Александра Шипова

В своей книге «Происхождение видов», а именно в третьей главе, Чарльз Дарвин освещает тему борьбы за существование. Этим термином он объединяет зависимость различных особей друг от друга, т.е. их конкуренцию за источник питания, за место обитания, а так же успешность оставления потомства.

Живые организмы постоянно размножаются, увеличивая свою численность, которая должна как-то регулироваться, во избежание перенаполнения планеты. Если бы этим миром управляла какая-то разумная материя, то возможно, что для уменьшения числа особей, населяющих определенный участок мира, эта материя выбрала бы самый примитивный путь: просто бы уничтожила ненужных существ. Но, т.к. я пока не нашла для себя убедительных доказательств существования чего-то Свыше, перейдем к одному из движущих факторов эволюции – борьбе за существование.

Причины, по которым организмам приходится предпринимать попытки выжить, условно можно разделить на категории:

а) неблагоприятные климатические условия;

б) большая численность организмов одного вида – тогда возникает внутривидовая борьба за пищу, а так же за возможность проживать на облюбованной территории;

в) большая численность организмов разных видов – тогда возникает, соответственно, межвидовая борьба, которая характеризуется помимо конкуренции за пищу и территорию еще и наличием отношений таких типов, как хищник-жертва, травоядное животное-растение, паразит-хозяин.

Всю жизнь мы ведем борьбу за существование. Каждый день – это борьба, которая начинается утром. Сначала это борьба с самим собой – внутренний голос отчаянно просит остаться дома и не идти на пары (в детский сад/школу/работу). Но в большинстве случаев мы все же не поддаемся на уговоры и выходим на улицу, где уже начинается борьба с погодными условиями. Пронизывающий ветер заставляет нас противостоять ему, укутываясь в теплую одежду; дождь заставляет побороть лень, вернуться домой и взять зонт; солнце, слепящее глаза, велит найти где-то солнечные очки. Если ничего из этих вещей у вас нет, то вы вынуждены странствовать, ища место, где нет ни ветра, ни дождя, ни солнца (я не знаю, возможно, это должна быть пещера, но мне кажется, что в теплой кроватке тоже ничего этого нет). Правда, можно просто (или сложно, если вы живете в России) найти работу, если ее еще нет, и купить необходимое для защиты от неблагоприятной погоды. Конечно, вряд ли такого рода «борьба» заставляет нас эволюционировать. Хотя, я считаю, что здесь может иметь место быть личная эволюция (например, стремление найти работу после продолжительного ничегонеделания).

В книге Чарльза Дарвина много глав и все они делятся на популярные среди студентов и непопулярные. Несложно понять, что конкуренция при выборе темы для написания эссе была высокой: каждую конкретную главу разрешалось использовать лишь четырем студентам со всего потока. А к тому же большинство студентов хотели выбрать популярные темы, которые или более легкие для их понимания, или по этим главам достаточно легко найти соответствующие статьи… Студенты понимали, что от успешности написания работы зависит их оценка за экзамен, а от экзамена зависит, будут ли они отчислены (мертвы) или же останутся в университете (выживут; хотя, можно еще поспорить, кого считать выжившим: отчисленного или учащегося в НГУ). Поэтому и началась внутривидовая борьба, причем в прямом смысле, за главы. В этой борьбе наиболее приспособленные студенты, выбравшие себе непопулярные, но к которым лежит душа, главы, сохранили свои нервы и время, потраченное другими, менее приспособленными студентами, на выяснение отношений при согласовании распределения глав друг между другом.

В буфете тоже постоянно происходит борьба среди студентов. Особенно ярко выражена она при покупке салатов и пирожков. Это самый востребованный источник питания, поэтому этот ресурс довольно быстро исчезает с немногочисленных полок нашего буфета. Опять же-таки приспособленные студенты, даже не успевшие купить заветный пирожок, не голодают весь день, сидя на парах до шести часов вечера. Они приносят еду в контейнерах с собой, а если и забывают ее дома, то на них (особенно если они живут в общаге, где нормально питаться не могут по умолчанию), это особенно не сказывается. Такой способ выживания можно заметить среди старшекурсников. Первокурсники же, еще не адаптированные к студенческой жизни и к периодическому отсутствию еды в буфете, или просто не успевающие сделать утром дома бутерброды, страдают весь день от нехватки питательных веществ. Но обычно к концу первого семестра их тоже можно заметить с контейнерами еды.

