Волшебная эволюция: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В стайной жизни, наравне с взаимным присмотром, есть масса других преимуществ. Например, вместе теплее спать, легче защищать свою территорию и нападать на крупную добычу. И все же в стайной жизни есть свои недостатки, помимо необходимости делиться едой, о которой мы упоминали выше. В стае быстрее распространяются паразиты и инфекционные заболевания, а хищникам гораздо легче заметить издалека группу животных, чем одну особь. К тому же групповая жизнь требует координации: животные вынуждены сотрудничать между собой, иначе неизбежны столкновения и конфликты. Когда муравьи-листорезы отправляются на поиск листьев, муравейник одновременно покидают и возвращаются в него тысячи особей. Чтобы избежать столкновений, муравьи разработали целую систему магистралей, движение по которым строго организовано. Получается, что существа, которых мы привыкли считать менее разумными, чем мы сами, на самом деле способны к сложному взаимодействию. Как им это удается?

Над болотистыми землями Англии медленно садится солнце. Февраль. С запада дует холодный ветер, и казалось бы, даже самым стойким орнитологам пора спешить домой греться. Но нет, наблюдатели все прибывают, с наступлением сумерек «партер» полон вооруженных биноклями и камерами зрителей. Все они хотят стать свидетелями потрясающего природного явления — вечернего «танца скворцов».

Сначала появляются отдельные черные птички; они сбиваются в небольшую стайку и начинают летать, как кажется, по случайной траектории. Затем к ним присоединяются все новые и новые участники, и вот уже сотни тысяч черных точек образуют целую тучу. Она скользит по огромным дугам, вдруг стремительно падает вниз, снова взмывает ввысь. Подобно привидению, этот гигантский живой организм извивается на фоне угасающего неба. Так продолжается где-то полчаса, после чего все птицы почти одномоментно успокаиваются и опускаются в камыши.

Стаи птиц и рыб, двигающиеся словно единый организм, неизменно производят сильное впечатление на наблюдателей. В 1931 году орнитолог Эдмунд Селус высказал предположение, что эти живые существа согласуют свои движения за счет передачи мыслей на расстоянии. Такое скоординированное поведение до сих пор остается отчасти загадкой, однако исследователям удалось найти более логичное объяснение, нежели телепатия.

Британский ученый Иэйн Коузин совместно с немецкими коллегами исследуют мурмурацию (скоординированное движение) в больших стаях с помощью современных технологий. В специальный аквариум с виртуальной реальностью они помещают управляемую 3D-модель рыбы и наблюдают за реакцией на нее настоящих рыб. Подобный подход команда ученых использует и в работе с мышами и дрозофилами. Также они снимают на видео стаи животных в дикой природе, а затем анализируют полученные записи при помощи компьютерных программ, которые фиксируют каждую особь и отслеживают ее перемещение. Эти методы позволяют собирать множество данных о движении особей относительно друг друга, и данные, в свою очередь, используются в статистических моделях. Команда Коузина доказала: если знать, какая из рыб начнет движение первой (например, в случае обнаружения хищника), можно спрогнозировать перемещение всего косяка. Рыбы оказывают прямое влияние друг на друга и немедленно реагируют на поведение особи так, что каждый копирует своего соседа. Рыба не «задумывается» над тем, что вздрагивание «прикатилось» от дальнего сородича на другом конце косяка, она просто повторяет движение своего ближайшего соседа.

Таким образом, движением стаи не управляет один-единственный вожак, и коллективная самоорганизация не связана с телепатией. Каждая отдельно взятая особь ориентируется исключительно на своих соседей. Итальянские ученые, изучавшие мурмурацию скворцов над Римом, выяснили, что каждая птица следит за действиями ближайших шести-семи соседей, независимо от расстояния до них, и согласует с ними собственное движение. Если одна из птиц меняет направление полета, ее примеру следуют соседи, а затем направление постепенно меняет и вся стая.

