… о занимательной эволюции

Перевод осуществлен проектом Newочём

Среди амфибий саламандра вида Hydromantes — чемпион по скорости выстреливания языка. Менее чем за пять миллисекунд она может поймать несчастное насекомое в полете — это время включает работу мышц, хряща и части скелета. Если сравнивать эту баллистическую анатомию с лягушками и хамелеонами, последние окажутся слоупоками. Дэвид Уэйк, биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Беркли, рассказывает: «Я провел около 50 лет за изучением эволюции языков саламандр. Это действительно интересно, потому что вообще они не отличаются высокой скоростью, но тем не менее могут совершать самое быстрое движение из тех, что доступны известным мне позвоночным животным». На протяжении их развития эволюция нашла более эффективный способ обеспечить успешную охоту с помощью языка. Их кажущаяся уникальной адаптация, видимо, независимо развилась у трех не связанных между собой видов саламандр. Это пример конвергентной эволюции, когда у разных особей независимо друг от друга под влиянием одних и тех же факторов окружающей среды развиваются похожие биологические адаптации. Саламандры — излюбленный пример, который Уэйк приводит, когда ему задают застарелый вопрос эволюционной биологии: если «перемотать пленку» эволюции, повторит ли она саму себя? Видимо, в случае с саламандрами так и произошло; с другими организмами такого могло бы и не случиться.
Известно, что этот вопрос впервые поставил недавно скончавшийся биолог-эволюционист Стивен Джей Гулд в 1989 году в своей книге «Удивительная жизнь: Сланцы Берджес и природа истории», которая была опубликована в эпоху, когда люди еще слушали музыку на аудиокассетах. В книге рассказывалось об окаменелостях, найденных в сланцах Берджес, оставшихся от мириад странных животных, обитавших на нашей планете около 520 млн лет назад, во время Кембрийского периода. Почти у всех животных, существующие в наши дни, есть предки, жившие в Кембрий, но не у всех животных из той эпохи есть потомки в нашей эре. Многие кембрийские особи вымерли, потому что недостаточно подходили для борьбы за выживание, или потому что оказались не в том месте не в то время, когда извергались вулканы, падали метеориты или происходили другие разрушительные события.
Гулд увидел невероятное разнообразие останков животных в Берджесе и сделал предположение, что наши флора и фауна выглядели бы иначе, если бы история повернулась в другую сторону. Он предположил, что хаотичные мутации и вымирания видов, названные им «историческими случайностями», надстраивались бы друг за другом, двигая эволюцию в ту или иную сторону. По мнению Гулда, существование любого животного, включая человека — редкое явление, повторение которого, в случае «перемотки и запуска» с Кембрийского периода, маловероятно. В своей книге Гулд часто ссылается на работу по ископаемым Берджес, написанную палеонтологом Саймоном Конуэй Моррисом из Кембриджского университета, однако сам ученый категорически не согласен с точкой зрения Гулда.
Конуэй Моррис считает, что с течением времени естественный отбор заставляет организмы проходить ряд адаптаций, чтобы заполнить ограниченные в количестве экологические ниши Земли. Это приводит к тому, что несвязанные виды последовательно сходятся в строении тела. «Животные должны выстраивать себя в соответствии с физическими, химическими, а также биологическими требованиями этого мира», — уверен он. Конуэй убежден, что такие ограничения делают практически неизбежным тот факт, что в случае «перемотки пленки» эволюция рано или поздно привела бы к возникновению организмов, похожих на те, что существуют в нашем мире. Если бы у наших предков-обезьян не развился мозг и прилагающийся к нему разум, по утверждению ученого, другая ветвь вроде ворон или дельфинов могла бы занять нишу, в которой сейчас находится человек. Но Гулд с этим не согласен.
