Лаура Спинни - Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности

Все это помогает объяснить, почему мы пока не нашли никаких следов инопланетян. Разумеется, некоторые из других предложенных объяснений тоже способны оказаться верными (скажем, что жизнь на других планетах обычно уничтожается катастрофическими событиями вроде вспышек гамма-излучения задолго до того, как разумные инопланетяне получают шанс возникнуть). Если это так, в нашей галактике, видимо, очень мало других разумных видов.

Но, опять-таки, а вдруг некоторые из них проживают где-то рядом. Если мы когда-нибудь с ними встретимся, готов заранее биться об заклад, что у них тоже имеются митохондрии.

Какая-то клетка случайно поглощает другую, и зарождается сложная жизнь. Впрочем, даже тогда вы отнюдь не являетесь неизбежным результатом процесса. На Земле великое множество видов животных и растений, и это разнообразие обусловлено случайностью в гораздо большей мере, чем хотелось бы биологам. Рассказывает Боб Холмс.

Одна антарктическая рыба вырабатывает белки-антифризы, помогающие ей выжить в холодной воде. Бабочка под названием «вице-король» маскируется под ядовитую бабочку-монарха и благодаря этому избегает врагов, которые не прочь ею лакомиться. Болезнетворные бактерии становятся устойчивыми к действию антибиотиков. Повсюду в природе можно встретить свидетельства работы естественного отбора, направленного на адаптацию вида к той среде, где он обитает. Но, как ни удивительно, естественный отбор, возможно, играет незначительную роль в одной из ключевых стадий биологической эволюции – в возникновении новых видов. Может показаться даже, что видообразование – результат действия случайности, прихоти судьбы.

Во всяком случае, так утверждает Марк Пейджел, эволюционный биолог из британского Университета Рединга. Если его спорное мнение окажется верным, тогда получится, что широчайшая панорама жизни – изобилие разнообразнейших жуков и грызунов при сравнительно малом количестве видов приматов и т. п. – может иметь больше общего со склонностью вида к эволюционным случайностям, чем с направляющей десницей естественного отбора.

Конечно же, естественный отбор имеет ключевое значение в эволюции, тут нет никаких сомнений. Полтора века назад Дарвин убедительно показал это в своем «Происхождении видов», и бесчисленные исследования, проведенные позже, лишь подтвердили его идеи. Но в дарвиновском заглавии кроется невольная ирония: собственно говоря, в книге не рассматривается, что же именно запускает процесс образования нового вида. С тех пор многие брались за выяснение того, как один вид превращается в два. Вы, наверное, подумали, что теперь-то, когда нам доступно столько генетической информации, неведомой Дарвину, этот вопрос наверняка удалось разрешить. Однако нет, не удалось. Видообразование по-прежнему остается одной из главных загадок эволюционной биологии.

Даже определения здесь не очень-то просты и прямолинейны. Большинство биологов рассматривают вид как группу организмов, которые могут скрещиваться между собой, но не скрещиваются с представителями других групп. У этого определения (как и почти у всякой биологической дефиниции) есть свои исключения, но обычно оно работает довольно-таки неплохо. В частности, оно подчеркивает важное свойство видообразования: для того, чтобы один вид превратился в два, некоторая подгруппа исходного вида должна утратить способность размножаться при помощи своих собратьев по виду.

Серьезные ученые и сегодня спорят, как же это происходит. К середине ХХ века выяснилось, что такая репродуктивная изоляция иногда возникает, когда несколько организмов переносятся в недавно образовавшиеся озера или на отдаленные острова. Причиной других видообразовательных явлений, похоже, служат масштабные хромосомные изменения, которые внезапно делают некоторых особей неспособными спариваться со своими соседями.

Впрочем, представляется маловероятным, чтобы подобные резкие изменения сами по себе обуславливали появление всех или хотя бы большинства новых видов. Здесь-то и вступает в дело естественный отбор. Будем рассматривать виды как более или менее отдельные популяции, проживающие на различных территориях. Идея состоит в том, что две популяции могут постепенно отдалиться друг от друга (как два приятеля, которые больше не хотят тратить время на разговоры между собой) по мере того, как каждая из них приспосабливается к своему набору локальных условий среды. Пейджел замечает: «На мой взгляд, большинство неспециалистов считают видообразование каким-то постепенным накоплением множества изменений путем естественного отбора – и так до тех пор, пока не появится группа особей, которая больше не может спариваться с исходной популяцией».

