Nautilus: если бы мир был перезапущен, существовала бы ли жизнь в том виде, в каком мы ее знаем?

Учёные пытаются понять что произошло бы, если бы мы отмотали ленту жизни назад

Автор: Зак Зорич

Чтобы поймать своим мощным языком насекомое в полёте саламандре требуется менее 5 миллисекунд. Она – чемпион среди амфибий. «Я потратил около 50 лет на изучение эволюции языков саламандр» — говорит Дэвид Уэйк, биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Беркли — «это особенно интересный случай, потому что саламандры, которые ничего не делают быстро – у них самое быстрое движение среди позвоночных, о котором я знаю». Внутри их рода эволюция нашла лучший способ использовать язык. Их, казалось бы, уникальная адаптация, похоже, развивалась независимо у трех других неродственных видов саламандр. Это случай конвергентной эволюции, когда разные виды по отдельности развили сходные биологические адаптации, столкнувшись с одним и тем же давлением окружающей среды. Саламандры являются примером для Уэйка, когда ему задают давний вопрос в теме эволюционной биологии: если бы вы могли отмотать назад «ленту жизни», повторились бы все эти изменения? Похоже, что у саламандр есть ответ: не обязательно.

Этим вопросом задавался покойный биолог-эволюционист Стивен Джей Гулд в книге 1989 года «Прекрасная жизнь: сланцы Бёрджес и природа истории», которая была опубликована в то время, когда люди еще слушали музыку, записанную на кассетах, обсуждали окаменелости, оставленные мириадами странных животных, населявших океаны Земли около 520 миллионов лет назад в кембрийский период и сохранившихся в сланцах Бёрджес. Почти все животные, живущие сегодня, ведут свое происхождение от существ, которые жили в кембрийском периоде, но не у каждого животного, жившего в кембрийский период, есть потомки, которые живут сегодня. Многие кембрийские виды с тех пор вымерли из-за того, что не были достаточно приспособлены для конкуренции, или потому, что оказались не в том месте и не в то время во время извержений вулканов, столкновений с астероидами или других подобных событий.

Гулд увидел невероятное разнообразие существ в сланцах и предположил, что сегодняшняя жизнь была бы другой, если бы история развернулась по-другому. Он считал, что случайные мутации и случайные вымирания — события, которые Гулд назвал «историческими случайностями», зависят друг от друга, направляя эволюцию жизни по тому или иному пути. По мнению Гулда, существование каждого животного, включая человека – редкая случайность, которая вряд ли повторилась снова, если отмотать плёнку жизни на кембрийский период и воспроизвести заново. Один из палеонтологов — Саймон Конвей Моррис из Кембриджского университета, чья работа по окаменелостям Бёрджес часто цитировалась Гулдом в его книге, категорически не согласен с этой точкой зрения.

По мнению Гулда, существование каждого животного, включая человека – редкая случайность, которая вряд ли повторилась снова, если отмотать плёнку жизни на кембрийский период и воспроизвести заново.

Конвей Моррис считает, что со временем естественный отбор приводит к тому, что организмы эволюционируют ограниченным числом способов с учётом конечного числа экологических ниш на Земле. Это заставляет неродственные организмы постепенно сходиться в одном и том же строении тела. «Организмы должны приспосабливаться к реальностям физического, химического, а также биологического мира», — говорит он. По мнению учёного, эти ограничения делают почти неизбежным то, что если плёнку жизни отмотать назад, эволюция в конечном итоге воспроизвела бы организмы, подобные тем, что мы имеем сегодня. Если бы предки людей, обезьяны, не обладали большим мозгом и соответствующим интеллектом, то другая ветвь животных, такая как дельфины или вороны, могла бы занять ту нишу, которую мы занимаем сейчас. Гулд не согласен.

