Эволюционная теория изо дня в день подтверждается научно-исследовательской практикой

Практикующих биологов убеждают в реальности эволюции не только (и даже не столько) факты, изложенные в предыдущих разделах (не каждый биолог держит их постоянно в голове), сколько повседневная научно-исследовательская практика, которая, как известно, критерий истины. Эволюционная теория — весьма эффективное практическое средство, позволяющее предсказывать новые, еще не открытые факты, целенаправленно искать их и находить. В предыдущих разделах мы уже упоминали о нескольких предсказаниях такого рода, которые направили работу исследователей в определенную сторону (т.е. стали исследовательской программой) и привели к успеху, то есть к открытию новых фактов, прежде неизвестных, но предсказанных теорией. К числу самых известных примеров относится предсказанная Дарвином длительная история жизни на Земле в период, предшествовавший «кембрийскому взрыву«— и триумфальный успех палеонтологии докембрия в XX веке; предсказанное и подтвержденное основателями молекулярной генетики единство генетического кода всех живых организмов (см. раздел «Молекулярно-генетические и биохимические доказательства«), многочисленные предсказанные и найденные ископаемые переходные формы (например, тиктаалика искали совершенно целенаправленно в отложениях строго определенного возраста, там, где была «дырка» между уже известными переходными формами от рыб к четвероногим), см. раздел «Палеонтологические доказательства«.

Но убежденность биологов основана не столько на этих хрестоматийных и широко разрекламированных триумфах эволюционной теории, сколько на бесчисленном множестве открытий меньшего масштаба, но зато повседневных и повсеместных, которые были выполнены по алгоритму «предсказал — проверил — подтвердил». Рассмотрим пару примеров, взятых наугад из статей, опубликованных в течение последнего месяца (эти строки написаны в феврале 2010 г.)

1. Как коловратки спасаются от паразитов. Эволюционная теория позволила дать убедительный ответ на очень непростой вопрос о том, почему в природе так широко распространено половое размножение (ведь гораздо проще почковаться или размножаться партеногенетически, как некоторые организмы и делают). Суть этого ответа в том, что половое размножение резко повышает эффективность естественного отбора, ускоряя отбраковку вредных и накопление полезных мутаций. Этот эффект полового размножения был предсказан теоретически, а затем подтвержден экспериментально. История о том, как эволюционная теория позволила понять, зачем нужно половое размножение, тоже очень подходит нам для иллюстрации основной идеи данного раздела (подробности см. в заметке «Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная«), но мы сейчас хотим рассказать о другом, более частном исследовании.

Способность полового размножения ускорять адаптивную (приспособительную) эволюцию особенно важна для борьбы с паразитами, которые ведут со своими жертвами нескончаемую «эволюционную гонку вооружений» (см.: Современные паразиты опаснее прошлых и будущих).

Бделлоидные коловратки — единственная большая группа животных, в которой утрата полового размножения не привела к быстрому вымиранию. Все остальные группы, отказавшиеся от полового размножения, представляют собой маленькие концевые веточки (или небольшие пучки веточек) на эволюционном дереве. Это означает, что такие группы обычно вымирают, не успев дать начало большим таксонам (семействам, отрядам или классам). Теория предсказывает, что важной причиной вымирания бесполых популяций являются паразиты, обгоняющие их в эволюционной гонке и доводящие до полного истребления.

Заметьте, вот еще одна маленькая деталь, показывающая силу эволюционной теории. Мы берем одну эволюционную модель (объяснение, зачем нужно половое размножение), выводим из нее проверяемое следствие (группы животных, отказавшиеся от полового размножения, должны в большинстве случаев быстро вымирать), и затем проверяем это предположение при помощи другой эволюционной модели (в данном случае это многочисленные независимые методы построения эволюционных деревьев). Если обе наши модели правильные, мы должны увидеть, что большинство бесполых групп животных представляют собой отдельные концевые веточки на эволюционном дереве или маленькие концевые пучки веточек. Именно это мы и видим. Тем самым добавляется еще одна капелька в давно уже переполненную чашу нашей уверенности в реальности эволюции.

Бделлоидные коловратки, однако, обходятся без полового размножения уже как минимум 40 миллионов лет. За это время они успели стать довольно разнообразной группой, которой биологи придают ранг класса и которая включает более 450 современных видов. Следовательно, если теория верна, у коловраток должно быть какое-то «тайное оружие» против паразитов, позволяющее им процветать невзирая на отсутствие полового размножения. Биологи Кристофер Уилсон и Пол Шерман из Корнеллского университета (США) предположили, что бделлоидные коловратки спасаются от паразитов благодаря трем своим уникальным свойствам. Во-первых, бделлоидные коловратки умеют переносить полное высыхание, причем жизнеспособность в высушенном состоянии у них сохраняется до 9 лет. Во-вторых, в сухом виде они очень легко переносятся ветром (именно поэтому многие виды бделлоидных коловраток имеют глобальное распространение). В-третьих, они моментально «отмокают» и начинают расти и размножаться, стоит им попасть в любое влажное место, будь то эфемерная маленькая лужа или пучок сырого мха.

