«Шанс слабого» или правда ли что всегда выживают сильнейшие

Можно иной раз услышать мнение, будто современный ученый непременно должен использовать сложнейшую экспериментальную технику, что время мыслителей и вдумчивых созерцателей безвозвратно ушло, и наступила пора поглотителей информации, неутомимо вылавливающих зерна истины из нагромождения опытных данных. Публикуемый материал служит опровержением такой точки зрения. И его автор не считает, будто без гигантского синхрофазотрона или микроскопа, увеличивающего в миллионы раз невозможно ныне искать в природе неизвестные нам закономерности. Напротив, как увидит читатель, инструментом постижения истины в его понимании, прежде всего должна служить логика — старое доброе умение не закрывать глаза на очевидное и делать глубокие и фундаментальные выводы из простых и ясных фактов. Иными словами, «Шанс слабого» — это попытка показать, что и сегодня, как вчера или завтра, яркая мысль освещает неизвестное лучше, чем свеча, прожектор или сверхлазерный луч.

Выживают ли наиболее приспособленные

С первых строк — Загадка. Так ли понял я намек? Ведь я так высоко не ставлю Слова,
Чтоб думать, что оно всему основа.
Гёте. «Фауст»

Наше знание вечно мечется между логикой и экспериментом, между словом и опытом. Но в разработке эволюционной теории роль эксперимента весьма ограниченна. Знаменитый «монблан фактов», использованный Дарвином,— по преимуществу наблюдения. Даже в наше время опыты, которые бы проверяли и подтверждали действие в природе факторов видообразования, считаются на единицы. И потому рассказ, посвященный именно такому редкостному эксперименту, должен все-таки начаться словом, то есть рассуждениями самого экспериментатора о том, почему и зачем он ставит свои опыты.

В природе выживают наиболее приспособленные особи. Эта точка зрения знакома со школьной скамьи и связана с теорией естественного отбора, разработанной Дарвином. Она представляется настолько очевидной, что проверять ее экспериментально кажется излишним. На вопрос, выживают ли в природе наиболее приспособленные особи, обычно отвечают вопросом: «А как же иначе?» Но на самом деле все не так просто, как кажется.

То, что мы объединяем понятием «жизнь», является организованной определенным образом материей. Организм состоит из клеток, клетки обладают значительной самостоятельностью, но в системе организма они находятся под контролем организменного уровня объединения, который, в свою очередь, контролируется более высокими уровнями. Каждый уровень имеет механизмы, охраняющие его относительное постоянство при изменении внешней по отношению к нему среды. Такого рода механизмы объединяются термином «гомеостаз». И каждый уровень организации имеет свой механизм гомеостазе.

Отсюда следует вывод, что организмы могут существовать в природе, только являясь элементами многоярусной системы гомеостазов. И на каждом уровне этой системы обеспечивается какое-либо из условий существования живого. Благодаря гомеостазу биосферы организм может дышать, а благодаря гомеостазу биоценоза — питаться. Что касается гомеостаза на семейном уровне, то он обеспечивает размножение, то есть передачу генетической информации от родителей потомству, а на популяционном уровне — сохранение этой информации в ряду поколений, несмотря на колебания среды обитания животных и растений.

Все это важно учитывать, чтобы не переносить, как это часто делается, отношения, возникающие на одном из уровней, на другие. Кроме того, представление о многоярусном гомеостазе как условии жизни и эволюции органического мира подчеркивает значительную несамостоятельность каждого уровня отдельно и его зависимость в первую очередь от более высоких уровней организации.

С этой точки зрения обращает на себя внимание, что формулировка «выживают наиболее приспособленные особи» рассматривает приспособленность как качество, присущее одной особи, то есть речь идет об организменном уровне.

Для определения «наиболее приспособленной особи» группу организмов подвергают повреждающему воздействию какого-либо экологического фактора (температуры, влажности и т. д.). Тот организм, который переживает остальных, и является наиболее приспособленным.

