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

Администрация университета дала разрешение, был нанят подрядчик, и вскоре появились пруды. Тринадцать штук, каждый длиной семьдесят пять футов. В центре водоема глубина воды достигала максимума – десяти футов. Изначально пруды были обсажены растениями, к которым стали прилетать насекомые с соседнего озера, где обитали два вида колюшки. А несколько лет спустя по берегам водоема вырос настоящий лес, куда прилетали птицы, и пруды стали напоминать водоемы природного происхождения.

Временами ты забываешь, что находишься через дорогу от кампуса университета Британской Колумбии…

На протяжении семнадцати лет Шлутер и его лаборатория использовали пруды, чтобы оценить, как воздействует естественный отбор на колюшку, и изучить, какие признаки способствовали лучшей выживаемости, и почему гибриды двух видов находились в невыгодном в селективном плане положении. Работа имела дикий успех, сделав колюшку учебным примером эволюционной дивергенции, инициируемой соперничеством за ресурсы. И все же большая часть работы касалась одного только поколения, Оценивались их выживаемость и репродуктивные циклы, но не прослеживались эволюционные тенденции в масштабах нескольких поколений. Наконец, настало время опробовать эволюционный эксперимент[42].

Чтобы начать исследование, талантливый студент-магистрант из лаборатории Шлутера Роуан Барретт выловил в ближайшей лагуне морскую колюшку. Озерная колюшка родственна морской. Она оказалась на материковой части суши после того, как земной массив территории Британской Колумбии поднялся после таяния ледников в конце последнего ледникового периода. Морская колюшка, у которой больше защитных щитков и которая адаптировалась к менее экстремальным температурам, имеет, таким образом, схожие родственные свойства с озерными популяциями.

Барретт поместил морскую колюшку в три экспериментальных пруда, чтобы проверить, сможет ли она адаптироваться к пресной воде, живя так, как жили в реальных озерах потомки морской рыбы. Результаты оказались сложными и неоднозначными. Но целью эксперимента было исследовать не только защитную броню рыбы, но и второе ее свойство, более актуальное в наши дни: как быстро колюшка сможет адаптироваться к меняющимся климатическим условиям? Температура воды в пресных озерах более изменчива, чем в океане: горячее летом и холоднее зимой. Станет ли морская колюшка адаптироваться к этим перепадам?

Чтобы выяснить это, Барретт записал измерения термальной биологии – высокие и низкие температуры, при которых рыба теряет способность двигаться координированно. Изучая морскую и озерную рыбу, Барретт обнаружил, что они одинаково переносят максимальную температуру. По какой-то причине колюшка способна жить при температурах гораздо более высоких, чем в своей родной среде. А вот переносимость низких градусов была разной. Озерная рыба способна выживать в воде на пять градусов по Фаренгейту ниже, чем океанская рыба, Эта разница почти в точности совпадает с разницей низких температур, которую переносит рыба в двух разных средах. В итоге Барретт сконцентрировался на адаптации рыбы к холоду: сможет ли рыба из экспериментального пруда эволюционировать, став более устойчивой к холоду?

Ответ пришел быстро и оказался положительным^731. Холодные зимы не прошли бесследно, и та рыба, которая не смогла справиться с новыми условиями, погибла. Всего два года спустя у рыб во всех трех прудах развилась способность выдерживать температуры на четыре с половиной градуса ниже, чем могли их морские предки. Таким образом, они демонстрировали морозоустойчивость озерной колюшки из Британской Колумбии.

Такая удивительно быстрая и параллельная адаптация была неожиданной. Барретт, Шлутер и компания с восторгом ждали, что будет дальше. Но, к сожалению, они не смогли спрогнозировать последующие события. Зима 2008–2009 г. была самой холодной за последние четыре десятилетия, и возникшие трудности были чересчур велики, чтобы рыба смогла с ними справиться. Вся рыба погибла, превратив данное исследование в более краткосрочный эксперимент, чем это изначально планировалось. Тем не менее исследование четко продемонстрировало возможность осуществлять эволюционные опыты в экспериментальных прудах.

Все хорошее когда-нибудь заканчивается. Так случилось и с прудами Шлутера. Из-за пористости почвы дно было выстелено пластиковыми пластинами: иначе бы вода просто ушла. Шлутера с самого начала предупреждали, что срок годности пластика двадцать лет, и он уже подходил к концу. Все шло хорошо, но не было ясно, что же будет дальше.

Иногда с хорошими людьми случаются хорошие вещи. Нежданно-негаданно Шлутеру позвонили из администрации кампуса. Университет хотел получить свою землю обратно, чтобы построить на ней новые здания, затем продать их за какую-то астрономическую сумму на рынке недвижимости Ванкувера. Не мог бы Шлутер перенести свои исследования в какое-то другое место при условии, что университет поможет ему построить новые пруды?

Уже в самом этом вопросе содержался ответ. Именно тогда Шлутер и получил свой новый продвинутый озерный комплекс, расположенный буквально в шаге от прежнего места (там, где теперь стоят шикарные многоквартирные дома с пивным пабом, музыкальной школой и ресторанами). Пруды примерно такого же размера, что и были, но теперь они не квадратные, а прямоугольные, и своим уклоном на глубину двадцать футов с одного конца они больше напоминают природные озера.

На строительство прудов ушло несколько лет, но «ускоритель видообразования» (как шутливо называет его Шлутер, намекая на циклотрон из лаборатории физики элементарных частиц, который ускоряет заряженные частицы до высоких скоростей) теперь уже готов и вовсю функционирует. Первое исследование нескольких поколений рыбы завершено. Оно было посвящено изучению влияния хищников на эволюцию защитных свойств. В пять прудов выпустили колюшку и хищного лосося Кларка, а в пяти других оставили одну только колюшку. Эксперимент должен был охватывать пять поколений рыбы.

Примерно в то же самое время, когда строился новый водный комплекс, Шлутер вышел на новое исследовательское направление: полевой биолог стал генетиком. Сотрудничая с ведущими экспертами в области изучения генома[74] из Стэнфорда и других научных центров, Шлутер увлекся работой по секвенированию генома колюшки, чтобы определить гены, ответственные за ключевые признаки, такие как наличие брони и игл.

В результате этих новых знаний эксперимент с прудами получил двойную направленность: эволюция изучалась как на фенотипическом, так и на генетическом уровнях.

Прогноз был следующим: присутствие хищников станет способствовать развитию соответствующих генетических изменений и появлению у рыб более длинных игл, что помешает хищникам их проглотить.

И каковы же результаты? Студентке магистратуры Диане Реннисон удалось проанализировать данные, полученные только в рамках исследования первых трех поколений. Но результаты были многообещающими. В процессе наблюдения за выживаемостью в масштабах одного поколения стало заметно, что рыба с более длинными спинными иглами в прудах с хищниками выживает лучше. Такой отбор вызвал эволюционную реакцию: теперь у популяций рыбы, живущей в прудах с хищниками, спинные иглы стали длиннее. Изменения на генетическом уровне шли параллельно: вариативность генов у этих популяций способствовала увеличению частоты появления более длинных спинных игл. Как ни странно, но процесс отбора размеров брюшных игл[75] был более неоднороден: длинные иглы появлялись у рыб не во всех прудах. Причина такой эволюционной неопределенности неизвестна.