«Шанс слабкого» або чи правда що завжди виживають найсильніші

Можна іноді почути думку, ніби сучасний вчений неодмінно повинен використовувати складну експериментальну техніку, що час мислителів і вдумливих споглядачів безповоротно пішов, і настала пора поглиначів інформації, які невтомно виловлюють зерна істини з нагромадження дослідних даних. Публікований матеріал служить спростуванням такої точки зору. І його автор не вважає, ніби без гігантського синхрофазотрона або мікроскопа, що збільшує в мільйони разів неможливо нині шукати в природі невідомі нам закономірності. Навпаки, як побачить читач, інструментом осягнення істини в його розумінні перш за все повинна служити логіка – старе добре вміння не закривати очі на очевидне і робити глибокі і фундаментальні висновки з простих і ясних фактів. Іншими словами «шанс слабкого» – це спроба показати, що і сьогодні, як вчора або завтра, яскрава думка висвітлює невідоме краще, ніж свічка, прожектор або надлазерний промінь.

Чи виживають найбільш пристосовані

З перших рядків – загадка. Чи так зрозумів я натяк? Адже я так високо не ставлю слово, щоб думати, що воно всьому основа.
Гете. «Фауст»

Наше знання вічно коливається між логікою та експериментом, між словом і дослідом. Але в розробці еволюційної теорії роль експерименту досить обмежена. Знаменитий «монблан фактів», використаний Дарвіном,— переважно спостереження. Навіть в наш час досліди, які б перевіряли і підтверджували дію в природі факторів видоутворення, рахуються на одиниці. І тому розповідь, присвячена саме такому рідкісному експерименту, повинна все-таки початися словом, тобто міркуваннями самого експериментатора про те, чому і навіщо він ставить свої досліди.

У природі виживають найбільш пристосовані особини. Ця точка зору знайома зі шкільної лави і пов’язана з теорією природного відбору, розробленої Дарвіном. Вона представляється настільки очевидною, що перевіряти її експериментально здається зайвим. На питання, чи виживають в природі найбільш пристосовані особини, зазвичай відповідають питанням: «а як же інакше?» Але насправді все не так просто, як здається.

Те, що ми об’єднуємо поняттям «життя», є організованою певним чином матерією. Організм складається з клітин, клітини володіють значною самостійністю, але в системі організму вони знаходяться під контролем організмового рівня об’єднання, який, в свою чергу, контролюється більш високими рівнями. Кожен рівень має механізми, що охороняють його відносну сталість при зміні зовнішнього по відношенню до нього середовища. Такого роду механізми об’єднуються терміном «гомеостаз». І кожен рівень організації має свій механізм гомеостазу.

Звідси випливає висновок, що організми можуть існувати в природі, тільки будучи елементами багатоярусної системи гомеостазів. І на кожному рівні цієї системи забезпечується будь-яка з умов існування живого. Завдяки гомеостазу біосфери організм може дихати, а завдяки гомеостазу біоценозу – харчуватися. Що стосується гомеостазу на сімейному рівні, то він забезпечує розмноження, тобто передачу генетичної інформації від батьків потомству, а на популяційному рівні — збереження цієї інформації в ряду поколінь, незважаючи на коливання середовища проживання тварин і рослин.

Все це важливо враховувати, щоб не переносити, як це часто робиться, відносини, що виникають на одному з рівнів, на інші. Крім того, уявлення про багатоярусний гомеостаз як умови життя і еволюції органічного світу підкреслює значну несамостійність кожного рівня окремо і його залежність в першу чергу від більш високих рівнів організації.

З цієї точки зору звертає на себе увагу, що формулювання «виживають найбільш пристосовані особини» розглядає пристосованість як якість, притаманну одній особині, тобто мова йде про організмові рівні.

Для визначення «найбільш пристосованої особини» групу організмів піддають шкідливому впливу будь-якого екологічного фактора (температури, вологості і т.д.). Той організм, який переживає інших, і є найбільш пристосованим.

