Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

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.

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.

В Калифорнии Добжанский сумел наконец подступиться к ответам на вопросы, которые задавал себе еще в юности: какие генетические законы определяют разницу между популяциями одного вида? Большинство биологов того времени считало, что внутри одного вида все особи имеют практически идентичный набор генов. В конце концов, Моргану, чтобы зарегистрировать среди своих мушек естественную мутацию, потребовалось несколько лет. Но эти идеи родились в лаборатории.

Добжанский же начал изучать гены плодовых мушек в дикой природе. Он путешествовал от Канады до Мексики, отлавливая особей вида Drosophila pseudoobscura. Сегодня биологи могут расшифровать каждую букву в генетическом коде вида, но во времена Добжанского технологии были гораздо грубее. Он мог судить о разнице между хромосомами только на глаз, разглядывая их под микроскопом. Но даже при помощи таких простых методов он сумел установить, что набор генов в разных популяциях D. pseudoobscura не идентичен. У каждой популяции плодовых мушек, которую он изучал, обнаруживались в хромосомах характерные маркеры, отличавшие их от особей остальных популяций.

Несколько десятилетий спустя, когда генетики придумали более точные способы сравнения ДНК, выяснилось, что изменчивость, обнаруженная Добжанским среди плодовых мушек, — это правило, а не исключение. К примеру, многие биологи когда-то считали, что генетические коды людских рас сильно различаются между собой. Некоторые даже утверждали, что расы — это отдельные виды. Но современные исследования генетики человека доказывают ошибочность этих представлений. «Биологический взгляд на расы, к которому мы привыкли, не имеет ничего общего с генетической реальностью, которую мы сегодня обнаруживаем», — говорит генетик из Стэнфордского университета Маркус Фельдман.