В семье
Гамильтон вывел формулу, согласно которой альтруизм это r × В > C, где r – степень генетического родства между двумя животными (пропорция общих генов), В – выгода (численность потомства), полученная тем, на кого направлен альтруизм, и С – цена (численность нерожденного потомства), которую платит альтруист. То есть, по правилу Гамильтона, гены, которые уменьшают шансы особей на размножение, могут распространиться в популяции, если величина вклада в размножение других особей больше цены помощи. Это означает, что особь производит больше копий своих генов, не тратя ресурсов на самостоятельное размножение. Биолог-эволюционист Ричард Докинз популяризировал этот взгляд на естественный отбор в своей книге 1976 г. «Эгоистичный ген». Книга описывает естественный отбор с точки зрения генетики и утверждает, что организмы – только носители и распространители генов. Этой цели служат и все анатомические признаки, и поведение, в том числе альтруистическое.
Здесь показано, какое количество генетического материала общее для вас и ваших родственников. Четвероюродные братья и сестры так же близки вам, как и посторонний человек – с точки зрения генетики.
Прерывистое равновесие
Согласно этой теории, организмы развиваются нерегулярно – в периоды стремительных изменений в части популяции. В результате новый вид ответвляется от своего прямого предка.
Прерывистое равновесие обычно противопоставляют теории филетического градуализма, которая предполагает, что в ходе эволюции целый ряд поколений трансформируется постепенно. Детально изучив палеонтологическую летопись, Найлз Элдридж и Стивен Джей Гулд в 1972 г. выдвинули теорию прерывистого равновесия. Палеонтологи утверждали, что виды имеют тенденцию неожиданно появляться в каменных пластах и затем оставаться почти неизменными, то есть статичными. Значительные перемены ограничены довольно тесными временными рамками и приводят к отпочковыванию новых видов от родительских. Некоторые неверно истолковали теорию и решили, что внезапные перемены случаются в одном поколении и распространяются на следующее Однако имелось в виду, что эволюционная вспышка охватывает нескольких десятков тысячелетий, что очень немного в контексте геологической шкалы.
Теория, предложенная Ли Ван Валеном в 1973 г., отсылает к цитате из книги Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Черная Королева говорит Алисе: «…здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (пер. Н. Демуровой). Согласно гипотезе, организмы должны постоянно адаптироваться и развиваться, чтобы только выжить в состязании с постоянно адаптирующимися конкурентами, иначе они вымрут. Гипотезу также называют «эволюционной гонкой вооружений».
Филетический градуализм предполагает, что виды постепенно развиваются (извилистые линии) и медленно разветвляются. Согласно теории прерывистого равновесия, виды почти не меняются (прямые вертикальные линии), а новые виды появляются в ходе эволюции лишь временами (горизонтальные ответвления).
Неровный ритм перемен
Мысль о том, что темп эволюции меняется, не нова. Дарвин признавал, что одни виды развиваются быстрее, а другие медленнее. В 1950-х гг. Эрнст Майр писал о «генетических революциях», происходящих, когда небольшая популяция оказывается изолированной, и изменения из-за генетической мутации начинают доминировать – если они выгодны. Гулд и Элдриж развили эту идею и предположили, что постепенные эволюционные изменения редки в геологической летописи, и когда вид закрепился, он имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя. Не все палеонтологи поддерживают эту теорию, но никто не отрицает, что статичность вида – распространенное явление. Имеются даже особенно яркие примеры, такие как папоротник Osmunda claytoniana, который остается неизменным уже в течение 180 млн лет, и лингулы из отряда плеченогих, которые практически не менялись уже 500 млн лет.
Генная инженерия
Манипуляции с геномом живого организма с помощью биотехнологий называются генной инженерией. Она подразумевает перемещение генов внутри видов и за их пределы для создания усовершенствованных или абсолютно новых организмов.
Люди тысячелетиями меняли геномы животных с помощью селективного разведения, но это процесс медленный и неточный. Когда ученые осознали роль ДНК, они стали искать способы манипулировать ею. В 1972 г. Пол Берг объединил ДНК вируса обезьяны с ДНК фага лямбда и создал «трансгенный» вирус. Два года спустя Рудольф Йениш вывел трансгенных мышей, поместив в клетки их эмбрионов ДНК ретровируса (который воздействует на ДНК хозяина). Это были первые генетически сконструированные млекопитающие. Ученые также стремились сделать посевы более устойчивыми к холоду и заболеваниям. Первые испытания генетически измененных растений прошли в 1986 г.: биологи вывели табак, устойчивый к гербицидам (то есть веществам для уничтожения определенных видов растительности). Несмотря на разногласия, к 2009 г. 11 трансгенных зерновых выращивались в коммерческих целях в 25 странах.