Но можно быть хорошо приспособленным к одним условиям среды и плохо — к другим. Скажем, животные, легко переносящие повышенную температуру, чаще всего первыми гибнут в холод. Таким образом, лучшей или худшей приспособленности вообще не существует, она всегда связана с определенными и совершенно конкретными условиями среды.

Однако по ходу развития науки выяснилось, что выживаемость отдельного организма не может иметь для эволюции решающего значения, так как очень часто особи, выжившие после отбора, оказываются бесплодными. Это значит, что процесс воспроизведения потомства оказался более чувствительным к неблагоприятным воздействиям по сравнению с выживаемостью самого организма. А у организмов с половым размножением количество потомков, выживших после отбора, не может быть характеристикой одного организма, так как оно зависит от плодовитости двух особей: отца и матери. Другими словами, в этом случае речь идет о приспособленности не отдельной особи, а совокупности организмов на семейно-стадном уровне.

В последние годы изучалось изменение реакции популяции на отбор в ответ на изменение температуры среды. В этих опытах подчиненная роль организменного уровня выступает с особой наглядностью.

Один из способов убедиться в том, что Жизнь сложна

Биологи активно исследуют те цепочки связей, с помощью которых организм приспосабливается к среде. Цепочки эти — физиологические. Начальное средоточие физиологических процессов — клетка, с клеточного уровня и начинается исследование механизмов приспособления — адаптации — к самым разным окружающим условиям. Температурным, например.

Приспособительный ответ организма на внешнюю ситуацию — действие целенаправленное, оно охраняет живое существо и дает ему возможность нормально развиваться. Это целая система реакций, и само по себе выделение уровня, на котором такую систему исследовать наиболее удобно,— задача не из простых. Отдельные ткани и органы встречаются со средой только в составе организма как целого. Тем более это относится к молекулярным реакциям, но ведь именно молекулы — материальное воплощение всех физиологических процессов, их основа. С другой стороны, организм, как мы только что видели,— вовсе не конечное звено в цепи организации живой природы. Популяция, вид и так далее — тоже некие целостности, и именно в генофонде популяций хранятся наследственные программы, обеспечивающие сохранность и надежность приспособлений, обретенных в длительном процессе притирания живого друг к другу и неживому.

Словом, когда исследователь принимается за изучение адаптаций, ему предстоит сначала выяснить, с какой стороны и каким образом подойти к делу.

Любой организм начинается с клетки. А значит, приспособительные возможности и механизмы организмов и целых популяций вполне можно изучать по клеткам. Правда, останавливаться только на клеточном уровне в таких исследованиях было бы неправильным.

Тот факт, что приспособления к среде вырабатываются в процессе видообразования,— аксиома для биологов. Но, как ни странно, исследуя различия в приспособленности живых существ, физиологи до сих пор не пытались прощупать как раз механизмы возникновения новых видов. Ученым такая задача показалась заманчивой, тем более, что в целом экспериментальный материал, например, по приспособлениям к меняющейся температуре среды, накоплен большой и сравнить есть с чем. За температурные адаптации и взялись, точнее, за адаптации к повышенному теплу, учтя некоторые соображения.

В природе все живое борется за жизнь. С этим положением согласны все, но при построении эволюционных концепций оно никем всерьез не учитывается. И напрасно. Ведь крайне любопытно посмотреть, как именно идет борьба, что за механизмы используются при этом.

В пустыне Каракумы обитает несколько десятков видов холоднокровных животных. Однако среди них нет ни одной особи, которая не умерла бы, если бы ее оставить в жаркое время года на солнцепеке. Не умея регулировать температуру тела, эти животные погибают на солнце уже через несколько минут. Своей способностью жить в пустыне они обязаны умению разными способами избегать перегрева, то есть спасаться от термального отбора. Обычно эти животные самое жаркое время дня проводят в прохладных норах и выходят на поверхность песка в утренние и вечерние часы, когда температурные условия для них благоприятны. Таким образом, в природе отбору особей противопоставлено приспособительное поведение, которое позволяет животным избегать гибели, а следовательно, и отбора.

