Быстрая и медленная эволюция, перестройки тела питонов и эгоистичная ДНК инфузорий

Эволюция в действии, или На чужой каравай пасть не разевай

То, что эволюцию нельзя увидеть своими глазами, огорчало многие поколения биологов. Например, когда армия Наполеона привезла в Париж древнеегипетские мумии кошек и крокодилов, Французская академия наук назначила специальную комиссию, которая должна была определить, идет эволюция или нет. С учетом того, что возраст Земли оценивался тогда в шесть с хвостиком тысяч лет, относительный возраст мумий представлялся очень солидным. Увы, никаких принципиальных особенностей у древних животных найти не удалось. Это только с нашей точки зрения древнеегипетские кошки принадлежали к особой породе, французов же интересовало их общее строение. Все же один из членов комиссии — Жан-Батист Ламарк — зафиксировал в отчете особое мнение, что саму возможность эволюции эти результаты не опровергают. Он был прав.

Со времен Ламарка накоплено немало свидетельств эволюции, хотя их все равно меньше, чем хотелось бы, — уж больно сложно изучать это явление. Один из самых наглядных примеров — изменение двустворчатых моллюсков в Аральском море в результате его обмеления и загрязнения. Нарушение условий развития личинок моллюсков вызвало взрыв их изменчивости. Некоторые из новых форм приспособились к непривычному для них образу жизни. В разных частях бывшего моря моллюски Cerastoderma перешли от жизни в толще донных осадков к существованию на поверхности дна. Результатом стало изменение раковины, которое вывело ее за пределы нормы, характерной для рода и даже семейства.

Недавно опубликованы результаты еще одного исследования, задокументировавшего ход эволюции. Оно связано с последствиями упомянутого в прошлом номере «КТ» расселения жабы аги по Австралии.

В тех регионах, которые оккупировала ага, она оказывается мощным фактором отбора для хищников, гибнущих от отравления ее ядом. Австралийские ученые исследовали музейные коллекции змей, собранные до появления аги, и сравнили их с современными экземплярами. Изучено четыре вида змей; у двух из них (как раз тех, которые могут питаться агами и страдают от отравления ими) зарегистрировано уменьшение головы. Чем крупнее голова змеи, тем большую по размеру агу она может съесть и тем сильнее будет страдать от отравления жабьим ядом. В этих условиях мелкоголовые змеи имеют преимущество, и их доля в популяции возрастает.

Конечно, зарегистрированное явление — пример лишь краткосрочного приспособления. Рано или поздно сохранившиеся виды змей должны были или научиться избегать жаб, или обезвреживать их токсины. Например, среднеазиатская кобра — это хищник, питающийся в основном зелеными жабами. И чем крупнее съеденная жаба, тем приятнее кобре.

 

Вялое бессмертие

На исходе зимы Кардиффский университет (Великобритания) стал источником сразу двух научных сенсаций. Координируемые из Кардиффа астрофизики обнаружили целую галактику темной материи (см. «КТ» #581), а профессор университета палеобиолог Джон Паркес (John Parkes) сообщил об открытии почти бессмертных организмов в донных отложениях океана.

Как известно, значительная часть продуктов выветривания горных пород вместе с остатками организмов перемещается по поверхности Земли до тех пор, пока не попадает на дно водоемов. По человеческим представлениям осадочные породы образуются бесконечно медленно; однако по меркам планеты это весьма интенсивный процесс. Со временем породы из донных отложений вновь оказываются на поверхности (иногда в метаморфизованном виде), разрушаются силами выветривания, а содержащиеся в них элементы снова вовлекаются в биологический круговорот. А может ли жизнь использовать вещества, содержащиеся в осадочных породах до их подъема на поверхность и разрушения? Еще недавно считалось, что практически нет. Живые системы требуют, чтобы через них тек поток вещества и энергии (к этим двум «столпам» можно добавить и третий — информацию). А все процессы в осадках идут чрезвычайно медленно: время в них как бы консервируется. До сих пор ученые полагали, что нижняя граница распространения жизни проходит в нескольких метрах под поверхностью дна.

Группа же Паркеса установила, что находящиеся в осадках вещества перерабатываются бактериями, захороненными вместе со средой своего обитания. Скорость метаболизма у них крайне низкая, а биомасса, наоборот, велика. По оценкам Паркеса, в донных отложениях живет большая часть (60–70%) населяющих нашу планету бактерий! Жизнеспособные микроорганизмы обнаружены на глубине более восьмисот метров под поверхностью дна. Как ни медленны протекающие там химические процессы, они могут давать энергию для окислительно-восстановительных реакций и, значит, для жизни. Важным источником энергии для «глубинных бактерий» является водород, выделяющийся из разрушающейся органики.

Но самое фантастичное не это. Осадки, находящиеся на значительной глубине, откладывались очень давно. Бактерии замурованы в них и должны иметь тот же возраст, что и среда их обитания. Возраст слоев, о которых идет речь, измеряется миллионами лет! Об обнаружении клеток в таких осадках объявлено уже четыре года назад, но до сего дня не удавалось представить убедительных данных, что эти бактерии живы. Сегодня же Паркес сообщает, что бактериальные клетки, извлеченные с глубины более четырехсот метров под поверхностью дна, живехоньки. Их возраст — 16 млн. лет.

