В свободные от работы дни я особенно люблю ходить в местные школы и рассказывать детям о том, как прекрасна эволюция. Мы часто проводим с младшеклассниками эксперимент, основанный на истории березовой пяденицы. Вооружившись пинцетами, ребята представляют себя птицами, которые охотятся на бабочек — их роль играют бумажные фигурки черного и белого цветов, разложенные на черном фоне. Дети подсчитывают бабочек до и после «охоты» и с удивлением обнаруживают, что черных бабочек остается больше.
Рассказав о том, как в XIX веке промышленное загрязнение окрасило деревья в черный цвет, я задаю вопрос ребятам: почему бабочки тоже стали черными? Частый ответ: они покрылись сажей — точно так же, как и деревья. Ответ неверный, но логика в нем безупречная. И правда: если деревья почернели от сажи, почему бы тому же самому не случиться с бабочками?
Дальнейшие расспросы показывают любопытную картину. Дети прекрасно понимают, что черных бабочек труднее заметить и поймать, — принцип отбора как природного фильтра им вполне ясен. Но вот связать это напрямую с тем, почему постепенно черная форма вытесняет белую, получается не у всех.
Они упускают из виду самое важное — наследственность. И наш эксперимент, хоть и задуман с благими намерениями, может даже усиливать их заблуждение: какое уж тут размножение, когда речь идет о кусочках бумаги? Чтобы действительно понять, как работает естественный отбор, нужно разобраться в той части истории, которая часто остается за кадром, — в генетике.
Мы, ученые, так увлекаемся объяснением механизма отбора, что часто забываем упомянуть важное: сам по себе отбор не может обеспечить эволюцию. В самом деле, если бы окраска бабочек не передавалась по наследству, естественный отбор никак не мог бы объяснить изменение соотношения черных и белых особей. Представьте: если бы при каждом размножении бабочек доля черных и белых потомков оставалась неизменной, то, какое бы жесткое давление ни оказывал отбор в одном поколении (пусть даже выживали бы только черные особи), в следующем поколении все начиналось бы с той же пропорции заново. При отсутствии наследственности скрещивание белых с белыми, черных с черными и черных с белыми давало бы одинаковое соотношение потомков разного цвета. В таком случае никакой естественный отбор не мог бы со временем увеличить долю черных бабочек. И тогда версия о бабочках, покрывающихся сажей, оказалась бы самым логичным объяснением.
На самом деле эти принципы характерны не только для биологии. Если вы, как и я, болеете за какую-то спортивную команду (мне выпала незавидная участь быть преданным фанатом «Лидс Юнайтед»), то наверняка замечали: позиции команд в турнирной таблице из сезона в сезон часто остаются примерно одинаковыми. Взять хотя бы английскую Премьер-лигу: последние несколько сезонов верхние строчки делят между собой одни и те же команды. Сейчас это «Манчестер сити», «Манчестер Юнайтед», «Ливерпуль» и «Челси». «Арсенал» и «Тоттенхэм» тоже обычно где-то рядом (а вот «Лидс», увы, нет). И дело не просто в том, что эти команды богаты, — здесь работает принцип «качество порождает качество». Отчасти потому, что состав команд и руководство между сезонами меняются мало. Богатые клубы могут удержать своих лучших игроков. А если взять шире — их благосостояние позволяет не только сохранять, но и привлекать лучших футболистов, обеспечивая своего рода «наследование» качества от сезона к сезону, даже несмотря на некоторые изменения составов.
А теперь представьте, что в начале каждого сезона всех игроков и тренеров распределяли бы по командам случайным образом. Богатство клубов утратило бы значение — даже самые обеспеченные не смогли бы удерживать или привлекать лучших игроков. В таком случае успех команды в прошлом сезоне никак не гарантировал бы ей высокие результаты в нынешнем. Исчезло бы «наследование» качества от сезона к сезону. Команда, блестяще выступившая в этом году (как черные бабочки на черном фоне), в следующем сезоне получила бы состав, никак не связанный с прежним успехом. Мораль проста: ни в биологии, ни в спорте конкуренция сама по себе не обеспечит долговременного преимущества — для этого нужен механизм передачи качества. В биологии эту роль выполняет ДНК.
Сохранение составов команд между сезонами и передача ДНК между поколениями в целом похожи, но у генетической наследственности есть свои особенности. Сама природа ДНК накладывает ограничения на то, что отбор может и чего не может достичь. Чтобы разобраться в этом, давайте для начала рассмотрим, как работает постепенный процесс адаптации.
Чтобы разобраться в странностях эволюции, лучше всего проследить, как постепенно развивается защитная окраска. Возьмем, к примеру, березовую пяденицу. У этих бабочек своеобразный образ жизни: летают по ночам, а днем отдыхают. Но дневной отдых — занятие рискованное, ведь именно в светлое время суток тебя могут заметить хищники. Поэтому, если у тебя не получается найти укрытие, тогда тебе нужно научиться сливаться с поверхностью, на которой отдыхаешь. Так что защитная окраска — отличное решение для бабочки. Но давайте вернемся в прошлое, когда окраска насекомого еще не соответствовала фону. Представим такую картину: вы черная бабочка, а стволы деревьев, на которых вы отдыхаете, — белые с пятнами (хм… интересно, откуда взялся этот пример).
Давайте для начала представим, что все наши мотыльки генетически одинаковы в плане окраски: все как один серо-черные. Теперь бросим мутационные кости. Мутации постоянно происходят в ДНК — медленно, но верно. Однако, чтобы мутация могла передаваться по наследству, она должна возникнуть в особых клетках предыдущего поколения — тех, из которых формируются сперматозоиды или яйцеклетки. Эти клетки образуют так называемую зародышевую линию. Если такая новая мутация попадает к сыну или дочери, она проявится во всех без исключения клетках их организма. Каждый родитель-мотылек передает своему потомству одну из двух копий своего генома, поэтому будем исходить из того, что у каждой особи есть по две копии любого гена. С учетом этого в первом поколении в популяции появится всего одна копия мутантного гена: мутация возникнет у единственной особи, да и то лишь в одной из двух копий гена.
Теперь давайте предположим, что случайная мутация создает еще более черный вариант окраски и, поскольку эта мутация возникла в зародышевой линии, она может передаваться по наследству — потомки тоже рождаются более черными. Если такие мотыльки слишком заметны на бело-пятнистом фоне, мутация, скорее всего, исчезнет из популяции — ведь носителей новой мутации будут чаще съедать хищники. Мутантный вариант гена окраски появляется, но тут же вымывается из популяции под действием естественного отбора. Этот процесс называют отрицательным, или очищающим, отбором. В результате популяция возвращается к исходному состоянию: все мотыльки снова имеют одинаково серо-черный цвет. Точно так же действует отбор, когда особь погибает до размножения из-за мутации, вызвавшей генетическое заболевание.
А теперь представим другую мутацию в зародышевой линии — иное изменение в ДНК, которое, допустим, создает небольшое количество белых пятен в окраске. Мотылек с такой мутацией не идеально сливается с фоном, но все же маскируется лучше сородичей. Что же произойдет в этом случае? Если благодаря усилившейся пятнистости такого мотылька реже замечают и съедают хищники, то в следующем поколении эта мутация должна встречаться чуть чаще. У нашего пятнистого мотылька, как мы помним, есть две копии каждого гена — от матери и от отца. У него немного больше шансов дожить до размножения, а когда он размножается, новая мутация имеет равные шансы (50 на 50) передаться каждому из потомков — так уж устроена передача хромосом у живых организмов. Допустим, что все размножающиеся пары производят одинаковое число потомков. Получается, что в первом поколении частота нашей мутации слегка возрастает просто потому, что ее носители чаще выживают до размножения, а не потому, что она передается большему числу потомков при каждом размножении.