Не поняв этого явления, нельзя решить поставленную проблему. И потому пришлось детально разобраться в специфических особенностях процесса отбора.

Требуются особые способности

Сначала в лаборатории исследовалась теплоустойчивость клеток и белков у нескольких сот видов холоднокровных животных. Выяснилось, что близкородственные виды обычно различаются по ее уровню и что способность переносить жару четко зависит от того, какая температура обычно окружает животных. То есть ткани, скажем, у лягушек, живущих южнее, теплоустойчивее тканей их северных соседей. Выходило, что формирование нового вида затрагивает основную массу клеток и белков, глубоко перестраивая организмы. А поскольку такая перестройка явно связана была с температурой окружающей среды, мог следовать только один вывод: температура играет важную роль в видообразовании холоднокровных.

Опыты на жаровыносливость, которые проводили в разных странах, выявили у животных одно поразительное свойство: удивительную способность к временному увеличению теплоустойчивости в ответ на изменение окружающей температуры. Такая способность очень важна, она, как и прямое бегство, спасает вид от поголовного вымирания, снижает давление отбора, когда температура повышается далеко за пределы обычного. Это значит, что в естественных условиях отбору противостоит чисто физиологический механизм приспособления: защитное временное, а потому ненаследуемое повышение теплоустойчивости, которое снижает смертность животных.

Детальным исследованием этого противостояния и занялись биологи. Их интересовало, к чему оно приводит, каков его эволюционный смысл. Для этого в лаборатории попытались воспроизвести самую реальную естественную ситуацию, то есть подопытных сначала подогревали немного, а уж потом обрекали на смертельную дозу тепла. Что и говорить, жестокий опыт.

Чтобы выполнить свою — необычную для физиолога — задачу возможно лучше, ученые изобрели особый прием исследований, назвав его сибанализмом. В чем была его оригинальность? Генетики судят о результатах естественного отбора по тому, как изменятся потомки первого поколения, чьи родители подверглись роковым воздействиям окружающей среды. Короче говоря, они имеют дело с конечным итогом происшедших событий. В данном же случае задача состояла в том, чтобы исследовать сам процесс отбора и влияние на него тех качеств организма, которые более всего интересовали физиолога: способность изменять свои реакции под давлением необычных условий, жары например. Ведь живая природа потому и живая, что она активна и способна противостоять обстоятельствам, уклоняться от них. Так что же происходит, когда уже не хватает быстрых ног или юркого тела, способного забраться в любую щель, когда в действие вступает генетика и физиология, и вся надежда — на счастливую наследственность?

Для исследований выбирались только холоднокровные животные, поскольку для них сильное похолодание или потепление на несколько градусов сверх привычных — смерть. Но если при похолодании можно впасть в анабиоз, то при потеплении никуда не денешься. Исследователям было важно по возможности исключить те качества особей, которые связаны с различиями в среде. Для этого при опытах животных выращивали в строго одинаковых условиях, при постоянной и наилучшей для них температуре, еде, световом режиме и т. д. Таким образом, разная степень устойчивости к чрезмерному теплу букашек и зверюшек зависела главным образом от разницы в их наследственных качествах. А чтобы проследить, как далее эта разница скажется на их судьбах, исследователи выбирали виды плодовитые, брали потомство нескольких семей, обладающих разной выносливостью.

Поделив его на группы, контрольные и подопытные, следили за каждой в отдельности. Особенно удобно было работать с клонами — потомством партеногенетической мамаши (партеногенез — размножение, в котором не участвуют самцы), ведь все сестрицы в таком клоне — близнецы, и исследовать вариации их судеб — все равно что следить за перипетиями одного и того же индивидуума.

