Карл Циммер - Эволюция: Триумф идеи
Погода на Галапагосах обычно меняется по стандартной схеме. Первые пять месяцев года там жарко и дождливо, а затем наступает прохладный сухой период. Но в 1977 г. период дождей так и не наступил. Периодические волнения в Тихом океане, называемые Ла-Нинья, изменили погоду на Галапагосских островах и вызвали катастрофическую засуху.
На островах Дафнии в центре архипелага, где работали Гранты, засуха оказалась просто смертельной. Из 1200 средних земляных вьюрков (Geospiza fortis) погибло больше тысячи. Но Гранты обнаружили, что отбор не был случайным. G. fortis питается в основном семенами, которые расщепляет своим крепким клювом. Мелкие особи могут раскалывать лишь мелкие семена, тогда как более крупные птицы способны раскалывать и более крупные. Через несколько месяцев засухи у мелких G. fortis закончились мелкие семена, и птицы начали гибнуть. Но крупные вьюрки уцелели — они питались семенами, до которых не смогли добраться более мелкие особи. (В частности, речь идет о растении василек колючеголовый, семена которого защищены шипастой оболочкой.)
Пережившие засуху 1977 г. птицы спарились в 1978 г., и Гранты могли своими глазами наблюдать след эволюции на их потомстве. Родилось новое поколение G. fortis, и ученик Грантов Питер Боуг обнаружил, что в среднем клювы у них стали на 4% больше, чем у птиц предыдущего поколения. Большеклювые вьюрки, которые легче перенесли засуху, передали эту свою особенность детям и изменили тем самым генетический профиль всей популяции.
В годы, последовавшие за засухой, птицы продолжали меняться. К примеру, в 1983 г. шли сильные дожди и семена были в изобилии; мелкоклювым птицам жилось хорошо, и Гранты обнаружили, что к 1985 г. средний размер клюва уменьшился на 2,5%. Вьюрки могут меняться быстро, и создается впечатление, что они меняются то туда, то обратно, подобно маятнику. По наблюдениям 4300 средних земляных вьюрков на островах Дафни в период с 1976 по 1993 г. Гранты не смогли обнаружить никакой общей тенденции в изменении размеров их клюва. Если вьюрок имеет клюв, который позволяет ему пережить первый, критичный год жизни, он, скорее всего, выживет и произведет на свет немало потомков. Но в некоторые годы полезен большой клюв, а в некоторые — маленький.
Краткосрочные климатические флуктуации могут заставить популяцию животных гонять по кругу естественного отбора. Но если обстоятельства изменятся, он может долгое время подталкивать популяцию в одном направлении. К примеру, вместо стандартного цикла засух и дождей климат острова столетиями будет становиться все более влажным. Или может случится так, что группа вьюрков поселится на острове, где местные особи давно специализировались на питании семенами определенного вида; в этом случае эволюция может выделить в «новеньких» гены, которые позволят им питаться другими видами пищи. Тогда они смогут избежать конкуренции с местными вьюрками и риска проиграть в этой конкурентной борьбе. И в том и в другом случае, если хватит времени, на свет может появиться новый вид вьюрка.
Как возникают видыХотя Гранты не могут сказать наверняка, какие именно долгосрочные факторы действовали на Дарвиновых вьюрков после их появления на Галапагосах, одно известно точно: эволюция не всегда двигалась по кругу. Из одного общего предка она создала 14 видов, каждый из которых отличают характерные только для него адаптационные особенности. Свидетельства эволюции прочно вписаны в гены этих птиц.
По мере того как популяции вьюрков испытывают на себе действие естественного отбора и изоляции, их ДНК становятся все более непохожими друг на друга. Гранты решили поискать генетическую разницу между 14 видами Дарвиновых вьюрков и заручились для этого помощью немецких генетиков. Кроме того, они решили сравнить ДНК галапагосских птиц с ДНК эквадорских тиарисов, которые, по мнению орнитологов, являются ближайшими родственниками островных вьюрков на материке. Исследователи сравнили полученные данные и построили генеалогическое древо. Обнаружив два вида, гены которых были ближе друг к другу, чем к генам остальных видов, они соединяли их ветви, обозначая точкой соединения их вероятного общего предка. Затем соединяли их с более отдаленными родичами — и так до тех пор, пока все птицы не оказались объединены в единое дерево.
