Ленски давно проявлял интерес к миру природы. Уроженец Северной Каролины выбрал основным предметом биологию, учась в Оберлине, маленьком колледже в Огайо, знаменитом преимущественно своими музыкальными традициями. Но это также отличное место для обучения разным наукам. Там он вооружился экспериментальным подходом к изучению научных проблем. И если в лабораторных исследованиях это весьма распространенный метод, то для изучения природного мира эксперименты в то время использовались гораздо реже.
Как раз тогда наука экология переживала неспокойные времена. Большинство исследований носили наблюдательный и сравнительный характер: собрать подробнейшие данные во множестве мест, а затем найти общности среди варьирующихся параметров, чтобы объяснить похожести и различия. Допустим, в тех местах, где встречается больше бабочек, также больше и стрекоз. А это может говорить о том, что обилие бабочек определяет то количество стрекоз, которое встречается в этом конкретном месте, и будет иметь смысл при условии, что стрекозы едят бабочек. Но причинная обусловленность может также иметь и противоположную направленность: возможно, обилие стрекоз определяет количество бабочек – стрекозы могут поедать тех насекомых, которые являются хищниками для бабочек, и это одно из возможных объяснений. Таким образом, чем больше стрекоз, тем меньше будет хищников, а значит, больше бабочек. А может быть, здесь нет прямой зависимости, но обилие тех и других определяется третьим переменчивым фактором: возможно, более влажные места благоприятно воздействуют как на бабочек, так и на стрекоз. В этом случае даже если они не влияют друг на друга, между обилием тех и других будет прослеживаться взаимосвязь, потому что и бабочки, и стрекозы реагируют на уровни влажности.
Это давняя проблема – разграничение взаимосвязи и причинной обусловленности. И самый простой способ разобраться в ней – провести эксперимент. Если размер популяции бабочек определяет количество стрекоз, тогда изменение численности первых должно привести к изменению числа последних. Замысел эксперимента очевиден: отправиться в те места и увеличить или уменьшить численность бабочек, чтобы пронаблюдать за тем, как будут реагировать популяции стрекоз. Конечно, любое замеченное вами изменение может оказаться случайностью, спровоцированной, к примеру, погодой или другими внешними факторами. Чтобы исключить эти факторы, вам понадобится контрольное место, где вы будете делать все то же самое за исключением того, что вы не меняете численности бабочек. Если вы получаете реакцию на экспериментальном участке, а не на контрольном, то тогда у вас есть доказательства того, что численность бабочек влияет на изобилие стрекоз. На самом деле, одной пары мест недостаточно: любое различие все равно может быть результатом случайного отклонения. Лучше использовать сразу несколько мест для манипуляций и еще несколько – для контроля, чтобы быть уверенным в том, что определенные тенденции устойчивы.
Конечно, вам придется толковать происходящее на участках в пользу то одного, то другого варианта, чтобы избежать любого отклонения, способного повлиять на результаты.
В конце 1970-х годов штат экологов, включая Мика Кроули из Силвуд Парк, занимался продвижением экспериментального метода, утверждая, что проводившиеся на протяжении десятилетий неэкспериментальные исследования в области экологии заводили в тупик и что требовался более действенный метод. Да, проводить эксперименты в природной среде не так просто, но делать это необходимо, настаивали они. Одним из лидеров этого движения был сэр Нельсон Хейрстон из университета Северной Каролины. И именно в его лабораторию потянуло молодого Ленски, после того как он в двадцать лет окончил колледж.
Хейрстон был человеком широких взглядов и в том, что касается исследуемых проблем, и в отношении используемых им для изучения организмов. Одно лишь было неизменным – главенство экспериментального метода. Интерес Ленски к тому, как функционируют разные экосистемы, был в этом смысле вполне уместен, а жуки Аппалачей представляли собой хороший объект для исследований.
Темой докторской диссертации Ленски было обилие двух распространенных видов жуков в лесах Северной Каролины. Ленски интересовали два вопроса: соперничают ли эти виды за ресурсы и, учитывая его заметный интерес к проблемам окружающей среды, как влияет на популяции жуков массовая вырубка лесов.
Свою работу Ленски разделил на два этапа. Во-первых, он воспользовался классическим сравнительным методом. Он посетил множество разных мест, где собирал жуков. Имея конкретные данные, Ленски мог понять, какие факторы влияли на обилие каждого вида. Далее, чтобы проверить гипотезу, полученную на основе этих данных, он построил большие загоны, чтобы проводить там эксперименты, в процессе которых эти факторы (плотность популяций жуков, сравнения обычных лесных участков с вырубленными) менялись.
На словах все просто, но для этого потребовалось выполнить огромный объем работы.
Каждая почвенная ловушка представляла собой выкопанную в земле ямку глубиной четыре с половиной дюйма, в которую затем помещали пластиковый стакан. Само по себе это нетрудно, если не считать того, что для одного исследования понадобилось выкопать сто девяносто две таких ямки, а для другого – шестьдесят четыре. Каждый день на протяжении двух месяцев Ленски топал в гору к своим экспериментальным местам и переходил от одной ямки к другой, проверяя их содержимое, вынимая, изучая и выпуская кого-то на волю.
