Эволюция способна с поразительной скоростью изменять растения и животных. Особенно актуальным это становится сейчас, когда человек в стремительном темпе модифицирует мир.
Заполненный до отказа зал сначала затих и замер, а потом разразился смехом. Такое замешательство вызвала видеозапись, продемонстрированная профессором Ягеллонского университета Павлом Котеей (Paweł Koteja) на научной конференции в Беловеже. Биолог показывал эффекты эволюции, произошедшей в его лаборатории. Ее героем стал маленький распространенный в польских лесах грызун — рыжая полевка (для неспециалиста — зверек, похожий на мышь). В естественных условиях полевка питается в основном зелеными частями растений, дополняя свой рацион семенами, ягодами и беспозвоночными. Профессор Котея решил развить последнюю склонность. «У нас не стояла задача просто вывести грызунов, которые едят мясо, — рассказывает биолог Gazeta Wyborcza. — Мы хотели получить активно охотящуюся полевку, демонстрирующую поведение хищника».
Охота в лаборатории
В клетки с полевками ученый помещал живых сверчков. Одни грызуны игнорировали насекомых, другие их боялись, но некоторые — нападали и съедали. Именно этих особей отбирали для дальнейшего размножения. Из их потомства исследователи вновь выбирали грызунов с самыми хищными склонностями. И так из поколения в поколение. В результате получились поджарые мускулистые полевки, которые, увидев сверчка, бросаются на него, убивают и съедают. Иногда им приходится за ним набегаться и проявить свое умение стремительно реагировать на движения убегающего насекомого. Именно видеоролик, в котором демонстрировалась эта погоня, произвел такой фурор на конференции.
Удивление вызывал не только сам вид хищных полевок, но и то время, за которое их удалось вывести. Чтобы превратить их в активных охотников хватило всего восьми поколений. Поскольку в год выводили два поколения, вся эволюция заняла четыре года. «В эволюционном масштабе это невероятно быстро», — отмечает Котея.
Все больше исследований показывают, что эволюция может происходить с такой большой скоростью даже в естественных условиях. Дикой природе тоже не нужны на это миллионы лет и огромные пространства. Ускорению эволюции способствует деятельность человека, в первую очередь глобальное потепление, разрастание городов и химизация сельского хозяйства. Достаточно одной лужи во дворе, нескольких лет, и на наших глазах произойдут изменения. В соседней же луже эволюция в это время может пойти совсем другим путем.
Мозги в помойке
Профессор Павел Котея объясняет, что возможность быстрого темпа эволюции предсказал уже более 80 лет назад выдающийся британский биолог Рональд Фишер (Ronald Fisher). Она проистекала из уравнения, которым он описал масштаб изменения свойства или прогресс в эволюции. В состав уравнения входили два элемента: наследуемость свойства, то есть насколько велика в ней генетическая составляющая, и эволюционное давление. Эволюционный прогресс, таким образом, будет тем больше, чем сильнее естественный отбор благоприятствует какому–то конкретному свойству организма, а также будет зависеть от того, в какой степени данное свойство генетически обусловлено и может передаваться по наследству следующим поколениям.
В искусственных условиях сильное эволюционное давление создать легче, поскольку человек отбирает особи для размножения по одному критерию, не учитывая прочие свойства. Поэтому в лаборатории профессора Котеи удалось быстро вывести хищных полевок. «В природе естественный отбор воздействует на несколько свойств одновременно, потому что шансы на выживание и репродуктивный успех зависят от множества свойств. Так что обычно такой быстрой эволюции мы не наблюдаем», — рассказывает ученый.
Однако в последнее время человеку удалось подвергнуть сильному эволюционному давлению и саму природу. Совершенно новую и постоянно меняющуюся среду создал рост городов. Сначала выжить там могли только немногочисленные виды животных. Но стремительная урбанизация привела к тому, что в последние годы они стали перебираться из лесов и с полей в мир стекла, асфальта и бетона. А там, чтобы выжить, приобретать новые умения.