Наверное, стоит прояснить, что мы понимаем под словом «частота», — этот термин нередко вызывает путаницу. В данном случае частота определяется не абсолютными числами, а соотношением: речь идет не об общем количестве генов пятнистости в популяции (это была бы абсолютная частота), а о том, какую долю среди всех версий гена окраски (черной и пятнистой) составляет пятнистый вариант. Допустим, в популяции N особей, и у каждой по две копии гена окраски — одна от матери, другая от отца. Значит, всего в популяции 2N копий этого гена. Частота мутации пятнистости — это просто доля копий с мутацией среди этих 2N, то есть относительная частота. Когда в популяционной генетике говорят о «частоте» мутации, почти всегда имеют в виду именно относительную, а не абсолютную частоту.
Давайте разберемся, почему это важно. Когда мутация впервые возникает в популяции, появляется всего один участок ДНК с этим изменением. Значит, ее относительная частота в начале равна 1/2N, а абсолютная частота — просто единице. Мы делаем упор на относительной частоте отчасти потому, что нас интересует эволюция как процесс: как редкая поначалу мутация постепенно становится единственным вариантом этого участка ДНК в популяции, достигая частоты 2N/2N = 1. А вот количество особей в популяции для нас не так важно. Изменение численности популяции — это еще не эволюция. Поясню на примере: если в популяции из 100 особей было 10 копий мутантного гена, затем популяция выросла до 1000 особей, а число копий мутации увеличилось до 100, то никакой эволюции не произошло — ведь относительная частота не изменилась. Ну и еще один довод в пользу относительных частот — с ними гораздо проще производить математические расчеты.
Но вернемся к нашей истории. Что же происходит во втором поколении? Вероятно, теперь уже два мотылька несут новую мутацию вместо исходного варианта гена. Общее число копий этого гена (как мутантных, так и исходных) равно количеству особей в популяции, умноженному на два, — ведь у каждого мотылька по две копии любого гена. Если в популяции миллион мотыльков, то поначалу относительная частота новой мутации составляла один к двум миллионам копий генов. Но, поскольку ее носители реже становятся добычей хищников, мутация начинает встречаться чаще — уже два случая на два миллиона. Ровно противоположная ситуация наблюдается при очищающем отборе: там мутация, изначально редкая, становится еще более редкой и в конце концов исчезает совсем.
Перемотаем вперед — и вот полезная мутация неуклонно набирает частоту. Все просто: ее носителей реже съедают хищники. От двух из двух миллионов частота растет до четырех из двух миллионов, и так далее. Пройдет достаточно времени (множество поколений), и мутация распространится на всю популяцию: все два миллиона копий гена превратятся в то, что когда-то было новым и редким вариантом. В специальной литературе говорят, что мутация достигла фиксации, или зафиксировалась. Процесс, при котором мутация таким образом превращается из редкой в повсеместную, называют селективным замещением. И занимает оно немало времени — множество поколений.
Итак, теперь вся популяция состоит из мотыльков, у которых есть несколько пятен. Это было первое селективное замещение. Мотыльки по-прежнему не слишком хорошо сливаются с фоном, но все же маскируются лучше, чем их предки. Здесь мы видим важнейший принцип естественного отбора: значение имеет не абсолютное совершенство, а то, насколько вы успешнее своих конкурентов. Как в поговорке: «в стране слепых одноглазый — король». Чтобы победить в конкурентной борьбе, необязательно быть идеальным с самого начала. То же самое в спорте: не нужно играть безупречно, достаточно быть лучше соперников. По этому поводу даже любят шутить: убегая ото льва, необязательно бежать быстрее него — достаточно бежать быстрее других убегающих. Именно поэтому биологи-эволюционисты, прогнозируя судьбу мутаций, используют понятие «относительная приспособленность» (насколько особь успешнее конкурентов), а не «абсолютная приспособленность» (насколько она близка к некоему идеалу).
Первый раунд положительного, или дарвиновского, отбора открывает нам еще одну важную истину. Генетическая трансформация популяции происходит не в одночасье. Вовсе не так, будто все особи вдруг понимают, какая ДНК лучше, и каким-то чудом изменяют свою или впитывают ее откуда-то. И пусть этот процесс действительно повышает выживаемость популяции, снижая риск быть съеденными, не стоит думать, будто мутации возникают целенаправленно. Многие мутации, напротив, снижают шансы на выживание (тогда включается отрицательный, или очищающий, отбор), а некоторые и вовсе не влияют на организм. Отбор, ведущий к изменениям в популяции, — это своего рода фильтр, просеивающий новые мутации.
Кстати, порой можно услышать, что эволюция неспособна вести к совершенствованию, поскольку она представляет собой случайный процесс. Такое утверждение — просто результат недопонимания: случайны только мутации, а отбор — это направленный фильтр, через который проходят возникшие изменения. В том, что популяция со временем все лучше приспосабливается к окружающей среде, нет ничего удивительного: естественный отбор похож на дуршлаг, который пропускает воду (вредные мутации), но удерживает макароны (полезные мутации).
Итак, первый раунд завершен — что дальше? В популяции мотыльков с небольшим количеством пятен продолжают возникать случайные мутации. Этот процесс не зависит от того, удалось ли первой мутации закрепиться. Мутации происходят постоянно, хотя и протекают очень медленно. И снова: одни из них окажутся вредными для носителей (например, вернут более темную окраску и ухудшат маскировку), другие не дадут никакого эффекта, а третьи создадут чуть более совершенный узор, который лучше сливается с фоном — во всяком случае, с точки зрения хищников. Вредные мутации будут отсеяны очищающим отбором, и популяция сохранит свою умеренную пятнистость. А вот полезная мутация может снова начать распространяться — с той же частоты один на два миллиона до двух на два миллиона и так далее. И не потому, что мутация повторяется, а потому, что ее носители опять получают небольшое преимущество перед остальными. После многих поколений второе селективное замещение приведет к фиксации и этого нового варианта.
Этот процесс может повторяться снова и снова. Каждый отдельный раунд представляет собой естественный отбор, а вся последовательность раундов складывается в единый процесс адаптации. Кстати, о термине «адаптация» — тут нужна оговорка. Порой им называют каждый отдельный раунд естественного отбора (даже специалисты этим грешат). Иногда — как я определил выше — это длительный процесс, состоящий из череды селективных замещений. А иногда словом «адаптация» обозначают не процесс, а его результат. Так, хорошо маскирующая пятнистость мотылька — это адаптация, а то, как она возникла, — процесс адаптации. М-да. Жаль, что наш язык скуп на термины.
Резонный вопрос: когда же этот процесс остановится? В теории он должен прекратиться при достижении совершенства — когда никакая новая мутация уже не сможет улучшить приспособленность к среде. Здесь эволюцию можно сравнить с игрой в дартс: каждый бросок (новая мутация) должен быть ближе к центру мишени, чем предыдущий закрепившийся бросок, чтобы тоже закрепиться в популяции. После череды успешных замещений популяция все ближе подбирается к центру мишени, и в какой-то момент просто не останется возможности для появления еще более удачной мутации — тогда-то и будет достигнут предел совершенствования.
Представление эволюции в виде мишени для дартса имеет несколько любопытных особенностей. Во-первых, это помогает понять, почему большинство мутаций вредны и могут вызывать, например, генетические заболевания. Когда мы приближаемся к центру мишени, успешными могут быть только всё более тонкие изменения, а вероятность вредных мутаций растет — ведь теперь любое отклонение от центра означает ухудшение. Чем ближе организм к совершенству, тем вероятнее, что случайная мутация уведет его в сторону от оптимального состояния, особенно если влияние этой мутации серьезно. Тут нет ничего исключительно биологического: если наугад подкрутить что-нибудь в механизме великолепных швейцарских часов, скорее всего, они станут хуже работать. Поэтому и мутации чаще всего только портят отлаженные механизмы.