Во всех опытах важную роль играет коэффициент наследуемости. Это показатель, определяющий, в какой степени жестко запрограммирован исследуемый признак, в данном случае теплоустойчивость. Коэффициент этот экспериментаторы вычисляют, сравнивая либо потомство и родителей (или дочерей с их матерями в клонах), либо потомков разных семей, то есть устанавливая его от обратного — по разнице в свойствах. Не будем останавливаться на том, как практически добываются такие цифры. Методы известны специалистам, поверим им в том, что эти методы достаточно надежны.

Все эти условия были приняты для того, чтобы можно было уже по одной серии опытов судить о конечном итоге. Ведь при их соблюдении обнажались генетические различия между особями, и перед экспериментатором открывалась возможность проследить реакции отдельных генотипов в ответе популяции на изменение среды.

Итак, представительные клоны или семьи дрозофил, раков, рыб, лягушек и т. д., воспитанные в строго одинаковой среде, помещались в различные камеры, часть слегка подогревали, температуру фиксировали (остальных оставляли пока в покое), а потом всем сразу давали дозу тепла, при которой им грозит гибель. И вот что получилось. Во-первых, было подтверждено, что если животных сначала акклиматизировать, то есть немного подогреть, они станут гораздо выносливее в последующих испытаниях. И чем выше температура при акклиматизации, тем легче переносится главное испытание. В ряде опытов стойкость особей возрастала в четыре раза и более, а это что-нибудь да значит. Ведь никакая жара в самой страшной пустыне не наступает мгновенно, ей предшествует постепенное повышение температуры — именно эта особенность естественной среды на нашей планете и моделировалась закаливанием животных.

Во-вторых, как раз при искусственном, лабораторном отборе, то есть при совершенно внезапном для животных изменении климата, что в природе бывает чрезвычайно редко, их гибель проходила строго по науке — выживали наиболее приспособленные, те, в чьих генах была заложена терпимость к слишком большому теплу.

В-третьих (и тут начинается самое интересное), закаленные животные — или их клетки,— повергнутые в смертельные условия, погибали совсем не по тем правилам, что незакаленные. «Породистые» линии с отмеченной хорошей наследственностью по части теплоустойчивости теперь ничем уже не выделялись среди своих собратьев. Оказалось, что при закаливании слабаки по природе более энергично приноравливаются к новым условиям. Более того, чем крепче были животные от рождения, тем инертнее реагировали на новую обстановку и, напротив, чем более невыгодное передавали им родители наследство, тем активнее в них работала биохимическая система перестройки на новый лад.

Что же в итоге? В итоге все оказались в равных условиях отбора по наследственным признакам после предварительной акклиматизации, то есть репетиции предстоящих испытаний не происходило. Когда температура достигала невыносимого уровня, начиналась неизбирательная гибель, и выживали случайные, а не наиболее приспособленные особи.

Но ведь моделировались естественные условия, и, следовательно, подвергался испытанию естественный отбор!..

Однако прежде чем переходить к возможным толкованиям событий, развивавшихся в лаборатории, расскажем еще об одном, последнем. Читатель наших дней уже, как правило, искушен в генетической терминологии. Тем не менее, напомним, что для генетика любые особи по любому из признаков, их отличающих, делятся на гомозиготные и гетерозиготные. Первые — это такие, в чьем наследственном аппарате код этого признака хранится в единственном варианте, а вторые прячут в своей наследственности, кроме той вариации, которая воплотилась в организме, и другие.

