Нескучная биология

– Черт возьми! – можете сказать вы. – Нам таки объяснят толком, что такое вид?

Нет, не объяснят. Вид остается понятием достаточно расплывчатым. Когда все ясно, биологи говорят о «хороших видах». Когда не ясно – о видах «плохих», о полувидах, подвидах, расах. Каждый раз границы между этими категориями вызывают ожесточенные споры. Но иначе и быть не может. Вид – это не застывший памятник эволюции или Божественного Творения. Вид способен изменяться, и потому провести четкие границы между видами удается не всегда. Но между понятиями «ребенок» и «взрослый» тоже не всегда можно провести четкую границу: вот, до обеда он ребенок, а после обеда уже взрослый. Но тем не менее понятия эти совершенно реальны, и отказываться от них не имеет смысла. А кому по складу ума нужна полная ясность определений, тому лучше выбрать какую-нибудь другую область исследования.

Надо сказать, что большинство людей терпеть не могут неопределенности. Им требуется все разложить по полочкам. Это белое, это черное, это один вид, это другой. Когда выясняется, что провести границу между белым и черным невозможно, они находят выход и из этого положения. Они объясняют, по каким законам черное превращается в белое и наоборот. Все становится ясно, и все довольны. Не надо думать, что страсть к ясности – удел людей ограниченных. Именно эта страсть лежит в основе любопытства, и именно из любопытства выросла наука. Страсть к ясности свойственна всем живым существам с развитым мозгом. Это залог благополучия, долгой жизни и мирной кончины. Если в окружающем мире что-то неясно и непонятно, это может оказаться опасным. Чем больше мышь или тигр знает о том, что происходит вокруг, тем меньше шансов попасть в лапы врага или упустить вкусный кусочек. Мозг всех высших позвоночных устроен таким образом, что недостаток информации вызывает неприятное ощущение, а получение информации – приятное. Так что и подглядывание в замочную скважину за соседями, и постановка хитроумного эксперимента имеют в основе одну врожденную склонность – любопытство. А любопытство – тоже результат эволюции и миллионов лет естественного отбора.

Источник новизны

Хорошо известно, что если, скажем, мух начинают травить дихлофосом, то в конце концов может возникнуть такая разновидность, которая будет этот дихлофос пить вместо сахарного сиропа. Многие старые добрые отравы, некогда прекрасно морившие мух, ныне можно использовать только одним способом – насыпать в мешочек и этим мешочком муху прихлопнуть. Это не шутка. Для борьбы с вредителями приходится разрабатывать все новые и новые яды, к старым они привыкают, причем «привычка» передается по наследству, а значит, происходят какие-то изменения и ДНК – ведь именно она хранит всю наследственную информацию. Но мы знаем, что при размножении молекула ДНК копируется, копируется очень точно, один к одному. Откуда берутся новые свойства и признаки?

Источников новизны, в общем, всего два. В одном случае новое – результат рекомбинации генов, то есть на самом деле оно вполне старое, просто в необычном сочетании. В другом – в хромосомах действительно возникает принципиально новая информация. Речь идет о мутациях. Слово это известно каждому, и как-то так получается, что большинство людей, не специалистов, именно мутации считает главным двигателем эволюции. Во множестве научно-фантастических романов новый вид, часто свирепый враг человечества, возникает в результате зловредной, мутации. На самом деле главная опора эволю-ции – не мутации сами по себе, а скромное, терпеливое, бесконечное тасование признаков и свойств. Это совсем не такой эффектный процесс, как мутация, в романе он смотреться не будет. Но эволюция не читает романов.

На протяжении жизни человека в его теле случается не одна тысяча мутаций, но он об этом даже не догадывается. И нужно быть очень невезучим, или попасть под сильное мутагенное воздействие, например под мощное радиоактивное излучение, чтобы начались проблемы. А потомству мутация будет передана только в том случае, если она произошла в половых клетках. Сказаться на потомке это может самым разным образом.

