Полина Антошина

Новости: Как известно, Дарвин хранил все свои записи и переписки, и вот недавно биографы обнаружили ещё одну из них. Это был не первый случай подобных находок, авторитетные лица подчёркивают, что первые такие публикации датируются в архиве 2009 годом, и с те пор ежегодно в конце марта обнаруживаются новые тексты. Уникальность этих документов в том, что дата их написания отстоит от времени жизни Дарвина на века, что приводит к подозрениям о путешествии писем во времени.

[Начало фрагмента утеряно] …Когда я впервые услышала об этом задании – переписать главу Вашего труда с точки зрения современного биологии (ах да, забыла упомянуть, что прошло полтора века с момента его написания), я была приятно удивлена. Немногие наши дисциплины подразумевают такое творческое задание, можно сказать, что их число стремится к единице.

Итак, моё внимание привлекла третья глава – Борьба за существование. В её начале Вы определяете, что значит данный термин и что в него включено. Ваши рассуждения строятся на примере про растения: о сражении за территорию с другими растениями, за расселение и против засухи. В современных учебниках это описывается, как три типа борьбы за существование: внутри одного вида, между разными видами и борьбу с условиями среды.

Почему борьба за существование происходит? Вытекает она из того, что каждое существо производит намного больше потомков, чем число, которое может выжить. Вы берёте в основу своих рассуждений модель Мальтуса об экспоненциальном росте числа организмов, но она не учитывает факторов, ограничивающих рост численности. Собственно, отсюда и взялись посчитанные Вами 19 миллионов слонов, столь поразившие меня. И это был пример с организмом размножающимся довольно медленно. А ведь есть и другие организмы с гораздо более коротким временем генерации… Мне вспоминается такой микроорганизм, как E.coli. Кишечная палочка способна к делению каждые полчаса. И при такой скорости, за сутки мы получили бы (в отсутствие ограничивающих факторов, разумеется) около 72 генераций, количество которых составляло бы ~5*10²¹ клеток, весящих около 5000 тонн, и они могли бы покрыть всю Землю довольно плотным слоем. Но к счастью этого всё-таки не происходит.

В этой ситуации было бы более корректным опираться на другую модель роста, которая была предложена Пьером-Франсуа Ферхюльстом. Суть её в том, что с ростом численности популяции скорость роста будет падать, а после превышения некоторого уровня, численность будет поддерживаться на постоянном уровне. Однако даже данная модель не всегда осуществляется в природе, т.к. исчерпание одного ресурса (допустим, пищи), может повлечь другие трудности (развитие болезней), которые снизят численность.

Из тенденции к увеличению числа потомков в геометрической прогрессии и из того, что нашу планету не покрыли толстым пластом организмы с наименьшим временем генерации, Вы делаете вывод о том, что численность может сдерживаться на каком-то этапе жизненного пути. Здесь стоит упомянуть о теории, возникшей в XX веке, теории r/K-отбора, кстати, она опирается на модель логистической кривой. Согласно ей, существуют два пути эволюционной стратегии. K –стратеги действуют так: медленно созреть, дать небольшое число потомков, максимизировать их выживаемость, чтобы те смогли дать следующее поколение. R-стратеги действуют иначе – они предельно увеличивают скорость размножения в надежде, что сколько-то из них выживет. Что удивительно, так это то, что Вы сами упоминаете об этом, хотя и не в данных терминах. Типичными K-стратегами является большинство млекопитающих, типичными r-стратегами – микроорганизмы, беспозвоночные.

Рассуждая о природе препятствия к возрастанию численности, Вы очень метко подметили, что «причины сдерживания роста крайне темны». Как я уже упоминала выше, существуют три типа борьбы. Конституциональный тип оказывает своё действие на другие два, т.к. именно он может влиять на такой фактор, как пища. Её количество, а точнее недостаток, будет усиливать конкуренцию, как между представителями одного вида, так и между двумя разными видами, которые конкурируют за данный ресурс. Кроме того, климатические условия могут действовать, как бы против особей одного вида, увеличивая преимущества другого. То есть выживет особь, наиболее приспособленная к данным условиям, как говорил мистер Спенсер. Следует понимать, что данные приспособления (обусловленные мутациями в генах) выгодны только здесь и только сейчас. Пример адаптации к климатическим условиям мы можем увидеть у эскимосов, которые обитают в весьма холодном климате. У этого народа повышен уровень метаболизма (~ на 50 %) в сравнении с другими народностями, что позволяет им выживать в столь экстремальных условиях.

