина Маккарти доказал, что именно ДНК является носителем наследственной информации. — Прим. науч. ред.

[3] В начале XIX века избирательное выедание светлых бабочек привело к тому, что частота встречаемости черных березовых пядениц многократно выросла. Темные бабочки регулярно появлялись в природе, но именно в условиях высокой загрязненности атмосферы получили преимущество. — Прим. науч. ред.