«Появляется все больше доказательств того, что поведение животных, которые живут в городах, отличается от поведения тех, что живут в других условиях», — написали в журнале Animal Behaviour Даниэль Соль (Daniel Sol), Ориоль Лапьедра (Oriol Lapiedra) и Сесар Гонсалес-Лагос (César González-Lagos). В своей статье они приводят множество примеров, доказывающих этот тезис. Животные учатся, например, пользоваться новыми источниками пищи: мусорными баками, кормушками, плодами экзотических декоративных растений. Для этого им необходимо изменить поведение, ведь в природе пища рассеяна, а в городе — это редкие, но изобильные источники. Живущие на Барбадосе антильские горлицы, которые в естественных условиях защищают свою территорию, нападая на других представителей своего вида, в городе стали жить большими стаями, внутри которых агрессии не возникает. Другие виды передвинули пик своей активности на вечер или ранее утро: это позволило им сделать искусственное освещение, которое к удовольствию птиц и летучих мышей привлекает вкусных насекомых.
В городе животным приходится приспосабливаться к новым опасностям. Одна из них — это шум. Чтобы пробиться сквозь него птицам, например, большим синицам, приходится петь на более высоких частотах. Городские белки, в свою очередь, меняют способ коммуникации: они общаются не голосом, а движениями хвоста. Следующая отсутствующая в дикой природе опасность — это оживленное дорожное движение. Из-за него городские лисы изменили схему своей активности: ранним вечером, когда движение наиболее интенсивно, они стараются не пересекать дороги.
Следует отметить, что зачастую невозможно сказать, насколько изменения стали результатом эволюции, а насколько связаны с гибкостью в поведении животных. Однако в генах совершенно точно закодирован размер мозга. Тем временем у перебравшихся в город мелких млекопитающих (таких, как землеройки, полевки, летучие мыши и белки) мозг начинает из поколения в поколение скачкообразно увеличиваться. Эволюция движется в этом направлении несколько десятков лет, потом мозг городских млекопитающих вновь начинает уменьшаться. «В начале колонизации выгодно быть умным, — рассказывала Эмили Снелл-Руд (Emilie Snell-Rood) из Миннесотского университета после объявления результатов своих исследований. — Но когда жизнь в городе становится предсказуемой, животное может вернуться к меньшему объему мозга».
Горячие улитки становятся светлее
К жестокому выбору «меняйся или погибни» склоняет животных также глобальное потепление. У большинства не получается достаточно быстро приспособиться к новым условиям. Но есть и такие представители природы, которые эволюционируют в стремительном темпе. Американские бабочки–шашечницы подвида Euphydryas editha quino считались находящимися на грани вымирания. Но внезапно оказалось, что они приспособились к жизни в горах и научились откладывать яйца на новом растении, которым могут питаться их гусеницы.
Эволюционные изменения были замечены также у кораллов. Обычно они реагируют на повышение температуры океана смертельным обесцвечиванием, отторгая из себя симбиотические водоросли, без которых не могут прожить долго. Однако у побережья Американского Самоа недавно заметили, что кораллы приспособились к повышению температуры и стали обесцвечиваться все реже.
В Европе эволюционировали улитки вида Cepaea nemoralis. У них бывает две генетически обусловленные расцветки: темная и светлая. Цвет раковины влияет на температуру тела: у более светлых улиток она ниже. Когда климат становится более теплым, это дает преимущество. Предполагают, что именно поэтому светлых дубравных улиток становится все больше, а темных (даже в прохладных тенистых местах) — все меньше.