Все описанные процессы приводят к тому, что организмы, даже принадлежащие к одному виду, наряду с общими чертами, имеют массу мелких различий, и весь этот винегрет и создает основу для эволюции.

Гены, аллели и популяции

В природе любая достаточно большая группа живых существ, например все тараканы города Костромы, обладает огромным разнообразием свойств. В хромосомах костромских тараканов закодирована масса информации, которая в норме не очень-то заметно и проявляется. Часть признаков может вообще проявляться крайне редко. Признаки постоянно тасуются в результате перемешивания отцовских и материнских хромосом и обмена генами между самими хромосомами. Поэтому среди костромских тараканов можно найти особей с самыми разными сочетаниями признаков и, соответственно, с самыми разными способностями.

Вообще говоря, судьба каждого конкретного таракана очень сильно зависит от игры случая (например, тапка). Но в целом, конечно, более быстрые и более зоркие тараканы будут жить дольше, а значит – оставлять больше потомства. Кажется, все просто, тараканы должны с каждым поколением становиться все зорче и стремительней. В природе, однако, не существует «гена зоркости» или «гена резвости». Ген определяет синтез определенного белка и ничего больше. Есть, конечно, простые признаки, которые определяются одним геном. Но в большинстве случаев признаки определяются взаимодействием многих генов.

Набор генов, который содержится в ваших или моих хромосомах, называется генотипом. А набор признаков, которыми мы обладаем, – фенотипом. Зоркость, резвость, сообразительность, рост и умение пить дихлофос – это как раз фенотипические признаки, и часто одному лишь Богу известно, каким сочетанием генов они определяются. Довольно часто случается, что особи со сходным фенотипом могут обладать различным генотипом. Однако давайте пока для простоты считать, что каждому набору свойств соответствует один генотип.

Наследование признаков по одному гену. При скрещивании гомозиготных особей с доминантными (А) и рецессивными (а) аллелями, в первом поколении все их потомки будут иметь фенотип, соответствующий доминантному аллелю. При скрещивании гетерозиготных особей одна четверть их потомков окажется гомозиготной по рецессивным аллелям. Остальные три четверти будут внешне неотличимы, но генотип у них будет разный: гомозиготный и гетерозиготный

И еще одно – слово ген при разговорах об изменчивости и эволюции не всегда подходит. Ген – это то, что определяет синтез, скажем, пигмента, окрашивающего лепестки. Но может быть несколько вариантов одного гена, например ген красной и ген белой окраски. Принято называть разные варианты одного гена аллелями. Аллелей каждого гена может быть и одна, и две, и несколько. В двойном наборе хромосом обычной клетки содержится, соответственно, две аллели. Если это аллели одинаковые (например, красные), то говорят, что по данному признаку организм гомозиготен. Если разные (красная и белая) – гетерозиготен. Одна из аллелей может подавлять другую, тогда первая называется доминантной, а вторая рецессивной. Так что жгучий брюнет (а гены темной окраски обычно доминантны) может получить от жгучей брюнетки вполне блондинистого ребенка, если родители гетерозиготны по данному признаку. А вот если у светлой пары родился ребенок с черными глазами и волосами – дело неладно. Поскольку ген светлой окраски рецессивен, то блондин должен быть гомозиготен по данному признаку. «Черный» ген не спрячешь, он доминант. Так что и у ребенка ему взяться неоткуда. Если конечно, не произошла мутация.

Еще одно весьма полезное слово – популяция. Биологи употребляют его в разных смыслах. Но практически всегда речь идет о группе живых существ, населяющих определенную территорию со сходными условиями. То есть все члены популяции подвергаются примерно одинаковым внешним воздействиям. Обычно популяция – это еще и группа, внутри которой возможно, хотя бы теоретически, спаривание любой особи одного пола с любой особью противоположного. Но масса существ не знает полового процесса. Они все равно могут быть популяцией, если удовлетворяют первому условию. На языке биологов это звучит так: «популяцией, в строгом значении этого термина, принято называть совокупность особей одного вида, которая реагирует на эволюционные факторы как единое целое».