Внутри одной лаборатории отношения между коллегами могут быть как симбиотическими, паразитическими, так и конкурентными. Конкуренция за публикацию в журнале с высоким импакт-фактором, за удобный кабинет, конкуренция за хорошие реактивы. Примеров много. Более напористым людям удается обзавестись тем, что им нужно. Конечно, не факт, что наличие хорошего рабочего места спасет при отсутствии определенного склада ума: со временем такого человека просто уволят из нормальной лаборатории. Среди лабораторий, естественно, тоже есть конкуренция, например, за гранты.

Это были мои размышления о борьбе за существование в повседневной жизни и тут, конечно же, эволюция биологическая, как таковая, отсутствует.

Мы знаем, что ресурсы окружающей среды не бесконечны, поэтому выживают те организмы, которые приспосабливаются их использовать наиболее эффективно и быстро. Рассмотрим одну из частей морского фитопланктона – диатомей (это одноклеточные водоросли). Их рост очень сильно зависит от концентрации растворенных в воде соединений азота, таких как нитраты и аммоний (неорганические), мочевина (органическое соединение). Неорганический азот в верхнем слое водоема (где света достаточно для фотосинтеза) весной почти полностью уничтожается развивающимся фитопланктоном. Затем начинает использоваться уже азот, поступающий из продуктов выделения животных, питающихся фитопланктоном, и из других органических соединений.

Несколько лет назад на биологическом факультете МГУ были исследованы два вида диатомей: Thalassiosira weissflogii (Tw) и Pseudonitzschia delicatissima (Pd). Был придуман количественный показатель, который назвали «конкурентный эффект» (КЭ). Он вычислялся, как доля, на которую снижалась скорость роста одного вида при совместном культивировании по сравнению с раздельным. Водоросли исследовались в разных ситуациях: раздельное/совместное выращивание, на нитратах/на мочевине, а так же при разной освещенности.

Наблюдалось следующее: КЭ вида Pd во всех ситуациях превышал КЭ вида Tw, то есть Pd всегда (но в нитратной среде это было выражено более ярко, чем в среде с мочевиной) подавлял рост Tw сильнее, чем Tw угнетал рост Pd. В условиях низкой освещенности Tw практически не мешал росту Pd в нитратной среде (КЭ близок к нулю), а на мочевине даже способствовал росту Pd (КЭ был отрицательный). Большую биомассу на среде с нитратами набирал Pd, его выигрыш в конкуренции обсуловлен более быстрой и эффективной утилизацией азота из неорганических соединений. На среде с мочевиной выигрывал Tw за счёт своей способности использовать ее более эффективно. Авторы исследования указывают на то, что взаимодействие водорослей (например, выделение ими каких-либо веществ) так же влияет на их рост.

Можно заметить, что конкурирующим видам планктонных водорослей разница в концентрациях различных азотсодержащих веществ позволяет выработать определенные адаптации и предпочтения, причем разные. Это, в свою очередь, ведет к «расхождению» в экологическом пространстве и снижению конкуренции.

Что еще «придумывают» организмы, чтобы выжить? Например, начинают использовать «непопулярные» источники питания, эволюционируя в сообществе, где биоразнообразие достаточно велико. Не так давно биологи из Германии и Франции проводили исследование бактерий Pseudomonas fluorescens. Несмотря на то, что штаммы принадлежат к одному виду, они довольно-таки различны по своим параметрам, поэтому их взаимоотношения рассматривали как межвидовые. Ученые добавили в геном штамма F113 ген устойчивости к антибиотику, для того, чтобы его было удобнее отделять от других видов. Из этого вида и семи других были составлены микробные сообщества с разным спектром использования источника углерода (функциональное разнообразие) и разным уровнем видового разнообразия. Все эксперименты повторялись с модифицированными бактериями F113rec-, у которых из-за отключения определенного гена была снижена способность бактерий к быстрой адаптации.