Во-вторых, эта модель показывает, что мутации, вызывающие серьезные изменения, вряд ли будут играть важную роль — разве что в самом начале процесса. Представим, что популяция стартует далеко от совершенства. В этом случае любая мутация, которая хотя бы просто попадет в мишень, окажется лучше существующего варианта гена. Допустим, первый раунд адаптации — как раз такое попадание. Дротик вонзается куда-то во внешнее кольцо мишени (как та первая мутация, создавшая слабую пятнистость у мотылька). Эта мутация появляется и закрепляется. До центра мишени еще далеко. Теперь для второго броска (то есть следующего раунда мутаций после закрепления первой полезной) пространство для улучшения уже более ограничено — ведь, чтобы закрепиться, новая мутация должна оказаться ближе к центру, чем предыдущая. И так шаг за шагом. Поэтому мы ожидаем, что сила воздействия успешных мутаций будет уменьшаться по мере приближения к совершенству. Похожим образом работают и скульпторы: начиная работу, они могут отсекать большие куски мрамора, но чем ближе работа к завершению, тем аккуратнее и точнее становятся их движения.
Из вышесказанного следует, что мутации с сильным эффектом могут оказаться успешными лишь тогда, когда популяция далека от совершенства. По крайней мере, для простых организмов у нас есть убедительные доказательства этого явления. Одно из важнейших современных исследований механизмов эволюции провели Рич Ленски с коллегами в Университете штата Мичиган. Они запустили так называемый долговременный эволюционный эксперимент (ДЭЭ). В ходе исследования ученые наблюдали за генетическими изменениями в 12 изначально идентичных популяциях кишечной палочки (Escherichia coli, или E. coli). Эксперимент начался в феврале 1988 года и продолжается по сей день. К началу 2020 года сменилось уже 73 000 поколений бактерий, но во время пандемии COVID эксперимент пришлось заморозить (в буквальном смысле этого слова). В сентябре 2020 года работа возобновилась. Изначально бактерии не были приспособлены к лабораторным условиям. Ленски обнаружил во всех 12 популяциях одну закономерность: улучшение приспособленности, выражавшееся в генетических изменениях, которые ускоряли рост и увеличивали размер клеток, поначалу шло быстро, но затем замедлилось, в полном соответствии с моделью эволюционного дартса.
Однако в одной из популяций исследователей ждал настоящий сюрприз — совершенно невероятные изменения. Все бактерии росли в среде, где кроме обычной пищи присутствовали вещества, которые кишечная палочка в норме не использует при наличии кислорода, в том числе и цитрат. Собственно, одна из ключевых особенностей E. coli как раз и состоит в том, что она неспособна усваивать цитрат в присутствии кислорода. Представьте же удивление ученых, когда однажды они заметили, что одна из культур стала мутной. Выяснилось, что эта популяция бактерий обзавелась мутациями, благодаря которым научилась питаться цитратом, которого в среде было предостаточно. Вот вам и доказательство: мутации с сильным эффектом не только существуют, но и могут процветать. Впрочем, этот случай еще больше запутывает всю историю. Исследователи изучили предков удивительной популяции (благо они предусмотрительно замораживали образцы на протяжении всего эксперимента) и обнаружили любопытную закономерность: вероятность закрепления мутации, позволяющей усваивать цитрат, сильно зависела от имеющейся генетической основы. Так что простая схема, где мутации просто проходят через сито естественного отбора, оказалась неполной — нельзя сбрасывать со счетов и случайные события прошлого.
Правда, не вполне понятно, насколько эта модель эволюционного дартса применима к более сложным организмам. Данная модель эволюции перекликается с уже упомянутой метафорой восхождения на холм и представляет собой простое воплощение так называемого геометрического взгляда на эволюцию, предложенного британским эволюционным биологом и статистиком Рональдом Фишером. Кстати, о Фишере: при всей своей гениальности он придерживался взглядов, которые сегодня многие сочли бы весьма сомнительными. Он был одним из первых сторонников евгеники и выступал за добровольную стерилизацию. Он также считал, что таким умным людям, как он, следует иметь побольше детей, — и следовал этому принципу. А еще он упорно отрицал связь между курением и раком. Что ж, даже самые блестящие умы не застрахованы от ошибок.
Модель Фишера обычно представляют как своего рода многомерную мишень для дартса, где каждое измерение соответствует определенному признаку. В этой усложненной версии мутации, сильно влияющие на одно свойство, могут оказаться вредными для другого — особенно у многоклеточных организмов. Это и есть плейотропия, о которой говорилось во второй главе. Такая логика лежит в основе проблемы сложности: чем сложнее вид, тем более запутанны связи между его генами, а значит, любая отдельная мутация может затронуть множество разных свойств организма. Поскольку мутации с сильным эффектом вряд ли окажутся успешными (приближая к одной цели, они могут отдалять от другой), логично предположить, что эволюция будет идти преимущественно через мутации со слабым эффектом. Ученые до сих пор спорят о том, насколько сильно это влияет на эволюционный процесс, но не исключено, что у сложных организмов даже самые первые мутации не могут быть настолько значительными, как у их более простых собратьев.
Теория выглядит убедительно, но можем ли мы увидеть все это своими глазами? Да, можем! Когда окружающая среда меняется резко — скажем, из-за промышленных загрязнений, — мы видим, как полезные мутации стремительно распространяются в популяциях. Вспомним и эксперимент Ленски, где бактерии вдруг научились усваивать цитрат, — вот вам еще один пример молниеносного распространения мутации. Но, пожалуй, самый детально изученный случай естественного отбора в действии, где ученым удалось разобраться и в участвующих в нем генах, и в механизмах их работы, связан с оленьим хомячком (Peromyscus maniculatus).
Совсем недавно с этим видом произошло нечто удивительное — из-за пернатых хищников изменилась окраска меха. Исследователи из Гарвардского университета во главе с Хопи Хукстрой заинтересовались популяцией этих грызунов, обитающих в прериях Сэндхиллс в штате Небраска. Дюны этих прерий сформировались всего 8000–10 000 лет назад (в геологических масштабах это действительно недавно) и состоят из светлого кварца — в отличие от окружающих древних темных почв. Раз дюны настолько молоды и представляют собой особую экосистему, значит, и эволюционные изменения у живущих там оленьих хомячков должны были произойти совсем недавно. Как вы уже, наверное, догадались, у грызунов изменилась окраска меха. Ученые отлавливали зверьков в разных местах и обнаружили четкую закономерность: чем темнее почва, тем темнее мех. За этими различиями в окраске, как выяснилось, стоят мутации в одном-единственном гене — Агути, который отвечает за выработку желтого пигмента феомеланина.
Похоже на классический случай естественного отбора. Но есть ли тому прямые доказательства?
Чтобы получить их, Хукстра с коллегами провела эксперимент. Для начала ученые выяснили, кто главный охотник на мышей, — следы укусов на пластилиновых приманках указывали на птиц. Тогда исследователи решили посмотреть, как охота пернатых хищников влияет на окраску меха. Они построили шесть загонов размером 50 × 50 метров — по три на темной и светлой почве. Конструкция загонов не позволяла наземным хищникам добраться до мышей, но птицы могли охотиться свободно. В каждый загон, где изначально не было мышей, выпустили поровну светлых и темных зверьков. В течение нескольких месяцев команда следила за тем, как меняется соотношение светлых и темных особей. Результаты оказались предсказуемыми: светлые мыши, пойманные на светлых почвах, лучше выживали в загонах со светлой почвой. А темные мыши, соответственно, лучше справлялись на темной почве. Вот он, естественный отбор в действии!
А что происходило на генетическом уровне? Как и ожидалось, в гене Агути ученые обнаружили мутации, частота которых менялась по ходу экспериментов. Одна из них оказалась особенно любопытной. Речь идет об изменении всего одной аминокислоты: у части мышей в определенном участке белка присутствовал серин, у других его не было (мутации не всегда просто заменяют один нуклеотид на другой — порой они приводят к потере или добавлению участков ДНК). Наличие или отсутствие этой аминокислоты четко соответствовало светлой или темной окраске меха у мышей в исходных популяциях со светлых или темных почв. Более того, частота этого варианта гена заметно изменилась за все время эксперимента. Похоже, именно эта мутация отвечает как минимум за часть изменений окраски, которые наблюдались со временем.
Как именно наличие или отсутствие серина влияет на окраску? Разобраться в этом помог блестящий эксперимент. Ученые взяли хомячков другого вида, у которых от природы нет гена Агути, и создали две группы генномодифицированных особей: одним встроили версию гена без серина, другим — с серином. И что же? Грызуны без серина оказались заметно светлее тех, у кого серин был. Это прекрасно согласовывается с результатами экспериментов в загонах: когда отбор благоприятствовал светлой окраске, росла частота варианта гена без серина, а когда темной — наоборот, этот вариант становился реже.
