Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов - Джонатан Б. Лосос

Эксперименты в Ротамстеде очень быстро подтвердили идею Лоуса и Гилберта о том, что искусственные удобрения так же эффективны для увеличения объемов сена, как и для повышения урожайности зерна.

Однако эксперимент с парковой травой так же стремительно продемонстрировал то, чего никто не ожидал. Если изначально состав растений на разных участках был одинаковый, то со временем он начал быстро меняться: каждый участок отличался от другого своим составом, так как начали исчезать разные виды растений. И это изменение в составе видов было таким быстрым и заметным, писали Лоус и Гилберт, что менее чем за два года «экспериментальная площадка выглядела так, словно на ней испытывали не только разные удобрения, но и разные семена».

И эти различия настолько сильны даже спустя полтора столетия, что заметны на снимках, сделанных со спутников. Разные участки выглядят как маленькие лоскутки, расположенные друг за другом, но отличающиеся по цвету: темнозеленый, светло-зеленый, одни почти белые, другие с коричневатым оттенком[41].

На земле эти различия заметны еще сильнее. Долгие годы экспериментов привели к сокращению числа видов, растущих на участках. Обработка земли обильным количеством удобрений способствует тому, что быстро растущие виды опережают остальные, выдавливая большинство этих растений с участка. Кроме того, часть удобрений существенно повышает кислотность почвы, уничтожая те виды, которые не могут расти в подобных условиях.

Давайте прогуляемся[67] по этому экспериментальному полю. Участок № 3 контрольный, его не трогали в течение последних ста пятидесяти лет, а почву не обрабатывали дополнительными питательными компонентами. Если вы придете сюда в июне, то увидите буйство красок и рисунка – красные, желтые, зеленые; цветы и стебли разных форм и размеров… Овсяница красная – сорт травы – главная звезда. Она доминирует на участке, ее тонкие жесткие стебли венчают пурпурно-красные соцветия. Но вокруг нее растет еще несколько десятков других видов, какие-то из них с крупными и красивыми цветками.

Один из участков экспериментального поля с парковой травой

Это типичный сенокосный луг, и когда-то все поле выглядело именно так. Но большинство других участков теперь уже не могут похвастаться таким многообразием красок. Да, возможно, растения на каких-то участках гуще и выше, но состав трав там намного более однородный. Так, расположенный рядом участок № 1 с момента начала эксперимента получил годовую дозу азота и других минералов. Сейчас на поле растет уже не так много разных растений, как раньше. Доминирует несколько видов трав, которые выше и крупнее овсяницы красной на третьем участке. Цветы встречаются редко.

А вот участок № 9, который на протяжении последних ста пятидесяти лет обрабатывали сульфатом аммония. Получившаяся в итоге кислотная почва выдавила не только большинство видов растений, но также и дождевых червей и других подземных обитателей. Остались только три вида растений. Если взглянуть поверх участка № 9, то увидишь в основном торчащие пучками макушки сладкого душистого колоска – вид, который встречается почти на всех экспериментальных участках.

Применение разных удобрений во многом изменило участки, использовавшиеся для эксперимента с парковой травой: поменялся состав почвы, активность роста, а также сочетаемость растущих рядом растений. Еще со времен Лоуса и Гилберта различия, наблюдаемые на разных участках, относили на счет этих экологических явлений: сможет ли конкретный вид выдержать условия жизни на участке и сможет ли он выживать рядом с другими растущими там видами.

На протяжении целого столетия никто не задавался вопросом, играет ли эволюция какую-то роль в появлении различий между участками, и адаптируются ли популяции одного вида, растущие на разных участках, к местным условиям. И если да, то почему? В те времена все еще доминировала дарвиновская идея о ледниковой скорости движения эволюции. А участки располагались рядом друг с другом, разделенные в отдельных случаях всего несколькими дюймами. Стандартные знания эволюционных биологов того времени подсказывали ученым, что обмен генетическим материалом между популяциями – «генный поток» – будет препятствовать дивергенции. Пыльца, перелетающая с одного участка и опыляющая растение с другого, или унесенные ветром семена будут перемещать генный материал туда-сюда, сохраняя генетическую однородность популяций.

Однако молодой ботаник Рой Снейдон не был в этом так уверен. Когда в конце 1950-х годов он приступал к защите докторской диссертации в Уэльсе, ботаники только начинали задумываться над тем, что растения способны быстро эволюционировать, даже в отсутствие изоляции. Его куратор, Тони Брэдшоу, в тот момент подготовил к публикации свой ставший уже классическим научный труд по теме эволюции устойчивости к тяжелым металлам у растений, растущих на крышах старых брошенных горнорудных шахт. Брэдшоу обнаружил, что в тех местах, где раньше находились шахты по добыче меди, свинца и цинка (некоторые относились еще к временам римлян и даже более ранней эпохе – бронзовому веку), в почве содержались повышенные дозы тяжелых металлов, токсичные для большинства растений. Тем не менее там росло несколько видов. Брэдшоу пришел к выводу, что растения в этих местах адаптировались к жизни в подобных токсичных условиях с того момента, когда там открылись шахты. И это один из первых конкретных примеров стремительной эволюции в природе.

Помимо быстрого эволюционирования, эти растения также смогли адаптироваться в плане генного обмена. Всего в нескольких футах от куч со старым шлаком уровни концентрации металлов резко падали.

Брэдшоу и его студенты обнаружили, что растения одного вида с соседних чистых территорий не могли расти на зараженной почве. У растений, росших на месте старых шахт, выработалась устойчивость к тяжелым металлам даже несмотря на то, что они были окружены растениями, не переносившими тяжелые металлы, чью пыльцу, семена и генный материал они содержали: ветром их постоянно относило на зараженную территорию. Очевидно, генный поток не являлся настолько однородным, как принято было считать.

В докторской диссертации Снейдона, в которой он следовал по стопам своего наставника, профессора Брэдшоу, описывался процесс адаптации к почвам с разным химическим составом у белого клевера и распространенной травы овсяницы овечьей. Завершив работу над своей диссертацией, Снейдон стал преподавателем университета Рединга. Там он узнал об опытной станции в Ротамстеде, расположенной в пятидесяти милях к северо-востоку. Каждый год он брал туда своих лучших студентов, и они работали, причем довольно успешно. Снейдон увидел в эксперименте с парковой травой возможность экспериментальным путем проверить идею о том, что химический состав почвы способен запустить эволюционную дивергенцию у растений, пусть даже на очень короткие расстояния и короткие периоды времени. Если это так, рассуждал он, тогда, возможно, вариативность, наблюдаемая на экспериментальных участках, может быть частично результатом адаптивной дивергенции представителей одного вида, возникшей как реакция на варьирующиеся условия разных участков.