Дарвин был не прав: возникновение новых видов не требует долгой эволюции

Каждый год на протяжении десяти лет эволюционные биологи Питер и Розмари Грант из Принстонского университета отправлялись на Галапагосские острова для изучения трех видов танагровых — эндемичных птиц, более известных как вьюрки Дарвина.

В 1981 году они обнаружили на острове Дафни Майор нечто особенное — самца вьюрка, который имел темное оперение и необычный голос. Генетический анализ позже показал, что это был большой кактусовый земляной вьюрок, который, вероятно, прилетел с Эспаньолы, наиболее южного острова Галапагосского архипелага.

Заинтригованные находкой, супруги Грант начали наблюдать за новоприбывшим. Тот скоро нашел себе пару — самку среднего земляного вьюрка, и у них родилось пять здоровых птенцов. Когда птенцы подросли, они были на удивление избирательными в выборе партнера: все, кроме одного, спаривались только между собой. Так же поступали и все их потомки вплоть до сегодняшнего дня.

Несмотря на инбридинг, гибриды успешно адаптировались. «Большие птицы», как их называют ученые, нашли собственную экологическую нишу и научились использовать свой размер и массивные клювы, чтобы искать пищу среди ветвей местного растения Tribulus cistoides.

Так возник новый, четырнадцатый вид Дарвиновых вьюрков.

Еретический подход

Еще недавно в эту историю мало кто бы поверил.

Согласно ортодоксальному взгляду на эволюцию, новые виды не могут возникать путем гибридизации. Однако результаты многочисленных ДНК-тестов, проведенных за последнее время, поставили биологов перед неожиданным фактом: гибриды — это не ошибка эволюции, а ее неотъемлемая часть.

Это открытие меняет наше представление об эволюции.

Простые родословные, которые Чарльз Дарвин изобразил в одном из своих блокнотов, превратились в запутанные сети. Под сомнением оказалась и ведущая роль мутаций в создании вариаций, которые затем отсеиваются в процессе естественного отбора.

Гибридизация также ведет к возникновению вариаций. Более того, она позволяет сократить процесс видообразования и сделать его независимым от естественного отбора. Как показывает пример «больших птиц», новый вид может возникнуть в мгновение ока.

Распространенность гибридизации среди бактерий — общепризнанный факт. Но когда Дарвин разрабатывал свою теорию естественного отбора, о существовании бактерий еще не было известно.

По сей день о видообразовании принято говорить в контексте животного и растительного миров. Поэтому признание того, что то, что верно для бактерий, также верно и для многоклеточных организмов, имело далеко идущие последствия, в том числе и для понимания происхождения человека.

Согласно классической теории эволюции, мутации происходят случайным образом. Неудачные мутации затем устраняются, тогда как удачные сохраняются. Так возникают изменения, которые в итоге приводят к появлению новых видов.

Гибридизация может быть частью этого процесса.

Иногда геномы родственных видов достаточно схожи, чтобы их представители могли произвести здоровое потомство. Но эти гены всё же сочетаются хуже, чем гены родителей одного вида. Как следствие, даже жизнеспособные гибриды часто более подвержены заболеваниям и бесплодию, причем бесплодие намного чаще встречается среди самцов-гибридов, чем среди самок (эту закономерность описывает правило Холдейна).

Поэтому большинство последователей Дарвина в ХХ веке считали, что естественный отбор препятствует гибридизации.

Но смешение черт двух разных видов может и сыграть на руку гибриду. Это явление — увеличение жизнеспособности гибридов — именуют гибридной мощностью, или гетерозисом.

Кроме того, иногда смешение генов приводит к возникновению черт, не свойственных ни одному из родителей (этот процесс называется трансгрессивной сегрегацией). В таком случае гибрид может оказаться как нельзя лучше приспособленным к новым условиям (как это было с «большими птицами»).

Как мы видим, гибридизация имеет как благоприятные, так и неблагоприятные последствия. Вопрос только в том, какие из них перевесят.

Почему растения выигрывают от гибридизации

В случае с растениями чаще перевешивают первые. Всё дело в генетической изменчивости растений.