Так вот было замечено, что в зимнюю пору среди травяных лягушек очевидное преимущество при отборе на жаровыносливость имеют такие, что содержат в клетках, скажем так, некий фермент в некоторой вариации (на научном языке это прозвучит как изозим эстеразы А2), притом только в гомозиготной форме. Гетерозиготы по этому признаку оказываются наделенными другими вариациями фермента (генетик скажет, что изозим эстеразы А2 — признак кодоминантный). Исследователи использовали этот признак в качестве маркера. Счастливые обладатели выигрышного свойства попали в лабораторию, где их, как и всех прочих, подогрели до совершенно безвредной величины, и вот после этого оказалось, что они лишились всех своих преимуществ. Наследственный селективный признак стал полностью нейтральным. Итог этот был уже не нов для исследователей лаборатории, но впечатлял тем, что использованный генетический маркер делал его особенно убедительным. Новым оказалось продолжение эксперимента.

Проделав те же самые операции летом, исследователи убедились, что на этот раз селективное преимущество имеют (после акклиматизации) по отбираемому признаку как раз гетерозиготы. То есть такие особи, у которых в генах заложены разные его вариации, как самая выгодная, так и самая невыгодная в данной ситуации. Преимущество оказалось притом настолько явным, что, скажем, при гибели девяноста процентов особей выживали одни лишь носительницы многообразия. Природа, как оказалось, настойчиво борется именно за него. Разнообразие — ее главная цель.

Что же это все значит? Зачем природе понадобились неприспособленные?

Главный вывод сводится к тому, что популяция представляет собой целостную систему, способную к саморегуляции и самозащите. Обнаруженная в экспериментах совокупность защитных реакций образует единый механизм, названный нами физиологическим гомеостазом популяции. В естественных условиях он предохраняет популяцию от отбора. Благодаря гибкости каждого индивидуума до какого-то рубежа выносливости численность популяции поддерживается на постоянном уровне. А если этот рубеж все-таки преодолен, окружающая среда столь неблагоприятна, что начинается гибель особей, то даже при массовом их вымирании генетическая структура популяции остается без существенных изменений.

В этом выводе нет ничего неожиданного, так как определенная разнокачественность особей, образующих ее генетическую структуру,— необходимое условие существования популяции. Именно поэтому маленькие популяции с нарушенной генетической структурой оказываются нежизнеспособными.

Возвращаясь к вопросу, с которого мы начали разговор, приходится убедиться в том, что у живущих в настоящее время видов основная часть особей, за исключением больных и уродливых, достаточно хорошо приспособлена к условиям обитания и, следовательно, все они в одинаковой степени необходимы для популяции как целостной системы. А отсюда и вопрос о том, какие особи в природе выживают, сам по себе лишен смысла. Ведь не будем же мы спрашивать, что важнее для человека — сердце, легкое или мозг, так как хорошо понимаем, что для существования организма необходима нормальная функция всех этих органов вместе. Другими словами, оценить роль организменного уровня в процессе эволюции можно, по нашему мнению, только в результате решения более общей проблемы, о которой шла речь в начале нашего разговора, анализируя вопрос о соотношении многоярусного гомеостаза и эволюции органического мира.

В заключение хочется отметить, что широко распространенная в настоящее время точка зрения на современное состояние эволюционного учения излишне оптимистична, ибо полагает, что проблема эволюции в принципе решена. Такая точка зрения парализует поиск новых путей для решения проблемы. Может быть, именно поэтому нынешний момент в развитии эволюционного учения характеризуется острым дефицитом свежих идей. Хочется надеяться, что обнаружение явлений, подобных физиологическому гомеостазу популяции, явится тем стимулом, который разбудит творческую фантазию ученых, занятых изучением процесса эволюции.

Читатель может подумать, что все сказанное — лишь сугубо теоретические изыскания, никак не связанные с сегодняшней практикой. Но это не так: идеи, волнующие лабораторию сравнительной цитологии, оказываются, весьма практичными, когда, скажем, надо разработать метод заселения водоемов со сбросовыми водами промышленных предприятий. Задача, как научить выживать обитателей этой изначально никак не предназначенной для существования живого среды, как раз имеет прямое отношение к вопросам, поднятым в этой статье.

Автор: Т. Чеховская.