Эволюция в плавательных бассейнах и экспериментальных средах

Кампус университета Британской Колумбии

Если пролететь над южной оконечностью кампуса университета Британской Колумбии в Ванкувере, то можно увидеть двадцать аквамариновых прямоугольников. Они расположены четырьмя рядами, а голубой цвет выдает их тайну: они наполнены водой, глубже с одного конца и мельче – это заметно по более светлому оттенку голубого – с противоположного. Кто же в них плавает? Даже Гугл не может нам дать ответ. К счастью, ответ знает Дольф Шлутер. Долговязый, всегда ухмыляющийся, но при этом немного робкий канадец, он скорее похож на доброго фермера, чем на блестящего ученого. И тем не менее Шлутер является ведущим эволюционным биологом своего поколения. И это его бассейны, а их обитатели – его питомцы.
 
В детстве не было никаких намеков на то, что Шлутер станет владельцем столь роскошного морского комплекса, построенного специально для проведения эволюционных экспериментов. Это уникальное сооружение не имеет аналогов в мире. Шлутер всегда проявлял интерес к природе. Во время учебы в колледже подрабатывал, ассистируя во время полевых экспериментов на канадских каймановых черепахах. К моменту окончания учебы он нашел работу – помогать в осуществлении исследований, посвященных млекопитающим, в канадской провинции Альберта. Но в последнюю минуту услышал блестящую лекцию о среде обитания колибри и понял, что хочет стать ученым. И тогда он поступил в магистратуру.
 
Шлутер знал, какое направление выберет. Молодой человек начал обучение в университете Мичигана, где его научным консультантом был ни кто иной, как Питер Грант, гуру в области изучения вьюрков. И очень скоро Шлутер оказался на Галапагосских островах, реализуя свои идеи на практике, так как в тот период он изучал, как дарвиновские вьюрки адаптируются к использованию различных ресурсов. В настоящее время его подробнейшие исследования стали классикой: их можно найти в учебниках, они изменили подход биологов к изучению адаптивной радиации.
 
Но к тому времени, когда он стал постдоком в Ванкувере, Шлутер искал новый объект для своих исследований. Дарвиновские вьюрки это здорово, но Галапагос находится далеко от Канады. К тому же, что важнее, Шлутер хотел ставить эксперименты: не только выводить гипотезы на основе конкретных примеров, но и замыкать цикл, проверив их экспериментальным путем. Подобные опыты было бы логистически сложно осуществить с участием любого вида птиц. А тем более это невозможно было проделать с дарвиновскими вьюрками из-за строгих правил Галапагосского национального парка.
 
К счастью, ответ был под рукой. Маленькая трехиглая колюшка была идеальным решением: она демонстрирует интересные эволюционные модели, ее легко изучать и управляться с ней как в поле, так и в лаборатории; а еще она часто встречается в озерах Британской Колумбии. В то время трехиглая колюшка были малоизвестна в кругах эволюционных биологов. Но теперь, в большей степени благодаря работе Шлутера, эта рыба стала модельным организмом для эволюционных исследований.
 
Колюшка встречается по всему миру на северных территориях. Но в нескольких озерах Британской Колумбии она демонстрирует то, что не делает больше нигде. В большинстве мест вы найдете лишь один вид трехиглой колюшки. Но в пяти озерах Британской Колумбии есть два вида колюшки: один вид с обтекаемым телом и быстро движущийся, который живет в открытой воде у берегов; а второй – с более плотным телом и неторопливо зависающий на дне вблизи берега.

Трехиглая колюшка, обитающая в открытой воде (сверху) и на дне (снизу)
 
Трехиглая колюшка, обитающая в открытой воде (сверху) и на дне (снизу)
 
Эти виды различаются фенотипически. У вида, живущего в открытой воде, имеются защитные щитки по бокам и длинные узкие челюсти, которые быстро вытягиваются, чтобы схватить плавающую на поверхности добычу. И наоборот, у обитающего на дне вида нет брони, но есть мощные челюсти, чтобы всасывать добычу из ила и густой растительности.
 
Проведя сравнения ДНК, коллеги Шлутера из университета Британской Колумбии доказали, что два этих вида эволюционировали независимо друг от друга в каждом из пяти озер – та же самая модель повторяющейся адаптивной радиации, которую продемонстрировали анолисы на Карибских островах. Во всех других озерах один-единственный вид трехиглой колюшки использует обе среды обитания и имеет примерно одинаковую форму тела. И напротив, вид, живущий в открытой воде, и вид, обитающий на дне, никогда не встретишь по отдельности.
 
Исследование Шлутером процесса роста и поиска рыбой пищи, проведенное как в лаборатории, так и в поле, показало, что рыба из озера, где живет один только вид колюшки, является универсалом: она может жить повсюду, но хорошо чувствует себя далеко не в любой среде. А в озерах, где обитают оба вида колюшки, и те, и другие привыкли жить в своей специфической среде.
Шлутер выдвинул гипотезу, что подобные модели развития возникли в результате соперничества за еду. Когда два вида появляются рядом, то естественный отбор заставляет их расходиться в своем развитии и жить в разных средах обитания, чтобы свести к минимуму соперничество. Но когда присутствует только один вид, тогда естественный отбор будет в пользу промежуточного с точки зрения фенотипа вида, который сможет жить в разных средах.
 