Адаптационные процессы также могут вызвать не только климатические факторы (действующие, в основном, косвенно), но и процесс, который носит название ко-эволюция. Самый, пожалуй, знаменитый пример – это взаимоотношения цветов и опылителей. Опыление может осуществляться посредством ветра, но попадание пыльцы в другой цветок становится делом случая. Оказалось, что эффективнее сделать процесс опыления более точным с помощью насекомых или птиц. Опять же опылителя нужно ещё как-то подкупить, вот растения и научились продуцировать нектар, привлекающий насекомых и даже птиц. Этот процесс синтеза сахаров довольно трудоёмок, и можно бы было направить всю эту энергию на что-то другое, но, как говорится, бесплатных завтраков не бывает. Ко-эволюционный процесс не всегда подразумевает взаимную выгоду (как в случае цветок-опылитель), частным случаем ко-эволюции является гонка вооружений. Она может осуществляться между парами хищник-жертва, паразит-жертва, а также между представителями одного вида.

В парах хищник-жертва и паразит-жертва осуществляется своеобразная шахматная партия – жертвы делают свой ход, увеличивая скорость бега, вырабатывая защитные вещества против вредителей. И чтобы не проиграть эту партию хищник или паразит должны сделать ответный ход – также увеличить свою скорость, преобразовать ротовой аппарат и тому подобное. И в ответ на этот ход жертвы делают свой. Подтверждения данной теории находят как в природе, так и экспериментально. Весьма интересен был опыт, поставленный на флуоресцирующих псевдомонадах (Pseudomonas fluorescens) и бактериофагах Ф2. В эксперименте участвовали 12 пробирок, в первой половине которых эволюционировать разрешалось бактериям и бактериофагам (группа К – ко-эволюция). Во второй половине пробирок эволюционировали только вирусы (группа Э – эволюция), там каждый день бактерии заменялись на «наивные». Эксперимент продолжался в течение нескольких дней, затем вирусы отбирались, производили секвенирование геномов и исследователи обнаружили, что вирусы группы К накопили большее количество мутаций, чем в группе Э – приблизительно в два раза.

Но хочу отметить, что симметричные ответы приведут в конечном итоге к некоторому логическому пределу, например, хищник и жертва не могут наращивать скорость бега до бесконечности. Да и увеличение скорости бега может обернуться негативными последствиями, допустим, сопутствующее возрастание длины ног может привести к большей их хрупкости. Правда, такие особи имеют в среднем меньшую вероятность передать свои гены, чем те, у кого более короткие и прочные конечности.

Таким образом, гонка продолжается до тех пор, пока либо обе стороны не достигнут «максимальной скорости», которой они могут достигнуть, либо пока одна из сторон не даст нечто неожиданное для противника – асимметричный ответ. Ведь гораздо лучше придумать что-то, что позволит спрятаться от врага, например, замаскироваться под другой вид. Данные соображения – о гонке вооружений – позже легли в основу гипотезы о Чёрной (Красной) Королеве. Термин происходит из книги Л. Кэрролла, где вышеупомянутый персонаж, говорит о том, что «для того, чтобы стоять на одном месте, нужно бежать со всех ног». Здесь под стоянием на месте подразумевается выживаемость.

Приведённые примеры о жертвах, хищниках и паразитах демонстрируют идею о межвидовой борьбе за существование. Я упомянула ранее, что гонка вооружений, как ни странно, присутствует между особями одного вида и между ними, и как Вы пишете и чем согласны все, кто поддерживает Вашу теорию, подобная конкуренция наиболее сурова, поскольку соперничество идёт за один и тот же «пакет» ресурсов. Наиболее интересной мне показалась следующая иллюстрация: у жуков – плавунцов, конкуренция существует между самцами и самками. При спаривании самцы хватают самок за переднеспинку и надкрылья, благодаря присоскам на лапках, но при этом самка оказывается под водой и не имеет возможности дышать, как следствие, у неё очень велик риск погибнуть, вообще не оставив потомков. Присоски самцов определят его репродуктивный успех (чем более развиты, тем больше оплодотворённых самок). Но для того, чтобы не задохнуться под водой, самки нашли замечательное решение – сделать надкрылья не гладкими, а ребристыми, чтобы присоски удерживали их хуже и они могли вырваться. Это подтверждает принцип «шахматной партии» - представители сильного пола развивают методы нападения, а прекрасный пол – обороны. Ну и конечно, куда мы без экспериментов? Подтверждение наличия борьбы между представителями одного вида смогли получить учёный Ричард Ленски и его команда, проводившие долговременный эксперимент по эволюции кишечной палочки. Я думаю, что Вас восхитил бы этот эксперимент, так как в нём получили 45 тысяч поколений эволюции всего за 21 год (!), а Вы, как никто другой, знаете, насколько эволюция долговременна. В исследовании участвовало 12 популяций кишечной палочки, помещённых в питательную среду, содержащую глюкозу, цитрат и неорганические вещества. Источником пищи для бактерий в бульоне являлась исключительно глюкоза, они не утилизируют лимонную кислоту. Каждый день команда учёных перебрасывала малую часть микроорганизмов предыдущего дня в новую колбу с питательными веществами, и вот, однажды в одной из колб резко возросло число бактерий. Оказалось, что в этой мини-популяции у E. coli произошла мутация, которая позволила им утилизировать не только глюкозу, но и цитрат. И это обстоятельство позволило таким «мутантам» резко увеличить свою численность и вытеснить собратьев, питающихся только сахаром.