Рудольф Йениш – поинер в области создания генномодифицированных организмов. Он впервые модифировал мышь и с тех пор использовал этих животных для поиска способов борьбы с неврологическими заболеваниями и раком.
Ученые использовали ген медуз в качестве маркера – чтобы понять, успешна пересадка гена эмбрионам мышей. Ген отвечает за производство белка, благодаря которому медузы имеют зеленоватое свечение. Ген прижился, и от органов и тканей мышей стало исходить флуоресцентное свечение.
Процедура генной модификации предполагает изолирование нужного гена. Затем его либо вводят с помощью вируса, который проникает в клетку-мишень и выпускает ДНК, либо используют так называемую генную пушку – с ее помощью облучают клетки огромным числом ДНК, удерживаемых крошечными частичками золота. Большинство ДНК и клеток погибают, но некоторые попадают в клетку невредимыми и внедряются в ее ядро.
Множество применений
Генная инженерия нашла применение в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и фундаментальной науке. Наиболее успешно технология применяется в медицине: в мире налажено массовое производство белкового инсулина, используемого для контроля над диабетом. Ген, присущий инсулину человека, вводится в плазмиды бактериальных клеток, и затем выращиваются бактерии. Каждая бактерия производит малый объем инсулина, но миллиарды бактерий могут дать нескончаемый запас. Генная инженерия также использовалась для создания антибиотиков, например пенициллина, и вакцин. Генетики «доработали» генетический код зерновых для повышения их сопротивляемости вредителям, заболеваниям, сложным природным условиям и гербицидам.
Гипотеза Геи
Гипотеза Геи была высказана британским ученым Джеймсом Лавлоком. Согласно ей, живое и неживое на Земле образует систему, подобную единому, цельному организму.
Лавлок изложил эту гипотезу в книге 1979 г. «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле». Она получила свое название в честь древнегреческой богини Земли Геи – по совету Уильяма Голдинга, друга Лавлока и автора «Повелителя мух». Согласно гипотезе, биосфера оказывает регулирующее воздействие на планету и помогает поддерживать развновесие. В 1961 г. Лавлок работал в НАСА над приборами для анализа атмосфер планет и спутников в преддверии высадки на Луну и на Марс. Ученый размышлял о перспективе жизни на Марсе и вдруг задумался о том, как функционирует биосфера Земли. Гипотеза Геи постулирует, что наша планета способна на саморегуляцию: на ней не прекращается взаимодействие между живыми организмами и неживой средой, например почвой, воздухом и морем. Подобно тому, как тело человека регулирует температуру, уровень жидкостей, сахара в крови, чтобы поддерживать жизнь, сама планета следит за своими ключевыми параметрами. Работая в НАСА, Лавлок заметил, что хотя пропорции газов в атмосфере Земли постоянно меняются – в отличие от состава газовой оболочки Марса и других планет, – колебания минимальны и на протяжении всей истории Земли оставались в узких рамках. Лавлок принимал за аналогичные стабильные показатели глобальные температуры и уровень соли в океане, но предложенные им механизмы саморегуляции сложно проверить. В любом случае многие сочли привлекательной его идею о том, что Земля – это сложная система, напоминающая живой организм.
В 1983 г. Лавлок создал компьютерную симуляцию планеты под названием Маргаритковый Мир. Там было только две формы жизни: черные маргаритки, которые впитывали тепло Солнца и нагревали поверхность планеты, и белые маргаритки, которые отражали тепло в космос. Пропорции маргариток колебались в зависимости от температуры в Маргаритковом Мире. Обилие черных цветов согревало планету: они притягивали тепло и давали таким образом возможность процветать белым маргариткам, которые отводили лишний жар. Увеличение численности белых цветов планету охлаждало, обеспечивая процветание черным маргариткам.
Согласно гипотезе Геи, способность планеты к саморегуляции ослабляет негативный эффект от вмешательства человека в окружающую среду.
Джеймс Лавлок утверждал, что искусственное изменение климата приведет к повышению температур, повышению уровня моря и засухе в некоторых частях мира. По его прогнозам, в XXI в. значительная часть планеты станет необитаемой.
Наука или спиритуализм?
Теория Лавлока вызвала отторжение у научного сообщества. По мнению большинства ученых, Лавкок назвал Землю более совершенной формой жизни, своего рода суперорганизмом. Сам Лавлок был осторожен в заявлениях. Его гипотеза предполагает, что планете присущ ряд характеристик живых организмов, хотя она отнюдь не является одним из них. В искаженном виде гипотеза глянулась тем, кто разглядел в ней научное обоснование спиритуализма, вдохновленного Землей. Поэтому реакция контркультуры была куда более благосклонной. Гипотеза вдохновила и многих специалистов по охране окружающей среды. Сторонники гипотезы Геи, как и многие экологи, по сути, утверждают, что современная цивилизация нарушает баланс на планете, и призывают помочь Земле восстановить его.