Эволюция. Триумф идеи

Наследование большинства признаков гораздо сложнее, чем то, что видел Мендель при скрещивании гороха. Очень часто вид может иметь не два варианта одного гена, а гораздо больше. И редко случается, чтобы за какой-то признак отвечал один-единственный ген. В большинстве случаев бывает задействовано множество разных генов. Род человеческий не делится на тех, кто несет в себе «ген высокого роста» и достигает двух метров роста, и тех, кто из-за «гена маленького роста» вырастает только до полутора метров. В формировании роста человека участвуют многие гены, так что замена одного из них даст совсем небольшую разницу. Если наша ДНК — это поваренная книга, то наше тело — это «шведский стол». Если использовать при выпечке хлеба соль вместо дрожжей, разница получится очень заметной, но если в соус чили по ошибке попадет тимьян вместо душицы, никто даже не заметит.

ПЕРЕПИСЫВАЯ ПОВАРЕННУЮ КНИГУ ЖИЗНИ.

Разновидности, которые Дарвин наблюдал у своих голубей и усоногих рачков — и которые никак не мог объяснить, — возникают при изменении структуры ДНК. Вообще-то клетки способны воспроизводить ДНК почти безошибочно, но время от времени в процесс все же вкрадываются нарушения. Корректирующие белки находят и исправляют большую часть ошибок, но некоторые остаются. В основном такие редкие отклонения, известные как мутации, меняют всего лишь единственную букву в коде ДНК, но иногда они могут оказаться куда более радикальными. Бывает, что отдельные участки ДНК самопроизвольно «вырезают» себя из одного места и снова вставляются в другое, изменяя тем самым ген, в котором находят себе новый дом. Иногда при копировании ДНК во время деления клетки целый ген, а то и группа генов, случайно дублируется.

Еще в 1920-х гг. ученые начали осознавать, что мутации играют громадную роль в процессе эволюции и возникновении новых видов. Исследователи — в их числе британский математик Рональд Фишер и американский биолог Сьюэлл Райт — объединили естественный отбор и генетику, обеспечив Дарвиновой теории куда более прочное основание.

Когда ДНК мутирует, клетка, в которой это происходит, может просто потерять жизнеспособность и погибнуть, а может начать бешено размножаться и образовать опухоль. В любом из этих случаев со смертью организма-носителя мутация исчезнет. Но если мутация изменяет ДНК яйцеклетки или сперматозоида, она получает шанс на бессмертие. Она может попасть в гены детенышей, потом детенышей детенышей и т. д. От результата этой мутации — благоприятного, неблагоприятного или нейтрального — будет зависеть то, насколько часто она будет встречаться у будущих поколений. Мутации часто причиняют вред и даже убивают своего носителя раньше, чем он успеет родиться, — или сказываются на его способности к размножению. Если мутация заметно снижает шансы особи на репродуктивный успех, она постепенно исчезнет.

Но иногда вместо вреда мутация приносит некоторую пользу. Она может изменить структуру белков, сделав их более эффективными в переваривании пищи или разложении ядовитых веществ. Если действие мутации позволяет организму произвести на свет в среднем больше отпрысков, чем организмам, у которых ее не было, то постепенно она получит большое распространение в популяции. (Биологи сказали бы, что этот мутант более приспособлен, чем остальные.) Если потомство мутанта преуспевает, мутация, носителями которой они являются, получает большее распространение; иногда мутация оказывается настолько успешной, что прежняя версия гена просто исчезает. Естественный отбор, как показали Фишер и Райт, в значительной мере заключается в различной судьбе разных форм генов.

Особенно важным стал вывод Фишера о том, что естественный отбор действует через накопление множества мелких мутаций, а не через отдельные гигантские мутации. Фишер доказывал свой вывод при помощи хитроумной математики, но прояснить этот вопрос можно и на простом гипотетическом примере. Рассмотрим стрекозиные крылья. Они не должны быть слишком короткими — в этом случае стрекоза не сможет развить достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе, — но не должны быть и слишком длинными — иначе ими будет слишком тяжело махать. Где-то между слишком малой и слишком большой длиной находится оптимальная длина крыльев, которая делает стрекозу максимально приспособленной. Если построить график зависимости приспособленности от длины крыла, мы получим график в виде пологого холма с максимумом на уровне оптимальной длины крыла. Если бы мы на самом деле переловили множество стрекоз и перемерили у них крылья, полученные точки, скорее всего, сосредоточились бы вокруг вершины холма.

А теперь представьте, что произошла мутация, которая изменила длину стрекозиных крыльев. Если приспособленность насекомого от этого уменьшится, другие насекомые с лучшей конструкцией крыла выиграют в конкурентной борьбе у потомков мутанта. Но если мутация подтолкнет стрекозу ближе к вершине нашего графика, естественный отбор будет ей благоприятствовать. Другими словами, естественный отбор, как правило, подталкивает жизнь к максимальной приспособленности.