Эволюция

Теперь, несколько забегая вперед, скажем, что такое эволюция. Вообще, evolutio – латинское слово, означающее развертывание свитка, листание книги, чтение. Само значение слова «эволюция» предполагает, что речь идет о неком постепенном процессе развертывания или развития. Большинство людей, говоря об эволюции, имеют в виду развитие жизни на планете вообще. Взяв в руки учебник биологии, вы узнаете, что жизнь на Земле начиналась с примитивных одноклеточных существ. Эти существа постепенно, от поколения к поколению, на протяжении миллиардов лет изменялись, становились все более сложными, и в результате от них произошли современные зайцы, георгины, верблюды, ананасы и мы с вами. Это и есть эволюция. В общем, все правильно. Но профессиональные биологи мыслят несколько более конкретно. Они называют эволюцией любое необратимое изменение наследственной информации, которой владеет вид.

Представьте себе, что небольшая стайка мелких птиц, спокойно летящая вдоль морского побережья, была подхвачена ураганом и унесена на тысячу километров от берега. Такие случаи совсем не редкость. Стайке повезло, пичуги увидели маленький островок в океане, приземлились и остались в живых. Через какое-то время стайка размножилась, но в результате дрейфа генов (стайка-то невелика) утеряли какие-то аллели. Потом в результате рекомбинации возникло сочетание признаков, которое на материке особого смысла не имело, а здесь оказалось полезным. Случилась пара мутаций, пусть даже бесполезных самих по себе, но изменивших взаимодействие генов. Генотип изменился, изменились и признаки строения, изменилось поведение. Затем Господь бог глянул на старушку Землю, тряхнул ее как следует, и между островом и материком возник перешеек. Птахи встретились со своими предками, которые остались на их, забытой уже, родине. Если изменения признаков зашли так далеко, что родичи или не узнали друг друга (изменилась окраска или ритуал ухаживания, скажем, песня), или генофонды оказались несовместимыми – все, обратного пути нет. Произошла эволюция. Если же спаривание возможно, то генофонд маленькой островной популяции быстренько растворится в многочисленном населении материка. Процесс оказался обратимым, эволюции нет, есть простое изменение частоты аллелей и некоторых генов. Уловили суть? Эволюция – это когда исчезла возможность скрещивания, возникла репродуктивная изоляция. Иными словами, эволюция – это возникновение новых видов, и ничего более.

Поскольку эволюция – это процесс, причем, как правило, неторопливый, то четкой границы между эволюцией и «неэволюцией» тоже нет. Тряхни Господь Землю пораньше, и возможность скрещивания, пусть неполная, но сохранилась бы. Вообще, видообразование – штука очень интересная, и мы еще поговорим о нем подробней.

Что такое приспособленность

Хотя мы уже не раз произносили слово «приспособленность» и вроде всем ясно, что оно значит, но понятие это настолько важное, что имеет смысл поговорить о нем подробней.

Вот, например, зеленый крокодил, живущий в мутно-зеленой реке Лимпопо. Он быстр, зорок и силен, он таится в засаде, и заметить его невозможно. Он охотится на антилоп, приходящих к водопою, гораздо лучше своих черных и не таких шустрых собратий. Он лучше приспособлен к жизни в Лимпопо, чем они? Но у этого зеленого крокодила есть один маленький дефект – у него плохо развита координация тонких и слабых движений челюсти. Он не может помочь своим детям освободиться от яичной скорлупы и осторожно перенести их из гнезда в безопасный водоем. Это не шутка, нильские крокодилы действительно очень заботливые родители и в самом деле охраняют гнездо, помогают детям вылупиться, относят их в безопасное место, да и там еще охраняют от многочисленных любителей маленьких крокодильчиков, пока дети не подрастут.

