Почерневшие бабочки, неуязвимые бактерии. Эволюция в наши дни и как ее «увидеть»

Немного терминологии

Прежде чем разбираться в том, где, как и почему идет эволюционный процесс, неплохо бы разобраться в том, что именно мы называем эволюцией. То, что не всё предложенное Дарвином укладывается в реальность, стало понятно давно. А потому на смену теории эволюции пришла синтетическая теория эволюции (СТЭ), которая объединяет всё, что наука знает об этом процессе. Разработали ее в начале XX века, и за годы своего существования она видоизменилась, впитав еще больше новых фактов и данных.

Основные положения СТЭ довольно просты. Во-первых, согласно СТЭ, материалом для эволюции служат наследственные изменения — мутации и их комбинации. Именно мутации служат основным топливом для эволюционной топки, и чем больше их разнообразие, тем быстрее пойдет сам процесс.

Во-вторых, основным движущим фактором эволюции считается естественный отбор — процесс, в результате которого особи с более благоприятными с точки зрения окружающей среды мутациями имеют больше шансов на передачу своих генов будущим поколениям. Чарлз Дарвин в дневнике отмечал: «Всякий раз, когда я вижу перо из хвоста павлина, мне делается дурно!» Действительно, почему хвост у павлина такой яркий и заметный? Дело в том, что эволюция, хоть и не делает ничего «специально», способствует закреплению в популяции именно тех признаков, которые позволяют активнее размножаться (а вовсе не выживать, как можно подумать). Это концепция репродуктивного успеха, причем иногда для него важны абсурдные, как может показаться на первый взгляд, признаки — например, огромный павлиний хвост. Да, такой хвост хорошо виден хищнику и за него птицу легче схватить. Однако в то же время хвост сигнализирует самке о здоровье самца и, грубо говоря, о его генах, обеспечивающих это здоровье.

Хвост для павлина равен репродуктивному успеху, но существенно снижает вероятность выживаемости в течение долгого времени.

В-третьих, эволюция происходит непрерывно и необратимо. Не существует никаких переходных форм, каждая отдельная особь вида — это и есть переходная форма. Вы — переходная форма между вашими родителями и вашими детьми, и эволюция и изменения идут непрерывным потоком через все поколения. Да, если взять разнесенные во времени виды, то разница будет хорошо заметна, но если временной промежуток мал, изменения могут быть и не очевидны. Это почти как с городским ландшафтом: приехав в город детства через двадцать-тридцать лет, вы увидите, как сильно он изменился. А вернувшись через пару недель или месяц, вы никаких существенных отличий не увидите — они есть, но еще не накопились в таком количестве, чтобы стать заметными.

При этом существует такое явление, как эволюционный стазис, при котором вид не изменяется, причем очень долго, иногда на протяжении миллионов лет. Именно таким способом «дожили» до наших времен ископаемые виды, живые реликты вроде мечехвостов, гинкго билоба и выхухоли. Они не менялись тысячи лет, потому что достигли идеального баланса с окружающей средой. Одной из предполагаемых причин стазиса считается внутривидовое разнообразие. Еще некоторые исследователи отмечают существование хромосомного стазиса на уровне генов, например у птиц.

Но встречаются и генетический, и обычный стазис, мягко говоря, нечасто — большая часть видов возникает, изменяется и исчезает, давая жизнь видам-потомкам.

Необратимость в данном случае не означает, что какое-то событие нельзя «откатить» назад. Китообразные вернулись в море, где жили их предки, — просто сделали это другим путем и благодаря другим мутациям.

Проблема эволюционного процесса в том, что он… случайный. Да, по большей части закрепляются нужные для размножения и выживания гены. Но иногда происходит так, что остаются не нужные, а рандомно выбранные. Такое случается, например, при эффекте бутылочного горлышка — резкого и случайного сокращения популяции, например, из-за стихийных бедствий или необычной болезни. Если у нас есть популяция животных, которые никогда не сталкивались с чумой, то с большой вероятностью в живых, после того как чума отступит, останутся несколько особей. И совсем не факт, что их гены лучше или влияют на повышение репродуктивного успеха, просто им повезло.

Вторая проблема заключается в том, что эволюция — процесс исключительно долгий. Должны смениться поколения, чтобы какие-то признаки закрепились, а какие-то исчезли без следа. Эволюция большинства современных видов шла миллионы лет, и пронаблюдать ее, конечно, невозможно — слишком коротка человеческая жизнь. Что, впрочем, не означает, что человек не может увидеть эволюцию своими глазами.

