Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

Когда 14 000 лет назад цихлиды попали в озеро Виктория, они освободились от эволюционных ограничений, с которыми приходилось считаться их предкам в ручьях и реках. Реки часто меняют свои русла, они подвержены внезапным разливам и засухам. В таких условиях эволюция не поддерживает рыб, слишком специализированных для жизни только на одном участке реки; успешны, как правило, только рыбки, способные выжить в самых неожиданных условиях. Но цихлиды, заселившие озеро Виктория, оказались в куда более стабильных условиях, где можно было спокойно приспосабливаться к конкретным местам обитания: скалистым берегам или более глубоким участкам с ровным песчаным дном. Можно было быстро адаптироваться к очень конкретному образу жизни — и не быть за это наказанными.

В настоящее время биологи изучают генетические различия между цихлидами и пытаются определить, как именно формировались виды в озере Виктория, но времени у ученых почти не осталось. В 1950-х и 1960-х гг. в озере появился новый вид рыб. Нильский окунь давно обитает в некоторых других озерах Восточной Африки и вырастает до двух метров длиной; мелочь вроде цихлид вполне ему по вкусу. Эта рыба была намеренно завезена в озеро Виктория как новый источник пищи для окрестных жителей. Нильскому окуню в озере понравилось, и уловы рыбаков с тех пор выросли вдесятеро. Но процветает этот хищник за счет поедания цихлид.

Одновременно вспашка земель и вырубка лесов вызвали сильную эрозию почв вокруг озера. Верхний слой почвы попадает в озеро, делая прозрачную прежде воду мутной. Цихлиды, столь чуткие к внешнему облику партнера, уже не могут различить необходимые признаки; дело заканчивается тем, что самки спариваются с самцами других близкородственных видов. Нарушается репродуктивная изоляция, которая и заставляла этих рыб принимать сотни самых разных форм.

Всего за 30 лет илистая муть и нильский окунь уничтожили половину всех видов цихлид в озере Виктория. Похоже, что человек, едва познакомившись с взрывным видообразованием, сразу же положит ему конец.

В XX в. концепция естественного отбора прошла большой путь. В 1900 г. многие ученые сомневались — не столько, может быть, в реальности естественного отбора, сколько в его значении. К 2000 г. ученые получили возможность наблюдать, как естественный отбор меняет жизнь и формирует новые виды. Мало того, ученые обнаружили, что естественный отбор действует в самых неожиданных местах. Везде, где имеются три основных условия, сформулированные Дарвиным, — размножение, изменчивость и репродуктивные преимущества через конкуренцию, — можно почувствовать действие естественного отбора.

К примеру, наше тело борется с болезнями при помощи иммунной версии естественного отбора. Когда какой-нибудь вирус или другой паразит проникает внутрь организма, наша иммунная система пытается организовать атаку на него. Но чтобы отбиться от оккупантов, иммунная система должна сначала распознать противника. В противном случае она будет нападать на все подряд, включая и клетки собственного тела. Для точной настройки иммунная система использует эволюционные возможности.

При попадании в организм любой посторонней субстанции первыми ее встречают особые иммунные клетки — В-лимфоциты. Эти клетки снабжены рецепторами, которые позволяют им улавливать инородные вещества — к примеру, токсины, вырабатываемые бактериями, или фрагменты белковой оболочки вируса. Когда В-лимфоцит захватывает эти вещества (их называют антигенами), иммунная система получает сигнал и начинает производить миллионы новых клеток.

Новые клетки начинают вырабатывать антитела — свободноплавающие версии того самого рецептора, который первым уловил антиген. Антитела курсируют по всему телу и, встретив свой антиген, захватывают его. Одним концом они удерживают добычу, другим — расправляются с ней. Антитела способны нейтрализовать токсин, просверлить отверстие в оболочке бактерии или привлечь к своей добыче внимание лейкоцитов — клеток-убийц иммунной системы, — которые поглощают паразита.

В-лимфоциты создают особые антитела для каждого из миллиардов возможных антигенов. В качестве антигена может выступать что угодно, продукт жизнедеятельности любого паразита — от вирусов и одноклеточных грибков до червей-анкилостом. Точность соответствия антител антигену гарантирует, что иммунная система будет правильно распознавать и уничтожать пришельцев, не трогая при этом клеток собственного тела. Но в нашей ДНК нет инструкции по структуре антител для каждого антигена, с которым могут столкнуться наши В-лимфоциты. Антигенов миллиарды, а в человеческом геноме всего лишь около 25 000 генов. Наша иммунная система использует другой, гораздо более эффективный способ создавать антитела: В-лейкоциты эволюционируют.

