Ученые ищут пути обновления теории эволюции

Недавние научные открытия привели некоторых ученых к выводу о необходимости внесения коррективов и дополнений в синтетическую теорию эволюции.

Кевин Лаланд осмотрел конференц-зал, в котором собрались несколько сотен людей для обсуждения будущего эволюционной биологии. Один из коллег подсел к нему и спросил, как на его взгляд складываются дела в этой области.

«Мне кажется, что всё идет нормально, — ответил Лаланд. — Серьезных споров пока не возникало».


Кевин Лаланд — эволюционный биолог из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии. Холодным пасмурным ноябрьским днем он приехал в Лондон для совместной организации заседания Королевского научного общества на тему «Новые тенденции в эволюционной биологии». В зале находилось множество биологов, антропологов, докторов, ученых, работающих в области компьютерных наук и самопровозглашенных идеологов. Королевское научное общество располагается в величественном здании с видом на Сент-Джеймс Парк. Единственное, что Лаланд смог сегодня разглядеть из высоко расположенных окон конференц-зала, были строительные леса и фасадная сетка для ремонтных работ. Внутри, как надеялся Лаланд, сегодня тоже будет иметь место модернизация, но уже другого типа.

В середине 1900-х годов биологи дополнили теорию эволюции Дарвина новыми выводами из области генетики и других областей науки. Результатом этого стала так называемая «синтетическая теория эволюции», которая вот уже 50 лет задает направление эволюционной биологии. В то время ученые узнали великое множество фактов о том, как устроена жизнь, и могут теперь упорядочивать целые геномы, следить за тем, как включаются и выключаются гены в развивающихся эмбрионах, и как животные и растения реагируют на изменения в окружающей среде.

В результате, Лаланд и группа биологов, придерживающихся одного с ним мнения, пришли к выводу, что синтетическая теория эволюции нуждается в пересмотре. Возникла необходимость придать ей новую форму видения эволюции, которое они окрестили концепцией «расширенного синтеза». Другие биологи выразили несогласие, заявив о недостаточности оснований для подобного сдвига парадигмы.

Эта встреча в Королевском научном обществе была первой публичной конференцией, где Лаланд и его коллеги получили возможность представить свою точку зрения в данном вопросе. Но Лаланд не был настроен лишь проповедовать свои взгляды единомышленникам, поэтому на конференцию были также приглашены скептически относящиеся к принципам расширенного синтеза выдающиеся эволюционные биологи.

Обе стороны высказывали свои точки зрения и критические замечания в цивилизованной манере, но иногда в зале повисало напряжение, выражавшееся цоканьем, закатыванием глаз и скудными аплодисментами.

Но до потасовок не доходило. По крайней мере, пока.

Эволюция в привычном виде

Для любой науки наступает время преобразований и время, когда дела идут своим чередом. После того, как Галилей и Ньютон в 1600-х годах вытащили физику из плена старых заблуждений, она стала двигаться вперед от одного скромного достижении к другому вплоть до 1900-х годов. Затем Эйнштейн и другие ученые заложили основы квантовой физики, представили теорию относительности и другие новые способы познания Вселенной. Ни один из них не утверждал, что Ньютон был неправ. Но выясняется, что Вселенная на самом деле — это не только вещество в движении.

В эволюционной биологии были свои собственные революции. Первая, безусловно, началась в 1859 году с книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов». Дарвин объединил сведения из области палеонтологии, эмбриологии и других наук, чтобы показать общее происхождение всех живых организмов. Он также ввел понятие естественного отбора — механизма для управления этими долгосрочными изменениями. Каждое поколение вида обладало большой изменчивостью. Иногда она помогала организмам выживать и размножаться, и, благодаря наследственности, передавалась следующим поколениям.

Дарвин вдохновил биологов всего мира к изучению животных и растений с новой точки зрения, толкуя их биологию как возникшие в предыдущих поколениях адаптации. И он преуспел в этом, несмотря на то, что не имел ни малейшего понятия о генах. Только в 1930-х годах генетики и биологи объединили свои усилия и переформулировали эволюционную теорию. Наследственность стала рассматриваться как передача генов из поколения в поколение. Изменения происходили вследствие мутаций, которые могли перемешиваться для создания новых комбинаций. Новые виды возникли, когда в популяциях образовались мутации, которые сделали межвидовое скрещивание невозможным.

В 1942 году британский биолог Джулиан Хаксли описал эту активно формирующуюся концепцию в своей книге «Эволюция: современный синтез». Ученые до сих пор используют это название. (Иногда они именуют его нео-дарвинизмом, хотя этот термин на самом деле ошибочен. Термин «нео-дарвинизм» был введен в 1800-х годах и использовался биологами, продвигавшими идеи Дарвина при его жизни).