Оба ученых признали, что в эволюции существуют конвергенция и случайность. Вместо этого их дискуссия шла вокруг того, насколько повторяемы или уникальны ключевые адаптации, такие как человеческий интеллект. Между тем, другие биологи решили загадку и показали, как взаимодействуют конвергенция и случайность. Понимание взаимодействия этих двух сил может показать, является ли каждое живое существо результатом цепочки удачных случаев длиной в несколько миллиардов лет или все мы — саламандры и люди в равной степени — так же неизбежны, как смерть и налоги.

Вместо того, чтобы пытаться реконструировать историю с помощью окаменелостей, Ричард Ленски, биолог-эволюционист из Университета штата Мичиган, решил наблюдать конвергенцию и случайности эволюции в реальном времени, в контролируемой среде своей лаборатории. В 1988 году он разделил одну популяцию бактерий Escherichia coli на 12 отдельных колб с питательными веществами, и позволил каждой из них развиваться отдельно. Каждые несколько месяцев в течение последних 26 лет он или один из его учеников замораживали образец бактерий. Этот архив замороженных микробов дает Ленски возможность воспроизвести запись жизни кишечной палочки с любого момента, когда он пожелает, просто разморозив образцы. Попутно он может изучить, как бактерии изменяются генетически и внешне. Ленски говорит: «Весь эксперимент был поставлен, чтобы проверить, насколько воспроизводима эволюция».

В 11 колбах Ленски клетки E. coli росли достаточно активно, но в одной они разделились на отдельные клоны — одна с крупными клетками, а другая с мелкими. «Мы называем их малыми и большими» — говорит Ленски. «Они сосуществуют уже 50 000 поколений». Ни одна другая популяция в эксперименте не воспроизвела то же самое; здесь имело место исторически случайное событие. Даже 26 лет спустя ни одна из линий E. coli не развила его. В данном случае случайность, похоже, победила конвергенцию.

В 2003 году произошло еще одно случайное событие. Количество E. coli в одной из колб увеличивалось до такой степени, что обычно полупрозрачный питательный раствор стал мутным. Сначала Ленски подумал, что колба загрязнена, но оказалось, что кишечная палочка, которая обычно питается только глюкозой в растворе, разработала способ потребления другого химического вещества в колбах, называемого цитратом. Через 15 лет, или 31 500 поколений, только одна из популяций смогла потребить это вещество. Размер популяции быстро увеличился в пять раз.

Эта «историческая случайность» дала Ленски и его аспиранту Захари Блаунту возможность проверить вероятность того, что произойдет снова, если они перемотают пленку. Блаунт обратился к архиву замороженных кишечных палочек и отобрал 72 образца, взятых в разные периоды эксперимента, из популяции, у которой позже развился метаболизм цитрата. Он разморозил их и позволил им расти. В конце концов, четыре из 72 образцов приобрели эту способность. Более того, мутации произошли только в популяциях, которые были заморожены после 30500 поколений. Генетический анализ показал, что несколько генов претерпели мутации, которые «усиливали» эволюцию метаболизма цитрата до этого момента. Другими словами, способность потреблять цитрат зависела от других мутаций, которые произошли до нее. Они образовали развилку на дороге, изменив путь, по которому смогли пройти поколения поколения после этого.

Ранние мутации были важны для приспособленности последующих поколений, возможно, потому, что они добавляли к генетической изменчивости, на которую могли воздействовать более поздние, случайные.

Эксперимент долгосрочной эволюции, известный как проект E. coli, к настоящему времени превысил 60 000 поколений, что дает Ленски обширный набор данных, на основе которых можно сделать выводы о взаимодействии случайности и конвергенции в эволюции. Незначительные изменения в ДНК бактерий, которые делают их крупнее и лучше способствуют размножению в колбе, были относительно обычным явлением во всех группах. В то же время Ленский был свидетелем «поразительных» случаев непредвиденных обстоятельств, когда одна популяция демонстрировала нечто совершенно иное, чем другие. Но, как и в случае с конвергенцией, добавляет он, эти преобразования не были полностью случайными.