Младшей сестрой эволюции служит… селекция. Выведение пород собак, кошек и скота ничем не отличается от стандартной эволюции, с той лишь разницей, что движущей силой здесь выступает не природа и естественные причины и требования окружающей среды, а человек. Селекцию мы можем наблюдать воочию, хотя она по сравнению со своей старшей сестрой менее выражена: мы вывели крупных мейн-кунов и маленьких коротколапых манчкинов, но это всё еще один и тот же вид. Лучше всего процесс селекции отслеживается на собаках: сложно осознать, что совсем недавно — в масштабах Вселенной — у чихуахуа и алабая был единый предок, однако это так. Человек специально отбирал из собак тех, кто подходил ему по каким-то параметрам. Такими параметрами могли быть, например, более короткие лапы и длинное тело, чтобы проникать в норы, или, наоборот, длинные ноги и обтекаемое тело, приспособленные к быстрому бегу.

Любопытно, что при искусственном отборе иногда проявляются не только искомые признаки, но и сцепленные с ними, случайно проявившиеся. Наглядный пример такого сцепления обнаружился в ходе эксперимента с домашними лисами. Опыт по их одомашниванию начался еще в 1959 году в Академгородке под Новосибирском. С тех пор появилось множество поколений, и ученые заметили, что, хотя главным критерием отбора лисиц было дружелюбие (то есть стремление к контакту с человеком), вместе с дружелюбием они приобрели и другие качества. В частности, закрученный колечком хвост и свисающие уши — совсем как у собак! Даже цвет шкуры стал светлее, а глаза у некоторых особей стали голубыми.

Получается, что искусственный отбор сделал, по сути, из лисиц почти собак, причем совершенно случайно.

Искусственный отбор — это любопытный процесс, но у подвергаемых ему видов нет времени, чтобы развиться в совершенно другие формы: ни разу еще при искусственном отборе не получался настоящий новый вид, отличающийся от предковой формы. Есть много разных пород и подвидов. Были даже попытки скрещивать разные виды, но их потомство в большинстве своем оказывалось нефертильным и дать начало новому таксону не могло. Возможно, когда-нибудь, через тысячи лет, домашняя лиса станет совершенно не похожа на своего дикого предка, полностью поменяет внешний вид и даже количество хромосом. Но пока что в целом это та же самая лиса — слишком мало времени прошло. За всё это время она, хоть и изменилась, не «получила» совсем уж новых признаков — не стала, грубо говоря, травоядной и не отрастила перепонки на лапах. А можно ли хоть на ком-то увидеть жизненно важные изменения?

Мировое поле экспериментов

Нет ничего лучше для эволюции, чем что-то маленькое, активное и быстро размножающееся. Речь, разумеется, о бактериях — в рамках эволюции они стали своеобразной экспериментальной установкой, а потому именно на них можно исследовать эволюционный процесс, причем буквально в лаборатории под собственным микроскопом! При достаточно благоприятных условиях окружающей среды бактерии способны делиться каждые 20–40 минут, то есть за одни сутки они могут «выдать» исследователям сразу несколько десятков поколений!

Одним из ярких примеров современной эволюции бактерий является развитие устойчивости к антибиотикам. Бактерии, которые подвергаются частому и несмертельному воздействию антибиотиков, нередко мутируют: выживают в популяции именно те, которые оказываются устойчивыми, а потом передают свои «способности» потомству. Антибиотики всё менее эффективны, а некоторые инфекции становится трудно или даже невозможно лечить. Это явление называется антибиотикорезистентностью, и его масштабы растут с каждым годом из-за неправомерного использования лекарственных препаратов в сельском хозяйстве и распространенности самолечения. В самом начале эры антибиотиков больному, чья патогенная флора никогда не сталкивалась с такими препаратами, хватало буквально капли пенициллина для быстрого излечения. Сейчас же антибиотики помогают, только если их пить курсом, а иногда и вовсе не помогают — за свою жизнь человек пробует столько препаратов, что его бактериям уже все их уловки знакомы.

Антибиотикорезистентность — это огромная проблема недалекого будущего, зерна которой уже посеяны: по данным ВОЗ за 2022 год, 20% изолятов кишечной палочки (Escherichia coli) — основного возбудителя инфекций мочеполовых путей — устойчивы к антибиотикам первой и второй линии защиты.

Читайте также

Почему инфекций, устойчивых к антибиотикам, становится все больше — и как с этим бороться

Помимо развития бактериальной устойчивости есть и другие примеры быстрой эволюции, причем примеры рукотворные. В 1988 году американский микробиолог Ричард Ленски начал длительный эксперимент, который показал, как быстро может происходить эволюция, если дело касается маленьких и активно размножающихся кишечных палочек. У них не только маленький геном, но еще и невероятная популярность: кишечные палочки служили модельными объектами практически весь ХХ век, а потому научное сообщество знает о них куда больше, чем о многих других. Ленски взял популяцию бактерий E. coli, питающуюся в основном глюкозой, и поместил ее в условия дефицита глюкозы. В течение нескольких поколений бактерии, которые успешнее использовали другие источники пищи, стали доминировать в популяции. Оказалось, что через несколько десятков тысяч поколений геном бактерий изменился, обеспечивая адаптивность. Во всех популяциях при этом наблюдался быстрый рост относительной приспособленности в течение первых поколений, но со временем он замедлялся. Всего лишь несколько мгновений, с нашей точки зрения, — но бактерии эволюционировали. Эксперимент Ленски и его команды всё еще продолжается, и кто знает, что еще удастся обнаружить.