Все данные соответствовали этой гипотезе, но Шлутеру нужно было нечто большее, чем просто соответствие: он хотел проверить эту идею напрямую, экспериментальным путем. Его план заключался в том, чтобы поместить одного из специалистов среды в пустой водоем. Согласно его гипотезе, в отсутствие другого специалиста данная популяция должна поменять эволюционный курс на противоположный и развиваться в сторону промежуточного, универсального состояния.
 
Но где найти водоемы? Сделать это было легко: в Ванкувере полно искусственных водоемов, где нет колюшки. Так почему бы не забросить в них немного рыбы? И тогда началось пробное испытание. Шлутер получил разрешение поместить колюшку в два пруда на полях для гольфа и в муниципальном парке. В ход пошла рыба, жившая в открытой воде. Поначалу все шло хорошо, но через год поле для гольфа осушило одно из озер. Две другие популяции процветают по сей день, но Шлутер почти не занимался ими.
 
Причина в том, что вскоре после того, как он начал свой эксперимент, ему предложили должность преподавателя в университете Британской Колумбии. И тогда Шлутер пересмотрел вариант с полем для гольфа. А почему бы не соорудить ряд прудов, более или менее идентичных во всех отношениях, прямо на территории кампуса? К ним имелся бы прямой доступ, и они были бы закрыты для посторонних, и вы бы не рисковали получить мячом по голове.
 
Администрация университета дала разрешение, был нанят подрядчик, и вскоре появились пруды. Тринадцать штук, каждый длиной семьдесят пять футов. В центре водоема глубина воды достигала максимума – десяти футов. Изначально пруды были обсажены растениями, к которым стали прилетать насекомые с соседнего озера, где обитали два вида колюшки. А несколько лет спустя по берегам водоема вырос настоящий лес, куда прилетали птицы, и пруды стали напоминать водоемы природного происхождения.
 
Временами ты забываешь, что находишься через дорогу от кампуса университета Британской Колумбии…
 
На протяжении семнадцати лет Шлутер и его лаборатория использовали пруды, чтобы оценить, как воздействует естественный отбор на колюшку, и изучить, какие признаки способствовали лучшей выживаемости, и почему гибриды двух видов находились в невыгодном в селективном плане положении. Работа имела дикий успех, сделав колюшку учебным примером эволюционной дивергенции, инициируемой соперничеством за ресурсы. И все же большая часть работы касалась одного только поколения, Оценивались их выживаемость и репродуктивные циклы, но не прослеживались эволюционные тенденции в масштабах нескольких поколений. Наконец, настало время опробовать эволюционный эксперимент. 
 
Чтобы начать исследование, талантливый студент-магистрант из лаборатории Шлутера Роуан Барретт выловил в ближайшей лагуне морскую колюшку. Озерная колюшка родственна морской. Она оказалась на материковой части суши после того, как земной массив территории Британской Колумбии поднялся после таяния ледников в конце последнего ледникового периода. Морская колюшка, у которой больше защитных щитков и которая адаптировалась к менее экстремальным температурам, имеет, таким образом, схожие родственные свойства с озерными популяциями.
 
Барретт поместил морскую колюшку в три экспериментальных пруда, чтобы проверить, сможет ли она адаптироваться к пресной воде, живя так, как жили в реальных озерах потомки морской рыбы. Результаты оказались сложными и неоднозначными. Но целью эксперимента было исследовать не только защитную броню рыбы, но и второе ее свойство, более актуальное в наши дни: как быстро колюшка сможет адаптироваться к меняющимся климатическим условиям? Температура воды в пресных озерах более изменчива, чем в океане: горячее летом и холоднее зимой. Станет ли морская колюшка адаптироваться к этим перепадам?
 
Чтобы выяснить это, Барретт записал измерения термальной биологии – высокие и низкие температуры, при которых рыба теряет способность двигаться координированно. Изучая морскую и озерную рыбу, Барретт обнаружил, что они одинаково переносят максимальную температуру. По какой-то причине колюшка способна жить при температурах гораздо более высоких, чем в своей родной среде. А вот переносимость низких градусов была разной. Озерная рыба способна выживать в воде на пять градусов по Фаренгейту ниже, чем океанская рыба, Эта разница почти в точности совпадает с разницей низких температур, которую переносит рыба в двух разных средах. В итоге Барретт сконцентрировался на адаптации рыбы к холоду: сможет ли рыба из экспериментального пруда эволюционировать, став более устойчивой к холоду?
 
Ответ пришел быстро и оказался положительным. Холодные зимы не прошли бесследно, и та рыба, которая не смогла справиться с новыми условиями, погибла. Всего два года спустя у рыб во всех трех прудах развилась способность выдерживать температуры на четыре с половиной градуса ниже, чем могли их морские предки. Таким образом, они демонстрировали морозоустойчивость озерной колюшки из Британской Колумбии.
 
Такая удивительно быстрая и параллельная адаптация была неожиданной. Барретт, Шлутер и компания с восторгом ждали, что будет дальше. Но, к сожалению, они не смогли спрогнозировать последующие события. Зима 2008–2009 г. была самой холодной за последние четыре десятилетия, и возникшие трудности были чересчур велики, чтобы рыба смогла с ними справиться. Вся рыба погибла, превратив данное исследование в более краткосрочный эксперимент, чем это изначально планировалось. Тем не менее исследование четко продемонстрировало возможность осуществлять эволюционные опыты в экспериментальных прудах.
 