Но как именно отсутствие серина влияло на окраску? Изучив шерсть хомячков без серина, ученые обнаружили, что они светлее из-за пониженного содержания феомеланина — того самого пигмента, который контролируется геном Агути. Но исследователи на этом не остановились. Они выяснили, что отсутствующий серин находится в том участке сигнального белка Агути, который связывается с другим белком — аттрактином. А это связывание необходимо для производства феомеланина. Эксперименты показали, что версия белка с серином связывается с аттрактином сильнее, чем версия без серина. Получается красивая цепочка: мутация убирает серин, из-за этого ослабевает связывание с аттрактином, что ведет к снижению производства феомеланина, и в результате грызуны становятся светлее. В загонах с темной почвой частота «лишенной серина» версии гена снижалась — скорее всего, потому, что птицам проще заметить светлую мышь на темном фоне, чем темную. В двух из трех загонов со светлой почвой частота версии без серина росла, хотя и не так заметно, как она падала в загонах с темной почвой.
История с окраской меха у оленьих хомячков дает нам прекрасные доказательства работы естественного отбора и демонстрирует конкретные механизмы его действия. Но это всего лишь один кадр из фильма об эволюции. А можем ли мы увидеть, как одна волна эволюционных изменений сменяет другую? Поскольку эволюция идет быстрее у организмов с коротким жизненным циклом, лучше всего наблюдать за бактериями или вирусами. Яркий пример — SARS-CoV-2, вирус, вызвавший COVID. Сегодня это один из самых изученных случаев эволюции: исходный вариант сменился «Альфой», затем пришла «Дельта», ее вытеснил «Омикрон» (версия 1, BA.1), а того — «Омикрон» версии 2 (BA.2). Похожую картину мы видим и в эксперименте Ленски с E. coli: например, в каждой популяции бактерий размер клеток становился все больше с каждой новой волной изменений.
Потрясающе наглядный пример эволюции, разворачивающейся в несколько этапов, продемонстрировали Рой Кишони из Гарвардской высшей школы медицины и его коллеги. В лаборатории бактерии обычно выращивают в небольших круглых чашках Петри с питательной желеобразной средой. Кстати, именно такая простая установка помогла Александру Флемингу открыть первый антибиотик. Он заметил, что рост бактерий в чашке Петри прекращается рядом с грибковой колонией. Как выяснилось, грибок выделял пенициллин — вещество, убивающее бактерии.
Впрочем, сегодня мы знаем: со временем бактерии часто вырабатывают устойчивость к антибиотику. Механизм тот же, что описан выше, — бактерии постоянно мутируют, и время от времени появляется мутация, помогающая выжить под действием антибиотика. Кишони с коллегами пошли дальше и поставили похожий эволюционный эксперимент, но в гигантской чашке размером 1,2 метра на 60 сантиметров. С изрядной долей юмора они окрестили ее ареной микробной эволюции и роста (или MEGA-plate — от microbial evolution and growth arena). На пластине были проведены вертикальные полосы с разной концентрацией антибиотика, которая возрастала к центру. На края пластины, где антибиотика не было, поместили подвижные бактерии (так эксперимент можно было проводить параллельно с двух концов). Первая популяция исчерпывает доступные запасы пищи, и это создает условия для отбора мутантов, способных переместиться в следующую полосу, где концентрация антибиотика выше.
Результаты эксперимента оказались поразительно красивыми. На границе первой полосы благодаря мутации появляется бактерия, способная выдержать низкую дозу антибиотика. Ее потомки распространяются по всей полосе — можно видеть, как они веером расходятся из одной точки. У следующей полосы, где доза антибиотика выше, они останавливаются. Но вскоре одна из бактерий находит генетическое решение проблемы высокой дозы и начинает осваивать новую территорию. И так снова и снова: одна волна эволюционных изменений сменяет другую.
В ходе эксперимента обнаружилась еще одна любопытная деталь. Если бактерия приобретает устойчивость к антибиотику, но находится не у самого фронта наступления, она не может прорваться в следующую полосу, ведь бактерии на пластине не прыгают куда попало, а перемещаются только на небольшие расстояния. Кишони с коллегами даже находили мутантов, которые могли бы успешно освоить новую территорию, но застряли в тылу. Получается, что и здесь, как в истории с оленьими хомячками, естественный отбор тесно связан с пространством.
Эта простая модель — случайные мутации плюс сито отбора — позволяет сделать несколько важных выводов. И первый из них: эволюция не умеет заглядывать в будущее. Мы, люди, делаем это постоянно: проверяем прогноз погоды перед выходом из дома, прикидываем, что положить в чемодан перед отпуском. Животные, кстати, тоже способны планировать — взять хотя бы белок и поползней, которые делают запасы орехов и семян. Даже деревья сбрасывают листву перед зимними бурями в каком-то смысле потому, что они предвидят будущее. Но вот что интересно: хотя естественный отбор может поддерживать способность к такому краткосрочному планированию, он не умеет сохранять признаки, которые вредят организму сейчас, пусть даже они могли бы пригодиться в отдаленном будущем.
Полезна или вредна мутация — зависит исключительно от условий, в которых живет организм здесь и сейчас. Отбор не может работать с учетом далекого прошлого или будущего. Не бывает такого, чтобы мотылек стал черным, каким-то образом предугадав, что в промышленной Англии XIX века это окажется удачной стратегией. Отбор просто не умеет действовать подобным образом. Все решает то, насколько заметен мотылек для птиц на фоне нынешней окружающей среды.
Сегодня это кажется очевидным. И такой взгляд помогает объяснить некоторые явные несовершенства нашего организма. Возьмем, к примеру, нашу потребность в витамине C, или аскорбиновой кислоте. Для британских моряков нехватка витамина C и вызванная ею цинга были настоящим бедствием. Решение нашлось: в разбавленный ром, который порционно выдавали экипажу каждый день, стали добавлять лимонный сок. Кстати, это средство иногда называют результатом одного из первых в истории клинических испытаний. В 1747 году корабельный врач британского Королевского флота Джеймс Линд давал части команды по два апельсина и одному лимону в день, тогда как «контрольная» группа в дополнение к обычному рациону получала что-нибудь другое — сидр, уксус, серную кислоту (!) или морскую воду. Как понимаете, от цинги удалось уберечься только группе, получавшей цитрусовые.
Однако история на этом не заканчивается. Британское адмиралтейство отреагировало не слишком расторопно: лимонный сок стал обязательной добавкой к рациону моряков лишь полвека спустя, в 1795 году, причем это решение приняли почти без учета рекомендаций Линда. Впрочем, в этом отчасти была его вина. Несмотря на убедительные результаты эксперимента с цитрусовыми, Линд почему-то начал рекомендовать другие средства — например, солод, — да еще и считал главной причиной цинги не питание, а замкнутое пространство. Таков извилистый путь медицинского прогресса!
Интересно, что об этой истории напоминает даже название «аскорбиновая кислота». Оно происходит от слова «антискорбутический», то есть противоцинготный — именно такой фактор искали ученые. Хотя химики называют это вещество L-гексуроновой кислотой.
Но почему мы не можем сами производить витамин C? Разве это не изъян нашего организма? Ведь большинство млекопитающих прекрасно синтезируют этот витамин и не нуждаются в том, чтобы он поступал с пищей. Окажись они моряками, им не пришлось бы запасаться апельсинами, лимонами и лаймами (кстати, именно из-за последних британских моряков прозвали «лайми»). Хотите узнать, как именно синтезируется витамин C? Приготовьтесь к россыпи химических терминов: витамин C получается из L-гулонолактона, тот — из L-гулоната, который образуется из D-глюкуроната, а тот, в свою очередь, из уридиндифосфат-глюкуроната. Впрочем, сами названия не так важны. Главное — что каждый этап этого превращения обеспечивает особый белок-фермент, который кодируется определенным геном. Для нас особенно интересен фермент, отвечающий за последний шаг, когда L-гулонолактон превращается в витамин C. Ферменты обычно называют по их функции, и этот не исключение: его полное имя — L-гулонолактоноксидаза, хотя, к счастью, чаще используют сокращение GULO. Так что мы говорим о белке GULO и гене GULO(названия генов по традиции пишутся курсивом).
