Правило черной королевы, ракоскорпионы и прогнозы на 2008 год

Где раки зимуют

Одна из самых больших трудностей в изучении биологической эволюции заключается в отсутствии машины времени. То, что мы обычно считаем эволюцией (видообразование, возникновение новых групп), идет чрезвычайно медленно. Если не догадаться, как и на что надо смотреть, долгой человеческой жизни может не хватить на то, чтобы зарегистрировать какие-то изменения.

Коллектив биологов, главную роль в котором сыграли бельгийские ученые, опубликовал в Nature небольшую статью ("письмо"), в которой изложил результаты удивительно красивого эксперимента, "изучающего" эволюцию. Эти биологи догадались куда и как смотреть!

В упомянутой статье была описана эволюция дафний (широко известных ветвистоусых ракообразных) и паразитирующих на них бактерий Pasteuria ramosa. Заразив дафний, эти микропаразиты не убивают их, но снижают их плодовитость. Поэтому дафнии, эволюционируя, должны становиться все менее восприимчивыми к бактериям. С другой стороны, бактерии эволюционируют, повышая свою способность заражать дафний, иначе они попросту исчезнут! Описанные соображения должны определять бесконечную "гонку вооружений" между паразитом и хозяином. Но как ее изучить? В наше высокотехнологичное время первая мысль, которая приходит в голову оснащенным неплохим оборудованием американским ученым, — выделить какие-то последовательности ДНК из современного материала и образцов прошлых лет, прочитать их, а потом сравнивать друг с другом. Основная проблема, возникающая в таких работах, — сложность интерпретации генетических текстов. Кто поймет, почему они меняются? Экспериментаторы поступили остроумнее. Они оценивали приспособленность паразитов и хозяев напрямую, сталкивая их друг с другом.

И дафнии, и паразитирующие на них бактерии способны образовывать покоящиеся стадии. Каждую осень на дно водоема опускаются зимующие яйца дафний и споры бактерий. Весной часть из них активируется, а часть останется лежать в донных осадках. В описываемой работе авторы извлекли керн из ила, откладывавшегося на протяжении тридцати лет в небольшом бельгийском пруде. Они разделили тридцатилетний период на восемь слоев, каждый из которых соответствовал нескольким (от двух до четырех) годам. Из каждого слоя были выделены и оживлены яйца дафний и споры бактерий. Дафний из каждого времени размножили в нужной численности, а затем каждую из их групп заражали штаммами бактерий из каждого периода времени. Эффективность паразитирования оценивали по доле зараженных дафний.

Как и ожидалось, наибольшую опасность для дафний представляли их паразиты-современники. Бактерии из более ранних и более поздних слоев преодолевали защиту рачков со значительно меньшей эффективностью. Кстати, при взгляде со стороны может показаться, что система дафнии-бактерии находится в стабильном состоянии, ведь в любой момент времени патогенность паразита для его хозяев остается примерно постоянной. Авторы исследования рассматривают это как подтверждение известного "правила Черной Королевы", предложенного палеонтологом Ли Ван Валеном. Суть этого правила можно передать простым рассуждением (подавляющая часть эволюционных изменений любого вида связана с приспособлением к меняющейся среде), а можно — цитатой из бессмертного текста Льюиса Кэрролла: "Ну, а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте! Если же хочешь попасть в другое место, тогда нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее!"

Вот и "бегут" дафнии и бактерии, оставляя в слое ила следы своего непрерывного "бега"…

 

И рак, и скорпион

Почему люди, раскрыв рот, слушают повествования об уродцах и монстрах, населявших Землю в доисторические времена? Да нипочему! Интересно — и все тут! С недавних пор рассказчики могут пополнить свой бестиарий новым чудовищем, о котором с удовольствием сообщают многочисленные СМИ.

На территории Германии найден ранее неизвестный науке вид ракоскорпионов — Jaekelopterus rhenaniae. Возраст находки оценивают в 390–400 млн. лет, то есть она относится к раннему девону. Это представитель класса меростомовых, к которому относится всего несколько современных видов мечехвостов («подковообразных крабов» на американский манер). Ракоскорпионы были хищными придонными животными. Их хелицеры (головные конечности) были вооружены шипами или клешнями, а конец брюшка нес иглу или плавательную пластину. Они жили как в морских, так и в пресных водах, и даже иногда выползали на сушу. В Шотландии, например, недавно нашли след полутораметрового ракоскорпиона из каменноугольного периода, который прополз некоторое расстояние по берегу.