Помимо конфликтов между самками и самцами и в целом между представителями вида, в природе существуют конфликты между родителями и потомками (поедание поросят свиноматкой) и между братьями (между старшим и младшим детёнышем родитель скорее выберет старшего, так как при его смерти потеря родительского вклада будет выше). Тем не менее, в природе существует такое явление, как альтруизм, хотя на первый взгляд он вообще несовместим с жёсткими механизмами отбора.

Альтруизм особи, в конечном итоге, приводит к повышению жизнеспособности представителей рассматриваемой популяции, но при всём этом данная особь скорее всего не оставит своих потомков. Считается, что образование групп (рыбных косяков, птичьих стай, стад) связано с тем, что так проще будет спастись от нападения естественных врагов. В таких группировках, как правило, существуют наблюдатели, оповещающие об опасности тем или иным образом, но при том они неизбежно привлекут внимание к себе, а это почти неминуемая смерть.

Ещё одним примером кооперации может служить образование бактериальных колоний знакомых нам Pseudomonas fluorescens, которые являются одиночными организмами, плавающими в толще воды. Представим, что среда, где они находятся, не обеспечивается достаточным количеством кислорода, тогда некоторые из одиночек будут вырабатывать клейкое вещество, чтобы сформировать плёнку из них самих и всплыть на поверхность и наслаждаться свободно доступным кислородом. И всё бы было хорошо, если бы не жулики – бактерии, которые перестают вырабатывать клей (это вообще-то требует множества ресурсов), но пользуются бонусами жизни в группе, и в то же время разваливают микроорганизменную плёнку снова на отдельные клетки. По-видимому, ведение борьбы с подобными нахлебниками, также приводит к усилению внутривидовой гонки вооружений.

Вы, наверное, спросите, а почему вообще особи, которые жертвуют собой, существуют в популяциях, ведь они часто гибнут или оставляют меньше потомства. Ответ прост, у таких животных есть родственники, которые несут общие с ним гены, передающиеся потомкам. Закрепится этот ген в популяции только при условии, что альтруист рискует меньше, чем выигрывает получатель помощи с поправкой на степень родства. Это правило было сформулировано одним из основоположников теории родственного отбора У. Гамильтоном. Образно смысл этого утверждения передал Дж. Холдейн : «Я бы отдал жизнь за двух братьев или восьмерых кузенов».

Продолжая разговор об альтруистах, необходимо сказать, что существует две его формы: родственный и взаимный. Первый тип характеризуется словами – «я помогу родственнику, потому что его гены сходны с моими». Он достиг вершины своего развития у эусоциальных перепончатокрылых насекомых. Про второй тип можно сказать, что он базируется на золотом правиле этики – поступай с другими так же, как хочешь, чтобы поступали с тобой. Т.о. это может быть применимо не только к родичу, но и к любому члену группы. Эволюционисты сходятся на том, что есть прямая реципрокность, как у некоторых летучих мышей, отдающих часть своего корма, чтобы выжил их собрат и могущих рассчитывать на помощь в аналогичной ситуации от спасённого, и есть непрямая реципрокность, как у серых дроздов, сделавших взаимопомощь способом повысить свой статус в группе.

И в конце своего письма, я хочу сказать Вам спасибо за Вашу увлекательную теорию, которую Вы выстроили в одиночку, не имея в распоряжении всех тех знаний, что используются нами сейчас. Надеюсь, что моё письмо благополучно дойдёт до Вас – посылать письмо через века – не шутка.

С уважением, Полина.