«Не все возможно» — объясняет Уэйк. «Организмы развиваются в рамках своих унаследованных черт». Они не могут передавать мутации, которые убивают их или препятствуют воспроизведению. Что касается саламандр Hydromantes, их предкам пришлось преодолеть серьезное ограничение: чтобы обрести баллистический язык, им пришлось лишиться легких. Это потому, что язык частично образован из мышц, которые их предшественники использовали для нагнетания воздуха в легкие. Теперь эта прежде маленькая и слабая мышца стала намного больше и сильнее. Итак, предок Hydromantes не просто приобрел мутацию. Вместо этого адаптация последовала за серией мутаций, которые сначала позволили существу преодолеть свою зависимость от легких в качестве кислорода и контроля плавучести. Каждое изменение зависело от предыдущего.

С другой стороны, хамелеоны сохраняют свои легкие. Вместо того, чтобы изменять анатомию, они развили кусок коллагена, который позволяет им катапультировать свои языки на добычу. На поверхности языки саламандры и хамелеона сходятся, но не при ближайшем рассмотрении. Хамелеону требуется 20 миллисекунд, чтобы выстрелить своим языком в жертву, что является достаточно медленным по сравнению с временем выстрела Hydromantes в пять миллисекунд. Почему хамелеоны застряли на охоте с такими медленными языками? Ответ в том, что они столкнулись со своего рода препятствием на пути конвергентной эволюции. Язык хамелеонов достаточно быстр, чтобы обеспечить их выживание, но им не хватает «структуры унаследованных черт», чтобы развить более смертоносную баллистическую анатомию саламандр. Хамелеоны достигли того, что биологи называют «адаптивным пиком».

В экспериментах с вирусами, поражающими бактерии, называемыми бактериофагами, биолог из Гарварда Дэвид Лю также обнаружил адаптивные пики. Эти пики ограничивают способность организмов сойтись в единой оптимальной конструкции. Они помогают объяснить, почему непредвиденные обстоятельства нечасто повторяются.

Лю хотел понять, могут ли идентичные группы бактериофагов по отдельности вырабатывать определенный фермент, если он окажет на них одинаковое давление. Он увеличил скорость эволюции белка внутри вирусов, используя систему, которую он называет PACE.

В ходе эксперимента вирусы, которые не могли производить фермент, который искал Лю, были удалены из исследования: те, которые достигли цели, оставались. Некоторые из них имели «лучшие» ферменты, чем другие. В частности, созданный ими фермент, полимераза распознает определенную последовательность ДНК и помогает превратить ее в РНК — некоторые полимеразы распознают эту последовательность очень точно, а другие — менее. Подобно относительно медленному баллистическому языку хамелеонов, эти вирусы развили адаптацию, которая позволила им выжить, но также помешала им получить лучшую полимеразу. Некоторые вирусы застряли на более низком уровне, а некоторые поднялись на более высокий.

Чтобы понять, что биологи подразумевают под адаптивными пиками, представьте себе ландшафт, в котором топография представляет собой взлеты и падения репродуктивного потенциала. В случае бактериофагов Лю разные популяции исследовали этот ландшафт, приобретая различные мутации. Некоторые остановились у небольших пиков, а некоторые — у их подножья. Эверестоподобные вершины. Чем выше они взбирались на свои горы, тем легче было выжить. Итак, они поднялись на склон перед ними. Оказавшись на вершине небольшого пика, вирусы не могут затем перейти на более высокий и оптимальный уровень. Чтобы добраться туда, им нужно будет снова спуститься вниз, что снижает их способность выжить на каждом этапе пути. Это серьезная проблема, потому что выживание наиболее приспособленных — настоящая проблема. Какая мутация происходит первой – зависит от исторической случайности.

То, что верно для кишечной палочки, верно и для некоторых микробов в любой точке Вселенной

Время мутаций также имело значение. «Ранние случайные события, которые создают различия в генофонде, могут иметь огромное влияние на определение того, позволят ли в конечном итоге полезной мутации повлиять на выживание организма» — говорит Лю. «Эта случайность подрывает воспроизводимость эволюции». В этом эксперименте случайность преобладала над конвергенцией. Прошлые события препятствовали воспроизводимости.