Все хорошее когда-нибудь заканчивается. Так случилось и с прудами Шлутера. Из-за пористости почвы дно было выстелено пластиковыми пластинами: иначе бы вода просто ушла. Шлутера с самого начала предупреждали, что срок годности пластика двадцать лет, и он уже подходил к концу. Все шло хорошо, но не было ясно, что же будет дальше.
 
Иногда с хорошими людьми случаются хорошие вещи. Нежданно-негаданно Шлутеру позвонили из администрации кампуса. Университет хотел получить свою землю обратно, чтобы построить на ней новые здания, затем продать их за какую-то астрономическую сумму на рынке недвижимости Ванкувера. Не мог бы Шлутер перенести свои исследования в какое-то другое место при условии, что университет поможет ему построить новые пруды?
 
Уже в самом этом вопросе содержался ответ. Именно тогда Шлутер и получил свой новый продвинутый озерный комплекс, расположенный буквально в шаге от прежнего места (там, где теперь стоят шикарные многоквартирные дома с пивным пабом, музыкальной школой и ресторанами). Пруды примерно такого же размера, что и были, но теперь они не квадратные, а прямоугольные, и своим уклоном на глубину двадцать футов с одного конца они больше напоминают природные озера.
 
На строительство прудов ушло несколько лет, но «ускоритель видообразования» (как шутливо называет его Шлутер, намекая на циклотрон из лаборатории физики элементарных частиц, который ускоряет заряженные частицы до высоких скоростей) теперь уже готов и вовсю функционирует. Первое исследование нескольких поколений рыбы завершено. Оно было посвящено изучению влияния хищников на эволюцию защитных свойств. В пять прудов выпустили колюшку и хищного лосося Кларка, а в пяти других оставили одну только колюшку. Эксперимент должен был охватывать пять поколений рыбы.
 
Примерно в то же самое время, когда строился новый водный комплекс, Шлутер вышел на новое исследовательское направление: полевой биолог стал генетиком. Сотрудничая с ведущими экспертами в области изучения генома из Стэнфорда и других научных центров, Шлутер увлекся работой по секвенированию генома колюшки, чтобы определить гены, ответственные за ключевые признаки, такие как наличие брони и игл.
 
В результате этих новых знаний эксперимент с прудами получил двойную направленность: эволюция изучалась как на фенотипическом, так и на генетическом уровнях.
 
Прогноз был следующим: присутствие хищников станет способствовать развитию соответствующих генетических изменений и появлению у рыб более длинных игл, что помешает хищникам их проглотить.
 
И каковы же результаты? Студентке магистратуры Диане Реннисон удалось проанализировать данные, полученные только в рамках исследования первых трех поколений. Но результаты были многообещающими. В процессе наблюдения за выживаемостью в масштабах одного поколения стало заметно, что рыба с более длинными спинными иглами в прудах с хищниками выживает лучше. Такой отбор вызвал эволюционную реакцию: теперь у популяций рыбы, живущей в прудах с хищниками, спинные иглы стали длиннее. Изменения на генетическом уровне шли параллельно: вариативность генов у этих популяций способствовала увеличению частоты появления более длинных спинных игл. Как ни странно, но процесс отбора размеров брюшных игл был более неоднороден: длинные иглы появлялись у рыб не во всех прудах. Причина такой эволюционной неопределенности неизвестна.
 
И хотя процесс экспериментальной эволюции колюшки пока еще в самом начале, но полученные результаты очень похожи на те, что мы наблюдали в случае с гуппи. Популяции адаптируются к новым условиям в основном одинаково, но с долей непредсказуемости в отдельных признаках. Совпадения особенно убедительны, учитывая разницу в условиях обитания, в которых изучалась рыба. Один вид – в естественных водоемах в горах Тринидада, а другой – в практически идентичных искусственных прудах Ванкувера.
 
Пока Шлутер занимался своими прудами, в Америке начиналось еще одно масштабное исследование экспериментальной эволюции. Пейзаж Небраски в настоящее время украшает листовой металл длиной почти в полмили, который блестит на солнце, пылая оранжевым во время заката и напоминая инсталляцию из стали руки Кристо. Американский Запад расчерчен заборами самого разного рода, но этот уникален: прочная металлическая стена в форме квадрата, разделенного на четыре квадратных загона. И не одно, а два таких почти одинаковых сооружения находятся на расстоянии тридцати миль друг от друга на разной по цвету земле.
 
Волнистые холмы и прерии Небраски славятся своей плодородной почвой: коричневой, землистой, богатой всеми полезными для растений веществами. Это объясняет название футбольной команды местного университета – «Кукурузники». Но не вся земля штата настолько плодородна. Примерно четверть его территории приходится на песчаные дюны области Сэндхиллс. Почва там светлая и состоит из песчинок кварца, занесенных ветром к востоку от Скалистых гор около восьми тысяч лет назад. Зерновые культуры растут плохо, и большая часть земли никогда не возделывалась.
 