Але можна бути добре пристосованим до одних умов середовища і погано — до інших. Скажімо, тварини, що легко переносять підвищену температуру, найчастіше першими гинуть в холод. Таким чином, кращої або гіршої пристосованості взагалі не існує, вона завжди пов’язана з певними і абсолютно конкретними умовами середовища.

Однак по ходу розвитку науки з’ясувалося, що виживаність окремого організму не може мати для еволюції вирішального значення, так як дуже часто особини, які вижили після відбору, виявляються безплідними. Це означає, що процес відтворення потомства виявився більш чутливим до несприятливих впливів в порівнянні з виживаністю самого організму. А у організмів з статевим розмноженням кількість нащадків, які вижили після відбору, не може бути характеристикою одного організму, так як вона залежить від плодючості двох особин: батька і матері. Іншими словами, в цьому випадку мова йде про пристосованість не окремої особини, а сукупності організмів на сімейно-стадному рівні.

В останні роки вивчалася зміна реакції популяції на відбір у відповідь на зміну температури середовища. У цих дослідах підпорядкована роль організмового рівня виступає з особливою наочністю.

Один із способів переконатися в тому, що життя складне

Біологи активно досліджують ті ланцюжки зв’язків, за допомогою яких організм пристосовується до середовища. Ланцюжки ці – фізіологічні. Початковий осередок фізіологічних процесів – клітина, з клітинного рівня і починається дослідження механізмів пристосування — адаптації — до самих різних навколишніх умов. Температурних, наприклад.

Пристосувальна відповідь організму на зовнішню ситуацію — дія цілеспрямована, вона охороняє живу істоту і дає їй можливість нормально розвиватися. Це ціла система реакцій, і саме по собі виділення рівня, на якому таку систему досліджувати найбільш зручно,— завдання не з простих. Окремі тканини і органи зустрічаються з середовищем тільки в складі організму як цілого. Тим більше це відноситься до молекулярних реакцій, але ж саме молекули — матеріальне втілення всіх фізіологічних процесів, їх основа. З іншого боку, організм, як ми тільки що бачили,— зовсім не кінцева ланка в ланцюзі організації живої природи. Популяція, вид і так далі — теж якісь цілісності, і саме в генофонді популяцій зберігаються спадкові програми, що забезпечують збереження і надійність пристосувань, знайдених в тривалому процесі притирання живого один до одного і неживого.

Словом, коли дослідник приймається за вивчення адаптацій, йому належить спочатку з’ясувати, з якого боку і яким чином підійти до справи.

Будь-який організм починається з клітини. А значить, пристосувальні можливості і механізми організмів і цілих популяцій цілком можна вивчати по клітинам. Правда, зупинятися тільки на клітинному рівні в таких дослідженнях було б неправильним.

Той факт, що пристосування до середовища виробляються в процесі видоутворення,— аксіома для біологів. Але, як не дивно, досліджуючи відмінності в пристосованості живих істот, фізіологи досі не намагалися промацати якраз механізми виникнення нових видів. Вченим таке завдання здалося привабливим, тим більше, що в цілому експериментальний матеріал, наприклад, по пристосуваннях до мінливої температури середовища, накопичений великий і порівняти є з чим. За температурні адаптації і взялися, точніше, за адаптації до підвищеного тепла, врахувавши деякі міркування.

У природі все живе бореться за життя. З цим положенням згодні всі, але при побудові еволюційних концепцій воно ніким всерйоз не враховується. І марно. Адже вкрай цікаво подивитися, як саме йде боротьба, що за механізми використовуються при цьому.

У пустелі Каракуми мешкає кілька десятків видів холоднокровних тварин. Однак серед них немає жодної особини, яка не померла б, якби її залишити в жарку пору року на Сонці. Не вміючи регулювати температуру тіла, ці тварини гинуть на Сонці вже через кілька хвилин. Своєю здатністю жити в пустелі вони зобов’язані вмінню різними способами уникати перегріву, тобто рятуватися від термального відбору. Зазвичай ці тварини найспекотніший час дня проводять в прохолодних норах і виходять на поверхню піску в ранкові та вечірні години, коли температурні умови для них сприятливі. Таким чином, в природі відбору особин протиставлена пристосувальна поведінка, яка дозволяє тваринам уникати загибелі, а отже, і відбору.