Самка нильского крокодила с детенышами

Наш суперкрокодил не оставит потомства, все его гены, обеспечивающие ему зоркость, силу и зеленый цвет, пропадут зазря. Естественный отбор его забракует. Так что такое приспособленность? Приспособленность – это СОЧЕТАНИЕ всех признаков и способностей, причем не обязательно наилучшее в данных условиях, оно может быть просто достаточным. А показателем приспособленности биологи считают число потомков, доживших до половой зрелости и оставивших, в свою очередь, больше потомков, чем дети соседа. То есть приспособленность организма определяется числом его детей, внуков и правнуков. Никакого другого способа оценить приспособленность нет. Биологи называют это итоговой приспособленностью.

Таким образом, приспособленность с точки зрения естественного отбора – это способность гена сохраняться из поколения в поколение. Приспособленность к охоте – тоже приспособленность, но другая. Это, так сказать, частная приспособленность. В русскоязычной биологической литературе приспособленность организма (или его отдельной части) к выполнению определенной работы чаще называют, приспособлением, или адаптацией. Но строгих правил тут нет, так что каждый раз нужно хорошо понимать, о какой приспособленности идет речь.

Эволюционисты пользуются словами, которые кажутся понятными всем – естественный отбор, выживание наиболее приспособленных, борьба за существование. Быть может, поэтому после появления теории эволюции о ней принялись рассуждать все, кому не лень. Дарвин, кстати, в своих книгах чуть ли не через страницу предупреждал, что эти слова употребляются в метафорическом смысле, и разжевывал их истинное значение. Не помогло. За теорию Дарвина с восторгом ухватились экономисты, социологи и просто любители поразмышлять после обеда о смысле жизни. Теорию начали применять «в лоб» к общественной жизни человека, где она, кстати сказать, в таком «лобовом» виде практически не работает. Борьбу за существование представляли как дра-ку за кусок хлеба, а самым приспособленным признавался тот, кто сумел больше остальных нахапать. Очень удобная позиция, и совесть не мучает – ничего не поделаешь, эволюция. С точки зрения квалифицированного зоолога – бред сивой кобылы. Приличные социологи это, кстати, тоже понимали.

Куда ведет отбор

Любой вид живых существ – это поле боя двух противоположных сил. Рекомбинации и мутации изо всех сил стремятся увеличить разнообразие свойств – увеличить изменчивость. Кроме того, популяции, и даже виды в целом, редко бывают ну совсем уж наглухо изолированы друг от друга. В любой почти популяции время от времени, а порой и весьма часто появляются пришельцы из других популяций. Поскольку предки этих пришельцев несколько поколений жили в других условиях, то пришельцы могут принести аллели (или мутации аллелей), которые в этой местности редки или даже совсем отсутствуют. Иногда, особенно между близкими видами и особенно у растений, случаются и межвидовые скрещивания. Такие «незаконные» браки тоже приносят в популяцию новый генетический материал. Эта штука называется потоком генов, и она тоже работает на увеличение изменчивости.

С другой стороны выступают дрейф генов и естественный отбор, которые эту изменчивость уменьшают. Дрейф генов – это случайное увеличение или уменьшение (вплоть до полного выпадения) доли какого-то аллеля из-за колебаний численности популяции. Особенно сильно дрейф генов проявляется в маленьких популяциях. С отбором тоже все понятно, он давит на носителей определенных аллелей (на то он и отбор), снижает частоту этих аллелей и, соответственно, как правило, снижает генетическое разнообразие. Собственно, результат этой борьбы и есть эволюция. По результат может быть разным, отбор может двигать вид в самых разных направлениях, а может и заставить топтаться на месте.

Если измерить признаки особей какой-либо популяции, например длину хвоста, чувство юмора или остроту зрения, то окажется, что большинство животных (или растений) обладает средненькими признаками. Чем сильнее признак отклоняется от средней величины, неважно, в большую или меньшую сторону, тем реже такое отклонение встречается. В большинстве случаев отбор «откусывает» от популяции как раз тех и без того сравнительно редких особей, которые уклоняются от золотой середины. В природе действует так называемый «трамвайный закон» – не высовывайся! Возьмем самый простой пример – плодовитость.