Любое превращение одного вещества в другое требует энергии — это правило касается и производства белков GULO. Что же произойдет, если вид переключится на диету, богатую готовым витамином C? Если витамина в пище достаточно, может оказаться выгоднее не тратить силы на его производство. По крайней мере, мутация, лишающая организм способности синтезировать витамин C, вряд ли причинит вред. Взять хотя бы фруктоядных листоносов: как понятно из названия, рацион этих летучих мышей богат витамином C, поэтому отбор перестал поддерживать гены, отвечающие за его синтез, и теперь они, как и мы, не производят GULO. Нам остается только одно — получать витамин C с пищей.
И мы, и фруктоядные листоносы в не таком уж далеком прошлом умели синтезировать витамин C. Как мы это узнали? Во-первых, нашими предками были другие млекопитающие, а почти все они (как, впрочем, и большинство других живых существ) способны синтезировать аскорбиновую кислоту. Если посмотреть, как распределяется способность к синтезу витамина C среди млекопитающих и других видов, становится очевидно: гораздо вероятнее, что мы утратили эту способность где-то на пути эволюции, чем что все остальные виды приобрели ее независимо друг от друга.
Чтобы лучше понять эту логику, представьте дерево с множеством ветвей. На верхних ветвях распускаются цветы — и все они красные. А теперь возьмем черенок от нижней ветви, на которой пока нет цветов, и вырастим из него новое дерево. Какого цвета будут цветы? Правильно, красного. Мы можем с уверенностью утверждать это, потому что видим: все ветви наверху дают красные цветы, а значит, клетки у основания дерева должны нести ту же генетическую информацию.
А теперь представьте, что все цветы на дереве красные, кроме одной-единственной белой ветки где-то наверху. Если мы снова возьмем черенок от основания дерева, какого цвета будут цветы? Скорее всего, красного. Почему? Гораздо вероятнее, что изначально дерево несло генетическую информацию о красных цветах, а потом на одной ветке случилась мутация, из-за которой цветы стали белыми. Альтернативный сценарий — что в основании дерева была заложена информация о белых цветах, но потом множество раз независимо происходили мутации, превращавшие их в красные, — выглядит куда менее правдоподобным. Все дело в том, какой путь развития событий вероятнее.
Точно так же мы пытаемся восстановить облик наших предков. История развития видов очень напоминает ветвящееся дерево — неслучайно мы называем такие схемы филогенетическими деревьями. Зная, как выглядят современные виды на концах ветвей (словно цветы разного цвета), мы можем определить наиболее вероятное состояние признака в каждой точке ветвления. Этот метод называется реконструкцией предкового состояния.
В животном мире есть несколько странных исключений — виды, которые не могут сами производить витамин C и должны получать его с пищей. Это фруктоядные листоносы, морские свинки и некоторые наши родственники-приматы. Если мы заглянем в наше прошлое, то где-то там обнаружим вымершего предка-примата, который — как и все его предшественники — почти наверняка умел синтезировать аскорбиновую кислоту. Судя по всему, способность производить витамин C мы потеряли во времена, когда жил наш общий с лемурами предок.
Второе доказательство того, что наши далекие предки могли синтезировать витамин C, сохранилось в нашей ДНК. Хотя у нас нет рабочей версии гена GULO, в геноме сохранилась его «мертвая» копия. У млекопитающих с работающим GULO (а таких большинство) этот ген состоит из 12 экзонов. У нас и наших ближайших родственников-приматов более-менее уцелели экзоны 4, 7, 9, 10 и 12, а остальные либо вообще исчезли, либо сохранились лишь в виде фрагментов. Такие «мертвые» гены называют особым термином — псевдогены, то есть ложные гены.
Как и следовало ожидать, все виды, у которых обнаружен псевдоген GULO, питаются пищей, богатой витамином C. Гориллы, например, получают 20–30 миллиграммов на килограмм веса в день, ревуны — около 88 миллиграммов, а паукообразные обезьяны — целых 106 миллиграммов. Для сравнения, человеку рекомендуется потреблять всего один миллиграмм на килограмм веса ежедневно. Любопытно, что среди птиц есть виды, которые и сами синтезируют витамин C, и получают его в избытке с пищей, но вот обратной ситуации не бывает: не найдено ни одного вида с неработающим GULO, который употреблял бы пищу, бедную витамином C.
Итак, все факты указывают на то, что когда-то наши предки умели синтезировать витамин C. Мы даже понимаем, почему смена диеты могла привести к утрате этой способности. Но заметьте: когда эволюция «решала», сохранить или отбросить способность синтезировать витамин C, она никак не могла учитывать потребности британских моряков XIX века (как бы странно это ни звучало). Естественный отбор, действовавший несколько миллионов лет назад, на такое не способен. Он не мог рассуждать так: «Через несколько миллионов лет люди, которые пока даже не появились, захотят плавать по морям, и у них не будет достаточно фруктов, поэтому лучше бы сохранить способность синтезировать витамин C». В отличие от естественного отбора, я могу взять с собой плащ, если ожидается дождь, пусть даже сейчас светит солнце. Отбор же работает только с тем, что есть здесь и сейчас. У эволюции нет ни генерального плана, ни заранее намеченной цели.
Если кажется очевидным, что эволюция неспособна заглядывать в будущее, то некоторые другие ее особенности понять сложнее. Хотите по-настоящему разозлить генетика-эволюциониста? Просто скажите, что какой-то признак не мог возникнуть, потому что «он не принес бы пользы виду». Или наоборот: что определенный признак обязательно разовьется, поскольку «он будет полезен для вида». Гарантирую: у несчастного биолога подскочит давление, он покраснеет, а из ушей повалит пар. Поздравляю, вы только что нащупали его больное место!
Со стороны такая реакция может показаться простым занудством. В конце концов, разве эволюция не работает на благо вида? Разве мутация, улучшившая маскировку мотылька, не принесла пользу всему виду? Но вот в чем загвоздка: даже если мутация в итоге и оказывается полезной для вида, распространяется она не поэтому. Редкая мутация становится частой лишь потому, что дает преимущество своим непосредственным носителям.
Иначе говоря, в описанной эволюционной модели решающий момент наступает, когда мутация только появляется в популяции. Если она не может преодолеть барьер от «очень редкой» до «просто редкой», то ей не суждено распространиться, какой бы полезной для вида она ни оказалась потом, когда (и если) появится у всех особей. Эволюция не принимает в расчет отдаленные последствия для вида — вспомним историю с витамином C: естественный отбор не мог предвидеть его будущую пользу и потому не сохранил способность его синтезировать. Любое влияние мутации на судьбу вида — это следствие, а не причина ее распространения. Биологи-эволюционисты тратят немало времени, пытаясь отделить долгосрочные последствия изменений от их непосредственных причин.
Если вам кажется, что это не самая простая мысль, вы не одиноки. Многие биологи (не специализирующиеся на эволюции) до сих пор наступают на эти грабли, да и самому эволюционному сообществу понадобилась большая часть XX века, чтобы разобраться в этой головоломке. Одной из ключевых проблем стал вопрос соотношения полов — пропорции между самцами и самками. Например, соотношение один к одному означает, что самцов и самок поровну. Оглянувшись вокруг, мы увидим, что в природе такое равное соотношение встречается повсеместно — это своего рода норма. Однако понять, почему оно стало нормой, оказалось непросто: ведь на первый взгляд видам было бы выгоднее иметь гораздо больше самок, чем самцов.
