Ошибки природы: Пределы и несовершенство естественного отбора

Введение Не все так, как кажется

Художник Х. Р. Гигер подражал живой природе, сам того не ведая.

Все началось с «Некронома IV», жуткой картины, изображавшей некую форму жизни – отчасти человека, отчасти машину, отчасти фантастическое существо из иного мира. У монстра человекоподобные руки и грудь – хотя ребра выступают настолько отчетливо, что трудно сказать, есть ли на них кожа, – и вытянутое лицо с маленьким ртом. Глаза огромные, черные, без зрачков, а череп над ними выдается далеко назад, уродливо загибаясь. От спины монстра отходят трубчатые отростки и зазубренные хвосты рептилий, а живот – ног у этого монстра нет – сужается и переходит в хвост, закругленный конец которого напоминает фаллос.

Изображение совершенно гротескное.

Именно это в нем и привлекло Ридли Скотта. Гигеру заказали разработать образ существа для научно-фантастического фильма ужасов «Чужой», и он создал его на основе «Некронома IV». Кое-что было изменено: змеиное тело приобрело ноги, глаза исчезли – неизменным остался только гладкий блестящий лоб, – а челюсти теперь размыкались, открывая вторую, меньшую пару. Скотту принадлежала идея, что эти внутренние челюсти должны выдвигаться, они находятся на конце подвижного языка, выстреливающего изо рта в голову жертвы, словно болт из пневматического пистолета на скотобойне. Фильм «Чужой» вышел на экраны в 1979 г., а в 1980 г. Гигер и художник по спецэффектам Карло Рамбальди получат «Оскар» за лучшие визуальные эффекты. Только 37 лет спустя Гигер узнает, что природа уже опередила его.

Если точнее, это сделали мурены – род хищных рыб, представители которого проводят большую часть жизни, прячась в расщелинах и пещерках среди отмерших частей коралловых рифов. Из этих укрытий они совершают охотничьи вылазки за другими рыбами, а также головоногими моллюсками[1] и ракообразными. Но, хотя мурены широко распространены и встречаются повсюду, один специфический аспект их пищевого поведения всегда казался очень странным: они просто втягивали пищу в глотку, не имея, казалось бы, никаких приспособлений для этого. Как они это делают, оставалось загадкой до тех пор, пока Рита Мехта из Калифорнийского университета в Дэйвисе не проанализировала видеозаписи, сделанные высокоскоростной камерой, запечатлевшей мурену, хватающую куски пищи. На экране происходило нечто удивительное: когда мурена смыкала зубы на добыче, из глотки стремительно выскакивала вторая, внутренняя пара челюстей. Эти глоточные челюсти хватали добычу и затягивали ее внутрь. Как сказал коллега Мехты, Питер Уэйнрайт, в интервью газете The New York Times, «когда мы получили эти записи, мы глазам своим не поверили».

Новость разлетелась по всему миру. Некоторое время в интернете был популярен замечательный научный мем, который распевали на мотив песни That's Amore («Это любовь»):

Череп мурены и глоточные челюсти (из статьи Mehta & Wainwright, 2007)

Невзирая на неуклюжую грамматику (правильный вариант не ложится на музыку), эта песенка передает идею весьма выразительно – но с одной важной оговоркой: когда челюсти распахиваются, а внутри обнаруживаются еще одни, это, скорее всего, не мурена. Почему? Потому что глоточные челюсти имеются у тысяч других видов рыб. Более того, в той или иной форме они имеются у большинства костистых рыб[3]. Однако у подавляющего большинства видов, у которых такие челюсти есть, они не могут двигаться вперед или назад, так как неподвижно закреплены внутри в районе жабр, и поэтому недоступны для объектива скоростной камеры. Мурены взяли на вооружение простое и незатейливое приспособление и превратили в нечто эффектное.

Или это все же не так?

Доктор Мехта и ее коллеги были поражены тем, что мурены способны засасывать добычу в рот, но они прекрасно знали, что в действительности это достаточно стандартный фокус у рыб. Ученых удивило, что на такое способны мурены, ведь у них отсутствует то, что есть у других рыб, – хитроумное строение мышечно-челюстного аппарата ротоглоточной полости. Когда рыба, допустим форель, опускает нижнюю челюсть, ее рот расширяется также и в стороны, растягивая глубокие складки кожи. Таким образом существенно увеличивается объем ротовой полости, и, если проделать это быстро, резкое расширение создает область низкого давления, в результате чего под воздействием относительно высокого давления снаружи добыча резко втягивается в рот рыбы. Теперь можно закрыть рот, и добыча останется внутри. При просмотре видеозаписи на реальной скорости кажется, что добыча исчезает чуть ли не сама собой – настолько эффективен этот способ.