Готовить и проводить эксперименты тоже было делом трудоемким. Квадратные загоны – каждая сторона длиной пять футов в одном эксперименте и двадцать футов в другом – возводились путем погружения алюминиевых козырьков в землю. За сидевшими в них жуками регулярно следили с помощью почвенных ловушек. А самых везучих даже кормили с руки каждый раз, когда ловили, чтобы увидеть, влияет ли на их размер и репродуктивный цикл такой фактор, как доступность корма. Одни эксперименты длились две недели, другие – три месяца.
Две части проекта хорошо коррелировали друг с другом: эксперименты в целом подтверждали гипотезу, полученную на основе неэкспериментальных исследований. Результаты показали, что жуки, обитавшие в лесу, чувствовали себя лучше, чем те, что жили на вырубленных участках, и что соперничество за корм между видами может быть важным фактором, регулирующим их популяции.
Докторская диссертация Ленски имела большой резонанс. За ней последовало шесть научных публикаций – три из них в самых топовых научных журналах, что свидетельствовало не только о том, что это высококлассная работа, но и о том, что Ленски – перспективный молодой ученый. Будущее его было блестящим.
И все же что-то было не так. Ленски уже утратил интерес к своей исследовательской программе. За годы учебы в магистратуре его интересы изменились. Несколько прослушанных им познавательных курсов по эволюции, а также бесчисленные беседы с другими студентами магистратуры во время пятничных посиделок за пивом пробудили в нем желание изучать процесс адаптации организмов к своему окружению. И тогда он решил заняться поисками организма, более подходящего для изучения эволюционных изменений, в частности, пригодного для реализации экспериментального метода, который он так быстро оценил.
Ленски читал о классическом эксперименте в области генетики микроорганизмов, еще учась в магистратуре[44]. «Я посчитал, что поскольку я собираюсь работать с чем-то новым и незнакомым (это может быть чем угодно), то можно остановить свой выбор на микробах, так как они обладали преимуществами модельной системы, которая доказала свою ценность в других областях», – говорил он. Так колеоптеролог стал микробиологом.
ПО СТОПАМ ЛЕНСКИ ПОСЛЕДОВАЛА ДЛИННАЯ ЧЕРЕДА ученых, которые прежде изучали эволюцию в лабораторных популяциях. С начала XX века были проведены тысячи – а, возможно, десятки тысяч – подобных экспериментов. И результаты оказались удивительно схожими. Потому что какой бы организм вы ни поместили в лабораторные условия с целью его выращивания, отбор, влияющий почти на каждый его признак, приведет к стремительной эволюционной реакции в предсказуемом направлении. В этих исследованиях рассматривались не только ожидаемые признаки – размер тела, окрас, количество щетинок на заднем конце туловища плодовой мушки, – но и масса самых разных признаков, таких как склонность плодовых мушек лететь на свет или их невосприимчивость к парам алкоголя (более подробно об этом в одиннадцатой главе). По большому счету, возьмите любой признак, варьирующийся в рамках популяции, подвергните его искусственной селекции, и вы получите эволюционную реакцию.
Тот же самый подход используется для выведения новых пород крупного рогатого скота и сельскохозяйственных культур, знакомых всем нам. Но они мало похожи на своих диких предков. Например, у теосинте, прародителя кукурузы из высокогорных районов Мексики, есть колосовое цветорасположение длиной четыре дюйма с десятком зернышек и плотным внешним покрытием. И это растение отделяет долгий эволюционный путь от тех сотен сочных открытых зернышек в початках кукурузы, которые мы собираем каждое лето.
Фабричные куры способны производить свыше трехсот яиц в год, существенно больше, чем их предки, кустарниковые курицы. Точно так же в результате искусственного отбора появились датский дог и чихуахуа – оба родственники дикого волка.
Искусственный отбор стал благом для науки, сельского хозяйства и жизни человека в целом. Но в качестве полноценного аналога естественному процессу эволюции он не годится. Когда Ленски уже заканчивал работу над докторской диссертацией, он пришел к выводу, что есть два способа, с помощью которых можно приблизить лабораторные исследования к происходящим в природе процессам.
Во-первых, когда мы говорим об эволюции, то представляем себе то, что происходит уже тысячи и миллионы лет. А лабораторные исследования процесса отбора длятся в целом всего несколько десятков поколений – этого достаточно, чтобы увидеть сильную эволюционную реакцию и многое узнать, но все равно слишком мало по меркам природы. И причина очевидна: научные карьеры занимают не столь большой промежуток времени, гораздо меньше того цикла, в ходе которого ученый должен получить результаты и написать научный труд, чтобы затем выиграть очередной грант. Более того, у организмов, используемых в таких исследованиях (плодовых мушек, мышей и прочих), продолжительность жизни генерации составляет от нескольких недель до нескольких месяцев, что ограничивает количество генераций, за которыми можно успеть понаблюдать, прежде чем исследование завершится. Ленски понял, что нужен организм с действительно быстрым жизненным циклом, который бы помог ему изучить сразу несколько поколений, достаточно оперативно накопив изменения, чтобы также узнать их долгосрочные эволюционные последствия.