Давайте проследим за этой логикой шаг за шагом. У видов, где особи делятся на самцов и самок, именно самки, как правило, гораздо больше вкладывают в потомство, чем самцы. Это различие настолько фундаментально, что часто включается в само биологическое определение полов: самцы производят мелкие сперматозоиды, а самки — крупные яйцеклетки. Задумайтесь: кто запасает весь желток в гигантском яйце птицы киви? Конечно же, самка — это заложено в само определение. Или возьмем пример поскромнее: кто вкладывает все ресурсы в рыбью икру? И снова ответ очевиден: самка. У млекопитающих список материнских «инвестиций» еще длиннее: тут и питание через плаценту, и производство молока. И все это опять-таки ложится на плечи матери. Разумеется, встречаются и исключения: у морских коньков заботу о потомстве берут на себя самцы, а у многих других видов детенышей кормят оба родителя. Но в целом правило работает безотказно: именно самки вкладывают если не все, то почти все ресурсы в следующее поколение.
Зададимся вопросом: что дают все эти материнские вложения? Ответ прост: потомство. При этом мы знаем, что у любого детеныша в мире полового размножения (за редчайшими исключениями) есть два родителя — мама и папа. Мы также понимаем, что воображаемый вид, о котором идет речь, не может бесконечно расти или сокращаться (речь идет о численности популяции, а не о размерах тела). В случае постоянного сокращения все просто: вид обречен на вымирание. Если популяция падает со 100 особей до 90, потом до 80, и так далее — финал предрешен. Вымирание неизбежно. Однако ни один вид не способен бесконечно наращивать численность. Вспомните пример с лососем: если бы выживали все тысячи икринок от одной особи, мы просто утонули бы в рыбе. У роста популяции тоже есть свой потолок. Отсюда можно вывести важное правило: в среднем каждый акт размножения должен давать двух выживших потомков — ровно столько же, сколько было родителей, самца и самки. Речь идет не о количестве появившихся на свет детенышей (один лосось мечет тысячи икринок), а именно о том, что в среднем только двое из всего потомства доживают до возраста размножения.
А теперь сделаем следующий логический шаг. Если самки берут на себя все инвестиции в потомство (что можно принять за рабочую гипотезу), значит, каждой самке требуется накопить достаточно ресурсов, чтобы вырастить двух детенышей, которые доживут до взрослого возраста.
Вот мы и подошли к сути проблемы. Какая особенность была бы наиболее выгодна для вида? Вероятно, та, что обеспечивает максимальные темпы роста популяции. Это как в экономике: любое правительство стремится привлечь как можно больше инвесторов. Но если все вложения в потомство делают самки и каждая способна вырастить двух выживших детенышей, разве не выгоднее производить больше дочерей, чем сыновей? Ведь сыновья, по сути, балласт — они ничего не вкладывают. Вид мог бы расти гораздо быстрее, если бы самцов рождалось ровно столько, сколько необходимо, и ни одним больше. Для размножения нужны самец и самка, но ведь один и тот же самец может спариваться со многими самками. Представьте вид, где из 100 половозрелых особей 99 — самки и только один — самец. В этом случае у вас 99 инвесторов. А при равном соотношении полов 50:50 (то есть один к одному) инвесторов будет всего 50. Казалось бы, популяции должно быть выгоднее иметь больше инвесторов — конечно, если один самец способен оплодотворить всех 99 самок.
Вот она — загадка соотношения полов во всей красе. На первый взгляд все кажется очевидным: если эволюция действительно отбирает то, что выгодно виду, мы должны были бы повсеместно наблюдать преобладание самок. Однако факты говорят об обратном: у большинства видов соотношение полов равное, один к одному. Как же разрешить этот парадокс?
И тут на сцену вновь выходит Рональд Фишер. Он взглянул на проблему под другим углом. Мы уже знаем: когда достигнуто совершенство — дротик попал в яблочко мишени, — никакая «улучшающая» мутация не способна закрепиться. Фишер задался вопросом: существует ли такое соотношение полов, которое нельзя ни улучшить, ни изменить? (Забегая вперед, поясню: термин «закрепиться» здесь означает «получить точку опоры и распространиться в популяции», то есть пройти путь от единичной мутации в первом поколении к более высокой частоте встречаемости в следующем и так далее.) Иными словами: возможно ли такое соотношение полов, при котором любая альтернативная стратегия производства потомков разного пола обречена на провал?
Фишер обратил внимание на любопытный парадокс: стратегия, которая кажется оптимальной для группы или вида в целом, обычно оказывается уязвимой. Возьмем популяцию, где на каждого сына приходится 99 дочерей. На первый взгляд, вид процветает. Но, рассуждал Фишер, что произойдет, если у какой-то матери возникнет мутация, из-за которой она начнет производить больше сыновей, чем дочерей? Ведь в популяции с соотношением 99:1 единственный самец невероятно успешен — он становится отцом всего потомства! Представим, что появляется редкая мутация, заставляющая мать производить только сыновей. При тех же ресурсах она сможет вырастить двух выживших потомков — двух сыновей. Поскольку мутация редкая, соотношение полов станет 97:3. Закрепится ли такая мутация? Безусловно! Ведь эти два сына вместе станут отцами примерно двух третей всего потомства. Ни одна обычная самка и мечтать не может о таком влиянии на генофонд популяции. В результате мать с мутацией, смещающей соотношение полов в сторону самцов, получает огромное количество внуков, а значит, со временем эта мутация будет встречаться чаще, чем исходная стратегия рождения 99 дочерей на одного сына.
Так Фишер пришел к своему первому революционному открытию: стратегия, которая кажется идеальной для процветания вида или группы в целом, на самом деле не может противостоять вторжению конкурирующих вариантов. Из этого следует неожиданный вывод: благополучие вида вовсе не является тем главным судьей, который определяет, какие эволюционные изменения закрепятся, а какие исчезнут.
Давайте мысленно продолжим этот эксперимент и представим, что новая мутация получила широкое распространение. Соотношение полов в популяции может качнуться в противоположную сторону: теперь самка одна, а самцов 99. В этом случае редкая самка, производящая преимущественно дочерей, получит эволюционное преимущество — ее мутация, повышающая долю самок среди потомства, начнет победное шествие по популяции. Получается, что любое смещение соотношения полов, будь то в сторону самцов или самок, оказывается неустойчивым. Существует ли устойчивое решение? Фишер утверждал, что при определенных базовых условиях такое решение есть, и оно единственное: равное соотношение полов.
На самом деле рассуждения Фишера были еще более проницательными. Он доказал, что стабильное (то есть неуязвимое для вторжений) соотношение полов определяется равными вложениями ресурсов в потомков обоего пола. Если на производство сына, например, уходит больше ресурсов, то стабильной окажется не пропорция один к одному, а популяция с преобладанием самок. Это озарение позволило провести ряд дальнейших экспериментов. Так, у некоторых видов ос выращивание сыновей и дочерей требует разных затрат, тогда как у родственных видов затраты практически одинаковы (это можно измерить, определив их массу без учета содержания воды, так называемый сухой вес). Результаты оказались поразительными: у всех исследованных видов общим знаменателем оказались именно суммарные вложения в потомство — они всегда были равны для обоих полов.
Концепция Фишера произвела настоящий переворот в понимании эволюционного процесса. Она помогла осознать, что ключевой вопрос не в том, выгодна ли мутация для вида, а в том, что происходит в момент ее первого появления в популяции. Иными словами, насколько благоприятны условия для самой мутации? Впрочем, это еще не вся история эволюции соотношения полов. Как мы увидим дальше, наш рассказ пока опирается на ряд допущений, которые, хотя и верны во многих случаях, но не универсальны. Что важно — последствия любых отклонений от этих допущений можно предсказать, задавшись простым вопросом: сможет ли новая мутация закрепиться? Возьмем, к примеру, одно из допущений Фишера: мутация, определяющая соотношение полов, не располагается на половых хромосомах. Допущение вполне разумное — большинство генов действительно находится не там. Однако, если бы ген, контролирующий соотношение полов, оказался на Y-хромосоме, он был бы однозначно «заинтересован» в рождении большего числа сыновей (ведь Y-хромосома передается только от отцов к сыновьям). И действительно, у некоторых видов комаров, где ген, определяющий соотношение полов, расположен на Y-хромосоме, мы наблюдаем необычное преобладание самцов.