Ядерный геном сложных организмов (животных, растений, грибов и одноклеточных) содержится в структурах, которые называются хромосомами. Такие организмы, как правило, либо гаплоидные, либо диплоидные, то есть в ядре каждой их клетки содержится либо одна, либо две копии каждой хромосомы. У человека, например, диплоидный набор: в его геноме 23 пары хромосом.

Но есть и исключения. Некоторые растения полиплоидные, то есть в ядре каждой их клетки содержится более двух копий хромосом. Например, у калифорнийской секвойи шесть копий.

Благодаря полиплоидности дополнительные копии генов подвергаются естественному отбору, в то время как остальные копии продолжают выполнять свои обычные функции. Иногда полиплоидность возникает вследствие спонтанного удвоения генома, но чаще — в результате гибридизации, когда хромосомы обоих родителей оказываются в одном ядре.

К тому же, поскольку полиплоидность подразумевает увеличение количества хромосом, она препятствует спариванию с представителями родительских видов. Это позволяет зарождающемуся виду избежать смешения с уже существующими.

Последние открытия указывают на то, что невероятное разнообразие цветковых растений, которое мы имеем сегодня, было результатом гибридизации двух видов растений и удвоения числа хромосом у их потомства в далеком прошлом.

Почему гибридизация вредит животным

В случае с животными, в особенности млекопитающими, дополнительные хромосомы чаще вредят. Почему — до сих пор не ясно. Возможно, дело в том, что у животных лишние хромосомы нарушают процесс деления клеток, или в том, что их клетки более сложные.

Как бы там ни было, гибриды животных более остро ощущают на себе эффекты генетической несовместимости и, следовательно, реже выигрывают от гетерозиса. Именно поэтому эволюционные биологи на протяжении долгого времени отводили гибридизации несущественную роль в эволюции животных.

Однако развитие технологий секвенирования ДНК позволило обнаружить множество видов, появившиеся вследствие гибридизации. Среди них есть немало хорошо известных нам животных.

Европейский зубр, например, возник более 120 000 лет назад в результате гибридизации двух ныне вымерших видов — степного зубра и тура. Последние были дикими предками современного домашнего рогатого скота и обитали в Яктуровской пуще под Варшавой вплоть до 1627 года.

Нечто похожее произошло и с дельфином Климне. Генетический анализ показал, что этот вид китообразных, обитающий в соленых водах между Западной Африкой, Бразилией и Мексиканским заливом, возник вследствие гибридизации полосатого дельфина и длиннорылого продельфина.

Более того, есть как минимум один гибрид, который ведет свой род от трех разных видов. Artibeus schwartzi, или карибский крылан, возник не более 30 000 лет назад в результате гибридизации ямайского крылана (Artibeus jamaicensis), южноамериканского плоскорылого крылана (Artibeus planirostris) и еще одного пока не установленного вида, который считается вымершим.

А что у рыб?

Как и в случае с цветковыми растениями, гибридизация среди животных может привести к изобилию новых видов. Самый известный пример — цихлиды Великих Африканских озер: Виктории, Танганьики и Малави. Цихлиды — это семейство из тысяч родственных видов рыб, известных своим разнообразием форм, размеров и цветов. Каждый вид цихлид приспособлен к жизни на разной глубине.

Эволюция цихлид долгое время оставалась загадкой. Озеро Виктория образовалось лишь 15 000 лет назад. С точки зрения эволюции это ничтожно малый срок, но за это время появилось более 500 разных видов цихлид.

Причина — в гибридизации. При помощи генетического анализа ученым удалось установить, что цихлиды озера Виктория возникли вследствие смешения двух родительских линий — рыб из Конго и Нила.

Ключевая роль, которую сыграло смешение ДНК, стала очевидной, когда ученые начали изучать ген под названием длинноволновый чувствительный опсин, кодирующий белок сетчатки и обусловливающий чувствительность глаза к красному свету. Уровень красного света в глубоких водах существенно ниже, чем у поверхности, поэтому рыбы, живущие на разной глубине, имеют разные особенности зрения.

