Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден

В течение нескольких десятилетий после открытия Уотсона и Крика была выявлена физико-химическая природа мутаций. В результате воздействия тепла, облучения, солнца или естественного старения в химических основаниях ДНК могут возникать повреждения, которые способны привести к изменению буквы кода. При последующей репликации неправильная буква закрепляется в генетическом коде, что и приводит к мутации. В большинстве случаев мутация проходит незаметно, но иногда в результате появляется альтернативный признак, как, например, белые цветки примулы вместо желтых. Если такой признак несет в себе определенные преимущества, то благодаря естественному отбору носителей этого признака в следующих поколениях становится больше. Внутри изолированной популяции это приводит к появлению новых видов. Однако если новый вариант не способствует выживанию, то носителей этого гена постепенно становится меньше, и мутация окончательно исчезает из популяции. Учитывая природу генов и неотвратимость естественного отбора, эволюция становится неизбежной, как и падение яблока с дерева.

Как уже неоднократно демонстрировалось в других науках, генетический механизм следует рассматривать как модель. И как любая эффективная модель, он отличается простотой и высокой прогностической способностью. Молекулярная биология поставила эту простую модель гена на службу здоровью, создавая на ее основе многочисленные лекарственные препараты, новые методики лечения и продукты питания с учетом стремительного роста численности населения, а также вакцины, разрабатывающиеся в настоящее время для защиты планеты от COVID-19. Однако гены играют и другую, довольно парадоксальную роль в контексте моего утверждения о том, что жизнь устроена просто. На этот раз на первый план в нашем рассказе выходят довольно неприятные грызуны и пчелы.

УЧАСТЬ НЕНУЖНЫХ ГЕНОВ

Эусоциальные насекомые (например, пчелы и муравьи) отличаются сложной социальной иерархией, проявляющейся в распределении рабочих и репродуктивных функций (одна репродуктивная самка и стерильные рабочие особи), а также сложным устройством жилища и высокоорганизованными формами коммуникации, примером которой может служить «виляющий танец» в виде восьмерки, которую описывают пчелы-медоносы. Существование стерильных рабочих особей на первый взгляд противоречит принципу «клюв и клык всегда в крови»[400], когда естественный отбор, казалось бы, должен благоприятствовать особям, которые на первое место ставят собственные интересы. Что заставляет рабочих пчел и муравьев отказываться от важнейшей функции воспроизведения себе подобных во имя помощи ближнему? Этот вопрос составляет суть самого загадочного явления в биологии, имеющего непосредственное отношение к человеку, – альтруизма. Вопреки тому, что диктует закон выживания наиболее приспособленных, многие животные, например эусоциальные насекомые, предпочитают делиться добычей и вместе защищаться от опасности. Но почему?

На этот вопрос ответил английский биолог-эволюционист Уильям Дональд Гамильтон (1936–2000), предложив в качестве решения проблемы правило родственного отбора, получившее название правило Гамильтона. Для большей части эусоциальных насекомых характерна особая система наследования – гаплодиплоидия, в рамках которой самцы имеют одну копию генов, а самки две. Если применить к этой модели законы Менделя, то получается, что у этих насекомых сестры обладают 75 % общих генов, а не 50 %, что свойственно для человека и других животных, а также растений, включая горошек. Гамильтон провел расчеты и обнаружил, что самка имеет более высокие шансы передать свои гены, не воспроизводя собственное потомство, а помогая своей матери – пчелиной или муравьиной матке – производить как можно больше репродуктивных сестер. Эта теория помогла наконец понять, что скрывается за альтруизмом, – гены. Как рабочие особи, так и их царица на самом деле оказываются рабами своих генов.

Эта теория замечательна тем, что она показывает, как небольшая модификация простой менделевской модели механизма размножения и наследственности объясняет многообразие видов. Такая особенность свойственна любой простой системе. В то время как сложные системы с большим количеством внутриструктурных связей отличаются стойкостью к изменениям, любая модификация в простой модели, такой как наследственность, приводит к глобальным изменениям, затрагивающим всю систему целиком. Теория родственного отбора Гамильтона была опубликована в 1964 году, и, хотя поначалу она не получила отклика, в 1970-х годах на ее основе стала складываться социобиология, которая ознаменовала собой переворот в эволюционной биологии, случившийся под влиянием вышедшей в 1976 году книги британского биолога Ричарда Докинза «Эгоистичный ген»[401].

Теория Гамильтона показалась неубедительной Ричарду Александеру (1929–2018), хранителю Музея зоологии при Мичиганском университете. Будучи энтомологом и экспертом по эусоциальным насекомым, он отмечал, что большая часть взрослых особей насекомых с одной копией генов, к которой относятся многие жуки, клещи, белокрылки и другие членистоногие, не являются эусоциальными, в отличие от термитов, у которых, как у людей, гены парные. Обычным муравьям, термитам и пчелам свойственно строить хорошо укрепленные жилища, служащие защитой для всей семьи. В 1976 году на лекции в Аризонском университете он представил собственную теорию эусоциальности, которая обусловлена не столько генетическими факторами, сколько факторами окружающей среды. Эта теория проста и, как все простые теории, дает точный прогноз. Согласно прогнозу, эусоциальность должна возникнуть даже у млекопитающих, если они находятся в соответствующих условиях, где достаточно пищи и есть комфортные и безопасные места для жилья. Александер предложил проверить свою гипотезу на норных грызунах. В качестве места обитания он выбрал тропики, где спекшаяся от зноя земля должна надежно защищать норки животных от нападения внешних врагов, а под землей они могут найти достаточно пищи в клубнях корнеплодов, надолго сохраняющих питательную ценность, что позволит им пережить даже степные пожары.

Каково же было удивление Александера, когда после своего выступления он узнал о том, что его теория уже получила подтверждение. Об этом ему сообщил присутствовавший в зале зоолог Терри Вон, который рассказал Александеру о том, что у его гипотетического эусоциального млекопитающего есть реальный прототип – обитающий в Африке мелкий роющий грызун под названием голый землекоп[402]. Александер никогда не слышал об этом зверьке, и Вон продемонстрировал ему засушенный экземпляр, привезенный им из Кении, где он проводил свой академический отпуск. Хотя этот представитель грызунов был открыт примерно 100 лет назад, он оставался неизученным. Насколько было известно Вону, единственным ученым, занимавшимся этими загадочными подземными зверьками, была Дженнифер Джарвис из университета Кейптауна.

Голые землекопы отличаются от других роющих грызунов. Они принадлежат к семейству землекоповых отряда грызунов, и их экологическая ниша во многом схожа с той, которую занимает семейство гоферовых в Северной Америке. Джарвис занималась изучением голых землекопов во время написания своей диссертации в университете в 1967 году. В 1970-х годах она наблюдала за поведением этих животных в неволе в искусственно созданной колонии в лаборатории при Кейптаунском университете, однако ей удалось «уговорить» лишь одну особь женского пола дать потомство. Ситуация прояснилась лишь в 1976 году, когда Джарвис получила письмо от Ричарда Александера, в котором тот интересовался голыми землекопами и рассказывал о своей теории эусоциальных млекопитающих. Джарвис