Оба ученых признают, что случайности и конвергентность (независимое развитие до момента появления похожих признаков — прим. Newочём) имеют место быть в эволюции. Вместо этого дискуссия сфокусирована на том, насколько уникальны или повторяемы ключевые адаптации вроде человеческого разума. А пока что другие биологи занялись решением головоломки и показали, как конвергенция и случайность влияют друг на друга. Понимание взаимодействия этих сил может помочь разобраться, является ли все живущее результатом удачных совпадений на протяжении 7 миллиардов лет, или все мы — и люди, и саламандры — часть неизбежности, как смерть или налоги.
Вместо попыток воссоздать историю с помощью окаменелостей, Ричард Ленски, биолог-эволюционист из Мичиганского университета, решил понаблюдать за феноменом конвергенции и случайностей в реальном времени в контролируемой среде своей лаборатории. В 1988 году он разделил популяцию бактерии Escherichia coli и поместил ее в 12 отдельных резервуаров с жидкой питательной средой, таким образом позволив им развиваться независимо друг от друга. На протяжении вот уже 26 лет раз в несколько месяцев он или один из его студентов замораживают одну порцию с бактериями. Этот набор с замороженными микробами дает Ричарду возможность «перезапустить пленку» жизненного цикла кишечной палочки с любого момента, какой он пожелает, и для этого ему достаточно просто разморозить одну из порций. В течение всего процесса он может проверять, как бактерии меняются — как в плане генетики, так и в плане того, что можно разглядеть лишь под микроскопом. Ленски поясняет: «Весь эксперимент был поставлен, чтобы проверить, насколько повторяема эволюция».
В 11 резервуарах Ленски кишечная палочка росла в размерах, но бактерии в двенадцатой пробе разделились на две независимые ветви — одна с крупными клетками, другая — с мелкими. Ленски рассказывает: «Мы называем их „большими" и „маленькими". Они сосуществуют на протяжении уже 50 тысяч поколений». Ни в одной другой популяции такого не произошло; значит, можно сделать вывод, что произошло эволюционно случайное событие. И даже спустя 26 лет ни одна другая проба не повторила появление такой ветви. Таким образом, в данной ситуации случайность, по-видимому, взяла верх над конвергенцией.
В 2003 году произошел еще один случайный эпизод. Количество палочек в одном из резервуаров увеличилось до такой степени, что питательная среда, которая в норме прозрачна, помутнела. Сначала Ленски решил, что произошло обычное заражение среды, но как оказалось, кишечная палочка, которая в нормальных условиях питалась только растворенной в жидкости глюкозой, выработала способность потреблять еще один элемент, содержавшийся в резервуарах: цитрат. По прошествии 15 лет и 31 500 поколений только одна из колоний смогла переработать данное вещество. Количество бактерий в ней стало расти в 5 раз быстрее, чем в других колониях.
Эта «историческая случайность» дала Ричарду и его выпускнику Захари Блаунту возможность проверить вероятность повторения такого события, если они «перемотают пленку». Блаунт выбрал из хранилища 72 пробы замороженных палочек, собранных в разные этапы эксперимента из популяции, которая позднее смогла включить в свой метаболизм цитрат. Он разморозил их и стимулировал их размножение. Вскоре 4 из 72 проб выработали ту же способность потреблять цитрат. Что интересно, данные мутации происходили только в популяциях, замороженных после цикла в 30 500 поколений. Генетический анализ показал, что незадолго до этого несколько генов прошли через изменения, которые способствовали появлению эволюции с метаболизмом цитрата. Иными словами, способность поглощать цитрат зависела от появления других мутаций, которые этому предшествовали. Это создало развилку, изменяя возможные пути, по которым смогут пойти будущие поколения.
Известный как «Долгосрочный эволюционный эксперимент», этот проект с кишечными палочками к данному моменту перешел отметку в 60 тысяч поколений, что дает Ричарду серьезный набор данных, из которого можно делать заключения о взаимодействии случайности и конвергенции в процессе эволюции. Малоразличимые изменения в ДНК бактерий, делающие их более крупными или способными к быстрому размножению, стали частым событием в различных резервуарах. В то же самое время Ленски стал свидетелем «поразительных» случайных событий, в которых в одной из популяций происходило что-то совершенно отличное от других. Но как и в феномене конвергенции, такие трансформации не были в полном смысле случайными.