Главными врагами бделлоидных коловраток являются паразитические грибы рода Rotiferophthora. Это специализированные паразиты, вызывающие смертельное заболевание у бделлоидных коловраток и ни у кого больше. Гриб убивает коловратку, прорастает наружу через ее покровы и рассеивает споры, которые поедаются другими коловратками и заражают их. Заболевание характеризуется 100-процентной смертностью — это как раз то, чего и следует ожидать в случае проигранной эволюционной гонки.

Слева — здоровая бделлоидная коловратка, справа — то, что от нее остается после заражения грибом Rotiferophthora

Исследователи решили проверить, могут ли коловратки избавиться от паразитов при помощи высыхания и последующего перенесения ветром. Коловраток рассаживали по одной в чашки Петри и давали им спокойно жить и размножаться в течение 9 дней. За это время каждая коловратка успевала дать начало маленькой популяции из нескольких десятков особей. После этого во все чашки, кроме контрольных, добавляли споры смертоносного гриба Rotiferophthora angustispora. Гриб начинал бурно размножаться и истреблял всех коловраток в чашке за 12–15 дней. Затем ученые попробовали высушивать зараженную популяцию коловраток через три дня после заражения и оставлять в сухом виде на неделю. После этого в чашку снова наливали воды. Поначалу казалось, что всё идет нормально: коловратки оживали и выглядели здоровыми, а вода была незаразной для других коловраток, что свидетельствует об отсутствии живых грибных спор. Но уже через 48 часов из тел мертвых коловраток начинали показываться гифы уцелевших грибов, они рассеивали споры, и через 2–3 недели популяция коловраток погибала. Оставив зараженных коловраток в высушенном виде не на одну, а на две недели, ученые получили точно такой же результат: после добавления воды оживали не только коловратки, но и грибы, и всё кончалось плачевно.

Однако результаты получились совсем другими, когда популяции высушивали на более долгий срок — 3, 4 или 5 недель. В этом случае большинство «размоченных» популяций оставались свободными от грибной инфекции вплоть до конца эксперимента (в течение 20 недель). После трехнедельного высушивания грибы «ожили» только в 40% подопытных популяций, после четырехнедельного — в 15%, пятинедельного — в 9,5%. Таким образом, коловратки выдерживают высыхание лучше, чем их паразиты. Ясно, что эта способность должна помогать им бороться с грибной инфекцией в природе.

Помогает ли им в этом также и распространение при помощи ветра? Ученые соорудили камеру, в которой дул легкий ветерок, и поставили туда чашку с зараженной и только что высушенной популяцией коловраток. В чашке были также естественные субстраты: мох и ил. На расстоянии 30–40 см были установлены 24 пустые чашки. За неделю в эти чашки нанесло ветром в общей сложности 5 мг сухого материала. Чашки залили водой, и в 17 из них вскоре обнаружились ожившие коловратки. В семи из этих семнадцати популяций вскоре появился гриб-паразит, который расправился с коловратками, как обычно, в течение 2–3 недель. Однако остальные 10 популяций оказались свободными от гриба и чувствовали себя нормально до окончания эксперимента.

Таким образом, без ветра коловраткам требовалось пролежать в сухом виде не менее трех недель, чтобы избавиться от инфекции. Переносимые ветром, коловратки освобождались от гриба гораздо быстрее. Следовательно, ветер действительно может помогать коловраткам спасаться от паразита. Видимо, это связано с тем, что коловратки лучше приспособлены к распространению при помощи ветра, чем гриб. Здоровые коловратки, высыхая, превращаются в компактные (менее 300 мкм) и очень легкие овальные тельца, которые называют «бочонками» (tuns). «Бочонки» исключительно хорошо переносятся ветром. Гриб же приспособлен в основном к распространению через воду. В контрольном эксперименте, когда зараженную популяцию не высушивали и расселяли капельками воды, все дочерние популяции оказались зараженными и вскоре погибли.

Очевидно, что в природе коловраткам и их паразитам часто приходится сталкиваться и с более долгими засухами, и с переносом на гораздо большие расстояния, чем в проведенных экспериментах. Полученные результаты показали, что коловратки ухитряются выжить без полового размножения благодаря тому, что хорошо научились играть с паразитами в прятки. Таким образом, предсказанное эволюционной теорией «тайное оружие» коловраток было успешно найдено благодаря целенаправленному поиску. Источник:Christopher G. Wilson, Paul W. Sherman. Anciently Asexual Bdelloid Rotifers Escape Lethal Fungal Parasites by Drying Up and Blowing Away // Science. 2010. V. 327. P. 574–576.