Но это вовсе не означает, что в Сэндхиллс нет растений. Как раз наоборот, эта местность может похвастаться биологическим разнообразием. Причем она настолько неповторима, что Всемирный фонд дикой природы выделяет ее как отдельный экологический регион. Почва влияет на местную флору и фауну не только своей низкой плодородностью, но также своим светлым оттенком. Маленькие животные во всем мире научились сливаться с окружающей местностью, чтобы их не обнаружили хищники. Так, живя на старых застывших потоках лавы, ящерицы, мыши, кузнечики и другие существа эволюционировали, став темнее, чем они есть на самом деле. А на почве светлого цвета у животных выработался бледный оттенок покрова, чтобы сливаться с песчаной поверхностью. И Небраска в этом смысле не отличается от других мест: популяции многих видов животных, обитающих в Сэндхиллс, светлее представителей того же вида, обитающих на более темной почве.
 
Меня еще со времен учебы в колледже, когда я прочитал книгу Джона Эндлера о видообразовании, интересует данный феномен. Эндлер называл слияние окраса животного с окружающей средой одним из самых ранних и сильных доказательств того, что естественный отбор способен ослаблять гомогенизирующее действие генетического обмена между популяциями. Граница между черной вулканической породой и сверкающим белым песком довольно отчетлива – в некоторых местах ты одной ногой можешь касаться и того и другого. Мыши, ящерицы и кузнечики легко перемещаются туда-сюда с одной поверхности на другую.
 
И все же, несмотря на их близость, популяции, живущие на разных поверхностях, зачастую очень сильно отличаются по цвету, так как соответствующим образом подстраиваются под свою среду обитания. Представители двух популяций могут встречаться вблизи границы, но любое потомство, появившееся в результате этих встреч, будет тщательно изучено естественным отбором, и гены «неправильного» окраса будут мгновенно вычищены. Тот факт, что часть этих сред обитания – Сэндхиллс в Небраске и некоторые лавовые потоки – появилась относительно недавно, указывает на то, что процесс адаптации окраса произошел стремительно, дав дополнительное доказательство силы естественного отбора даже в присутствии генного потока. Эти примеры с животными аналогичны примерам с растениями, что растут поверх или вблизи от брошенных старых шахт или на разных участках ротамстедской экспериментальной станции.
 
Здесь следует отметить очень важное с точки зрения науки исследование, проводившееся на белоногих хомячках. В середине прошлого века натуралисты отмечали множество случаев, когда соседние популяции встречались на разных по цвету поверхностях и, соответственно, имели разный окрас шкуры. Предположительное объяснение этого – маскировка животных: грызунов поедают многие визуально ориентирующиеся хищники, поэтому естественный отбор будет поощрять популяции сливаться с окружающим фоном, меняя свой цвет.
 
Биолог из университета Мичигана Ли Дайс даже проверил эту идею в лаборатории. В помещении среднего размера Дайс посыпал пол землей и выпустил туда несколько мышей разной расцветки и сову. Он хотел узнать, станет ли сова чаще ловить тех мышей, которые не сливаются с землей.
 
Половина опытов была проведена на почве светлого цвета, а остальные – на темной. Ответ был однозначным: совы в два раза чаще ловили тех мышей, которые не сливались с землей. Хищные птицы могут стать сильным фактором естественного отбора, способствуя эволюции маскировки.
 
И все же это было лабораторное исследование, осуществленное в искусственных условиях. Даже спустя тридцать лет после выхода книги Эндлера действие естественного отбора не демонстрировалось напрямую на окрасе мышей. На самом деле, самое убедительное доказательство было получено не благодаря полевым экспериментам, а с помощью генетических исследований, в ходе которых были обнаружены гены, ответственные за различия в окрасе у мышей. Сравнивая различия ДНК у смежных популяций, живущих на разных по цвету поверхностях, ученые обнаружили, что генетические различия эволюционировали совсем недавно, вероятно, в результате дивергентных воздействий естественного отбора. Но все равно это заключение было сделано на основе полученных генетических различий, а не являлось прямой демонстрацией того, как естественный отбор влияет на эволюцию.
 
Белоногий хомячок из Сэндхиллс
 
Белоногий хомячок из Сэндхиллс
 
Именно это и привело бородатого и мускулистого канадского горнолыжника в песчаные дюны Небраски. Несмотря на свою страсть к «дикому» лыжному туризму, велосипедному спорту и скалолазанию, Роуан Барретт большую часть времени посвящает изучению процесса эволюции. Сын видного эволюционного биолога из университета Торонто, молодой Барретт проложил свой собственный путь в науку. В тридцать с небольшим лет он уже стал одной из ключевых фигур в области экспериментальной эволюции. Будучи студентом магистратуры в университете Макгилла в Монреале, Барретт проводил экспериментальные исследования на бактериях в лабораторных условиях, изучая процесс их адаптации в условиях многочисленных новых ресурсов. Эта тема также легла в основу докторской диссертации, которую он защищал в университете Британской Колумбии с профессором Шлутером в качестве консультанта. Эти исследования стали невероятно успешными, и за ними последовали ряд научных публикаций в узкоспециализированных журналах и все мыслимые награды, которые может получить выдающийся молодой эволюционный биолог (в частности, он был причислен к «звездной команде» эволюционных биологов, а также получил европейскую и североамериканскую премию «Молодой специалист года»).
 