В свою очередь, финские неясыти эволюционируют в другом направлении: число темных особей увеличивается, а светлых — уменьшается. Это, по всей вероятности, результат теплых зим, ведь светлые совы могли лучше спрятаться на снегу. Когда снега нет, менее заметными становятся темные особи. «Думаю, мы можем чувствовать себя особенными, потому что мы оказываем такое влияние, так сильно воздействуем на эволюцию вокруг, изменяя окружающую среду, — комментировал результаты этих исследований в журнале National Geographic Менно Схилтейзен (Menno Schilthuizen) из голландского Центра природного биоразнообразия. — Наше влияние гораздо глубже и имеет более отдаленные последствия, чем нам кажется».
Эти слова можно распространить и на другие сферы, где человек создал сильное эволюционное давление. Так происходит, например, в медицине, которая активно пользуется антибиотиками при лечении инфекций, а в итоге ускоряет эволюцию болезнетворных бактерий. Во всем мире отмечается все больше случаев, когда они становятся устойчивыми к лекарствам. Иногда это даже превращается в эпидемии, которые сложно остановить. В спринтерском темпе движется эволюция на сельскохозяйственных угодьях. Щедрое использование пестицидов и гербицидов ускорило эволюцию насекомых и сорняков. Они быстро становятся устойчивыми к средствам защиты, а аграриям приходится порой возвращаться к методам ручной прополки и уничтожения вредителей.
Быстрее, еще быстрее
Многие случаи стремительной эволюции происходят на большой территории, при этом последние исследования показали, что она может разворачиваться и на очень ограниченном пространстве. Джонатан Ричардсон (Jonathan Richardson) из Университета Коннектикута, который в марте в 2014 года опубликовал со своими коллегами статью в журнале Trends in Ecology and Evolution, назвал это «микрогеографической адаптацией». Он приводит пример трехиглой колюшки — маленькой рыбки, которая часто встречается, в том числе, в Польше. В одном и том же озере она может устраивать гнезда на глубине от 0,5 до 2,5 метров. Оказывается, что те колюшки, которые делают гнезда глубже, отличаются по размерам и своему рациону от тех, которые обитают в более мелких частях водоема.
Другой автор этой работы, Марк Урбан (Mark Urban), изучал эволюцию американской амфибии, напоминающей нашу саламандру: желтопятнистой амбистомы. Он открыл, что в небольших непостоянных водоемах с пресной водой, отдаленных друг от друга всего на 100 метров, эти создания могут избирать совершенно разные жизненные стратегии. В одних — молодые амбистомы питались осторожно, прячась от хищников, из-за этого они росли медленно, но в постоянном темпе. В соседних водоемах молодые амбистомы ели жадно, рискуя стать жертвой хищника. В связи с этим они стремительно росли. Эти свойства передавались по наследству и сохранялись в популяции, хотя обе группы амбистом жили неподалеку друг от друга.
Ключом к решению загадки оказалось то, промерзал ли зимой водоем до самого дна. Амбистомы в обеих ситуациях выдерживали зимний период, однако их преследователь, мраморная амбистома, в замерзающих водоемах выжить не могла. Там, где она доживала до весны, она могла уничтожить почти всех молодых желтопятнистых амбистом. Пережить такую охоту были способны только те, кто много ел и быстро рос, за несколько недель становясь крупнее, чем рот хищника. В водоемах, где не было мраморных амбистом, можно было не спешить с ростом, есть спокойно и не показываться на глаза хищникам. Любопытно, что когда особь из одной группы попадала в водоем, населенный другой, ее не воспринимали как привлекательного сексуального партнера. Если ей даже удавалось размножиться, ее потомство чаще всего на следующий год погибало. Так что два направления эволюции, идущие в разных направлениях, каждый год закреплялись.
В таком микромасштабе могут также эволюционировать растения. Распространенный душистый колосок сумел приспособиться к загрязнению почвы тяжелыми металлами. На расстоянии в 20 метров от таких экземпляров, на чистой почве, могут расти экземпляры, не обладающие устойчивостью к загрязнению. Эти две практически идентичные разновидности душистого колоска редко обмениваются генами. Несмотря на то, что они опыляются ветром (то есть пыльца перелетает с одного растения на другое), сформировался некий барьер, который осложняет опыление.