В своих рассуждениях Фишер исходил еще из одного допущения: любой самец может спариваться с любой самкой. Именно это допущение дает самцам мощное преимущество: возможность стать отцами двух третей всего потомства. Однако у некоторых видов ос реальность выглядит иначе. Речь идет не о тех осах, что докучают нам на летних пикниках, а об их весьма необычных родственниках. Самка такой осы впрыскивает целый набор оплодотворенных яйцеклеток в тело одной-единственной гусеницы. Внутри гусеницы из этих яйцеклеток развиваются братья и сестры, которые тут же спариваются друг с другом (да-да, происходит самый настоящий инцест). После этого оплодотворенные самки покидают гусеницу и отправляются на поиски новой жертвы для откладки яиц.
В такой ситуации производство большего числа сыновей не дает матери никакого преимущества — ведь ее сыновья могут спариваться только с сестрами внутри той же самой гусеницы. Представьте, что вас заперли в комнате практически на всю жизнь и сказали, что партнеров для размножения можно выбирать только среди своих братьев и сестер, запертых там же. В этом уникальном случае интересы вида и интересы мутации совпадают: единственной устойчивой стратегией оказывается резкое смещение соотношения полов в сторону самок. Нужно производить ровно столько самцов, сколько необходимо для оплодотворения всех самок — не больше и не меньше. Именно это мы обычно и наблюдаем в природе.
Я не зря использую слово «обычно»: модель «выгоды для мутации» предполагает еще один интересный эффект. Представьте: самка откладывает потомство в гусеницу, соблюдая сильное смещение в сторону самок — ровно столько самцов, сколько нужно для оплодотворения всех сестер. Но тут появляется вторая самка и подселяет свое потомство в ту же гусеницу. Это все равно что в вашу комнату вдруг подселили еще одну семью. И вот что любопытно: если вторая самка каким-то образом узнает, что она не первая (а такое случается довольно часто), она корректирует соотношение полов среди своего потомства. Британский биолог-эволюционист Уильям Гамильтон, которого все звали просто Билл, математически рассчитал оптимальную стратегию для второй самки. Оказалось, что ей тоже выгодно производить больше самок, чем самцов, — но не в такой пропорции, как первой самке. Почему? Потому что ее сыновья получают дополнительную возможность: они могут спариваться не только со своими сестрами, но и с самками из первого выводка. А значит, увеличение числа сыновей с генетической точки зрения обеспечивает больший вклад в следующее поколение. Эксперименты с осами блестяще подтвердили предсказания модели Гамильтона — причем не только для второй самки, но и для третьей, четвертой и всех последующих. Еще одна победа подхода, основанного на «выгоде для мутации»!
Представление о том, что эволюция руководствуется не благом вида, приводит к удивительным и порой парадоксальным выводам. Самые неожиданные из них, пожалуй, касаются взаимоотношений между матерью и плодом у млекопитающих. Казалось бы, вот оно — идеальное подтверждение того, что польза вида превыше всего: разве не в интересах вида, чтобы мать заботилась о плоде, а плод — о матери? Разве естественный отбор не должен поддерживать то, что выгодно обоим? Однако, как первым заметил Боб Триверс из Ратгерского университета, все не так однозначно.
Триверс отметил важный момент: матери «выгодно» заботиться обо всех своих детях в равной степени, поскольку она в равной степени связана с каждым из них генетически. Любая новая мутация, возникшая у матери, с равной вероятностью может достаться любому из ее детей. Но для самого потомства ситуация складывается иначе, особенно если у детей разные отцы. Родные братья и сестры (с общим отцом) с большей вероятностью унаследуют одни и те же мутации, чем сводные, у которых общая только мать. И даже при одном отце любой конкретный эмбрион генетически ближе к самому себе, чем к братьям и сестрам; впрочем, особенно ярко эта закономерность проявляется все же при смене отцовства. Кстати, когда мы говорим о «выгоде», мы на самом деле используем это слово как краткое обозначение способности мутации закрепиться в популяции (или не закрепиться).
Особенно заметна эта проблема у видов вроде млекопитающих, где потомство рождается отдельными выводками. Представим: отец нынешнего помета может не быть отцом следующего. Мать генетически связана со всеми своими детьми в равной степени, а вот сегодняшний детеныш будет иметь меньше общих генов со своими будущими единоутробными братьями и сестрами, так как у них разные отцы. Триверс показал: матери «выгодно» придержать часть ресурсов для будущих детей. А вот плоду, напротив, выгоднее выжать из матери максимум ресурсов прямо сейчас. Почему? Да потому что будущие полусибсы, которым достанется меньше ресурсов из-за его жадности, могут и не унаследовать ту же самую мутацию, влияющую на потребность в ресурсах, — ведь у них другой отец.
Перед нами классический пример конфликта интересов: что хорошо для одной стороны, плохо для другой, и наоборот. Подобные конфликты могут развиваться по множеству разных сценариев, и предугадать направление эволюции в таких случаях непросто. При наличии конфликтов возможны самые разные варианты развития событий — именно поэтому делать точные прогнозы так сложно. Это вовсе не означает, что конфликтов не существует, просто проверить теории, описывающие их, становится намного труднее.
С учетом этой оговорки, модель конфликта действительно помогает объяснить некоторые странные факты. Так, Дэвид Хейг из Гарвардского университета предположил, что подобное противостояние объясняет, почему человеческий плод выбрасывает в кровь матери особые химические вещества, удерживающие в ней сахар. Это обеспечивает больше питательных веществ нынешнему ребенку в утробе — возможно, в ущерб будущим детям. Например, плацента, которая является тканью плода, выделяет в организм матери плацентарный лактоген, обладающий антиинсулиновым действием. Это вещество мешает глюкозе из материнской крови запасаться в клетках матери и сохраняет ее доступной для плода. В ответ организм матери наращивает производство бета-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин, и таким образом пытается вернуть баланс и сохранить драгоценный сахар для долгосрочных нужд. Если Хейг прав, перед нами не согласованные действия двух сторон по поддержанию оптимального уровня сахара в крови, а настоящее перетягивание каната. Нарушение этого хрупкого равновесия, как полагают ученые, может приводить к осложнениям беременности, таким как гестационный сахарный диабет — состояние, при котором уровень сахара в крови матери становится слишком высоким.
Похожее противоборство, как полагают ученые, может определять и артериальное давление матери. Чем оно выше, тем больше питательных веществ получает плод — особенно в начале беременности. Масштабные исследования, охватившие тысячи младенцев в Дании, подтверждают: дети, чьи матери имели повышенное давление в первые месяцы беременности, рождаются более крупными и имеют больше шансов выжить. А тот факт, что на поздних сроках беременности у женщин особенно часто развивается гипертония, может быть еще одним проявлением этой незримой борьбы за ресурсы.
Важно, однако, различать умеренное повышение давления у матери, которое может быть полезным для ребенка, и серьезное осложнение беременности — преэклампсию. При этом состоянии наблюдается резкий скачок давления в сочетании с появлением белка в моче — именно по этим двум признакам и ставится диагноз. Преэклампсия встречается довольно часто (у 5% беременных), при этом характерна только для человека и представляет смертельную опасность. Единственный способ спасения — экстренное родоразрешение, чаще всего путем кесарева сечения: ребенка нужно извлечь до того, как давление матери достигнет критических значений.
По всей видимости, проблема возникает из-за того, что плацента под стрессом подвергается атаке материнской иммунной системы и в ответ, возможно, провоцирует повышение давления, чтобы обеспечить себе и ребенку больше ресурсов. Предположение о том, что в основе лежит отторжение материнским иммунитетом «чужеродных» белков плода, подтверждается любопытным фактом: частые половые контакты без средств защиты до наступления беременности могут предотвратить развитие преэклампсии. Считается, что сперма партнера «обучает» иммунную систему матери распознавать его белки, благодаря чему впоследствии она не отторгает плод, несущий те же белки. Действительно, в плаценте женщин с преэклампсией часто обнаруживают повышенный уровень белка SPAG4 (спермоассоциированный антиген 4). Этот белок, присутствующий в сперме, также находят на границе между тканями матери и плода. Иммунную теорию подтверждает и то, что преэклампсия чаще всего развивается у суррогатных матерей, вынашивающих генетически чужих детей.