В каждом эксперименте ученые смешивали каждое микробное сообщество с F113 в пропорции 4:1, затем смесь в течение 48 часов эволюционировала. Понятно, что у F113rec- полезные мутации возникали слишком редко, и поэтому эти бактерии не успевали измениться за столь короткое время.

В ходе опыта выяснилось, что чем выше функциональное разнообразие микробного сообщества, тем меньше концентрация F113 в смеси по окончании эксперимента. Отсюда можно сделать вывод, что размножение F113 ограничивает межвидовая конкуренция за ресурсы. У микробов F113rec- наблюдалось еще более сильное снижение приспособленности с ростом функционального разнообразия.

Для того чтобы проверить, действительно ли биоразнообразие сообщества способствует диверсификации (появлению новых фенотипов с другими спектрами используемых ресурсов), биологи изучили морфологию колоний, развившихся из единичных клеток. Биологи выявили закономерность: чем выше было функциональное разнообразие сообщества, тем больше различных мутантов, перешедших на «непопулярные» источники углерода, наблюдалось к концу эксперимента среди F113. Гипотеза была подтверждена. А вот среди F113rec- мутантов найдено не было.

В условиях пониженной межвидовой конкуренции, а тем более при ее отсутствии приспособленность мутантов, как оказалось, резко падала. Получилось, что в эволюционном процессе бактериям пришлось отказаться от приспособлений, позволявших им использовать привычные источники углерода, взамен на способность успешно утилизировать малопопулярные ресурсы. Вот они, две стороны одной медали-эволюции.

Хотелось бы немного сказать о межвидовых отношениях типа паразит-хозяин. В подтверждение теории о том, что в системе таких отношений происходит постоянная смена средств защиты хозяина и смена средств нападения паразита, можно привести исследование группы биологов из Франции, Швейцарии и Бельгии. Они наблюдали на протяжении 30 лет коэволюцию рачков-дафний и их паразитов – бактерий Pasteuria ramose – в пруду. Эти объекты имеют покоящиеся стадии, сохраняющиеся в донных отложениях, что оказалось очень удобным для подобного исследования и позволило проследить генетическую историю популяций. Ученые, извлекая яйца дафний и споры бактерий, «оживляли» их и оценивали заразность бактерий по отношению к рачкам из разных слоев. В результате самая большая инфекционность была выявлена у паразитов, заражавших рачков «своего же времени» – 65% зараженных; у паразитов, которые заражали дафний из более раннего периода, чем они сами, инфекционность была 57%; у тех, кто «из прошлого» заражал дафний «из будущего» – 55%. Паразит постоянно эволюционирует, а значит, должен быть наиболее опасен для рачков из предыдущих периодов, но из-за некоторых неточностей эксперимента (а именно – данные за 10-20 поколений дафний усреднялись) результат несколько иной.

Теперь стоит упомянуть «бег на месте». Предположим, что есть два вида дафний (А и В) с разной генетической устойчивостью к разным видам бактерий и два вида бактерий (А1 и В1), заражающих соответственный вид (т.е. А1 заражает А) и снижающих их плодовитость. Добавим в пруд, где преобладают дафнии А, паразитов А1 и В1. Мы увидим, что из-за присутствия большого количества А начнет активно размножаться и наконец станет преобладающим среди бактерий вид А1. В такой ситуации вид В постепенно займет весь пруд. Затем последует немедленное размножение паразитов В1, и дафниям снова придется возвращаться в исходное состояние (приспосабливаться) – когда среди рачков было больше вида А. Думаю, что постоянные изменения частот аллелей, определяющих устойчивость к паразиту, можно назвать «бегом». Но почему «на месте»? Потому что в итоге все равно в каждый момент времени инфекционность бактерий и степень зараженности рачков будут оставаться одинаковыми.

Чарльз Дарвин пишет, что между особями одного вида борьба наиболее ожесточенная (понятно, почему: одинаковая предпочитаемая пища, проживание на одной территории) и приводит к видообразованию. На данный момент в научном мире существуют две основных концепции видообразования: аллопатрическое и симпатрическое. Аллопатрическое – разделение одного вида на два из-за изоляции части вида в связи с возникшим барьером на месте исходной популяции. Но нас интересует симпатрическое видообразование, которое предполагает, что движущей силой является конкуренция между особями.