Эволюция начинается в тот самый момент, когда В-лимфоциты формируются в глубине нашего костного мозга. В процессе деления клеток гены, отвечающие за структуру рецепторов, стремительно мутируют, создавая миллиарды рецепторов всевозможных случайных форм. Это первый шаг эволюционного процесса: создание вариантов.

Молодые В-лимфоциты выбираются из костного мозга в лимфатические узлы, где скапливаются антигены. Большинство В-лимфоцитов не могут сцепиться с антигеном, но иногда встречаются исключения: среди миллиардов версий может случайно оказаться рецептор, способный уловить именно этот антиген. Совпадение не обязательно должно быть точным; В-лимфоцит, сумевший захватить хоть что-то, получает стимул бешено делиться. Этот момент нетрудно заметить: когда удачливый В-лимфоцит начинает размножаться, лимфатический узел распухает.

Некоторые из потомков удачливого лимфоцита сразу же приступают к выработке антител той же структуры, что рецептор, захвативший антиген. Но остальные продолжают делиться, не производя антител. При делении эти В-лимфоциты мутируют в миллион с лишним раз быстрее, чем обычные клетки человеческого тела. При этом мутациям подвержены только гены, отвечающие за строение рецепторов антигенов — и, соответственно, антител. Чтобы выжить, В-лимфоцит должен сцепиться с антигеном. Если ему это не удается, он погибает. Если удастся, снова делится и мутирует. Мутации идут цикл за циклом, В-лимфоциты конкурируют между собой и постепенно получают рецепторы, все более точно соответствующие структуре антигена. Менее адаптированные клетки не могут зацепить антиген и погибают. Всего за несколько дней такой эволюционный процесс может поднять способность В-лимфоцитов захватывать определенный антиген в 10–50 раз.

Представьте, что было бы, если бы Пейли знал об антителах, настолько хорошо приспособленных к борьбе с определенными болезнями. Он наверняка сказал бы, что антитела — дело рук творца, что клетка, так здорово придуманная и идеально подогнанная к своему антигену, не могла возникнуть сама по себе. Тем не менее каждый раз, когда мы болеем, наш организм доказывает обратное.

Действие естественного отбора можно увидеть не только в нашем собственном теле, но и в компьютере. Программа жизни, какой мы ее знаем, записана на единственном языке — языке ДНК и РНК. Но некоторые ученые создают в компьютерах — без всякого участия биохимии — то, что сами они называют жизненными или биологическими формами. Подобно настоящей, основанной на ДНК жизни они способны самостоятельно развиваться. Пока критики задаются вопросом о том, насколько живыми можно считать эти странные создания, они, несмотря ни на что, демонстрируют всем желающим, как мутации и естественный отбор превращают случайность в упорядоченную сложность. Мало того, они показывают, что естественный отбор может создавать новые виды технологии.

Одна из самых сложных форм искусственной жизни «обитает» в компьютерах Калифорнийского технологического института. Кристоф Адами, Чарльз Офрия и другие ученые создали там «заповедник» под названием Avida (А от слова artificial — искусственный, и vida — «жизнь» по-испански). Организмы, живущие в заповеднике, представляют собой компьютерные программы, т. е. наборы команд. На протяжении всей жизни организма эти команды выполняются одна за другой, а по достижении конца указатель команд автоматически возвращается к началу программы, и все повторяется.

Программа цифрового организма может создавать собственные копии, которые становятся самодостаточными организмами. Каждый организм размножается до тех пор, пока в заповеднике есть свободное место. Позволяя цифровым организмам мутировать при размножении, Адами может заставить их эволюционировать. Мутации представляют собой случайные изменения в программе. Иногда одна команда спонтанно заменяется другой; иногда при попытке самокопирования происходит ошибка и вместо одной строки в дочерней программе появляется другая; иногда в программу случайно добавляется лишняя команда или, наоборот, одна из команд пропадает. Мы помним, что настоящие мутации обычно вредны для биологических организмов; точно так же случайные программные изменения в цифровых организмах Avida чаще всего порождают ошибку, замедляют работу программы или просто убивают ее. Но иногда в результате мутации цифровой организм начинает размножаться быстрее.