Проще говоря, форели не нужна выстреливающая челюсть. У нее есть глоточные челюсти – просто не такие, которые выскакивают из задней части глотки. Сложная мускулатура позволяет верхней и нижней глоточной челюстям независимо двигаться в нескольких плоскостях (по крайней мере у некоторых видов), и на них обязательно присутствуют зубы. У рыбоядных рыб (ихтиофагов) зубы глоточных челюстей тонкие, острые и способны сдирать плоть с добычи; у цихлид[4] вида Trematocranus placodon (дурофагов) они, напротив, плоскодробящие, похожие на гвозди шляпкой вверх, и предназначены для раздавливания и перетирания раковин улиток, а у питающейся водорослями голубой мбуны (еще один вид цихлид) зубы глоточных челюстей гладкие, приплюснутые и просто сминают пищу перед проглатыванием.

Следовательно, такие рыбы, как форель, способны делать все то же, что и мурена, но при этом могут позволить себе роскошь предварительной обработки пищи перед перевариванием.

Когда форель поглощает пищу, ее ротовая полость быстро увеличивается в объеме, так что добыча быстро втягивается внутрь под воздействием относительно более высокого давления снаружи. Глоточные челюсти у нее не так подвижны, как у мурены, потому что для захвата пищи они не требуются

Можно было бы даже привести веские доводы в пользу того, что такой расширяющийся рот-ловушка лучше, чем выдвигающиеся вперед хватательные глоточные челюсти мурены, так как не требует предварительного контакта с жертвой и потому работает быстрее. В этом более широком контексте становится очевидно, что глоточные челюсти мурены в действительности компенсируют отсутствие у них сложных структур черепа, и за это решение муренам пришлось заплатить, пожертвовав способностью измельчать пищу. Следовательно, вопреки первому впечатлению, более совершенными челюстными механизмами обладают не мурены, а другие рыбы. И выстреливающая челюсть, как оказывается, не столько образец почти инопланетной эволюционной магии, сколько способ решить ту же проблему, только обходным путем, причем даже не особенно удачный.

Мурены в этом не одиноки.

В самом широком смысле эволюция – это изменение биологических организмов во времени, осуществляемое путем естественного отбора, процесса, в ходе которого полезные[5] мутации[6] в каждом поколении накапливаются и дают преимущества в конкуренции за выживание и размножение. Таким образом, у птиц, стрекоз и летучих мышей появилась способность к полету, змеи утратили конечности, электрические угри приобрели электрошокеры, у пауков возникла паутина, бобры стали обустраивать водные угодья, а муравьи – разводить грибы и тлей. Поражающее воображение разнообразие и изобретательность жизни невозможно недооценить, и в основе всего этого лежит естественный отбор.

Хотя искусность эволюции как будто не знает границ, нас слишком легко ослепляют внешние эффекты этого шоу, и можно проглядеть то, что не столь очевидно – и на первый взгляд менее полезно. Более того, несмотря на поразительную способность естественного отбора формировать новые виды, его возможности все же не безграничны, и, если мы действительно хотим понять все последствия эволюционного процесса, нам нужно разобраться в том, чего естественный отбор делать не может. Читатели, знакомые с теорией эволюции, вероятно, понимают, что у этого процесса нет никакой внутренней цели или преобладающего направления; они могут также знать о некоторых вопиющих «конструктивных недостатках» в организмах животных – таких как лишние пять метров возвратного гортанного нерва в шее жирафов[7], – являющихся результатом наследования признаков от предковых форм в сочетании с отсутствием преднамеренности со стороны эволюции. Но причины, порождающие подобные причуды эволюции, значительно глубже.

Как выясняется, постепенное, но постоянное накопление признаков, дающих преимущество при размножении, – которые поддерживаются и сохраняются благодаря естественному отбору – не обязательно оборачивается на пользу особи или виду. «Усовершенствование» в любом разумном понимании этого слова достигается с трудом; гораздо чаще все остается по-прежнему. Как и выбрасывающиеся вперед челюсти мурены, большинство эволюционных изменений – это не более чем попытка не отставать от соседей, и в зависимости от того, кто эти соседи, даже удержаться на их уровне порой бывает невозможно. Внутривидовые и межвидовые взаимодействия зачастую перерастают в эволюционную «гонку вооружений», но неравенство относительных издержек и выгод ведет к тому, что в этой гонке у одной из сторон может оказаться постоянное преимущество.

Подобная соревновательная динамика помогает объяснить, почему у некоторых животных есть проблемы, которые, по-видимому, не в состоянии исправить естественный отбор. Далее в этой книге мы узнаем, например, почему виды-хозяева такого гнездового паразита, как обыкновенная кукушка, вероятно, никогда не научатся распознавать монстров-переростков в своих гнездах и почему газели, скорее всего, всегда будут иметь эволюционное преимущество перед гепардами. Но гонка вооружений – всего лишь один из нескольких механизмов, порождающих противоречащие здравому смыслу эволюционные решения. Когда у слона изнашивается шестой комплект зубов, седьмой прорезается крайне редко, и животное обречено на медленную смерть от голода. Данный феномен побуждает нас исследовать странности эволюции старения – и группу видов, которые, по-видимому, его избежали. Это также заставляет нас задуматься об отношениях между организмами и их генами; самые трогательные – и вместе с тем самые неприятные – явления в мире природы могут объясняться конфликтом между этими двумя сторонами, интересы которых не вполне совпадают. Хотя естественный отбор прежде всего самым непосредственным образом действует на особь[8], но если тот же самый вариант гена (аллель) встречается в виде копий у других особей (а так почти всегда и бывает), то коллективный интерес может возобладать над интересами индивида. Одним из возможных последствий этого является альтруизм, другим – враждебность, или зловредность (spite)[9].