Такая система взаимодействия подразумевает множественные случаи «ложной тревоги», ведь никто не проверяет, был ли у крайней птицы или рыбы реальный повод вздрогнуть и шарахнуться в сторону. Коузин утверждает, что мозг рыбы образует ошибочные связи в каждом третьем или четвертом случае, а это означает, что рыба нередко начинает движение без объективной причины. И хотя вероятность того, что отдельно взятая особь повторит движение, повышается, если большинство из ее соседей резко бросятся в сторону (а это обычно происходит при возникновении реальной опасности), движения рыбьего косяка во многом оказываются избыточными. Но ничего страшного в этом нет, ведь это не требует чрезмерной энергии. Гораздо опаснее не среагировать, когда это следовало бы сделать, так что ради спокойствия все предпочитают сверяться со своим окружением. Преимущества ориентации на соседей значительно перевешивают недостатки. Так, благодаря эгоистичным действиям отдельных особей формируются большие стаи животных, а мурмурация птиц и рыб, образующих динамические объемные фигуры, не перестает поражать наше воображение.

Глава 4

Новые открытия, новые виды

Никогда не знаешь, что именно в ходе эволюции окажется полезным. Развитие жизни на Земле связано с процессами проб и ошибок за счет случайных мутаций и комбинаций генов. И зачастую появления нужной комбинации приходится ждать довольно долго. Если попытка оказывается успешной и неожиданно появляется выгодный признак, могут возникнуть условия для возникновения нового образа жизни и использования неизведанных ресурсов. Только представьте, какое количество новых профессий появилось с открытием электричества! Подобные важные «открытия» происходят и в природе.

Токийский залив, 1944 год. Поверхность воды спокойна, но в темных глубинах моря разворачивается драма. Американская подводная лодка вторглась в японские воды с целью атаки на японские военные корабли и танкеры. Перед командой подлодки стоит непростая задача: двигаться достаточно стремительно, чтобы нанести удар, но при этом оставаться незамеченными. Американцы знают, что японские гидрофоны (приемники подводных звуков) могут обнаружить их в любой момент. Подлодка берет курс на коралловый риф, у которого можно укрыться и выждать наиболее удачный момент для атаки. Между тем японцы делают все возможное, чтобы разыскать американскую подлодку, ведь им известно, что враги уже проникли в залив. Чтобы защитить большой танкер, направляющийся из залива в открытое море, японцы должны корректно толковать сигналы гидрофона, однако аппарат выдает только шум. Единственное, что они слышат, — это треск, который то усиливается, то ослабевает в зависимости от места. Японцы пытаются отправить в залив аквалангистов, но из-за американских мин разведка оказывается практически невозможной. И вот подлодка выходит из своего укрытия у рифа и наносит торпедный удар по танкеру. Огромный танкер — гордость и надежда японцев — уходит на дно.

Вы тоже можете услышать этот таинственный треск, если опустите голову под воду. Особенно отчетливо он слышен в тропических водах. Этот звук напоминает отдаленный шум мотора или шипение масла на сковороде, однако его издает не моторная лодка и не человек. Японские гидрофоны оказались сбитыми с толку небольшими ракообразными.

Этот загадочный звук издают раки-щелкуны. На самом деле это не треск, а серия многочисленных резких ударов, которые наносят раки во время охоты. Рак-щелкун выглядит как маленький бледный омар, его длина составляет всего несколько сантиметров. Как и десятиногие ракообразные, он вооружен двумя клешнями, по одной с каждой стороны. Однако в отличие от остальных раков, одна из его клешней — обыкновенная, а другая, гораздо большего размера, напоминает пистолет. На обеих клешнях имеются два «пальца», которые могут смыкаться и размыкаться, подобно большому и указательному пальцам на руке человека. Малая клешня используется только для еды, а вот большая наделена суперспособностью: она защелкивается с чудовищной силой и производит звук громкостью свыше двухсот децибел! Для сравнения: громкость выстрела пистолета составляет примерно сто пятьдесят децибел. Таким образом, раки-щелкуны относятся к самым громким жителям океана.