Не зрозумівши цього явища, не можна вирішити поставлену проблему. І тому довелося детально розібратися в специфічних особливостях процесу відбору.

Потрібні особливі здібності

Спочатку в лабораторії досліджувалася теплостійкість клітин і білків у декількох сот видів холоднокровних тварин. З’ясувалося, що близькоспоріднені види зазвичай розрізняються за її рівнем і що здатність переносити спеку чітко залежить від того, яка температура зазвичай оточує тварин. Тобто тканини, скажімо, у жаб, що живуть південніше, теплостійкіше тканин їх північних сусідів. Виходило, що формування нового виду зачіпає основну масу клітин і білків, глибоко перебудовуючи організми. А оскільки така перебудова явно пов’язана була з температурою навколишнього середовища, міг слідувати тільки один висновок: температура відіграє важливу роль у видоутворенні холоднокровних.

Досліди на жаровиносливість, які проводили в різних країнах, виявили у тварин одну разючу властивість: дивовижну здатність до тимчасового збільшення теплостійкості у відповідь на зміну навколишньої температури. Така здатність дуже важлива, вона, як і пряма втеча, рятує вид від поголовного вимирання, знижує тиск відбору, коли температура підвищується далеко за межі звичайного. Це означає, що в природних умовах відбору протистоїть чисто фізіологічний механізм пристосування: захисне тимчасове, а тому не спадкове підвищення теплостійкості, яке знижує смертність тварин.

Детальним дослідженням цього протистояння і зайнялися біологи. Їх цікавило, до чого воно призводить, який його еволюційний сенс. Для цього в лабораторії спробували відтворити саму реальну природну ситуацію, тобто піддослідних спочатку підігрівали небагато, а вже потім прирікали на смертельну дозу тепла. Що й казати, жорстокий дослід.

Щоб виконати своє незвичайне для фізіолога завдання як можна краще, вчені винайшли особливий прийом досліджень, назвавши його сибаналізмом. У чому була його оригінальність? Генетики судять про результати природного відбору по тому, як зміняться нащадки першого покоління, чиї батьки піддалися фатальним впливам навколишнього середовища. Коротше кажучи, вони мають справу з кінцевим підсумком подій, що відбулися. В даному ж випадку завдання полягало в тому, щоб досліджувати сам процес відбору і вплив на нього тих якостей організму, які найбільше цікавили фізіолога: здатність змінювати свої реакції під тиском незвичайних умов, спеки наприклад. Адже жива природа тому і жива, що вона активна і здатна протистояти обставинам, ухилятися від них. Так що ж відбувається, коли вже не вистачає швидких ніг або верткого тіла, здатного забратися в будь-яку щілину, коли в дію вступає генетика і фізіологія, і вся надія — на щасливу спадковість?

Для досліджень вибиралися тільки холоднокровні тварини, оскільки для них сильне похолодання або потепління на кілька градусів понад звичних — смерть. Але якщо при похолоданні можна впасти в анабіоз, то при потеплінні нікуди не дінешся. Дослідникам було важливо по можливості виключити ті якості особин, які пов’язані з відмінностями в середовищі. Для цього при дослідах тварин вирощували в строго однакових умовах, при постійній і найкращій для них температурі, їжі, світловому режимі і т. д. Таким чином, різна ступінь стійкості до надмірного тепла комашок і звірят залежала головним чином від різниці в їх спадкових якостях. А щоб простежити, як далі ця різниця позначиться на їх долях, дослідники вибирали види плідні, брали потомство декількох сімей, що володіють різною витривалістю.

Поділивши його на групи, контрольні та піддослідні, стежили за кожною окремо. Особливо зручно було працювати з клонами — потомством партеногенетичної матусі (партеногенез — розмноження, в якому не беруть участь самці), адже всі сестриці в такому клоні — близнюки, і досліджувати варіації їх доль — все одно що стежити за перипетіями одного і того ж індивідуума.