Эволюцию микрогеографического масштаба обнаружили также у лесных лягушек, пресноводных рыбок гуппи и даже у некоторых обитателей океанов, хотя там организмы могут преодолевать расстояния в несколько тысяч километров. «При сильном давлении эволюция действительно быстрее происходит в небольших изолированных популяциях, испытывающих направленное воздействие», — объясняет профессор Павел Котея. Он добавляет, что одновременно в относительно короткий период времени уменьшается генетическое разнообразие, в связи с чем становятся нужны новые мутации. Так что для более глубоких и серьезных эволюционных изменений необходимо гораздо больше времени и пространства.
Бабочка, которая потрясла основы эволюции
Сила и ожесточенность дискуссии, которая вспыхнула после публикации исследования Майкла Мейджеруса (Michael Majerus) из Кембриджского университета, застала ученого врасплох. Он изучал бабочку — пяденицу березовую, на которую мало кто обращает внимание. Однако это насекомое давно стало расхожим примером быстрой и наглядной эволюции. Почти в каждом учебнике по эволюционной теории приводится его история, а креационисты пытаются найти в ней ошибки и подтасовки. Неожиданно для себя биолог-эволюционист Мейджерус предоставил аргументы своим противникам.
Пяденицы были давно известны тем, что у них бывает два генетически обусловленных типа окраски: светлая и темная. Изначала в английских лесах преобладала светлая разновидность, но когда в середине XIX века началось резкое развитие тяжелой промышленности, светлые пяденицы стали исчезать, а их место заняли темные. Ученые сочли это результатом загрязнения воздуха, из-за которого на деревьях пропали лишайники. На темной коре светлых пядениц было лучше видно, и их чаще съедали насекомоядные птицы. Когда в середине XX века в Англии удалось ввести более жесткие законы в сфере охраны окружающей среды, уровень загрязнения воздуха снизился, а на деревья вернулись лишайники. На них более заметными стали темные бабочки, так что жертвой птиц стали чаще становиться они. В популяции пяденицы березовой очень быстро вновь начали преобладать светлые особи.
Этот классический рассказ и испортил Майкл Мейджерус. В 1998 году он объявил, что пяденицы любят сидеть вовсе не на стволах деревьев, а на ветвях. Кроме того светлая разновидность, по всей вероятности, начала увеличивать свою численность еще до того, как на английские деревья вернулись лишайники. Этого креационисты и дожидались. Они с радостью заявили, что вся эта история с эволюцией пяденицы березовой была обманом.
Креационисты в запале не обратили внимания на следующее исследование Мейджеруса. А оно было еще более любопытным. В 2000 году биолог доказал, что обе разновидности пяденицы отличаются друг от друга в ультрафиолетовом диапазоне, который очень хорошо видят птицы. В свою очередь, лишайники тоже по-разному отражают ультрафиолетовые лучи. Поэтому то, что видно нам, сильно отличается от картинки, которую видят перед своими глазами насекомоядные птицы: на некоторых лишайниках светлые пяденицы видны, а темные нет, на некоторых — наоборот. Скорее всего, ключ к быстрой эволюции насекомых скрывался именно в этом. Она была связана не только с уменьшением количества лишайников, но и с тем, что изменился их видовой состав. Для подтверждения своей гипотезы Мейджерус за шесть лет выпустил на волю несколько тысяч пядениц, проверяя, каких из них съедят птицы.
К сожалению, в 2009 году ученый скончался, не доведя исследование до конца. Завершением проекта занялись его соратники. Они собрали информацию о судьбе выпущенных Мейджерусом бабочек и в 2012 году объявили результаты эксперимента, который полностью подтвердил, что когда воздух чистый, птицы чаще поедают темную разновидность пяденицы. Так что, как они написали, эволюция пяденицы березовой «остается одним из самых наглядных примеров дарвиновской эволюции в действии».