Если вы хоть раз пробовали хлопнуть в ладоши под водой, то вас наверняка удивляет, как крошечное существо может издавать столь громкий звук. Когда рак защелкивает клешню, вода между ее «пальцами», называемыми дактилями, выстреливает вперед мощной струей. В вакууме, образовавшемся позади струи, то есть между дактилями, давление резко падает, и формируются пузырьки воздуха. Пузырьки стремительно разрастаются и заполняют то пространство, которое мгновение назад занимала вода. Когда же разница давления внутри пузырьков воздуха и в воде достигает критического предела, пузырьки схлопываются с оглушительным треском. Вдобавок к звуку в момент схлопывания пузырьков выбрасывается колоссальная энергия: температура внутри пузырьков за миллисекунды достигает пяти тысяч градусов по Цельсию (что примерно соответствует температуре на поверхности Солнца), и происходит микровспышка света. Рак-щелкун — один из двух известных нам видов животных, способных вызывать световую вспышку с помощью звука (похожей техникой щелканья клешнями владеет рак-богомол, но по силе он уступает щелкуну).

Однако для самого рака-щелкуна важны вовсе не температура и не свет, а сам звук. Ударная звуковая волна оглушает и даже убивает плавающую вокруг мелкую рыбу, которую рак затем преспокойно подбирает и поедает при помощи своих разновеликих клешней, орудуя ими словно ножом и вилкой. Таким образом, раки-щелкуны владеют собственным незаурядным способом охоты.

Максимально близко подобраться к ракам-щелкунам мне довелось в гостях у одного знакомого, у которого дома стоял аквариум с морской водой. Населявшие его мелкие рыбки вдруг начали умирать одна за другой. Мой приятель ума не мог приложить, что случилось. Он тщетно проверял температуру воды, уровень pH и солености. И вот его внимание привлекло небольшое существо, которое, видимо, все это время жило и росло в аквариуме. Им оказался рак-щелкун! Скорее всего, рак попал в аквариум вместе с песком и начал убивать самых мелких рыбешек своей клешней-пистолетом. Мой приятель выловил хищника сачком и тем самым спас от гибели оставшихся рыбок. Вдобавок он наконец избавился от надоедливого звука, который то и дело беспокоил его в спальне.

И все же клешня-пистолет для рака-щелкуна — не только орудие убийства. Это и приспособление для рытья нор в морском дне, и инструмент коммуникации с сородичами. Щелкуны обыкновенно живут колониями (как, например, на коралловом рифе в Токийском заливе), что позволяет им совместными усилиями отпугивать врагов. Получается, что клешня-пистолет дает множество преимуществ и практически не имеет недостатков. Разве что ракам приходится затрачивать довольно много энергии на активный рост после вылупления из икры, а затем — на само щелканье.

Существуют сотни видов раков-щелкунов, ведь эта удивительная способность щелкать клешнями распространилась по всему миру. Исследователи Томонари Кадзи и Ричард Палмер совместно с другими коллегами изучали щелканье при помощи сверхвысокоскоростной камеры и другого инновационного оборудования. Сравнив свыше сотни видов раков-щелкунов между собой, они пришли к выводу, что изначально у этого вида была простая клешня, напоминающая наш большой и указательный пальцы. Примерно сто шестьдесят миллионов лет назад клешня начала развиваться таким образом, что верхний дактиль («указательный палец») несколько отделился от сустава и теперь мог скользить вдоль внешнего края верхней части сустава, фиксируясь в открытом положении. При закрытии сустава задействуется двухчастная мышца. Одна часть мышцы тянет верхний дактиль к нижнему и заставляет его напряженно дрожать у самого края, готовясь захлопнуться в любой момент. Когда же вторая часть мышцы подталкивает дактиль вперед, он оказывается вытолкнутым через край. В этот момент, буквально за миллисекунду, накопившееся напряжение высвобождается с чудовищной силой. Бах! Дактили захлопываются, давление резко падает, температура поднимается, происходит вспышка света и удар звуковой волны.

Рак-щелкун — яркий пример того, как новое приспособление благоприятствует стремительному возникновению новых видов. Способность фиксировать клешню в открытом положении и тем самым наращивать напряжение — очень ценная способность, дающая массу преимуществ и практически не имеющая недостатков, поэтому неудивительно, что она передается по наследству от поколения к поколению у многих видов раков. Когда же раки-щелкуны расплодились в огромных количествах, возникли условия для дальнейшей адаптации и стали появляться новые виды. Одни раки-щелкуны обитают на коралловых рифах, другие — в пещерах, третьи — в тропических районах Индии, четвертые — в более прохладных водах Средиземного моря.