«Не все возможно», каким бы ни был процесс, объясняет Уэйк: «Организмы развиваются в контексте унаследованных характеристик». Животные не могут передавать мутации, которые губительны или препятствуют размножению. В случае с саламандрой вида Hydromantes ее предкам пришлось преодолеть существенное ограничение: чтобы получить свои стреляющие языки, необходимо было пожертвовать легкими. Это потому, что часть этого механизма развилась из мышц, которые использовались их предшественниками для закачивания воздуха в легкие. Сегодня эта некогда небольшая и слабая мышца стала намного больше и сильнее. Она как пружина обвивает конусовидную кость на задней стенке ротовой полости, и когда мышца сокращается, кость создает напряжение, которое выстреливает язык вместе с его костным аппаратом изо рта. Таким образом, предки Hydromantes не просто приобрели мутацию, которая развилась в «баллистический язык». Вместо этого данная адаптация последовала за рядом изменений, которые сначала позволили существу преодолеть зависимость легких от кислорода и держаться на поверхности воды. Каждое изменение зависело от предшествующего.
Хамелеоны, в свою очередь, сохранили легкие. Вместо того, чтобы переделывать их анатомию, они развили коллаген, позволяющий выстреливать языком в добычу. На первый взгляд языки саламандр и хамелеонов — пример конвергенции, но если приглядеться, становится ясно, что это не так. На выстрел хамелеону требуется 20 миллисекунд, что по сравнению с пятью миллисекундами саламандр — черепаший темп. Почему хамелеонам достались такие медленные языки? Ответ: они столкнулись с препятствием на пути конвергентной эволюции. Язык хамелеона достаточно быстр, чтобы они могли выживать, но у них отсутствует «структура унаследованных черт» для развития более смертельной баллистической анатомии саламандр. Хамелеоны достигли «адаптивного пика», как говорят биологи.
В экспериментах с вирусами, заражающими бактерии, — бактериофагами — гарвардский биолог Дэвид Лю тоже обнаружил адаптивные пики. Эти пики ограничивают способность организмов сходиться на одном оптимальном строении. Они объясняют, почему случайности повторяются не часто.
Лю хотел узнать, могут ли идентичные группы бактериофагов независимо друг от друга развить один и тот же фермент, если на них оказывать одинаковое эволюционное давление. Он ускорил эволюцию белка в вирусах с помощью системы, которую назвал «ТЕМП» (PACE).
В ходе эксперимента вирусы, не сумевшие выработать фермент, нужный Лю, удалялись из опыта. Оставались лишь достигшие цели. У кого-то из них фермент получился «лучше», чем у прочих. В данном случае от них требовался фермент полимераза, обнаруживающий некую последовательность ДНК и превращающий ее в РНК, и некоторые полимеразы опознавали последовательность точнее, чем другие. Подобно сравнительно медленному языку хамелеонов, в этих вирусах развилась адаптация, позволяющая им выжить, но не дающая им получить лучшую полимеразу. Некоторые вирусы застряли на низком пике, некоторые забрались повыше.
Чтобы понять, что биологи имеют в виду под адаптивными пиками, представьте себе местность, топография которой представляет собой высокие и низкие уровни репродуктивного потенциала. В случае бактериофагов Лю разные популяции изучали эту местность, приобретая разные мутации. Некоторые оказались у маленьких холмов, некоторые — у гор размером с Эверест. И вот они начали взбираться на доставшуюся им вершину. Забравшись на невысокую гору, вирусы не могут переместиться на другую, более высокую. Для этого им придется сперва спуститься обратно, с каждым шагом уменьшая свои шансы выжить. Сделать это очень трудно, потому что о выживании сильнейшего забывать нельзя. Какая мутация случится раньше других — какая вершина достанется организму — это и есть историческая случайность, которую конвергентная эволюция может преодолеть лишь с большими трудом, если может вообще.