Бывают также эволюционные конфликты с отрицательной суммой, в которых не оказывается ни победителей, ни побежденных. Великолепный хвост (если корректнее – перья надхвостья) павлина может показаться вам триумфом эволюции – каковым он, безусловно, является с чисто эстетической точки зрения, – но вряд ли хоть один павлин, если бы обладал способностью к самоанализу, разделил бы ваш восторг. Это роскошное украшение – продукт соревнования самцов за внимание самок, и оно явно имеет первостепенное значение, однако, если бы все самцы сговорились укоротить эти перья до определенной длины, их относительный брачный успех не изменился бы и им всем жилось бы легче и безопаснее. Разумеется, павлины не способны на такие акты кооперации, но не способен на них и естественный отбор. Эволюция никогда не избавит их от этой проблемы.

Каждое из этих явлений указывает на причуды эволюции, и у каждого, следовательно, есть объяснение, проливающее свет на то, как работает эволюционный процесс. В этом и заключается цель моей книги – исследовать некоторые важнейшие аспекты эволюции[10], анализируя их неожиданные результаты. Это история об эволюционных ловушках, преградах, слепых пятнах, сделках, компромиссах и неудачных решениях. По ходу дела мы узнаем, почему животные всегда чуть-чуть не успевают за изменениями окружающей среды, почему неэффективность со временем возрастает, а также почему хищники обычно проигрывают, а паразиты выигрывают.

Это эволюция, а не рейтинг лучших хитов.

Любой, кто пишет об эволюционной биологии, в какой-то момент сталкивается с проблемой телеологии – использованием выражений, предполагающих целенаправленное поведение там, где оно отсутствует. Например: «Самка шалфейного тетерева выбирает самых эффектных самцов, чтобы произвести самое качественное потомство». Или: «Вирус-возбудитель респираторных заболеваний в ходе эволюции развил способность вызывать у хозяина чихание, чтобы передаваться другим хозяевам». Обе фразы подразумевают намерение: самка тетерева хочет получить наилучшее потомство и знает, как это сделать, а вирус хочет передаваться от человека к человеку. На самом деле, разумеется, никакого намерения нет. Самка тетерева не знает, почему она тратит время на тщательный подбор партнера, вирус же вообще ничего не знает.

Язык телеологии изначально стали использовать в биологии потому, что до Дарвина он считался верным в буквальном понимании: природе присуща преднамеренность – животные ведут себя так, как угодно Богу, поэтому божественный замысел присутствует повсюду. Более поздние поколения биологов, прекрасно осознавая, что открытие механизма естественного отбора сделало этот язык непригодным, продолжали использовать его по той простой причине, что он удобен. Часто цитируемый британский ученый Дж. Б. С. Холдейн как-то пошутил: «Телеология для биолога как любовница – он жить без нее не может, но не хотел бы, чтобы его видели с ней на публике».

Соответственно, в этой книге вам попадутся примеры таких формулировок, как, скажем, в следующем описании китов из главы 9: «у них мощные хвостовые лопасти для плавания…» Предназначены ли хвостовые лопасти для плавания? Нет, они не были специально сконструированы для этой или любой другой цели; самое большее, что мы можем себе позволить, не прибегая к метафорам, – это сказать, что мощные лопасти дают возможность их обладателям плавать. Нельзя даже сказать, что появлению данной инновации предшествовала необходимость: предки китов, у которых не было мощных хвостовых лопастей, прекрасно выживали, о чем свидетельствует существование их потомков. Хвост не развился в ответ на некий запрос. Хвост появился в процессе эволюции потому, что каждый шаг на пути его постепенного формирования более эффективно способствовал репродуктивному успеху, чем предыдущий. Различие тонкое, но важное.

Впрочем, если читатель понимает, что используется условное – а не буквальное – описание событий, то немного телеологии нередко позволяет сделать текст об эволюции менее громоздким, а также упростить его восприятие. Рассмотрим альтернативу фразе про китовые хвосты – без телеологии:

Это, безусловно, более точное описание, чем, например, «у них мощные хвостовые лопасти для плавания», но несколько слишком пространное.

На протяжении этой книги я постараюсь избегать телеологических формулировок, но только тогда, когда это возможно сделать, не жертвуя внятностью текста. Некоторые биологи считают обязательным избегать любых видов телеологических описаний, чтобы устранить намек на божественный (или вообще осознанный) замысел. На мой взгляд, это излишняя щепетильность. Надеюсь, читателям всегда будет понятно, где я использую метафорический язык, а не выражаюсь буквально; я, безусловно, постараюсь сделать формулировки доступными для понимания. Пока же я со всей вежливостью прошу читателей воздержаться от цитирования любых моих телеологических оговорок в своих креационистских блогах в качестве подтверждения того, что биологи-эволюционисты противоречат сами себе.