Эти клетки (не клеточные популяции, а именно клетки) жили уже в миоцене, в эпоху становления наших общих с человекообразными обезьянами предков. Впрочем, существование вмурованных в осадки бессмертных бактерий вряд ли приносит им много радости: скорость их жизненных процессов снижена до предела.

А возможно ли бессмертие в принципе, пусть даже при очень низких темпах обмена веществ? При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, ионизирующее излучение и тепловое движение приводят к изменениям жизненно важных для клетки макромолекул. Когда клетка находится в активном состоянии, она непрерывно исправляет эти повреждения. Принято считать, что в течение миллионов лет сохранить важную информацию может лишь отбор — сохранение в поколениях или отбраковка носителей ее различных версий.

В случае «поддонной» жизни активность исправления поломок не может быть высокой, и отбор практически невозможен. Даже отбор на закрепление полезных изменений (позволяющих бактериям выживать в донных захоронениях) должен быть затруднен. У прожившего миллионы лет микроорганизма почти нет шансов оставить потомков: для этого толща осадков должна быть разрушена, а бактерии — выпущены из заточения.

Английские первооткрыватели нового мира утверждают, что жизнь на Земле должна была возникнуть именно в таких условиях, в толще осадков. Первые известные нам организмы, населявшие толщу воды, имеют возраст 3,8 млрд. лет¹. В них найдены следы клеток — углеродные комочки с измененным соотношением изотопов ¹²С и ¹³С, характерным для фотосинтезирующих организмов. В осадках фотосинтез был бы невозможен — следовательно, организмы существовали в толще воды)². Получается, что в осадках жизнь появилась еще раньше? Но как она могла эволюционировать в условиях затрудненного размножения?

Находки Паркеса слишком невероятны, чтобы в них сразу поверить. Здоровый скепсис никогда не бывает лишним при рассмотрении сенсаций. В то же время не хочется настаивать, что такого не может быть, потому что не может быть никогда. Не верится, но подождем новых данных…

 

А зачем тебе такая большая печень?

Глядя на любой организм, мы склонны воспринимать его форму как что-то неизменное. Не так просто научиться воспринимать структуру как процесс. Вспомним для примера об эффекте, названном в честь польского зоолога А. Дэнеля. Объем черепа и размер мозга у землероек претерпевает сезонные изменения: зимой черепная коробка становится ниже, а летом — опять меняет пропорции, становясь выше. Соответственно меняется и мозг, то уменьшаясь и уплощаясь, то вырастая в объеме. Приведенный пример характерен для животных с рекордно высокой скоростью обмена веществ, а зарегистрированный экологами университета Калифорнии (Лонг-Бич) феномен, наоборот, свойствен самым экономным — тигровым питонам.

Неспешно выбрать подходящее место для засады. Терпеливо ждать подходящего момента. Собрав все силы, обеспечить взрывной выброс энергии и обездвижить жертву, которая может быть равна по массе нападающему. Используя удивительную пластичность тела, проглотить добычу (точнее, «надеть» себя на нее), потратив на решение этой задачи немало сил и времени. Наконец, переварить проглоченную пищу и максимально полно использовать содержащуюся в ней энергию. Такова стратегия питания крупных змей, в частности питонов.

Во время короткого периода борьбы с жертвой питон использует свою белую, предназначенную для работы в режиме недостаточного обеспечения кислородом, мускулатуру. Такие мышцы сильнее, чем красные, требующие интенсивного кровоснабжения, но намного быстрее устают. Заглатывание добычи — процесс долгий, во время которого можно передохнуть и отдышаться через трахею-воздуховод, расположенную в уголке рта. Гораздо более трудное дело — переваривание крупной добычи. Если питон не успеет переварить ее до того, как она испортится внутри его тела, он должен будет избавиться от остатков пищи (иначе рискует отравиться).

В течение двух суток после проглатывания крупного животного питон увеличивает размер своего сердца на 40%. Все его тело подчинено решению сложнейшей задачи: печень увеличивается втрое, кишечник — вдвое, интенсивность работы пищеварительных желез возрастает во много раз. Никакое другое животное не может так полно использовать содержащуюся в пище энергию. Усвоив 10 кг мяса, собака прибавит около полукилограмма веса, а питон (переварив у добычи даже кости) — больше четырех. После того как переваривание завершено, содержание увеличенных органов становится для змеи накладным, и они уменьшаются до обычного состояния — с учетом возросшего размера всей особи.

Как помогло бы ноу-хау тигровых питонов восстанавливающимся после инфаркта больным-сердечникам! Было бы неплохо, поддавайся структуры нашего тела перестройке не за счет хирургического вмешательства, а благодаря собственным регуляторным сигналам. Как ни фантастично это звучит, питоны показывают, что это хоть и сложная, но не безнадежная задача.