Время появления мутаций имеет значение. «Ранние случайные события, создающие разницу в генофонде, могут значительно повлиять на то, сможет ли полезная мутация в итоге повлиять на выживаемость организма, — объясняет Лю. — Эти случайности снижают повторяемость эволюции». В данном эксперименте случайность одолела конвергенцию. Случившиеся события предотвратили повторение.
Один из способов, при помощи которых жизнь может преодолеть ограничения адаптивных пиков, был открыт в ходе исследования цифровых организмов компьютерными биологами Мичиганского государственного университета Крисом Адами и Чарльзом Офриа. Они создали компьютерную программу Avida, в которой цифровые организмы развиваются в условиях, установленных экспериментатором. «Авидийцы» мутируют, случайным образом приобретая и теряя строки кода, позволяющие им решать математические задачи, что повышает их способность к размножению.
В одном эксперименте авидийцам была поставлена задача получить способность, позволяющую решить сложную логическую задачу «побитовой тождественности». Только 4 из 50 цифровых популяций выработали нужный для выполнения операции код. Все успешные популяции изначально получили много мутаций (случайных строк кода), усложняющих решение математических задач и, следовательно, размножение. Звучит парадоксально, но Офриа обнаружил, что ранние плохие мутации играют ключевую роль в повышении приспособленности более поздних поколений, возможно, из-за того, что они создают генетическое разнообразие, из которого могут возникать новые случайные мутации.
Подтверждает ли редкость любой из последовательностей событий то, что крупные повороты в эволюции вряд ли могут повториться? Судя по экспериментам, это так, но Конвэй Моррис твердо отвечает «нет». «Глупо считать, что вообще не бывает тех или иных случайностей. Вопрос лишь во времени». Он полагает, что при достаточном количестве времени и геномов мутаций естественный отбор приведет жизнь к неизбежным адаптациям, лучше всего подходящим для экологической ниши организмов, невзирая на возникающие случайности. Он верит, что однажды все бактерии кишечной палочки в эксперименте Ленски начнут поглощать цитрат и все вирусы Лю взберутся на свой Эверест. Более того, эти эксперименты проводились в очень простых и контролируемых средах, не идущих ни в какое сравнение со сложными экосистемами, к которым приспосабливается жизнь вне лаборатории. Трудно сказать, как бы изменило эксперименты влияние реального мира.
На сегодняшний день крупнейший недостаток всех попыток ответить на вопрос о пленке жизни в том, что биологи могут делать выводы на основе лишь одной биосферы — Земли. Встреча с внеземным организмом рассказала бы нам много нового. Даже если у инопланетных организмов не будет ДНК, они, скорее всего, будут демонстрировать схожие схемы эволюции. Им будет нужен некий материал, передаваемый потомкам, направляющий развитие организмов и меняющийся со временем. Как говорит Ленски, «что верно для кишечной палочки, то верно и для микробов во всей Вселенной».
Следовательно, то же самое взаимодействие между конвергенцией и случайностью может наблюдаться и на других планетах. И если внеземная жизнь испытывает эволюционное давление среды, схожее с тем, что испытывает жизнь земная, люди будущего могут обнаружить инопланетян, конвергентно развивших интеллект, похожий на наш. С другой стороны, если случайные события накапливаются, уводя развитие жизни по уникальным путям, как предположил Гоулд, внеземная жизнь может быть необычайно странной.
Гоулд верил, что люди являются «крайне маловероятным эволюционным событием». В качестве доказательства он указывал на то, что за 2,5 млрд лет существования жизни на Земле человеческий интеллект появился лишь однажды. Он считал вероятность того, что еще один вид разовьет интеллект, подобный нашему, призрачно малой. Из того, что мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной, можно делать выводы, идущие за пределы биологии. «Некоторые считают такую вероятность поводом для депрессии, — писал Гоулд в «Удивительной жизни». — «Я всегда считал ее бодрящей, источником и свободы, и, как следствие, моральной ответственности».

Зак ЗОРИЧ (Zach Zorich). «Nautilus», 17 марта 2017 года
ИноСМИ.RU 29 марта 2017 года