Результаты этого исследования, опубликованные в 1999 г., показывают, что все вьюрки и правда происходят от одного общего предка. Все 14 островных видов находятся между собой в более близком родстве, чем любой из них с тиарисом. Первоначальная популяция птиц, похожих на тиариса, появилась на Галапагосах несколько миллионов лет назад и дала начало четырем разным линиям вьюрков. Первыми отделились славковые вьюрки — группа видов, использующих тонкий клюв для ловли насекомых. Затем — вьюрки-вегетарианцы; клюв у них короткий и толстый, птицы с его помощью поедают цветочные почки, бутоны и мякоть фруктов. Наконец, возникли еще две линии: древесные вьюрки, приспособившиеся ловить насекомых на деревьях (к примеру, дятловый древесный вьюрок выковыривает насекомых из щелей при помощи колючки кактуса и держит ее при этом в клюве, формой напоминающем долото), и земляные вьюрки, среди которых и питающийся семенами G. fortis.
Орнитологи делят земляных вьюрков на шесть видов, но, если судить по построенному Грантами и их немецкими коллегами дереву, эти виды едва сформированы. Их гены легко отличимы от генов остальных галапагосских вьюрков, но различить их между собой почти невозможно. Земляные вьюрки по-разному выглядят и ведут себя, но, как и прежде, способны спариваться и давать полноценные гибриды. Другими словами, это шесть нарождающихся видов.
Вьюрки Галапагосских островов, хотя и расходятся на отдельные виды довольно быстро, не являются в этом вопросе рекордсменами. Крупнейший всплеск видообразования на Земле произошел в озере Виктория и других крупных озерах Восточной Африки. Озеро Виктория занимает более 27 000 кв. миль и отличается очень ровным дном — плоским, как бильярдный стол. Это место обитания группы рыб, известных как цихлиды. В озере Виктория живет 500 видов этих мелких ярко окрашенных рыбок, и ни один из этих видов не встречается нигде больше на Земле. Для каждого вида цихлид характерна какая-то черта, которая отличает его от всех остальных обитателей озера. Некоторые цихлиды соскребают водоросли с камней зубами; другие раскалывают раковины моллюсков; третьи выедают глаза у цихлид других видов. У некоторых видов существует ритуал ухаживания, при котором самцы строят на дне озера настоящие замки из песка, а самки их потом оценивают. Некоторые цихлиды носят своих мальков во рту.
В 1995 г. на озеро Виктория прибыла группа геологов; ученые намеревались исследовать донные отложения озера и заглянуть с их помощью на несколько сотен тысяч лет в прошлое. Дело в том, что реки приносят в озеро пыльцу растений, пыль и грязь, которые год за годом аккуратно откладываются на дне. Геологи считали, что, пробурив дно озера, получат керн из озерных отложений за сотни тысяч лет и смогут прочитать по нему историю окружающих лесов и саванн. Но им удалось забуриться в ил всего лишь на 9 метров — другими словами, дойти до ила, сформировавшегося 14 500 лет назад — когда все следы озера исчезали.
Извлеченные со дна керны показали, что 14 500 лет назад самые глубокие участки озера Виктория были покрыты травой. Судя по всему, во время оледенения в этих местах стоял прохладный сухой климат. Реки, питающие озеро, пересохли, и вся вода из озера попросту испарилась. На протяжении последних миллионов лет оледенения приходили и уходили, и котловина озера Виктория то пересыхала, то вновь наполнялась водой. В последний раз, когда растаяли ледники, озеро за несколько столетий разлилось до нынешних размеров.
Пересохшее озеро — неподходящее место для рыб. Предки викторийских цихлид в то время, скорее всего, обитали в окрестных ручьях, а когда вода вернулась в озеро, туда же попал и единственный вид этих рыбок. Все цихлиды, живущие сегодня в озере Виктория, находятся в близком родстве между собой, но сильно отличаются от цихлид из других рек и озер. У этих рыб сходные гены, как у братьев и сестер. Гены показывают, что после наполнения озера туда проник единственный вид — рыбки, которые носят своих мальков во рту. После этого за время, примерно соответствующее возрасту человеческой цивилизации, из этой единственной линии возникло 500 видов. Вглядитесь в воды озера Виктория с точки зрения эволюции — и вы увидите биологический взрыв.
Судя по всему, этот эволюционный бум произошел потому, что нужное животное оказалось в нужном месте в нужное время. Цихлиды — идеальная рыба для быстрой специализации. С одной стороны, у них есть дополнительная пара челюстей в глубине рта; если использовать ее для измельчения пищи, передние челюсти останутся свободными и смогут развиться в какой-нибудь специализированный инструмент для хватания, соскребания водорослей или иных действий. Их зубы тоже продемонстрировали удивительную эволюционную гибкость, превратившись в тупые пеньки, острые шильца или плоские лопаточки. В результате тело цихлиды оказалось прекрасным материалом в руках эволюции, которая в короткий срок изваяла из него поразительное количество самых разных форм.