В подобной ситуации лучшей стратегией могут показаться гигантские мутационные скачки, позволяющие видам быстро эволюционировать. Вместо медленного подъема по склону холма одна-единственная мутация могла бы закинуть стрекозу на самую его верхушку и обеспечить ей максимальную приспособленность. Но мутации — катапульты без прицела. Они происходят случайным образом и могут забросить нашу стрекозу в любую точку эволюционного поля. Вместо того чтобы приземлиться точнехонько на вершине холма, она может оказаться где-нибудь совершенно в другом месте и обнаружить, что доставшиеся ей крылья слишком длинны или слишком коротки. С другой стороны, мутации небольшого действия могут гораздо надежнее подтолкнуть стрекозиный вид в нужном направлении. Даже небольшое преимущество, которое позволит особи оставить чуть больше потомков, чем ее товарки, может позволить соответствующей мутации через несколько десятков поколений широко распространиться в популяции.

Конечно, этот холм и подъем по склону к вершине — всего лишь метафора, к тому же сильно упрощенная. С одной стороны, эволюционный ландшафт не постоянен. Любые изменения окружающей среды — подъем или падение температуры, вторжение или уход видов-конкурентов, развитие других генов — могут привести к тому, что холмы станут долинами, а долины — холмами. Вообще, эволюционный ландшафт похож скорее на слегка волнующуюся океанскую поверхность.

Кроме того, эволюция не всегда производит наилучшее сочетание генов. К тому же иногда гены распространяются без какого бы то ни было участия естественного отбора. Вообще, наследственность напоминает шарик на колесе рулетки. Если бросать шарик достаточно долго, то в половине случаев выпадет черное, в половине — красное. Но если ограничиться лишь несколькими бросками, может оказаться, что все они придутся на красное. Так и с генами. Пусть при скрещивании двух гибридных растений гороха получено четыре новых растения. Каждое из них с вероятностью 25 % унаследует два гена гладкости, с вероятностью 25 % — два гена сморщенности, а с вероятностью 50 % останется гибридным. Но это не значит, что из четырех реальных растений одно будет со сморщенными горошинами, одно — «чистокровное» с гладкими, а два оставшихся будут гибридами. На самом деле они все могут оказаться гладкими и даже все сморщенными. Каждое растение гороха — это отдельный бросок генетической кости.

Конечно, в больших популяциях серьезных статистических флуктуаций не бывает, но маленькие популяции могут иногда развиваться вопреки вероятностям Менделя. Если несколько десятков лягушек в изолированном пруду скрещиваются только между собой, то мутантный ген может появиться и распространиться среди них без всякой помощи естественного отбора — благодаря всего лишь случайному повороту эволюционной рулетки. При этом стоит мутантному гену распространиться по всей популяции, и прежний ген пропал навсегда.

СИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ.

Фишер, Райт и другие ученые, первыми показавшие, как генетика обеспечивает ход эволюции, не были биологами-практиками. В основном это были экспериментаторы, работавшие в лабораториях, и теоретики, увлеченные математическими методами. Но в 1930-х гг. другие исследователи начали применять их идеи на практике: искать закономерности видового разнообразия в окружающей природе и систематизировать окаменелости — свидетельства развития жизни с древнейших времен. Если Фишер и Райт создали сплав генетики и эволюционной теории, то следующее поколение ученых добавило к этому новые ингредиенты из экологии, зоологии и палеонтологии. К 1940-м гг. недарвинистские объяснения эволюционных идей — о внутренних силах, направляющих ламаркианскую трансформацию, или о гигантских мутациях, создающих новые виды за одно поколение, — стали казаться безнадежно устаревшими.

Серьезный шаг к созданию синтетической теории эволюции был сделан в 1937 г.; им стала публикация книги «Генетика и происхождение видов» советского ученого Феодосия Добжанского. За девять лет до выхода книги Добжанский приехал в США работать в лаборатории Томаса Моргана в Колумбийском университете; биологи этой лаборатории изучали плодовую мушку Drosophila melanogaster, пытаясь понять подлинную природу мутаций. Добжанский в лаборатории выглядел чудаком; для остальных сотрудников «мушиной комнаты» существовали только те плодовые мушки, которые жили в молочных бутылках в их тесной лаборатории, но Добжанский занимался изучением насекомых в дикой природе с самого детства, которое он провел в Киеве. Подростком он считал целью жизни собрать для своей коллекции все виды божьих коровок, обитающие в регионе. «Вид божьей коровки до сих пор вызывает у меня прилив гормонов, — скажет Добжанский много лет спустя. — Первая любовь не забывается».

Добжанский научился безошибочно выделять естественные вариации в различных популяциях божьих коровок. Прочитав о работе Моргана по исследованию мутаций, он заинтересовался тем, нельзя ли таким способом разобраться и с любимыми божьими коровками. Однако генетика божьих коровок оказалась слишком сложной, и Добжанский тоже переключился на Drosophila melanogaster, хорошо изученных мушек Моргана.

Добжанский быстро приобрел репутацию блестящего генетика и в возрасте 27 лет получил приглашение приехать в Нью-Йорк и познакомиться с новейшими методами «мушиной комнаты». Когда Добжанский с женой появились в Колумбийском университете, лаборатория Моргана выглядела ужасно: крохотная комнатка буквально кишела тараканами. Но в 1932 г. ситуация изменилась к лучшему, и Морган собрал чемоданы и перебрался в Калифорнийский технологический институт. Добжанский последовал за ним и прекрасно устроился среди апельсиновых рощ.