Синтетическая теория эволюции оказалась мощным инструментом в сфере связанных с природой вопросов. Ученые использовали его для целого ряда открытий об истории жизни, ответив, к примеру, на вопрос, почему некоторые люди склонны к генетическим заболеваниям вроде серповидноклеточной анемии или почему пестициды рано или поздно перестают действовать на вредителей. Но уже вскоре после формирования понятия современного синтеза различные биологи начали периодически жаловаться на его чрезмерную категоричность. Однако только в последние несколько лет Лаланд и другие ученые сумели объединиться и скоординировать усилия для разработки принципов расширенного эволюционного синтеза, который мог бы придти ему на смену.

Исследователи не считают синтетическую теорию эволюции ошибочным понятием — просто она не способна отобразить все богатство эволюции. Организмы наследуют больше, чем просто гены — они могут наследовать и другие клеточные молекулы, а также поведение, которому они учатся, и измененную их предками среду обитания. Лаланд и его коллеги также оспаривают главенствующую роль естественного отбора в объяснении того, как все-таки жизнь стала такой, какой мы сейчас ее знаем. На ход эволюции могут влиять и другие процессы, начиная с правил, по которым развиваются виды, до внешних условий их обитания.

«Дело не в том, чтобы прикручивать все больше механизмов к тому, что уже имеется, — сказал Лаланд. — Нужно взглянуть на причинно-следственную связь под другим углом».


Дополняя Дарвина

Биолог Тель-Авивского Университета Ева Яблонка в своей речи попыталась проанализировать доказательства того, что не только гены могут обуславливать формы наследственности.

Наши клетки используют ряд молекул, чтобы распознавать, какие из генов производят белки. К примеру, в ходе процесса под названием «метилирование», клетки ограничивают свою ДНК для сохранения определенных генов закрытыми. Когда клетки делятся, они могут использовать тот же принцип, контролируя, таким образом, новую ДНК. Определенные сигналы, получаемые из окружающей среды, могут заставить клетки изменить так называемый «эпигенетический» контроль, позволяя организмам приспособиться к новым условиям.

Некоторые исследования показывают, что при определенных обстоятельствах эпигенетические изменения у родительской особи могут передаваться потомкам. А они, в свою очередь, могут передать этот измененный эпигенетический код своим детям. Это один из видов наследования вне генов.

Данный принцип наследования особенно четко прослеживается у растений. В одном из исследований ученые смогли отследить измененную схему метилирования до 31 поколения на примере растения под названием резуховидка Таля (Arabidopsis). Такой вид наследования может значительно изменить функционирование организма. В ходе другого исследования ученые обнаружили, что унаследованные схемы метилирования могли бы изменить время цветения Арабидопсиса и повлиять на размер его корней. Обусловленная этими схемами изменчивость была больше той, что вызывается обычными мутациями.

Представив доказательства, госпожа Яблонка привела доводы того, что эпигенетические различия могли бы определять зрелость организмов для производства потомства. «Естественный отбор мог бы оказать влияние на эту систему», — заявила она.

Так как естественный отбор оказывает значительное влияние на ход эволюции, участники конференции привели доказательства того, как его можно ограничить или сместить в ином направлении. Биолог Венского Университета Герд Мюллер привел пример из своего собственного исследования на ящерицах. Некоторые виды ящериц в ходе эволюции утратили пальцы на задних лапах. У одних видов было только четыре пальца, у других всего один, а некоторые утратили конечности целиком.

По словам Мюллера, синтетическая теория эволюции заставляет ученых смотреть на эти механизмы всего лишь как на результат естественного отбора, который благоприятствует какому-то одному варианту благодаря его преимуществам в выживании. Но этот подход не сработает, если вы зададитесь вопросом, в чем преимущество для определенного вида особей в утере именно первого и последнего пальцев, а не каких-либо других.

«Ответ на этот вопрос заключается в отсутствии реального селективного преимущества», — сказал Мюллер.


Ключ к пониманию того, почему ящерицы утрачивают определенные пальцы на лапах, в первую очередь заключается в том, каким образом пальцы ящериц развиваются в эмбриональном состоянии. Сперва по бокам появляются отростки, а затем из них развиваются пять пальцев, всегда в одной и той же самой последовательности. А утрачивают они их в ходе эволюции уже в обратном порядке. Мюллер предполагает, что такие ограничения вызваны неспособностью мутаций воспроизводить все возможные изменения признака. Некоторые комбинации пальцев становятся, таким образом, недоступны, и естественный отбор не сможет выбрать их вообще.