Долгое время никто не мог придумать, как проверить эту догадку: действительно ли основная часть событий видообразования происходит именно так? Но десять с лишним лет назад Пейджел предложил способ решения проблемы. Он рассуждал так: если новый вид представляет собой как бы сумму большого количества малых изменений, тогда этот процесс должен оставить статистически значимый отпечаток на эволюционном прошлом вида.

Когда большое число малых факторов складывается, давая результат (будь то сочетание питания и происхождения, определяющее рост человека, или экономические силы, задающие цены акций, или причуды погоды, формирующие температуру воздуха), достаточно большая выборка таких результатов всегда стремится дать знакомую многим колоколообразную кривую (гауссиану), которую статистики называют нормальным распределением. К примеру, рост человека варьируется в широких пределах, но большинство величин теснится вокруг средних значений. Пейджел понял: если видообразование является результатом множества малых эволюционных изменений, то временной интервал между последовательными эпизодами видообразования (то есть длина каждой ветви эволюционного древа) тоже должен укладываться на колоколообразную кривую (см. схему). Но эта идея, при всей своей простоте, столкнулась с препятствием: у нас попросту нет достаточного количества подходящих эволюционных деревьев, чтобы получить статистически корректные сведения о длине ветвей. Так что Пейджел забросил свою гипотезу и перешел к другим делам.

Какие из процессов запускают видообразование?

Подрежем эволюционное древо.

Отметим на графике число ветвей разной длины.

Это даст нам характерные кривые для различных видов.

Филогенетическое древо, отражающее процесс видообразования внутри определенной группы организмов

А потом, несколько лет назад, Пейджел осознал, что подходящие эволюционные деревья, дающие надежную информацию, вдруг стали доступны в огромных количествах – благодаря дешевым и быстрым методикам секвенирования ДНК. Он заметил: «Впервые у нас появился большой набор филогенетических деревьев, по-настоящему годящихся для того, чтобы проверить эту идею», – писал он. И тогда он и его коллеги Крис Вендитти и Эндрю Мид, засучив рукава, приступили к работе.

Команда обнаружила в научных публикациях более 130 эволюционных деревьев, полученных на базе анализа ДНК. Эти данные относились к самым разным представителям царств растений, животных и грибов. После отсева эволюционных деревьев сомнительной точности ученые получили список из 101 позиции, куда входили сведения о многообразных кошках, шмелях, соколах, розах и т. д.

Работая с каждым древом отдельно, они измерили длину ветвей между последовательными эпизодами видообразования – то есть, по сути, между развилками. Затем подсчитали число веток, имеющих ту или иную длину, и стали смотреть, какая получается картина. Если видообразование происходит путем естественного отбора через множество мелких изменений, можно предполагать, что длины ветвей лягут на колоколообразную кривую. Это будет либо кривая нормального распределения (если изменения суммируются, чтобы новый вид в конце концов перевалил через некоторый порог несовместимости), либо родственная ей кривая логарифмически-нормального распределения (если изменения «перемножаются», тем самым позволяя виду достичь порога быстрее).

К немалому удивлению исследователей, ни одна из этих кривых не соответствовала изучаемым данным. Логарифмически-нормальное распределение лучше всего описывало лишь 8 % случаев, а нормальное распределение вообще не подошло – оно не годилось ни для одного эволюционного древа. Зато группа Пейджела обнаружила, что для 78 % эволюционных деревьев распределение длин ветвей лучше всего описывается другой хорошо известной кривой – так называемого экспоненциального распределения.

Подобно колоколообразной, экспоненциальная кривая также имеет довольно простое объяснение, но оно несет тревожные вести для биологов-эволюционистов. Экспоненты мы получаем, когда имеем дело с ожиданием какого-то отдельного и нечастого события. Скажем, временные интервалы между последовательными телефонными звонками на ваш номер укладываются как раз на кривую экспоненциального распределения. Такая же история с периодом, который требуется для распада радиоактивного элемента, или с расстояниями между случайно сбитыми на автотрассе животными.