Один из моих преподавателей, британский исследователь Питер Мэйхью, участвовал в изучении стремительного видообразования среди насекомых. Что помогло насекомым распространиться по всему миру и привело к возникновению невероятного количества их видов? Мэйхью с коллегами пришли к выводу, что за этим стоит способность к полному превращению^[4] (голометаморфозу). Это означает, что насекомые проходят через несколько абсолютно непохожих стадий развития (например, гусеница превращается в бабочку). Благодаря этому насекомые могут использовать несколько разных ресурсов в течение жизни и питаться, к примеру, листьями в состоянии гусеницы и нектаром в состоянии бабочки. Они также могут концентрироваться на разных задачах: гусеница — это машина по переработке пищи, цель которой — быстро расти, тогда как бабочка расходует большую часть своей энергии на полеты в поисках партнера. Способность к полному превращению лежит в основе того грандиозного всплеска видообразования насекомых, результаты которого мы наблюдаем. Считается, что от 45 до 60 % всех видов насекомых, населяющих планету сегодня, обладают способностью к голометаморфозу.

Быстрое возникновение многочисленных новых видов также возможно в связи с «открытием» новых географических зон. Примерно два миллиона лет назад небольшая стая вьюрков, подгоняемая сильным ветром, летела над океаном. В какой-то момент стая достигла группы пустынных островов — Галапагос. Этот вулканический архипелаг возник посреди Тихого океана по меркам общей геологической шкалы сравнительно недавно. В то время острова были практически не заселены, на них обитали немногочисленные виды животных. Тем не менее на островах произрастало довольно много разнообразных растений, пригодных в пищу для вновь прибывших птиц. У некоторых вьюрков сформировался мощный толстый клюв, которым удобно раскалывать большие и твердые семена, тогда как у других клюв стал тонким и острым, чтобы было удобнее прокалывать кактусы и выклевывать мякоть. За довольно короткий период времени появились виды, приспособившиеся к разным видам пищи. Эта группа птиц называется галапагосскими вьюрками, или вьюрками Дарвина, поскольку молодой Чарльз Дарвин уделял большое внимание изучению этих птиц в ходе разработки своей теории естественного отбора. Сегодня, в зависимости от классификации, насчитывается порядка пятнадцати подвидов галапагосских вьюрков.

Вьюрки Дарвина — классический пример быстрого видообразования. Зачастую это бурное развитие объясняют отсутствием конкурирующих птиц, способных использовать разнообразные ресурсы острова. Однако это не всегда верно. За несколько тысяч лет до появления на архипелаге вьюрков здесь поселился другой вид птиц, а именно галапагосский пересмешник. Сегодня на Галапагосских островах проживает четыре вида пересмешника, однако все они очень похожи между собой и имеют одинаковое строение клюва. Биологи попытались объяснить, почему у вьюрков появилось так много различных видов, а у пересмешников нет. Создается впечатление, что все дело в различии генов, которые отвечают за синтез белка кальмодулина, количеством которого определяется длина клюва птенца внутри яйца. Кальмодулин присутствует у всех птиц и имеет много функций, в частности, от его количества зависит длина их клюва (за толщину отвечает другой белок). Механизм, регулирующий выработку кальмодулина у вьюрков, более сложный, включающий множество генов, в то время как у пересмешников нет такого механизма, который бы влиял на количество белка. Иными словами, пересмешники отличаются менее гибкой генетикой. Поэтому когда пересмешники прилетели на Галапагос, они были ограничены имеющимся клювом, а для изменения его строения им потребовалась бы радикальная генетическая перестройка. Вьюрки, напротив, были сразу наделены способностью формировать новые типы клюва при незначительных изменениях в генах, что обеспечило появление многочисленных новых видов.

Вьюрки открыли для себя новый ареал, а насекомые и раки-щелкуны развили у себя новые качества, что обеспечило им массу преимуществ, что, в свою очередь, вызвало бурный рост видообразования. По меркам эволюции эти вспышки видообразования протекали стремительно, но тем не менее постепенно. Тому же раку-щелкуну пришлось пройти долгий путь, прежде чем у него сформировалась клешня-пистолет. Сначала появился промежуточный вариант клешни. Эта наполовину развитая щелкающая клешня была удобнее, чем простая, «примитивная» клешня, но она по-прежнему уступала по силе будущей клешне-пистолету. Формирование клешни-пистолета, которую мы наблюдаем сегодня, завершилось всего восемнадцать миллионов лет назад, то есть спустя целых сто сорок миллионов лет с момента начала ее развития. С каждым витком эволюции клешня становилась чуть лучше и удобнее, ведь если бы промежуточные варианты оказывались негодными, их обладатели не могли бы выживать и развиваться дальше.