Развитие может ограничивать эволюцию, а с другой стороны наделяет животных и растения высокой пластичностью. Эволюционный эколог Уэслианского Университета Соня Султан в своей речи привела любопытный пример, рассказав об изучаемом ей растении семейства гречишных — горце перечном.

В рамках современного синтеза, заявила Султан, адаптация горца перечного покажется вам точно выверенным результатом естественного отбора. Если он растет в условиях недостаточного освещения, естественный отбор будет благоприятствовать растениям с измененными признаками, позволяющими им буйно разрастаться в данной среде, путем, к примеру, развития более широких листьев для фотосинтеза. А у тех, что растут при ярком солнечном свете, развиваются адаптации для успешного роста в иных условиях.

«Это говорит в пользу той точки зрения, противостоянию которой посвящено наше собрание», — сказала Султан.

Если вы выращиваете генетически идентичные ростки горца перечного в различных условиях, в конечном итоге вы получите растения, принадлежащие как будто к разным видам.

Начнем с того, что горец перечный подгоняет размер своих листьев к количеству получаемого солнечного света. При ярком свете их листья становятся узкими и толстыми, а при недостаточном освещении — широкими и тонкими. В сухой почве эти растения пускают корни глубоко в землю в поисках воды, а в хорошо увлажненной корни становятся короткими, волосовидными и поверхностными.

Ученые на заседании утверждали, что подобная пластичность может способствовать ходу эволюции сама по себе. Она, к примеру, позволяет растениям распространяться в различных средах обитания, к которым естественный отбор затем адаптирует их гены. Среди выступающих была Сьюзан Энтон, палеоантрополог из Нью-Йоркского университета, которая заявила, что пластичность может сыграть значительную роль и в недооцененной до сих пор эволюции человека. Все потому, что в последние полвека современный синтез существенно повлиял на ее изучение.

Палеоантропологи были склонны относиться к найденным в окаменелостях особенностям как к результату генетических различий. Это позволило им воссоздать эволюционное древо человека и близких ему вымерших форм. Приверженцы данного подхода достигли весомых результатов, признала Энтон. К 1980-м годам ученые выяснили, что около двух миллионов лет назад наши ранние родственники были малого роста и обладали небольшим мозгом. Затем представители одной из линий наследования стали выше ростом и развили большой мозг. Этот переход ознаменовал происхождение нашего рода, Homo.

Но иногда палеоантропологи находили вариации, смысл которых было трудно понять. Две окаменелости могли казаться принадлежащими к одному виду по одним признакам, но сильно отличаться по другим. Ученые, как правило, игнорируют такие вызванные окружающей средой различия. «Мы хотели избавиться от всего этого и перейти к сути», — сказала Энтон.

Но «всего этого» слишком много, чтобы его можно было игнорировать. Ученые нашли потрясающее разнообразие человекоподобных окаменелостей, датируемых периодом между 1,5 и 2,5 миллионами лет назад. Некоторые из особей высокие, а некоторые нет, у некоторых большой мозг, а у некоторых маленький. Все их скелеты обладают чертами вида Homo, но у каждого наблюдаются сбивающие с толку комбинированные расхождения.

Энтон считает, что принципы расширенного синтеза могут помочь ученым разобраться в этой запутанной истории. Она, в частности, считает, что ее коллеги должны серьезно относится к пластичности как к объяснению странного разнообразия ранних окаменелостей человека.

В поддержку этой идеи Энтон отметила, что живые люди обладают собственным видом пластичности. Качество еды, которую женщина получает во время беременности, может влиять на рост и здоровье ребенка, и воздействие это может прослеживаться вплоть до его совершеннолетия. Более того, размеры самой женщины, которые отчасти зависят от диеты ее собственной матери, могут сказаться на ее детях. Биологи выяснили, например, что дети женщин с длинными ногами, как правило, выше сверстников.

Энтон предположила, что странные изменения из палеонтологического архива могут является еще более драматическими примерами пластичности. Все эти окаменелости относятся к тому времени, когда климат Африки претерпевал сильнейшие колебания. Засухи и обильные дожди могли бы изменить пищевые ресурсы в разных регионах мира, в результате чего ранние люди стали бы развиваться в другом направлении.

Теория расширенного эволюционного синтеза может также помочь разобраться с еще одной главой нашей истории — появлением сельского хозяйства. В Азии, Африке и обеих Америках люди одомашнили зерновые культуры и скот. Археолог из Смитсоновского Института Мелинда Зедер выступила с докладом о проблематичности понимания того, как эта трансформация могла произойти.