Но все это было лишь прелюдией к тому, что обещает стать его самым большим прорывом. Ближе к концу работы над докторской диссертацией в университете Британской Колумбии Барретт узнал о лабораторных генетических исследованиях моего коллеги из Гарварда Хопи Хёкстра, которые показали, что у живущих в Сэндхиллс белоногих хомячков возникла новая мутация, изменившая их окрас на более светлый. Сравнения ДНК этих хомячков с ДНК тех, которые были почти темного цвета, наводили на мысль о том, что мутация произошла относительно недавно и охватила всю популяцию. Вероятно, это стало результатом воздействия естественного отбора, способствовавшего слиянию окраса животных с окружающей средой.
 
Однако Барретт чувствовал, что данная история не закончена. Если естественный отбор ответственен за эволюцию светлого оттенка, тогда его можно продемонстрировать напрямую. Внутренняя тяга к экспериментам подсказала ему, как действовать: нужно воспользоваться тем методом, который впервые применил Дайс семьюдесятью годами ранее. Поместить темных и светлых хомячков на разные по оттенку поверхности и понаблюдать, кто из них выживет. Но только не делать этого в закрытом помещении, исключительно на природе. И точно так же, как в случае с экспериментами на колюшке, следовало изучать одновременно фенотип и гены, ответственные за выработку того или иного окраса.
 
В принципе все звучало довольно просто, но как осуществить подобный план на практике?
 
Преимущество прудов, протоков и островов в том, что это саморегулирующиеся единицы с жесткими границами, своего рода экспериментальные копии, только и ждущие того, чтобы ими воспользовались. В Сэндхиллс не было ничего похожего. Если Барретт хотел осуществить свои эксперименты с белоногими хомячками там, то ему бы пришлось строить клетки, чтобы удержать своих подопечных. Причем огромные клетки, достаточно большие, чтобы содержать там целые популяции этих зверьков.
 
Ученые пробовали ставить похожие эксперименты и раньше, но меньшего масштаба. Однако всегда терпели неудачу. Несмотря на то что белоногие хомячки живут на земле в норах, они очень шустрые. Поставьте стену, и они перелезут через нее. Хомячки-ниндзя, как иногда называют их. Предыдущие исследования зашли в тупик в связи с побегом подопытных грызунов. Поэтому первоочередной задачей было найти способ удержать хомячков в клетках.
 
Проведя свое расследование, Барретт обнаружил, что проблема уже решена. Экологи и маммалоги не смогли придумать, как удержать хомячков, а инфекционистам это удалось. Белоногие хомячки – переносчики хантавируса. Это заставило ученых из Нью-Мексико изобретать надежные уличные клетки, в которых хомячки могли бы содержаться на карантине достаточно долго, чтобы быть уверенными, что они переболели и могут быть направлены в лаборатории для исследований. Секрет заключался в использовании оцинкованной стали 26-го калибра, гладкой, как кожа младенца, без всяких шероховатостей, за которые неугомонный зверек мог бы ухватиться когтями и выбраться наружу. Во время испытаний в лаборатории Барретт убедился в том, что тонкий металл срывал коварные планы хомячков. И у него созрел свой план.
 
Помимо прочего, были еще две трудности: во-первых, получить разрешение на строительство клеток на подходящей для этого земле, а во-вторых, построить их. Объем этих работ становится понятен, когда узнаешь о размере клеток, которые Барретт хотел построить. Он прикинул, что каждая популяция белоногих хомячков должна включать минимум сотню особей. Исходя из уровней плотности обитания в естественных условиях, это составляло чуть более половины акра. Для качественного эксперимента ему нужны были четыре клетки, стоявшие на светлой земле и четыре клетки на темной. В общей сложности требовалось два с половиной акра земли и пятнадцать тысяч фунтов листовой стали на каждый объект.
 
Но обо всем по порядку. Барретт, пришедший в лабораторию Хёкстра в качестве постдокторанта, отправился в Небраску в компании с Кэтрин Линнен, занимавшейся в той же лаборатории генетическими исследованиями, искать места для проведения экспериментов. Найти такое с подходящей светлой землей было не так уж трудно. И уже скоро было получено разрешение на строительство клеток на территории природного заповедника «Мерритт Резервуар».
 
Найти место на темной земле было сложнее, ведь это, в конце концов, плодородная почва. Убедить кого-то отдать два с половиной акра хорошей плодородной земли, чтобы построить на ней клетки, где будут содержаться мыши, было не так-то просто.
 
Барретт ходил от дома к дому, беседуя с владельцами земли. Не забывайте, что это самое сердце Америки, регион, где живут люди с консервативными взглядами на политику и религию, где земля кормит местных жителей, также обеспечивая продовольствием всю остальную страну. А теперь посмотрите на тех, кто стучится в их дома. Пара сопляков, прибывших с либерального северо-востока, да еще из какого-то там элитного декадентского университета Лиги Плюща. Причем один из них даже не американец и ходит повсюду, нацепив велосипедную кепку, вместо того чтобы носить ковбойскую шляпу.
 