Самки, скажем, водяной полевки, которые рождают совсем немного детенышей, оказываются в явном проигрыше по сравнению с самками плодовитыми. Их вклад в последующее поколение полевок окажется меньше, то есть частота «гена низкой плодовитости» будет все время снижаться. Но очень большой выводок трудно прокормить, детеныши будут мельче и слабее, они будут чаще гибнуть, и вклад очень плодовитых самок окажется тоже невелик. В наиболее выгодном положении окажутся самки с плодовитостью средней. Это касается любого признака. Та же шерсть, если она очень редкая, то это плохо – холодно. Но слишком длинная и густая шерсть тоже порой ничего хорошего, хотя бы потому, что она будет за все цепляться.

Водяная полевка

Первым, насколько известно, сообщил о «трамвайном законе» канадский орнитолог Гораций Бумпус в конце XIX столетия. Как-то в жесточайший мороз он подобрал и притащил домой целую стаю полумертвых воробьев. Выжило из них меньше половины. Из чистого любопытства он измерил у всех воробьев длину тела, длину крыла, цевки, хвоста и клюва. Это стандартные промеры, которые входят в описание любого вида птиц. К собственному удивлению, он обнаружил, что выжившие воробьи имели показатели, близкие к средним для этого вида. А у погибших эти признаки широко варьировали.

Череп совы: 1 – глазницы; 2 – камера среднего и внутреннего уха; 3 – мозговая коробка

Ну а, скажем, острота зрения или скорость бега? Вроде бы, чем лучше вы видите и чем быстрей бегаете, тем лучше. Значит, есть такие признаки, которые отбор всегда будет двигать только в одну сторону? Не все так просто. Та же острота зрения в первую очередь требует увеличения размеров глаза. Хотя глаза орлов, сов или кошек не кажутся такими уж большими, но на самом деле это разрез век у них небольшой. Само же глазное яблоко у остроглазых животных огромное. А чем больше глазное яблоко, тем меньше развиты челюстные мышцы. Для них просто не остается места. И располагаться им приходится «неудобно», чтобы дать место глазу. Значит, чем лучше зрение – тем слабее челюсти.

Отбор уничтожает не только анатомические, так сказать, крайности. Он не любит крайностей и в поведении. Хорошо известно, что у многих животных жертвами хищников становятся в первую очередь те, кто занимает в сообществе самое высокое и самое низкое положение. Изгои гибнут потому, что у них нет хорошего постоянного убежища, потому, что они вынуждены кочевать постоянно с места на место, потому, что их вытесняют из мест с хорошим кормом и они вынуждены много времени тратить на поиски пищи, вместо того чтобы сидеть себе спокойненько в норке и наслаждаться жизнью. Но и баловням фортуны не проще. Прежде всего потому, что лидер должен постоянно поддерживать свое лидерство. Он должен изгонять со своей территории чужаков, показывать кузькину мать подчиненным, постоянно демонстрировать самкам, какой он могучий и непобедимый. Так что времени на то, чтобы сидеть в норке, у него тоже не очень много.

Отбор, который благоприятствует среднему состоянию признаков, называется стабилизирующим. И работает только в сравнительно стабильных условиях. Но вот условия изменились. Скажем, резко повысилось количество корма. Животные получили возможность благополучно выкармливать помногу детенышей, большие выводки теперь прекрасно выживают. Отбор перестал давить на самок с повышенной плодовитостью, но еще сильнее давит на самок с низкой. Средняя плодовитость популяции начала увеличиваться. Это уже направленный отбор, смещающий признаки в одну сторону. И он будет работать до тех пор, пока плодовитость не придет в соответствие с новыми условиями. Тогда он снова превратится в отбор стабилизирующий.