Новая находка неполна, но включает клешню длиной 46 сантиметров. Проанализировав соотношения между размерами тела и клешней ракоскорпионов этой группы, английские палеонтологи пришли к выводу, что Jaekelopterus достигал 2,5 метров, а его вес составлял около 200 кг. В раннедевонских пресных водах такому монстру просто не было равных, разве что где-то лежат остатки еще более крупных его родственников. Впрочем, с учетом ограничений, которые наружный скелет накладывает на размеры тела членистоногих, ясно, что габариты героя этой заметки близки к предельным.

Благодаря нынешней находке мы можем еще раз оценить, сколь напряженной была борьба за лидерство в экосистемах, через которую прошла наша эволюционная ветвь. Что свидетельствует об успехе той или иной группы животных? Количество видов? Тогда победители «большой игры» — насекомые, а также другие классы типа членистоногие, самая многочисленная группа живых существ на нашей планете. Сложность поведения и совершенство строения? Тут в лидерах мы, позвоночные (подтип типа хордовые), и представители класса Головоногие моллюски. Распространение? «На коне» членистоногие и позвоночные, а головоногие в проигрыше.

История палеозойской эры сохранила следы напряженной борьбы за лидерство всех трех «вершин» эволюции животных — головоногих, членистоногих и позвоночных.

В ходе этой борьбы возникали ужаснейшие существа. В течение какого-то времени пальму первенства держали многометровые головоногие моллюски с прямыми раковинами, заполненными газом. Газ позволял парить в толще воды, реактивный движитель — нацеливаться на жертву, мускулистые щупальца служили для захвата добычи, а мощный роговой клюв дробил любой панцирь. Но гигантские моллюски проиграли. Долгое время вершинными хищниками в воде оставались бронированные ракоскорпионы. Но уже во времена Jaekelopterus’а в морях распространились достаточно крупные рыбы. Они выигрывали прежде всего в скорости перемещения. Гибкое тело, внутренний скелет, челюсти с зубами и сложное поведение сделали рыб и их потомков — четвероногих — окончательными победителями эволюционной гонки вооружений, причем и в море, и на суше. Да, Jaekelopterus был силен. Но «мы» победили!

 

Прошлое и будущее. Революций не будет. Скучно — тоже не будет

Очередная условная граница… Что-то быстро они мелькать стали: только привык, ставя дату, выводить «2007», а не, скажем, «2002» или «2005», как уже нужно привыкать к «2008»! Какие-то года стали недолговечные…

Чем запомнится заканчивающийся год? Еще не знаю. А из сегодняшнего понимания назову пару обстоятельств, относящихся к биологии, и одно — из сферы общественной жизни.

ПРОШЛОЕ-1

Эпигенетическую теорию эволюции заметили! Начали ругать! Меня никогда не удовлетворяло то объяснение совершенства жизни вокруг нас, которое принято давать в школе. «Каждый организм развивается по своей программе; некоторые ошибки в программах ведут к улучшению организмов; со временем такие ошибки вытесняют свои исходные версии». Не верю! Со временем мое неверие оказалось облечено в относительно академичную форму, но суть его осталась прежней. И вот в начале 90-х годов разговаривал я с одним из компетентнейших эволюционистов России и сказал ему, что для решения этой проблемы нужен гений. Тот ответил: «Гений? На этаж выше, направо мимо туалета — там его кабинет!¹» Да еще и подарил мне одну из книг, в которой Михаил Александрович Шишкин излагал «эпигенетическую теорию эволюции Шмальгаузена-Уоддингтона».

Познакомившись в 1999 году с Шишкиным, я пытался добиться от него ответа — почему теория, опубликованная в 1987-88 гг., никому не известна? И что он делает, чтобы его поняли? Почему он не борется? В то время я знал еще несколько человек, которые слышали об ЭТЭ (эпигенетической теории эволюции) и смогли ее понять. Я уж и привык быть сторонником прямо-таки эзотерических взглядов на теорию эволюции. Ситуация изменилась, как мне кажется, именно в 2007 году. Об этой теории услышали и начали ее ругать! На эволюционной конференции, состоявшейся в конце нынешнего года в Москве, несколько человек ее даже ругали (в основном, на мой взгляд, от непонимания)! В любом случае это важное изменение. Может, удастся дождаться и конструктивной критики, и признания основных идей ЭТЭ?

ПРОШЛОЕ-2

Опасность ГМО? Наконец-то можно обсуждать хоть какие-то аргументы! На протяжении нескольких лет меня интересует тема борьбы «зеленых» против генетически модифицированных организмов (ГМО). Началось с того, что один из деятелей природоохранного движения дал мне почитать «библию» российских борцов с ГМО — книгу под названием «Короли и капуста» (прости их, О’Генри, они не ведают, что творят). Я был ошеломлен.