Кроме бактерий, эволюцией активно «пользуются» вирусы, которые постоянно изменяются, чтобы избежать атак иммунной системы организма и лекарственных средств. В последние годы эволюция вирусов происходит всё более быстрыми темпами, как все мы могли заметить. Этому способствует и мобильность населения планеты, самая высокая в истории, и частые контакты с животными, и даже изменение климата!

Именно изменение климата способствует распространению некоторых вирусов, которые раньше были ограничены определенными географическими рамками, и появлению у них новых признаков.

В результате эволюции вирусы приобретают новые свойства, которые делают их опаснее. Они могут стать не только более заразными — то есть развить механизмы, позволяющие им эффективнее проникать внутрь клетки, — но и устойчивыми к действию иммунной системы и лекарственных препаратов. Если вы когда-нибудь играли в компьютерную игру Plague Inc., то наверняка сталкивались с приобретением неожиданной мутации. Это во многом именно так и работает: случайным образом появляются спонтанные мутации, и какие-то из них облегчают жизнь вирусу и усложняют ее нам.

Эволюция вокруг нас

Мир не стоит на месте. Жизнь зависит от движения, и какую бы сферу вы ни брали, в ней будет действовать принцип «эволюционируй или умри». Поэтому, разумеется, эволюционируют не только бактерии, но и многоклеточные животные и даже люди — просто в этом случае изменения сложнее увидеть.

Одно из самых любопытных проявлений современной эволюции у многоклеточных — это изменение окраски в ответ на изменение среды обитания. Например, судя по различным данным, бабочки Biston betularia (березовые пяденицы) в ответ на промышленное загрязнение XIX века… почернели! Изначально белые в темную крапинку, бабочки стали выделяться на потемневших от грязи и копоти деревьях. Выживать и давать потомство могли только те насекомые, которые были темнее своих собратьев. Так буквально за несколько десятков поколений бабочка стала темной. Это явление называется индустриальным меланизмом, и пяденицы отнюдь не единственные его жертвы, он задел и множество других насекомых, и даже один вид морских змей, шкура которых стала накапливать тяжелые металлы и другие токсичные вещества!

Человек тоже меняется. Одно из направлений современной эволюции человека — это развитие устойчивости к болезням. Оно идет параллельно с «усложнением» вирусов и развитием антибиотикорезистентности, поэтому, по сути, это вечная гонка вооружений. Судя по всему, мы действительно стали здоровее — за счет частого перемешивания генов.

Глобализация и смешение отдельных популяций дают на выходе более крепких и здоровых людей. Хотя здоровье, конечно, обеспечивается еще и доступной и качественной медициной.

Но и более заметная эволюция тоже идет. За последние 200 лет мы вырастили новую кость, нужную нам для защиты коленей. Поскольку мы и выше, и тяжелее людей прошлого (в основном за счет калорийного питания и большего количества витаминов), наши колени подвергаются большей нагрузке. А потому распространение в популяции получила кость фабелла (Fabella): если столетие назад ее можно было найти у единиц, то теперь она встречается у трети всей популяции людей. А еще мы практически избавились от зубов мудрости: у четверти населения планеты они не прорезываются. Всё потому, что благодаря термической обработке и в целом развитию кулинарного искусства нам больше не нужно перетирать грубую жесткую пищу. Нашим предкам такие «дополнительные» зубы были нужны, а вот нам уже нет.

Другое направление современной эволюции человека — это изменение распределения генов. В общем пуле человечества их становится больше за счет притока из других популяций, а генотипы получаются разнообразнее. Те, кто раньше не имел возможности выжить, сейчас выживают и с гораздо большей вероятностью дают потомство. Миопия или слабые мышцы сейчас не приговор, хотя еще вчера — на заре человечества — они вряд ли помогли бы своему носителю.

Заключение

Эволюция — это не окончательно завершившийся процесс, когда-то давно сформировавший облик планеты и ее обитателей. Она всё еще идет, появляются новые мутации, подвиды, штаммы…

Человеческая жизнь в масштабах этого процесса невероятно коротка, но всё же мы можем воочию наблюдать некоторые аспекты эволюции — антибиотикорезистентность ли это, или меланизм.

Да и мы сами меняемся, у нас увеличивается разнообразие генотипов. И через 10 000 лет жизнь будет совсем не такой, как сейчас: вполне возможно, что именно мы выступаем переходной формой для какого-то совсем нового вида.