Барретт быстро понял, что ему не следует упоминать слово на «э» – эволюция, – а больше говорить о тех видах, которым подходят местные условия. Будучи фермерами и ковбоями, местные жители хорошо представляли себе, что такое наследственность, и знали все о хищниках. А маскировка была второй натурой для тех, кто охотился с самого детства. Надо сказать, что Барретт был очень общительным, компанейским парнем, и местные были к нему дружелюбны и даже проявляли заметный интерес. Они с радостью разрешали Барретту, Линнен и остальной команде собирать мышей на их участках.
 
Но отдать несколько акров земли – это было уже слишком.
 
Все это продолжалось вплоть до начала полевого сезона и даже дольше. Времени оставалось мало. Барретт начал уже было отчаиваться, что проект придется временно приостановить. Однажды вечером, находясь в маленьком городке Валентайн, штат Небраска (население – две тысячи семьсот тридцать семь человек), Барретт спустился в бар отеля за пивом. И хозяин отеля познакомил его с Диким Биллом, местной знаменитостью, чьи белые длинные волосы делали его похожим скорее на модного серфингиста, чем на фермера из Небраски. Барретт рассказал Биллу о своем проекте и о поиске подходящего места. К удивлению Барретта, Билл сообщил ему, что выращивает люцерну на загородном участке, и что клетки, вероятно, можно соорудить прямо там. На следующий день они отправились, чтобы осмотреть место, и оказалось, что земля идеально подходит для этих целей. Дикий Билл совершенно спокойно отнесся к тому, что на участке придется что-то строить. А что касается аренды, то упаковка «Миллер Лайт» и приготовление барбекю каждый раз, когда команда Барретта приезжала в город, сделали свое дело.
 
Конечно, найти подходящее место было только первым шагом. А дальше нужно было еще построить загоны. Барретт – парень из семьи ученых, и у него не было опыта строительства. Но информацию о том, как соорудить «загон для мышей», не найдешь в «Желтых страницах» Небраски. И Барретту пришлось придумывать все самому.
 
Он изучил варианты постройки загонов, которые делали другие ученые, и выбрал свой. Стены должны быть высотой три фута, чтобы хомячки не смогли выпрыгнуть оттуда. А поверху следовало также натянуть еще три фута проволочной сетки, чтобы не позволить койотам запрыгнуть внутрь.
 
Кроме того, стену следовало вкопать в землю на два фута, чтобы хомячки не смогли сделать подкоп и убежать.
 
Немногие эволюционные биологи доставляют свое исследовательское оборудование на место с помощью грузовых платформ. Грузовик из Кимбэлла, штат Небраска, что в двухстах пятидесяти милях от города, привез стальные листы для стен клеток размером пять на десять футов и толщиной в одну пятидесятую дюйма. Арендованный комплекс Дитч Витч выкопал траншею, в которую поместили листы, и местный оператор обратной лопаты переместил листы с дороги в поле. В землю было вкопано и залито бетоном сто девяносто два столба, которые скрепляли листы в местах их соединения. Вся операция заняла две недели. Были задействованы трое местных рабочих, обслуживавших технику. Четыре смотрителя с местного поля для игры в гольф помогали копать траншеи, а семь представителей лаборатории делали все остальное (знаете старую шутку – сколько ученых потребуется, чтобы построить загон для мышей?)
 
Вероятно, следует отдать должное организаторским способностям Барретта или усердной работе молодых ученых из Гарварда, которые спокойно делали свое дело, будучи вырванными из привычной среды; а может быть, двойной благодарности заслуживают местные рабочие, которые трудились, невзирая на присутствие этих неженок. Но вне зависимости от того, кому достаются все лавры – вероятно, всем, – работа прошла на удивление гладко и быстро. Конечно, временами оператор обратной лопаты готов был сдаться, видя такое огромное количество стальных листов. А иногда резкие порывы ветра заставляли острые, как бритва, пятидесятифунтовые стальные прямоугольники летать над полями. К счастью, никто не пострадал, и две недели спустя загоны для хомячков были готовы.
 
Вот только хомячки к этому не были готовы. Они продолжали жить в своих норах, не подозревая о том, что уготовила им судьба. План Барретта состоял в том, чтобы заселить каждый загон равным количеством светлых и темных хомячков. Но для этого ему и его команде следовало прежде изловить животных.
 
Самый быстрый способ поймать живых грызунов – выйти в поле ближе к концу дня и установить на земле большое количество металлических ящиков длиной в тридцать сантиметров с одним открытым концом. Внутри ящика находятся приманка: вкусные семена, арахисовое масло или какая-то другая вкусняшка и горизонтальная платформа. Когда мышь (или другое существо, от скорпиона до змеи) ступит (или проскользнет) на платформу, дверь ловушки захлопнется, и животное окажется запертым внутри. Затем вы возвращаетесь туда на следующий день рано утром, собираете ловушки и внимательно смотрите, кого вы поймали.
 
К моменту окончания постройки загонов Барретт и компания уже довольно продолжительное время ловили хомячков на территории штата Небраска, собирая образцы для своих генетических исследований. Учитывая предыдущие успешные результаты, Барретт предполагал, что они смогут быстро поймать нужное им количество.
 
Но у животных были другие планы, и они начали в массовом порядке обходить ловушки стороной. Однажды вечером команда выставила семьсот ловушек и, вернувшись на следующее утро, обнаружила там всего двух хомячков (стандартное количество выловленных мышей составляет в среднем тридцать пять особей). То, что должно было занять одну – две недели, вылилось в итоге в три месяца. Но в конце концов загоны были заполнены, и эксперимент начался.
 