По моей оценке, книга была пересыщена нарушениями логики, ошибками, передергиваниями, обманом, запугиванием обывателей. Как компетентные и порядочные люди могут поддерживать кампанию, ведущуюся такими средствами? Я написал открытое письмо А. В. Яблокову, известному биологу, который обеспечил финансирование этой книги, и закинул письмо в рассылку природоохранных организаций. Отзывы, которые я тогда получил, резко ухудшили мое мнение о «зеленых». Большинство моих корреспондентов, ясное дело, интересовались, где мои тридцать сребреников, но некоторые касались и сути моих аргументов. В одном из ответов была примерно такая мысль «Этика, честность? Оставьте эту болтовню для американских домохозяек. Вы видите, что аргументы, которые должны остановить ГМО, слабы? Так придумайте как их улучшить!»

В конце текущего года я написал для «КТ» ответ на письмо читателя о ГМО. Полез искать подкрепления своей мысли и обнаружил, что разговор о возможном вреде ГМО наконец-то перешел к обсуждению результатов более-менее вменяемо описанных экспериментов. Если эти сообщения справедливы и интерпретируются верно, это может означать, что удалось зарегистрировать неблагоприятные последствия употребления некоторых (отдельных!) категорий ГМО. Сейчас есть основания полагать, что если в измененных организмах сохраняются активные векторы (структуры, обеспечивающие перенос информации), они могут стать опасным мутагенным фактором. Естественно, эти факты не относятся к ГМО полученным с применением технологий не оставляющих опасных векторов.

С другой стороны, меня не оставляет подозрение, что кто-то, кто считает честность уделом американских домохозяек, придумал, как причинить наибольший вред ненавистной технологии, и смог грамотно подтасовать факты.

Что теперь? Проверять. Исследовать. Перестраховываться. Противники ГМО постараются похоронить технологию как таковую. А надо не кричать, а как можно быстрее организовать корректные исследования описанного эффекта. Существует ли он действительно? Насколько опасен? Какие генетически модифицированные организмы безопасны с этой точки зрения? Как нужно менять процедуру генетической модификации? Какими должны быть методы исследований новых продуктов перед введением их в широкое использование? Увы, в решении этих проблем волны страха,  порождаемые пропагандой «зеленых», являются помехой, а не помощью.

ПРОШЛОЕ-3

Играть в чужие игры и сохранить свое лицо? Иллюзии! В уходящем году я окончательно разочаровался в играх по чужим правилам. Вот я спрошу в общей форме: как вы считаете, следует ли играть предписанную вам роль в представлении, где декларируемые цели служат лишь для маскировки истинных интересов сценаристов? Даже если вы отвечаете «нет», возможно, что вы раз за разом встраиваетесь в такие игры как и я в этом году.

Нынешний Новый год примечателен тем, что и Украина, и Россия прошли одни выборы и идут к другим. Нет, я не против участия в выборах. Ходил голосовать и, наверное, буду ходить. Но постараюсь не забыть, что это — их игра. Просто постараюсь выбрать тех наперсточников, которые без бейсбольных бит…

Я когда-то сформулировал для себя что есть четыре сферы деятельности, которые не связаны со служением ложным богам: наука, медицина, образование, искусство. Увы, и в этих сферах можно торговать совестью и душой… А те социальные структуры, которые стремятся нас использовать, менее всего интересует наша честность.

Ой, как хорошо, что Новый год — не державный, не идеологический, а народный, семейный праздник!

А что после него? Предсказывать будущее еще труднее, чем подводить итоги прошлого. Хотя… Ну, например, знал же я, когда только начиналась программа «Геном человека», что полная расшифровка генома не будет означать его понимания? Не только СМИ, но и некоторые биологи верили: ну всё, прочтем «код жизни», поймем, а затем будем менять, как захотим… Прочли. Узнали массу полезных частных фактов и лишний раз убедились, как далеки от понимания целого.