Насколько сильно конкуренция повлияла на существующее сейчас огромное разнообразие хищников? Команда ученых из Америки и Великобритании провела исследование, показавшее, что как минимум на 60% их видообразование обеспечено конкуренцией. На основе молекулярных данных, независимо от морфологических признаков зубов, была построена эволюционная схема хищных млекопитающих. Затем были выделены 50 пар видов, у которых был общий предок. Ученые оценили различие морфологии зубов (хищных и предкоренных, т.к. эти зубы определяют узкую пищевую специальность хищников). Далее подсчитали, насколько ареал близких видов перекрывается, соотнесли общую площадь и морфологические различия. Животным, вынужденным жить вместе, пришлось приспособиться к разной диете, соответственно, видоизменив зубы – свой главный инструмент добывания и переработки пищи.

Что же о климате? Поспособствовало ли его изменение эволюции наших предков, как предполагал Дарвин? Перемена наклона земной оси влияет на количество осадков (в т.ч. дождей), выпадающих на Африку, поэтому климат в течение последних 5 млн лет сменялся: то влажный, то засушливый. Так же в высоких широтах происходили оледенения, что значительно расширило площадь саванн. Различные факты, добытые палеоантропологами, говорят о том, что примерно 2,8 млн лет назад началась аридизация климата (уменьшение степени увлажнения), сокращение лесов и распространение саванн в Восточной Африке – в период, когда гоминиды были сформировавшимися двуногими человекообразными обезьянами.

Видовой состав африканских полорогих (семейство парнокопытные) особенно быстро менялся около 2,8 и 1,8 млн лет назад: появлялись новые виды с гипсодонтными коренными зубами, что говорит о возникшей потребности пережевывать жесткую саванную растительность. Эти этапы совпадают с эволюционными изменениями гоминид. Около 2,7 млн лет назад появились парантропы, имевшие мощные зубы и челюсти, а около 2,6 млн лет назад появились первые каменные орудия олдувайского типа. 1,8 млн лет назад появился Homo erectus, чуть позже была изобретена более сложная технология изготовления каменных орудий (ашельская). Видимо, все же повлияли-таки климатические изменения на эволюцию австралопитеков и ранних Homo – идея Дарвина подтверждается!

По словам Чарльза многочисленность отложенных яиц (или семян в случае растений) нужна для того, чтобы компенсировать те огромные количества яиц, которые подвергаются уничтожению другими животными или неблагоприятными условиями. Рассмотрим это на примере кожистых черепах. Одна черепаха откладывает около 80 яиц за раз, зарывая их в песок, а так же создавая некую защиту от хищников – вырывает ластами круги на песке вокруг кладки. Через некоторое время появляются детеныши, которые начинают развиваться во взрослых особей. Но несмотря на то, что эти животные становятся мощными и крупными, они все же постоянно гибнут: то запутаются в рыбацких сетях, то сталкиваются с кораблями, то съедят что-то несъедобное вроде пластикового пакета, а так же нередко уничтожаются браконьерами… Прослеживается отвратительное влияние человека на живую природу. И все же численность этих черепах более-менее стабильно поддерживается, что говорит о том, что не зря они откладывают столько яиц.

Мы знаем, насколько важно правильно заботиться о потомстве, чтобы оно-таки доросло до своего собственного репродуктивного периода, а не погибло. Для птиц процесс кормления птенцов является очень энергозатратным, поэтому родителям приходится распределять усилия. Исследователи из Нидерландов решили изучить, каким же птенцам достается корм в первую очередь: тем, кто жалобнее пищит (т.е. очень голоден) или более крупным птенцам (здоровым), широко раскрывающим клюв и заслоняющим собой других. У здорового и сильного птенца шансы выжить выше, чем у слабенького и недоразвитого птенца. Именно поэтому учеными было замечено, что в неблагоприятных условиях, когда корма достаточно мало, родители старались выкормить именно здоровых конкурентоспособных птенцов. А в условиях, когда корма было много, птицы тратили больше энергии на слабых птенцов, чем на здоровых, чтобы поддержать весь свой выводок в относительно нормальном состоянии.

Дарвин написал «Происхождение видов», эта книга дала толчок к исследованиям и открытиям. За это, я думаю, научное сообщество ему благодарно.