У всіх дослідах важливу роль відіграє коефіцієнт успадкованості. Це показник, що визначає, в якій мірі жорстко запрограмована досліджувана ознака, в даному випадку теплостійкість. Коефіцієнт цей експериментатори обчислюють, порівнюючи або потомство і батьків (або дочок з їх матерями в клонах), або нащадків різних сімей, тобто встановлюючи його від зворотного — по різниці у властивостях. Не будемо зупинятися на тому, як практично видобуваються такі цифри. Методи відомі фахівцям, повіримо їм у тому, що ці методи досить надійні.

Всі ці умови були прийняті для того, щоб можна було вже по одній серії дослідів судити про кінцевий результат. Адже при їх дотриманні оголювалися генетичні відмінності між особинами, і перед експериментатором відкривалася можливість простежити реакції окремих генотипів у відповіді популяції на зміну середовища.

Отже, представницькі клони або сім’ї дрозофіл, раків, риб, жаб і т.д., виховані в строго однаковому середовищі, містилися в різні камери, частину злегка підігрівали, температуру фіксували (інших залишали поки в спокої), а потім всім відразу давали дозу тепла, при якій їм загрожує загибель. І ось що вийшло. По-перше, було підтверджено, що якщо тварин спочатку акліматизувати, тобто трохи підігріти, вони стануть набагато витривалішими в наступних випробуваннях. І чим вище температура при акліматизації, тим легше переноситься головне випробування. У ряді дослідів стійкість особин зростала в чотири рази і більше, а це що-небудь та значить. Адже ніяка спека в найстрашнішій пустелі не настає миттєво, їй передує поступове підвищення температури – саме ця особливість природного середовища на нашій планеті і моделювалася загартовуванням тварин.

По-друге, якраз при штучному, лабораторному відборі, тобто при абсолютно раптовій для тварин зміні клімату, що в природі буває надзвичайно рідко, їх загибель проходила строго по науці — виживали найбільш пристосовані, ті, в чиїх генах була закладена терпимість до занадто великого тепла.

По-третє (і тут починається найцікавіше), загартовані тварини — або їх клітини,— повалені в смертельні умови, гинули зовсім не за тими правилами, що незагартовані. «Породисті» лінії із зазначеною хорошою спадковістю по частині теплостійкості тепер нічим вже не виділялися серед своїх побратимів. Виявилося, що при загартовуванні слабаки за природою більш енергійно пристосовуються до нових умов. Більш того, чим міцніше були тварини від народження, тим інертніше реагували на нову обстановку і, навпаки, чим більш невигідний передавали їм батьки спадок, тим активніше в них працювала біохімічна система перебудови на новий лад.

Що ж у підсумку? У підсумку всі опинилися в рівних умовах відбору за спадковими ознаками після попередньої акліматизації, тобто репетиції майбутніх випробувань не відбувалося. Коли температура досягала нестерпного рівня, починалася невибіркова загибель, і виживали випадкові, а не найбільш пристосовані особини.

Але ж моделювалися природні умови, і, отже, піддавався випробуванню природний відбір!..

Однак перш ніж переходити до можливих тлумачень подій, що розвивалися в лабораторії, розповімо ще про одну, останню. Читач наших днів вже, як правило, досвідчений в генетичній термінології. Проте, нагадаємо, що для генетика будь-які особини з будь-якою з ознак, їх відрізняють, діляться на гомозиготні і гетерозиготні. Перші – це такі, в чиєму спадковому апараті код цієї ознаки зберігається в єдиному варіанті, а другі ховають у своїй спадковості, крім тієї варіації, яка втілилася в організмі, й інші.