Что ж, попробую сделать пару-тройку прогнозов

БУДУЩЕЕ-1

Революций не будет, будет долгий путь с разнообразными «бонусами» по дороге Какими, например, казались привлекательными перспективы клонирования? Раз организм — реализованная генетическая информация, поменяем ее комплект и получим то, что хотели. Если вместо диска с инсталлятором CorelDraw! вставить фирменный диск Adobe Illustrator, у нас вместо одной программы воплотится (ну, то есть инсталлируется) другая, правда же? Так вот и с клонированием будет то же самое: вставим вместо ДНК мамонта ДНК слона — будет мамонт, вставим ядро клетки любимой кошечки в яйцеклетку просто кошки — и вот она, вторая жизнь нашей любимицы! Это в современных компьютерах есть хард и софт. В организмах нет внешней программы, любая программа — часть самой клетки. Говоря биологическим языком, генотип — часть фенотипа. Да, изменив эту часть, мы можем зарегистрировать изменения в других — но это же касается и любого иного компонента целостного организма! Вот и получается, что при клонировании мало «перебросить» генетическую программу — нужно перенастроить всю целостную систему. А здесь каждое очередное открытие продвигает исследователей на один шаг и подводит их к очередному затруднению. Вам никогда не приходилось идти пешком к горам? Кажется — вот они полчаса ходу, и начнется подъем. Надо только дойти до вон того поворота, чтобы увидеть, что за ним. А за ним еще участок пути. А идти предстоит не полчаса, а, может быть, пару дней или больше…

Так что, работы по клонированию не имеют смысла? Имеют. Только нужно для начала понять, как регулируется развитие организма. Вы не задумывались, что в типичном случае² человек — клон одной клетки? И отмирающие клетки волос, и прозрачные клетки роговицы глаза, и безъядерные эритроциты, и слившиеся воедино мышечные клетки — клоны зиготы, оплодотворенной яйцеклетки! И проходя свой путь развития эти клетки могут как специализироваться так и деспециализироваться, обращать свое развитие вспять! По мере изучения комплекса команд, управляющих этим процессом, мы все лучше будем уметь управлять развитием клеточных линий. Может, со временем и сумеем выращивать новые органы взамен изношенных из клонов собственных клеток.

БУДУЩЕЕ-2

Нас ждет масса открытий, попирающих основы генетики. Этот прогноз — единое целое с предыдущим. Восторг от того, что найдены простые правила, объясняющие как работает организм, уже проходит. Грамотные генетики давно не пытаются разложить организм на сумму эффектов от отдельных генов. Однако инерция мышления — страшная сила! Люди, далекие от размышлений о механизмах управления развитием, еще долго будут повторять старые сказки, пребывая в уверенности что излагают новейшую парадигму науки о наследственности. Думаю, что кроме механизмов наследования, связанных с конформацией (пространственной укладкой) макромолекул, кроме механизмов регуляции активности ДНК и редактирования ее текста с использованием самых различных РНК и белков, биология будущего будет знать и иные способы передачи информации от поколения к поколению. Какие? Время покажет. Когда мы о них узнаем? Ну, не обязательно в 2008 году, но может, и в 2008 году нашему любопытству что-то перепадет…

БУДУЩЕЕ-3

Скорость изменений нашей среды будет возрастать, и Земля станет мала для человечества-переростка. Знаете, какая динамика характерна для пертурбаций, связанных с исчерпанием ресурса? Когда-то на меня произвел впечатление график, описывающий опустынивание пастбищ. Количество органики в почве плавно, с небольшим ускорением, снижается, приближаясь к определенному уровню. Резервы оскудевают, но до поры до времени это не очень заметно. А после достижения критического уровня скорость изменений вдруг резко возрастает и начинает снижаться лишь на последних этапах — поближе к нулю. Так же к примеру, разрушается старое здание. Вначале откуда-то сыплется штукатурка, падает то балка, то рама, но строение остается похожим на само себя. И вдруг опоры подкашиваются, перекрытия укладываются друг на друга, и конструкция превращается в гору мусора. Дальнейшее осыпание этой горы — уже другая, менее эффектная история…

Меня не оставляет ощущение, что уже в наступающем году мы увидим увеличение скорости изменений. Что это? Кассандровы пророчества? Не обязательно. Конечно, в том кризисе, с которым мы столкнулись, хорошего мало. Но все-таки это не смертный приговор. Я уже писал об этом в «КТ»… То, что мы смертны, не лишает нашу жизнь смысла. А у человечества как такового шансы выжить и измениться сохраняются. Более того, они зависят и от наших действий. Помните классическую притчу о человеке, который висит на былинке над пропастью и дотягивается до растущей рядом земляники — сладкой-сладкой?

Мне кажется, что надо как-то преодолеть трагическое ощущение возможных изменений мира, в котором мы живем и пытаться что-то исправлять. Все-таки хочу верить, что мир моих троих детей даст им возможность жить полноценной жизнью. Что для этого надо делать? Верить в лучшее. Готовиться к изменениям. Пытаться понять, как устроен этот мир и населяющие его существа. Надеяться…

Но ведь после 1 января 2008 года мир обновится, правда ведь? Ваше здоровье!