2. Взаимопомощь среди сперматозоидов. Полиандрия — спаривание самки со многими самцами — приводит к острой конкуренции между сперматозоидами за право оплодотворить яйцеклетку. Эту конкуренцию можно рассматривать с двух точек зрения: отдельных сперматозоидов (с одинарным набором хромосом) и целых самцов (с двойным набором). Эволюционная гонка вооружений, порождаемая «спермовыми войнами», ведет к выработке специфических адаптаций на обоих уровнях. Как правило, самцов тех видов, для которых характерны спермовые войны, легко опознать по крупным семенникам. Чем больше они производят спермы, тем выше их шансы оставить потомство (типичный пример — шимпанзе; у человека, напротив, маленькие семенники — это свидетельствует о том, что в эволюции гоминид спермовые войны не имели большого значения). Сперматозоиды, со своей стороны, тоже вырабатывают специфические приспособления для победы в отчаянной гонке, в которой генам-победителям достается шанс на бессмертие. Одним из таких приспособлений является способность сперматозоидов объединяться в группы, склеиваясь «головка к головке» или «головка к хвосту». Смысл в том, что такие группы быстрее движутся в половых путях самки и обгоняют конкурентов-одиночек.

В кооперации сперматозоидов присутствует элемент альтруизма, ведь из всей группы только один сперматозоид может передать свои гены следующим поколениям, а все остальные жертвуют собой, чтобы ему помочь. Но они, скорее всего, не знают заранее, кто именно окажется счастливчиком, а у сперматозоидов-одиночек шансы на успех всё равно ниже, чем у любого члена группы.

Однако при полиандрии выгодно помогать не всякому сперматозоиду, а только родственнику, то есть сперматозоиду того же самца. Сперматозоиды одного самца имеют в среднем по 50% одинаковых генов, поэтому, согласно правилу Гамильтона (см.: Эволюция кооперации и альтруизма), каждому сперматозоиду выгодно пожертвовать частью собственных шансов на успех ради родственников, если их суммарный выигрыш от этого более чем вдвое превысит его проигрыш. Совсем другое дело, если речь идет о чужих сперматозоидах: помогать им во вред себе совершенно невыгодно.

Таким образом, эволюционная теория предсказывает, что у видов, для которых характерна полиандрия, отбор может поддержать способность сперматозоидов отличать родню от чужаков и кооперироваться только со «своими».

Для проверки этого предсказания ученые из Гарвардского университета (США) изучили поведение сперматозоидов у двух близкородственных видов американских хомячков рода Peromyscus, которых в Америке называют «оленьими мышами» (deer mice) (см. о них в заметке: Эволюция защитной окраски у мышей изучена на молекулярном уровне). Для одного из видов (P. maniculatus) характерна полиандрия, причем между спариваниями одной самки с двумя разными самцами проходит порой меньше минуты. Самки второго вида (P. polionotus) более целомудренны и предпочитают устойчивые семейные связи. В соответствии с этим и семенники у самцов P. maniculatus втрое крупнее, чем у P. polionotus.

Для начала исследователи убедились, что у обоих видов сперматозоиды склонны объединяться в группы. Эти группы, как показали эксперименты in vitro (в пробирке), плавают в среднем со скоростью 127 микрометров в секунду и уверенно обгоняют одиночек, средняя скорость которых составляет лишь 110 мкм/с.

После этого были проведены эксперименты на избирательность объединений. Сперматозоиды разных особей красили двумя разными флюоресцентными красителями (красным и зеленым), а затем следили за их поведением в искусственной среде. В качестве контроля в этих опытах использовались сперматозоиды одного самца, половина из которых была выкрашена в красный, половина — в зеленый цвет. Подсчитывался процент одноцветных сперматозоидов в каждой группировке.

Оказалось, что если смешать сперматозоиды двух видов, то они образуют преимущественно конспецифичные группировки, то есть объединяются в соответствии с видовой принадлежностью. Значит, способность к различению «своих» и «чужих» у сперматозоидов имеется. Во втором эксперименте смешали сперматозоиды двух разных самцов P. maniculatus. Они тоже образовали одноцветные группы по родственному принципу. Но когда экспериментаторы смешали сперматозоиды двух самцов моногамного вида P. polionotus, для которых спермовые войны не актуальны, сперматозоиды стали образовывать смешанные красно-зеленые группировки. Таким образом, эксперименты полностью подтвердили теоретические ожидания: у вида с полиандрией сперматозоиды разных самцов различают друг друга и объединяются только со «своими», а у моногамного вида сперматозоиды не имеют такой избирательности. Как и в предыдущем примере, неизвестный ранее факт — умение сперматозоидов группироваться по родственному принципу — был обнаружен в результате целенаправленного поиска. Эволюционная теория подсказала исследователям, что искать и где, и привела их к успеху. Источник: Heidi S. Fisher, Hopi E. Hoekstra. Competition drives cooperation among closely related sperm of deer mice // Nature. Advance online publication 20 January 2010.

Постоянно сталкиваясь с подобными ситуациями, биологи раз за разом убеждаются в действенности эволюционных моделей. Стоит ли удивляться, что среди биологов сегодня практически не осталось антиэволюционистов?

Дата добавления: 2015-07-15