До того, как люди начали заниматься сельским хозяйством, им приходилось добывать себе пищу и охотиться на дичь. Зедер разъяснила, каким образом многие ученые трактуют поведение собирателей в контексте современного эволюционного синтеза: как нечто превосходно отрегулированное естественным отбором для получения лучшего вознаграждения за свои усилия в поиске пищи.

Трудно представить, как такие собиратели вообще могли перейти к сельскому хозяйству. «Вы же не получите немедленное удовольствие от того, что схватите пищу и положите ее в рот», — сказала мне Зедер.


Некоторые ученые предположили, что переход к сельскому хозяйству мог произойти во время смены климата, когда поиск диких растений стал значительно сложнее. Но Зедер и другие исследователи не обнаружили вообще никаких доказательств кризиса, при котором могло бы возникнуть сельское хозяйство.

Зедер утверждает, что есть и другая точка зрения на этот счет. Люди — не покорные зомби, пытающиеся выжить в постоянной среде, а творчески мыслящие личности, способные изменить саму среду и направить эволюцию в новом направлении.

Ученые называют это строительством экологической ниши — процессом, в который вовлечены многие виды. Среди классических случаев стоит отметить бобров. Они валят деревья и строят плотину, создавая пруд. В этих новых условиях одним видам растений и животных будет лучше, чем другим. И они будут по-новому адаптироваться к своей среде. Это верно не только для растений и животных, живущих вокруг бобрового пруда, но и для самих бобров.

По признанию Зедер, ее первое знакомство с понятием строительства экологической ниши стало для нее откровением. «Это было похоже на маленькие взрывы в моей голове», сказала она мне. Собранные ею и другими учеными археологические находки помогут разобраться в том, как людям удалось изменить условия окружающей среды.

Ранние собиратели, по всем признакам, переместили дикорастущие растения прочь от их естественных ареалов, чтобы всегда иметь их под рукой. Поливая растения и защищая их от травоядных животных, люди помогли им приспособиться к новой среде. Сорные виды также сменили место обитания и стали самостоятельными сельскохозяйственными культурами. Некоторые животные также приспособились к окружающей среде, став собаками, кошками и другими домашними видами.

Постепенно с хаотично разбросанных клочков земли, заселенных дикими растениями, условия окружающей среды сменились на плотно расположенные пахотные поля. Это способствовало не только эволюции растений, но и развитию культуры среди крестьян. Вместо блужданий по свету подобно кочевникам они обосновались в деревнях и получили возможность обрабатывать землю вокруг. Общество стало стабильнее, так как дети получали экологическое наследство от своих родителей. Так началась цивилизация.

Строительство экологической ниши является лишь одним из множества понятий теории расширенного эволюционного синтеза, который может помочь понять процесс одомашнивания, сказала Зедер. Во время своей речи, она слайд за слайдом представила различные прогнозы, начиная с передвижений ранних собирателей до темпов эволюции растений.

«Казалось, что это рекламный ролик о принципах расширенного эволюционного синтеза, — сказала мне потом, смеясь, Зедер. — Но это еще не все! Вы можете получить набор кухонных ножей!»


Возвращение естественного отбора

Среди присутствующих в зале был биолог по имени Дэвид Шакер, исследователь из университета Сент-Эндрюс. Он спокойно слушал дискуссии на протяжении полутора дней, и теперь решил сам взять слово и поднял руку.

Выступавшим перед ним оратором был Денис Нобл, физиолог с копной седых волос и в синем пиджаке. Проведший большую часть своей карьеры в Оксфорде Нобл поведал, что начинал он как традиционный биолог, считавший гены конечной причиной всего сущего в организме. Но в последние годы он поменял свое мнение и стал говорить о геноме не как об основе для жизни, но как о чувствительном органе, выявляющем стресс и способном перестраиваться для преодоления проблем. «Мне потребовалось много времени, чтобы придти к этому умозаключению», — сказал Нобл.


Чтобы проиллюстрировать этот новый взгляд, Нобл рассказал о разнообразии недавних экспериментов. Один из них был опубликован в прошлом году коллективом Университета Рединга и заключался в исследовании бактерий, которые перемещаются в окружающей среде с помощью длинных вращающихся хвостов.

Прежде всего, ученые выделили из ДНК бактерий ген, ответственный за отращивания хвоста. Затем они поместили полученных бесхвостых особей в чашку Петри со скудным запасом пищи, которую те в скором времени поглотили. Без возможности двигаться они умирали. Менее чем за четыре дня нахождения в этих ужасных условиях, бактерии снова начали плавать. После тщательного осмотра обнаружилось, что они отрастили себе новые хвосты.