Так от було помічено, що в зимову пору серед трав’яних жаб очевидну перевагу при відборі на жаростійкість мають такі, що містять в клітинах, скажімо так, якийсь фермент в деякій варіації (на науковій мові це прозвучить як ізозим естерази А2), притому тільки в гомозиготній формі. Гетерозиготи за цією ознакою виявляються наділеними іншими варіаціями ферменту (генетик скаже, що ізозим естерази А2 — ознака кодомінантна). Дослідники використовували цей знак як маркер. Щасливі власники виграшної властивості потрапили в лабораторію, де їх, як і всіх інших, підігріли до абсолютно нешкідливої величини, і ось після цього виявилося, що вони позбулися всіх своїх переваг. Спадкова селективна ознака стала повністю нейтральною. Підсумок цей був вже не новий для дослідників лабораторії, але вражав тим, що використаний генетичний маркер робив його особливо переконливим. Новим виявилося продовження експерименту.

Виконавши ті ж самі операції влітку, дослідники переконалися, що на цей раз селективну перевагу мають (після акліматизації) за ознакою, що відбивається, якраз гетерозиготи. Тобто такі особини, у яких в генах закладені різні її варіації, як найвигідніша, так і сама невигідна в даній ситуації. Перевага виявилася притому настільки явною, що, скажімо, при загибелі дев’яноста відсотків особин виживали одні лише носії різноманіття. Природа, як виявилося, наполегливо бореться саме за це. Різноманітність – її головна мета.

Що ж це все значить? Навіщо природі знадобилися непристосовані?

Головний висновок зводиться до того, що популяція являє собою цілісну систему, здатну до саморегуляції і самозахисту. Виявлена в експериментах сукупність захисних реакцій утворює єдиний механізм, названий нами фізіологічним гомеостазом популяції. У природних умовах він оберігає популяцію від відбору. Завдяки гнучкості кожного індивідуума до якогось рубежу витривалості чисельність популяції підтримується на постійному рівні. А якщо цей рубіж все-таки подоланий, навколишнє середовище настільки несприятливе, що починається загибель особин, то навіть при масовому їх вимиранні генетична структура популяції залишається без істотних змін.

У цьому висновку немає нічого несподіваного, так як певна різноякісність особин, що утворюють її генетичну структуру,— необхідна умова існування популяції. Саме тому маленькі популяції з порушеною генетичною структурою виявляються нежиттєздатними.

Повертаючись до питання, з якого ми почали розмову, доводиться переконатися в тому, що у живучих в даний час видів основна частина особин, за винятком хворих і потворних, досить добре пристосована до умов проживання і, отже, всі вони в однаковій мірі необхідні для популяції як цілісної системи. А звідси і питання про те, які особини в природі виживають, саме по собі позбавлене сенсу. Адже не будемо ж ми питати, що важливіше для людини — серце, легені або мозок, так як добре розуміємо, що для існування організму необхідна нормальна функція всіх цих органів разом. Іншими словами, оцінити роль організмового рівня в процесі еволюції можна, на нашу думку, тільки в результаті вирішення більш загальної проблеми, про яку йшла мова на початку нашої розмови, аналізуючи питання про співвідношення багатоярусного гомеостазу і еволюції органічного світу.

На закінчення хочеться відзначити, що широко поширена в даний час точка зору на сучасний стан еволюційного вчення надмірно оптимістична, бо вважає, що проблема еволюції в принципі вирішена. Така точка зору паралізує пошук нових шляхів для вирішення проблеми. Може бути, саме тому нинішній момент у розвитку еволюційного вчення характеризується гострим дефіцитом свіжих ідей. Хочеться сподіватися, що виявлення явищ, подібних фізіологічному гомеостазу популяції, явиться тим стимулом, який розбудить творчу фантазію вчених, зайнятих вивченням процесу еволюції.

Читач може подумати, що все сказане — лише суто теоретичні дослідження, ніяк не пов’язані з сьогоднішньою практикою. Але це не так: ідеї, що хвилюють лабораторію порівняльної цитології, виявляються, досить практичними, коли, скажімо, треба розробити метод заселення водойм зі скидовими водами промислових підприємств. Завдання, як навчити виживати мешканців цього спочатку ніяк не призначеного для існування живого середовища, якраз має пряме відношення до питань, піднятих в цій статті.

Автор: Т. Чеховська.