У цихлид из реки Конго глаза были приспособлены для жизни на мелководье. У цихлид Нила — для жизни в глубоких и мутных водах. Гибриды же получили разные степени чувствительности к свету в пределах этого диапазона, что позволило им расселиться по всей глубине озера Виктория, которое предоставило новым видам широкий выбор экологических ниш.

Этот процесс формирования новых комбинаций из существующих вариаций получил название «комбинаторное видообразование».

Комбинаторное видообразование обусловило впечатляющее разнообразие среди вьюрковых овсянок, муний, манакинов и амадин, а также геликоний — дневных бабочек Нового Света.

Кошки, собаки и медведи

Последние открытия указывают на то, что видообразование — это не всегда медленный и постепенный процесс, как полагал Дарвин. При благоприятных обстоятельствах и гибридизации новый вид может возникнуть всего за несколько поколений.

Тем не менее среди животных гибридное видообразование встречается редко. Чтобы новая гибридная популяция не смешалась с уже существующими видами, должны сложиться определенные обстоятельства. «Большие птицы» Галапагосских островов, например, обитали вдалеке от видов, к которым принадлежали их родители, и не спаривались с их представителями.

В большинстве случаев зарождающаяся гибридная популяция поглощается одной или обеими популяциями родительских видов. В результате происходит частичное смешение генов между видами. Этот процесс называется интрогрессивной гибридизацией, или интрогрессией. Генетический анализ многочисленных родственных видов показал, что этот тип гибридизации встречается намного чаще.

Североамериканский серый волк, например, получил ген меланизма (обусловливающий черный окрас) путем интрогрессии генов от домашних собак, привезенных 14 000 лет назад из Азии первыми поселенцами. Тот факт, что этот ген прошел положительный отбор, вероятно, объясняется тем, что меланизм обеспечивает хороший камуфляж в темных лесах Северной Америки. А может, волчицы просто отдают предпочтение темным самцам.

Пантеры — род животных, к которому принадлежат большинство крупных кошачьих, — в этом отношении еще более впечатляющий пример. Львов, тигров, леопардов, снежных барсов и ягуаров долгое время успешно скрещивали в неволе. Но недавние исследования показали, что смешение происходит и в условиях дикой природы. Ученым удалось идентифицировать как минимум шесть случаев интрогрессии в пределах данного рода.

Генетический анализ также помог узнать о гибридизации между полярными медведями и гризли. Пока неизвестно, помогла ли она видам в адаптации, но вполне возможно, что скоро мы это узнаем. Из-за изменений климата Арктика нагревается, и полярным медведям нужно приспосабливаться к новым условиям. Помочь в этом могут гены гризли, живущего в более умеренном климате.

Люди — гибридный вид

Но лучше всего изученный случай интрогрессии в животном мире — это не волки, кошачьи и медведи, а человек.

Согласно последним исследованиям, вид Homo sapiens возник более 315 000 лет назад в Африке вследствие смешения разных популяций. Отличались ли эти популяции настолько, чтобы их можно было считать отдельными видами? Этот вопрос по-прежнему вызывает споры.

В любом случае в Африке эпохи плейстоцена были и другие представители трибы гоминини. Есть все причины считать, что межвидовое спаривание было повсеместным явлением.

Некоторые из этих человекоподобных были потомками гейдельбергского человека, который расселился по Восточной и Южной Африке примерно 700 000 лет назад, а затем через Ближний Восток попал в Европу и Азию. От этого вида, от которого впоследствии, возможно, произошли предки Homo sapiens, также произошли как минимум два других вида — неандертальцы и денисовцы. Первые жили в Европе еще 28 000 лет назад, а вторые — 50 000 лет назад.

Другие виды гоминини, обитавшие в тот период, были прямыми предками Homo erectus, более примитивного вида, который также был предком гейдельбергского человека и миллионом лет ранее проделал то же путешествие, что и Homo heidelbergensis.

Прибыв в Европу и Азию, Homo heidelbergensis почти полностью вытеснил местных потомков Homo erectus. Однако в некоторых отдаленных уголках, которых Homo heidelbergensis не достиг, они всё же уцелели.