Эволюция пользуется лишь тем, что имеется в наличии. Как мы увидели на примере галапагосских пересмешников, вероятность появления новых вариантов образа жизни при отсутствии должных генетических предпосылок довольно низка. В следующей главе мы постараемся ответить на вопрос: каким образом способность к сложной адаптации появилась из ниоткуда?

Глава 5

Истоки поведения

Когда мы отправляем смс-сообщение или покупаем билет на поезд через мобильное приложение, мы задействуем различные отделы мозга. Мы анализируем полученную с экрана визуальную информацию, понимаем смысл текста в инструкции, держим в уме пункт назначения. Тем не менее наш мозг не развился специально для использования смартфона. Смартфон был изобретен совсем недавно и не успел повлиять на нас в ходе эволюции. И все же мы так быстро осваиваем гаджеты и интернет, словно прошли специальную подготовку.

Мозг человека прошел развитие, позволившее ему создать для себя новые технологии, которые имеют функции, приблизительно схожие с работой самого же мозга. Человек обладает мозгом, который позволяет ему анализировать новую информацию и решать сложнейшие проблемы. Скорее всего, эта способность понадобилась нашим давним предкам, когда они начали жить социальными группами: нужно было подстраиваться под социальные нормы и считаться с жизнью в коллективе, иначе любой мог оказаться изгоем. К тому же развитый мозг был необходим при выполнении дел первостепенной важности, например для понимания, где больше всего шансов добыть еду, и для того, чтобы произвести впечатление на потенциального партнера. Таким образом, за миллионы лет у человека развились интеллектуальные способности, позволяющие ему справляться с совершенно новыми задачами. Например, теперь мы можем отправлять коллегам смешных котиков, пока едем в автобусе домой.

Процесс, когда некая способность, получившая развитие в ходе эволюции, чтобы выполнять одну функцию, обслуживает другие функции, называется экзаптацией. Ее следует отличать от адаптации, в ходе которой способности используются именно для того, для чего они развились. Раки-щелкуны всегда использовали свои клешни для охоты (адаптация), однако теперь они также научились коммуницировать и рыть норы с помощью этих же клешней (экзаптация). В научной среде в последние десятилетия уделяется все большее внимание экзаптации как важнейшей движущей силе эволюции.

Некоторое время назад я принимала участие в конференции во французском городе Монпелье. Среди участников был и Ричард Блоб, американский ученый из Университета Клемсона, изучающий различные проявления экзаптации. Он рассказал историю о маленькой рыбке, которая смогла поднять простую форму поведения на новую высоту — в прямом смысле слова.

Эта маленькая рыбка называется бычком Стимсона, или бычком-скалолазом; водится она на Гавайях. Она может поместиться на ладони взрослого человека (длина взрослой особи всего четырнадцать сантиметров), и она умеет менять окраску, чтобы прятаться от врагов и привлекать партнеров. Мальки живут в море, питаются всевозможными водорослями и мелкой живностью, а по достижении половой зрелости рыбы отправляются в пресноводные ручьи Гавайских островов. Они плывут против течения, добираясь до абсолютно новых для себя источников пищи, например до пресноводных водорослей.

В ручьях рыбы сталкиваются с серьезной проблемой. Гавайские острова имеют вулканическое происхождение; многочисленные извержения привели к сильной эрозии вулканических скал и к формированию пересеченного рельефа с множеством водопадов, некоторые высотой более ста метров. В верхней части этих водопадов нет хищных рыб, что привлекает туда бычков, ищущих безопасные места для того, чтобы отложить икру. Чтобы забраться наверх, бычкам приходится форсировать сто метров отвесной скалы.

[4] Полное превращение — когда в жизненном цикле присутствует стадия куколки, позволяющая полностью перестроить тело насекомого в ходе превращения из личинки в имаго (взрослая стадия развития насекомого). — Прим. науч. ред.