Барретту оставалось принять последнее решение. Данный эксперимент должен был оценить влияние визуально ориентирующихся хищников на окрас хомячков. Но не все хищники находят свою добычу с помощью зрения. Кто-то определяет ее по запаху или даже по теплу тела. И они будут ловить мышей, не обращая внимания на их окраску. Следовательно, такая охота добавит непредсказуемости результатам исследования и, возможно, затруднит понимание влияния визуальных хищников. Вероятно, их следует исключить, чтобы избежать возможного просчета. С другой стороны, предполагалось, что это будет эксперимент в условиях дикой природы, а эти хищники являются частью данной системы. Барретт сомневался, не зная, какое решение принять.
 
Особенно его беспокоили змеи. Зеленый гремучник – распространенный вид змей в Сэндхиллс. Достигая в длину почти четырех футов, взрослые змеи охотятся на самых разных млекопитающих вплоть до сусликов. А белоногие хомячки по размеру идеально подходят для их подрастающего потомства.
 
Сосновые змеи бывают в два раза больше зеленого гремучника и питают особую страсть к грызунам. Барретт решил убрать их – аккуратно – из загонов. Каждую змею поднимали с помощью специальной палки с захватом на конце и выпускали из загона.
 
Но ученые все продолжали и продолжали находить змей. Сколько же еще их могло жить на поле площадью в два с половиной акра? Когда они, наконец, переловят всех? И тогда они поняли: стены не защищали от змей. Так как у змей отсутствуют ноги, они на удивление хорошо карабкаются по вертикальным поверхностям, а металлическая стена высотой три фута не такая уж большая проблема для крупного зеленого гремучника или сосновой змеи. С какой скоростью Барретт вылавливал и выпускал змей, с той же скоростью (а то и быстрее) змеи забирались обратно в загон. И тогда процесс ловли змей прекратили. В конце концов, это должен был быть эксперимент в естественных условиях.
 
Как только хомячки были помещены в загоны, все, что оставалось делать Барретту, это сидеть и наблюдать за процессом эволюции. Каждые три месяца он привозил свою команду в Небраску, чтобы произвести учет популяций. В загонах расставили живоловки, чтобы можно было увидеть, кто там остался. Прежде чем поместить хомячка в загон, ему вживляли маленькую бирку наподобие тех, которые вешают собакам и кошкам с индивидуальным штрих-кодом. Надо провести по нему сканером, и если хомячок был из первоначальной партии, его идентификационный номер высвечивался на экране. За десять дней исследователи смогли поймать, отсканировать и выпустить почти всех хомячков в каждом загоне.
 
Во время повторных визитов Барретт и его команда также встречались со своими многочисленными друзьями из Валентайна, города, жители которого оказались такими же дружелюбными, как и предполагает его название. Одна семья почти каждый вечер приглашала команду к себе на ужин. А одна пожилая пара бесплатно пускала часть команды к себе переночевать да еще разрешила воспользоваться своим гаражом для хранения оборудования. Приезжая туда каждый раз, Барретт закатывал большую вечеринку для всех без исключения.
 
Хомячки тоже вносили свой вклад в общее дело. В начале эксперимента смертность была очень высокой, что неудивительно. Пока они осматриваются и знакомятся с новым окружением, животные становятся легкой добычей для хищников. Кроме того, как известно, принудительный переезд на новое место – это всегда стресс, что, несомненно, еще больше повысило уровень смертности.
 
Но самым важным моментом было то, кто из них выживал, а кто нет. В каждом из загонов, расположенных на песчаных дюнах, светлые хомячки выживали лучше, чем их более темные собратья, – в среднем в пропорции два к одному. И наоборот, в загонах, расположенных на темной земле, уже темные хомячки выходили в лидеры, выживая в среднем на треть чаще, чем их светлые сородичи. Изучение генотипов хомячков дало аналогичные результаты. На светлом песке особи с мутациями, дававшими светлый окрас, выживали лучше, в то время как ситуация на темной земле была прямо противоположной. Естественный отбор действовал, причем, как и было предсказано, в разных загонах в разных направлениях.
 
По прошествии пятнадцати месяцев с начала проекта все хомячки-старожилы погибли. Но популяции процветали: они состояли уже из потомства первых особей. Эксперимент по изучению естественного отбора стал теперь уже долгосрочным эволюционным.
На момент, когда я пишу эти строки, эксперимент продолжается уже пять лет – срок, достаточный для появления примерно десяти поколений белоногих хомячков. Барретт в настоящее время как раз сводит воедино все результаты, завершая генетический анализ. Он пока еще не знает, что покажут результаты, но если в самом начале эксперимента проявилось действие сильного естественного отбора, то, вероятней всего, что популяции эволюционировали в противоположных направлениях. 
 
Экспериментальным исследованиям эволюции в этой отрасли знаний еще только предстоит стать масштабнее, смелее, увлекательнее. Но уже сейчас ставятся небывалые новаторские эксперименты. Так, в рамках одного текущего исследования на большое поле постоянно закачивается углекислый газ, поднимая там уровни выброса в атмосферу до тех, что будут по прогнозам через пятьдесят лет. Станут ли в этих условиях эволюционировать растения, и если да, то как?
 