Среди этих мест были остров Флорес в Индонезии и остров Лусон на Филиппинах. Именно здесь карликовые Homo floresiensis и Homo luzonensis жили 50 000 лет назад. Вероятно, были среди них и потомки более древних видов. Одним из них был Homo naledi, который обитал на юге Африки около 230 000 лет назад.

Конец этому разнообразию положило появление Homo sapiens, который всего за несколько тысяч лет вытеснил всех остальных представителей трибы гоминини.

Но до этого сапиенсы успели ближе познакомиться со своими собратьями. След этих отношений до сих пор несет в своем ДНК почти каждый живущий сегодня человек.

В 2010 году команда ученых под руководством Сванте Паабо из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка в Лейпциге опубликовала черновой вариант генома неандертальца.

Оказалось, что от 1 до 4% ДНК неандертальца содержится в геноме всех современных людей, за исключением жителей Тропической Африки. Это подтверждает, что смешение видов происходило в Европе, Центральной Азии и на Ближнем Востоке около 65 000 лет назад.

Гены, унаследованные от неандертальцев, помогли Homo sapiens адаптироваться к климатическим условиям новой местности. В частности, важными были неандертальские гены, отвечающие за пигментацию кожи и волосяной покров, например обусловливающий появление веснушек ген BNC2, носителями которого и сегодня являются две трети европейцев. Другой значимой категорией генов неандертальцев были гены, обеспечивающие реакцию иммунной системы на бактерии.

Доктору Паабо также принадлежит открытие Homo sapiens denisovan. В 2009 году его команда расшифровала последовательность ДНК из окаменевшей кости пальца, найденной в ходе раскопок в Денисовой пещере в Алтайском крае в России. Как оказалось, кость принадлежала ранее неизвестному виду человека.

Останков денисовцев по-прежнему найдено крайне мало. Однако исследования показывают, что от 3 до 6% ДНК денисовцев содержится в геноме современных папуасов, австралийских аборигенов и меланезийцев. Многие китайцы и японцы также являются носителями ДНК денисовцев.

Как и гены неандертальцев, гены денисовцев дают современным людям определенные преимущества. Ген EPAS1 регулирует образование красных кровяных телец, которые переносят кислород. Благодаря этому гену жители Тибета могут выжить на высокогорье. А денисовские гены TBX15 и WARS2 помогают инуитам переносить арктические морозы, регулируя метаболическое тепловыделение.

Мы вмещаем в себя множество разных людей

Тот факт, что мы несем в себе ДНК денисовцев, но нашли ничтожно мало их окаменелых останков, заставил генетиков задуматься, какие еще открытия ожидают нас в будущем.

В геноме жителей Тропической Африки содержится указание на как минимум еще одно смешение. Проведенный в 2012 году анализ ДНК представителей древних народов бака, хадза и сандаве выявил следы интрогрессии. В 2016-м в ходе более глубокого исследования ДНК бака удалось определить приблизительный период, когда имела место интрогрессия, — не более 30 000 лет назад. В феврале этого года было проведено исследование ДНК представителей двух других народов, йоруба и менде, которое показало, что они унаследовали от 2 до 19% своего генома от неизвестного более древнего вида — быть может, того же, от которого получили часть своих генов бака, хадза и сандаве.

Итак, каждый человек — гибрид. И, как мы увидели на примере других животных, Homo sapiens в этом не уникален. Гибридизация, которая прежде была статистом в грандиозном шоу эволюции, стремительно превращается в его главную звезду.

Вместо генеалогического древа некоторые ученые сегодня предпочитают использовать метафору куста с переплетенными ветвями.

Но и этот образ неточен. Правильнее было бы сравнить родословную человека с ветхой веревкой. Каждый вид сплетен из отдельных прядей. Там, где эволюция идет так, как предполагал Дарвин, нити разделяются и возникают новые виды.

Но веревка не изнашивается равномерно. Иногда нити отдельных прядей переплетаются между собой, а иногда две пряди спутываются друг с другом и образуют новую.

Это представление об эволюции более сложное, но кто сказал, что жизнь проста?