«Стратегия заключается в создании быстрых эволюционных изменений генома в ответ на неблагоприятное внешнее воздействие, — пояснил аудитории Нобл. — Это самоподдерживающаяся система, которая дает возможность проявления определенных свойств независимо от ДНК».


Шакеру это не показалось убедительным, и после того, как стихли аплодисменты, он решил вступить с Ноблем в дискуссию.

«Не могли бы вы прокомментировать действие механизма, лежащего в основе этого открытия?» — спросил Шакер.


Нобл начал запинаться. «Механизм в общих чертах, я могу, да…», — сказал он, а затем стал говорить о сетях и правилах и лихорадочном поиске выхода из кризиса. «Вам нужно обратиться к исходному тексту доклада», — заявил он затем.


В то время как Нобл изо всех сил старался ответить, Шакер взглянул на открытый в его планшете доклад. И стал громко зачитывать один из абзацев.

«Результаты нашей работы демонстрируют, что естественный отбор может быстро изменить регуляторные сети, — прочел Шакер и отложил iPad. — Это ведь прекрасный, просто замечательный пример быстрой нео-дарвиновской эволюции», — заявил он.


Шакер извлек самую суть чувств немалого количества скептиков, с которыми мне удалось поговорить на конференции. Честолюбивая риторика о смене парадигмы была, по большей части, безосновательна, говорили они. Однако в тени эти скептики не остались. Некоторые из них решили взять слово лично.

«Думаю, от меня ожидают речи об эволюции юрского периода», — сказал, поднявшись на трибуну, Дуглас Футуйма. Футуйма является сладкоречивым биологом университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке и автором основного учебника по эволюции. В ходе заседания его завалили жалобами о том, что в учебниках мало внимания уделено таким вещам, как эпигенетика и пластичность. В сущности, Футуйму как раз для того и пригласили, чтобы пояснить коллегам, почему же эти понятия были проигнорированы.

«Мы должны признать, что основные принципы синтетической теории эволюции сильны и обоснованы», — сообщил Футуйма. Не только это, добавил он, но также и обсуждаемые в Королевском научном обществе разновидности биологии на самом деле не так уж и новы. Создатели синтетической теории эволюции упоминали о них более 50 лет назад. Для их понимания было проведено множество опиравшихся на современный эволюционный синтез исследований.

Возьмем пластичность. Генетические вариации в животных или растениях регулируют диапазон форм, в которые может развиваться организм. Мутации в состоянии этот диапазон изменять. А математические модели естественного отбора показывают, как он может способствовать одним видам пластичности за счет других.

Если теория расширенного эволюционного синтеза никому не нужна, как же вышло, что ей посвятили целое заседание в Королевском научном обществе? Футуйма предположил, что эта заинтересованность была скорее эмоциональной, нежели научной. Ее принципы сделали жизнь движущей силой, а не бездействующим орудием мутации.

«Я думаю для науки не может являться основанием то, что мы считаем эмоционально или эстетически более привлекательным», — заявил Футуйма.


И все-таки он приложил максимум усилий, чтобы показать, что исследования, о которых говорилось на заседании, могут привести к некоторым интересным выводам об эволюции. Но выводы эти могут возникнуть лишь в результате напряженной работы, которая влечет за собой появление достоверных данных. «На эту тему написано достаточно очерков и докладов», — сказал он.

Некоторые члены аудитории начали препираться с Футуймой. Других скептически настроенных ораторов выводили из себя аргументы, которые, как они думали, не имеют смысла. Но встречу все-таки удалось завершить на третий день без каких-либо потасовок.

«Это, вероятно, первая из многих и многих встреч», — сказал мне Лаланд. В сентябре консорциум ученых в Европе и США получил финансирование в размере 11 миллионов долларов (из них 8 миллионов от Фонда Джона Темплтона) для проведения 22 исследований, посвященных принципам расширенного эволюционного синтеза.


Многие из этих исследований проверят прогнозы, которые возникли в результате синтетической теории эволюции за последние несколько лет. Они, например, узнают, могут ли виды, которые строят собственную среду обитания — паутины, осиные гнезда и т. д., — перерасти в большее количество видов, чем те, которые этого не делают. Они также рассмотрят вопрос о том, позволяет ли высокая пластичность быстрее адаптироваться в новых условиях.

«Проведение этих исследований — это то, о чем просят наши критики, — сказал Лаланд. — Идите и найдите доказательства».