Через двадцать лет, а может быть, и раньше нас завалят результатами. Возможно, по мере поступления новых данных ситуация изменится, но из того, что мы уже знаем, общие итоги ясны. Когда ставится эксперимент, при котором многочисленные популяции испытывают одинаковое воздействие окружающей среды, то они, как правило, эволюционируют очень похожим образом. И это работает как в случае с растениями, защищенными от набегов кроликов, так и в случае с ящерицами, вынужденными использовать узкие насесты. Саймон Конвей Моррис этому бы точно порадовался. Эволюция, на самом деле, повторяема.
 
Но данный результат не такой уж неожиданный. Близкородственные популяции или виды эволюционируют в целом одинаково, потому что они похожи генетически. Естественный отбор работает с одним и тем же генетическим материалом, а значит, как правило, выдает одинаковое решение. И наоборот, у дальних родственников, вероятней всего, будут развиваться разные адаптивные реакции на похожие проблемы, которые ставит окружающая среда, начиная с различий в генетическом строении и фенотипах. Полевые эволюционные эксперименты всегда начинаются с очень похожих популяций, обычно с особей из одной исходной. В результате эксперименты склонны обобщать параллельные эволюционные реакции.
 
Но это вовсе не означает, что эволюционное изменение будет одинаковым у разных экспериментальных сообществ. Как раз наоборот, всегда присутствует некоторая доля вариативности. Так, к примеру, в исследовании Нэша Терли, который выращивал растения, защитив их от кроликов, на участках, разбитых и огороженных в одно и то же время, скорость роста растений часто варьировалась.
 
Например, на четырех участках шестилетнего возраста у самой быстрорастущей популяции скорость роста была на пятьдесят процентов выше, чем у самой медленнорастущей. Похожие расхождения наблюдались среди девяти-, тринадцати- и двадцатипятилетней популяций. Несмотря на то что они росли без кроликов одинаковое количество времени, количественно отличались друг от друга своей эволюционной реакцией. Точно так же в корнуэльском эксперименте, где примула вечерняя была защищена от насекомых, растения начали зацветать гораздо раньше, но степень эволюционного сдвига между участками заметно варьировалась: на некоторых участках появлялось в пять раз больше цветов раньше в сезон, чем на других.
 
Подобная вариативность может указывать на степень неопределенности эволюционной реакции даже у близкородственных популяций, пребывающих в одинаковых избирательных условиях. Подобно большинству научных исследований, изучение экспериментальной эволюции сфокусировано на общих тенденциях, которые анализируются в виде статистических выкладок. А исключения остаются незамеченными. И потому появление отклоняющейся от нормы популяции, адаптирующейся к новым условиям своим способом, может остаться без внимания. В научных публикациях даже не сообщается о такого рода сырых фактах, так что о подобных исключениях из правил, «белых воронах», тех, кто предпочел иной эволюционный путь, читатели могут даже не узнать. Таким образом, степень расхождения меньшинства популяций с основной массой зачастую неясна.
 
Более того, в исследованиях часто сравниваются самые разные признаки, но делается акцент только на тех, которые эволюционируют похожим образом. Те, что развиваются по-разному, не продемонстрируют статистически значимые тенденции и, следовательно, будут проигнорированы, даже несмотря на то, что они могут стать доказательством дивергентных моделей адаптации.
 
Конечно, наличие варьирования в реакциях популяции, подверженной воздействию одинаковых условий окружающей среды, совсем не обязательно свидетельствует об эволюционном непостоянстве. Ведь может быть и так, что условия обитания популяций слегка отличаются друг от друга.
 
А что если отклонения в свойствах растений отражают адаптацию к мельчайшим различиям участков в составе почвы, количестве улиток или тени от деревьев? Не могут ли различия в длине конечностей ящериц отражать легкие отличия видов кустов на разных экспериментальных островах?
 
Нам этого не узнать. Большое преимущество полевых экспериментов в том, что они осуществляются на природе и подвержены всем разнородным селективным воздействиям, которые встречаются в реальном мире. Это не экстрагирование природы и не упрощение ее – это реальная демонстрация того, с чем популяции сталкиваются каждый день.
 
Но у полевых экспериментов есть один большой недостаток – вы не можете проконтролировать все. Природа изменчива даже в пределах коротких расстояний. И эти различия могут помешать толкованию результатов. Вот почему ученых из лабораторий передергивает от одной только мысли провести эксперимент в поле: отсутствие контроля вызывает у них нервную дрожь. Если вы действительно хотите знать, насколько повторяема эволюция и насколько предсказуемо избирательные условия выдадут одинаковый эволюционный результат, тогда проводите свой эксперимент в лаборатории, где условия среды обитания можно четко контролировать. Благодаря своей экспериментальной строгости такие исследования будут соотносимы с реальным миром, но чтобы досконально проверить постулат Гулда, пожалуй, стоит изменить подход.
 

«Экстраординарные заявления нуждаются в экстраординарных доказательствах»

Карл Саган

Научный подход на Google Play

Файлы

От имени науки. О суевериях XX века

Анатомия разума

Введение в математическую философию

Бог не любовь: Как религия все отравляет