Березовая пяденица: черная и белая формы

Один из самых ярких примеров направленного отбора – изменение окраски березовой пяденицы в Англии. Эта ночная бабочка день проводит сидя на стволах деревьев. Окраска – светло – серая, с темными крапинками – делает ее на покрытых лишайниками стволах совершенно незаметной. Первые черные экземпляры пяденицы были найдены в середине XIX столетия в окрестностях Манчестера. А уже в начале XX века черные бабочки составляли здесь почти 98 % популяции. Еще через пятьдесят лет светлых бабочек во всех промышленных районах Англии почти не осталось. Главную роль в отборе сыграли птицы. Специальные эксперименты показали, что в чистом лесу, где стволы покрыты не копотью, а лишайниками, птицы за несколько дней выедают всех черных бабочек, и лишь изредка им удается найти светлых. В промышленных районах – все наоборот.

Ядовитая бабочка Amaurus naivius – модель для подражания

Самка неядовитой бабочки Papilio merope

Существует еще и третий вариант отбора – дизруптивный, или разрывающий. Это когда существа с крайними значениями признака получают преимущество перед «середнячками». Есть случаи, когда в одной местности обитают разные формы одного и того же вида и, очень может быть, возникновение этих форм как раз и есть результат разрывающего отбора. Например, в Южной Африке один из видов бабочек-парусников имеет несколько форм, отличающихся по окраске. Встречаются эти формы в одних и тех же местах, и каждая форма «подражает» одному из ядовитых видов бабочек из этой же местности.

Вообще, такое подражание очень полезно, но только в том случае, если подражателей значительно меньше, чем ядовитых образцов для подражания. Если наоборот, то хищник просто не поймет, что таких бабочек надо избегать. Ну, попадаются среди них изредка вонючие, но большинство-то вкусные. Так что подражать сразу нескольким видам очень выгодно.

Встречаются здесь и бабочки с промежуточной окраской, ни то ни се, но редко. Поскольку бабочки «ни то ни се» выедаются хищниками гораздо чаще, чем «подражательницы», то очень может быть, что мы имеем дело с дизруптивным отбором. Разрывающий отбор – это тот единственный случай, когда отбор увеличивает изменчивость.

Склонность животных и растений походить на ядовитые, опасные или несъедобные вещи носит название мимикрии. Впервые обратил внимание на это явление английский натуралист Генри Уолтер Бейтс, современник Дарвина и близкий друг Альфреда Уоллеса. Он много лет исследовал дебри Амазонки и именно здесь заметил, что безобидные бабочки часто похожи на ядовитых. Это явление получило название «бейтсовской мимикрии». Распространена мимикрия очень широко, не только среди бабочек. Существует еще «мюллеровская мимикрия», которую обнаружил немецкий зоолог Фриц Мюллер. Это когда несколько ядовитых видов похожи друг на друга. Хищникам не нужно заучивать множество разных предупредительных сигналов, и это очень способствует их скорейшему обучению.

Зачем павлину хвост

Понятно, что для красоты. Но как он мог появится и куда смотрел отбор? Хвост павлину, или, скажем, самцу райской птицы, несомненно мешает. С таким хвостом сложно добывать пищу, а тем более спасаться от врагов. Значит, продолжительность жизни самца будет меньше и он оставит меньше потомков. Мало того. Какого черта самки выбирают таких самцов? Ведь это снижает жизнеспособность их потомков мужского пола и снижение частоты их собственных генов в будущем. Это мы с вами можем купиться на красоту, а естественный отбор признает только одну форму оплаты – жизнеспособное потомство. По идее, отбор должен был выдрать хвост павлина еще в зародыше. Можно, однако, предположить, что самка именно потому выбирает хвостатого самца, что хвост мешает ему жить. Если уж самец исхитряется благоденствовать с таким хвостом, то это, вне всякого сомнения, нечто, значит он могуч, здоров, и даже хвост не мешает ему выжить. Логично? Вроде бы да. Но есть и другая гипотеза, впрочем, первой она не про-тиворечит.