Один из способов, с помощью которого жизнь может преодолеть ограничения адаптивных пиков, был обнаружен в исследованиях цифровых организмов, проведенных биологами из Университета штата Мичиган Крисом Адами и Чарльзом Офриа. Дуэт создал компьютерную программу под названием Avida, в которой цифровые организмы развиваются в условиях окружающей среды, установленных экспериментатором. Авидианцы мутируют, случайным образом получая и теряя фрагменты кода, которые могут позволить им решать математические задачи, что увеличивает их способность к воспроизведению.

В одном эксперименте авидианцам была поставлена ​​задача развить способность решать сложную логическую задачу, называемую «побитовое равенство». Только четыре из 50 цифровых популяций разработали код, необходимый для завершения операции. Все успешные популяции изначально несли много мутаций (случайные фрагменты компьютерного кода), которые усложняли им решение математических задач. Это кажется нелогичным, но Офрия обнаружила, что ранние плохие мутации были важны для улучшения приспособленности последующих поколений, возможно, потому что они добавляли к генетической изменчивости, на которую могли воздействовать, более поздние случайные мутации.

Означает ли редкость какой-либо конкретной последовательности событий, что серьезные изменения в эволюции вряд ли будут повторяться? Эксперименты показывают, что это правда, но Конвей Моррис твердо отвечает, что нет. «Было бы глупо утверждать, что случайностей того или иного рода не бывает. Вопрос в масштабе времени» — говорит он. Учёный считает, что при наличии достаточного количества лет и достаточного количества мутирующих геномов естественный отбор приведет жизнь к неизбежным адаптациям, которые лучше всего соответствуют экологической нише организмов, независимо от непредвиденных обстоятельств, которые происходят на этом пути. В один прекрасный день вся кишечная палочка в эксперименте Ленски эволюционирует, чтобы потреблять цитрат, и что все вирусы Лю, в конечном итоге, смогут подняться на свою адаптивную гору Эверест. Кроме того, эти эксперименты проводились в очень простых и контролируемых условиях, которые даже близко не соответствуют сложным экосистемам, к которым жизнь должна адаптироваться за пределами лаборатории. Трудно сказать, как реальное давление окружающей среды могло повлиять на результаты.

Пока что самый большой недостаток всех попыток ответить на вопрос «ленты жизни» состоит в том, что биологи могут делать выводы только на основе одной биосферы — Земли. Встреча с внеземной жизнью, несомненно, расскажет нам больше. Несмотря на то, что у чужеродных организмов может не быть ДНК, они, вероятно, будут демонстрировать аналогичные закономерности эволюции. Им понадобится некий материал, который будет передан их потомкам, который будет определять развитие организмов и меняться с течением времени. Как говорит Ленски: «То, что верно для кишечной палочки, верно и для некоторых микробов в любой точке Вселенной».

Следовательно, такие же взаимодействия между конвергенцией и случайностью могут иметь место и на других планетах. И если внеземная жизнь столкнется с тем же эволюционным давлением, что и жизнь на Земле, люди будущего могут обнаружить инопланетян, которые конвергентно развили разум, подобный нашему. С другой стороны, если случайные события опираются друг на друга, двигая развитие жизни по уникальным путям, как предположил Гулд, что внеземная жизнь может быть чрезвычайно странной.

Гулд считал, что люди представляют собой «невероятное эволюционное событие». В качестве доказательства он указал на тот факт, что разум появился единожды за 2,5 миллиарда лет жизни на Земле. Он считал, что вероятность развития интеллекта другого вида, подобного нашему, исчезающе редка. Идея о том, что мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной, несет в себе некоторые важные последствия, выходящие за рамки биологии. «Некоторых такая перспектива удручает. Я всегда считал это волнующим и источником свободы и, как следствие, моральной ответственности».

Зак Зорич — внештатный научный журналист и редактор журнала «Археология».

Оригинал: Pocket

Похожие Записи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Последние <span>истории</span>

Поиск описаний функциональности, введя ключевое слово и нажмите enter, чтобы начать поиск.