Преэклампсия, способная привести к гибели и матери, и плода, не вполне укладывается в модель противоборства за ресурсы. Она не приносит пользы ни одной из сторон, превращаясь в неконтролируемый процесс саморазрушения. Учитывая, как часто встречается это осложнение, я подозреваю, что оно должно было стать одной из главных причин смертности (а значит, и естественного отбора) в истории человечества. Почему это опасное осложнение до сих пор настолько распространено — загадка, не имеющая объяснения.
Итак, для понимания эволюции нам нужно изучать возникновение новых мутаций и их дальнейшую судьбу. Но где же здесь собственно генетика — помимо того очевидного факта, что мутации представляют собой изменения в ДНК? Как я уже намекал, в представленной мной простой модели отбора скрывалось несколько неявных допущений. Например, я исходил из того, что эффект новой мутации будет заметен сразу после ее появления в популяции. Однако это совсем необязательно. У многих видов, включая тех самых мотыльков из нашего примера, каждый ген представлен двумя копиями. Когда в популяции впервые появляется мутация, особь получает одну копию старой версии гена и одну — новой. Но почему мы решили, что такая особь обязательно будет слегка пятнистой? Разве не может старая версия гена полностью замаскировать эффект новой?
Говоря научным языком, я исходил из допущения, что новая мутация как минимум «полудоминантна» — то есть даже в паре со старой версией гена она влияет на внешний вид бабочек. При полной доминантности новой мутации особи с одной старой и одной новой версией гена выглядят так же, как особи с двумя новыми версиями. К несчастью, некоторые болезнетворные мутации тоже бывают доминантными — например, для развития болезни Хантингтона достаточно получить всего одну дефектную копию соответствующего гена, чтобы заболевание проявилось в полную силу. Однако новая мутация может оказаться и рецессивной — в этом случае ее эффект будет полностью замаскирован. Именно так работает мутация, вызывающая муковисцидоз, — болезнь развивается, только если человек унаследовал две дефектные копии гена.
А что, если особь становится пятнистой, только получив обе копии нового гена, тогда как сочетание старой и новой версии дает прежнюю серо-черную окраску? Британский генетик Джон Бёрдон Холдейн заметил, что отбор действует здесь как дополнительное сито: полезные и при этом генетически доминантные мутации имеют больше шансов на успех, когда они редки, а значит, именно они чаще вносят вклад в адаптивные изменения. Это происходит потому, что судьба мутации во многом определяется тем, как она проявляет себя на ранних этапах, когда встречается редко. Этот принцип получил название «сито Холдейна» — своего рода фильтр доминантности поверх фильтра положительного отбора. Однако картина становится еще сложнее, если принять во внимание другие аспекты доминантности. Что, если, например, наиболее приспособленными окажутся особи, несущие одну копию старого гена и одну новую мутацию?
Еще одно важное допущение связано со скоростью мутирования. Я объяснял, как естественный отбор помогает выбранному варианту гена распространиться в популяции гораздо быстрее, чем появляются новые мутации, способные помешать этому процессу. Но что произойдет, если скорость мутаций окажется слишком высокой? Сможет ли принцип выживания сильнейших работать, если сами сильнейшие будут стремительно разрушаться под напором новых мутаций? В большинстве случаев этот вопрос неактуален — скорость мутаций обычно довольно низкая. Однако эта проблема может оказаться критической для некоторых вирусов.
Я также очень бегло коснулся еще двух принципиально важных допущений. Первое из них касается механизма передачи генов: предполагается, что он работает без искажений. Обратите внимание: я исходил из того, что особь, имеющая одну старую и одну новую версию гена, передаст новую версию ровно половине своих потомков, а старую — второй половине. С точки зрения биологии это вполне разумное допущение. Процесс формирования половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), при всей своей удивительной сложности, как правило, действительно обеспечивает равномерное распределение мутаций между родителями и потомками.
При формировании половых клеток происходит переход от клетки с двумя копиями каждой хромосомы (у человека 2 × 23) к клеткам с одиночным набором хромосом (1 × 23). Причем в половую клетку попадает не случайный набор из 23 хромосом, а строго по одной хромосоме каждого типа — одна первая хромосома, одна вторая и так далее. Когда сперматозоид с 23 хромосомами сливается с яйцеклеткой, тоже несущей 23 хромосомы, образуется новый человеческий организм с полным набором из 46 хромосом (2 × 23).
Механизм этого процесса напоминает честное подбрасывание монеты. Давайте, к примеру, посмотрим, что происходит у мужчин: исходная клетка с двумя копиями каждой хромосомы сначала производит клетку с четырьмя копиями каждой хромосомы (4 × 23). Затем эта клетка делится на две, каждая из которых содержит по две копии каждой хромосомы (получается два набора по 2 × 23). После этого каждая из этих клеток делится еще раз, образуя по две клетки с одиночным набором хромосом (в итоге получаются четыре клетки, в каждой по 23 хромосомы). Я же говорил, что процесс удивительно сложный!
Ключевой момент процесса — это поведение хромосом при каждом делении клетки. Они выстраиваются парами, словно партнеры в танце: первая хромосома находит свою пару — тоже первую хромосому, вторая — вторую, и так далее. При делении клетки хромосомы из каждой пары расходятся по разным дочерним клеткам. Если хромосома с новой мутацией отправляется в одну клетку, то хромосома со старой версией гена неизбежно попадает в другую. В результате ровно половина клеток получает новую версию гена, а половина — старую. Такое равномерное распределение 50:50 — это норма, заданная самой природой. Но что произойдет, если этот механизм передачи исказится? Будет ли судьба мутации зависеть только от того, насколько она полезна для организма, или же скорость ее передачи тоже начнет играть важную роль?
В моих рассуждениях скрылось еще одно, почти незаметное допущение: я считал, что судьба мутации зависит только от того, полезна она или вредна для организма. Я не учитывал фактор случайности. А ведь он может иметь огромное значение. Представим: появляется первая бабочка, несущая как новую мутацию, так и старую версию гена. Благодаря своей внешности (то есть генам) она имеет больше шансов выжить. Но что происходит, когда ее половые клетки случайным образом встречаются с половыми клетками другой бабочки (у которой только старая версия гена)? Допустим, от этого спаривания появляется два потомка. В половине случаев чистая случайность определит, что один потомок унаследует новую мутацию, а другой — нет. В четверти случаев просто благодаря везению при слиянии половых клеток оба потомка получат новую мутацию. И в четверти случаев ни одному не достанется новой мутации. В среднем частота мутации не меняется (работает то самое распределение 50:50, о котором мы говорили), но, когда мутация только появляется в популяции, ее влияние на приспособленность может оказаться ничтожным по сравнению с обычным невезением. Подумайте только: в четверти случаев эта замечательная новая мутация будет потеряна просто потому, что в результате случайной встречи сперматозоида и яйцеклетки ни один из потомков ее не получит.
Любая мутация наиболее уязвима именно в тот момент, когда она редка. На этом этапе она может легко исчезнуть из популяции просто по воле случая. Холдейн произвел интересный расчет: если новая мутация повышает приспособленность организма на x%, то вероятность ее закрепления в популяции составляет примерно 2x%. Другими словами, даже если мутация увеличивает приспособленность на целый процент (это очень существенное преимущество!), у нее есть всего лишь 2%-ный шанс закрепиться. В остальных 98% случаев она будет потеряна — ведь когда признак редок, одной только полезности мало, нужна еще и удача, чтобы он стал достаточно распространенным и не исчез по чистой случайности.
Как мы вскоре увидим, нарушение любого из этих допущений может привести к тому, что эволюция не создаст более совершенную версию — это, собственно, и происходит довольно часто. Особенно интересны два последних фактора — случайность отбора и равномерность передачи генов: похоже, именно они объясняют многие загадки нашего генома. Давайте для начала внимательнее присмотримся к проблеме случайного отбора. У него есть несколько неожиданных особенностей.