Насколько предсказуема эволюция? Ответ уже давно обсуждается биологами, пытающимися понять, в какой степени история влияет на повторяемость эволюции.
Обзор, опубликованный в выпуске журнала Science от 9 ноября, исследует сложность предсказуемости эволюции в необычайных деталях. В нем исследователи из Кеньон-колледжа, Мичиганского государственного университета и Вашингтонского университета в Сент-Луисе внимательно изучают данные ряда эмпирических исследований эволюционной повторяемости и случайности, пытаясь полностью исследовать идеи о роли случайности в эволюции.
Вопрос о предсказуемости эволюции был особенно поднят покойным палеонтологом Стивеном Джеем Гулдом, который отстаивал точку зрения, согласно которой эволюция случайна и неповторима, в своей книге 1989 года «Чудесная жизнь». «Воспроизведите запись миллион раз… и я сомневаюсь, что что-то вроде Homo sapiens когда-либо снова эволюционирует», - размышлял Гулд, отмечая, что возможность «переиграть запись» и изменить историю была бы невозможна. Тем не менее, после публикации «Чудесной жизни» многие биологи-эволюционисты приняли этот вызов и провели свои собственные версии эксперимента Гулда, хотя и в меньших масштабах. При этом они пришли к различным выводам о взаимодействии между случайностью мутаций, случайными историческими событиями и направленностью, придаваемой естественным отбором..
Как разворачивается история, на самом деле невозможно предсказать. Исторические исходы зависят от длинной цепочки событий, наполненных мельчайшими деталями. Выпавшая пачка сигар, обернутая маршевыми приказами армии Конфедерации, была найдена солдатом Союза, что привело к битве при Антиетаме, которая привела к тому, что Линкольн провозгласил Прокламацию об освобождении. Что, если бы эти сигары не уронили или если бы их не нашел солдат Союза? Эволюция аналогична в том смысле, что она разворачивается в течение огромных периодов времени с длинными уникальными цепочками событий, включающими множество случайностей. Однако, в отличие от истории, эволюция обладает детерминированной силой естественного отбора, но этот детерминизм всегда находится в противоречии со случайностью. Как это напряжение влияет на то, что развивается? Что важнее: непредвиденные обстоятельства в деталях истории или детерминизм?» - сказал Закари Блаунт, старший научный сотрудник МГУ и приглашенный доцент биологии в колледже Кеньон, который был ведущим автором обзора.
К работе Блаунта присоединились Ричард Ленски, почетный профессор микробной экологии Ханны в МГУ, и Джонатан Лосос, почетный профессор Университета Уильяма Х. Данфорта в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.
Идея переиграть ленту жизни - начать все сначала - это то, о чем задумывался почти каждый в какой-то момент своей жизни. Это также то, что давно интересовало биологов, но в большом масштабе истории жизни на Земле», - сказал Ленски. «С тех пор как Гулд ввел метафору воспроизведения ленты жизни, многие исследования пытались охарактеризовать повторяемость эволюции. Наш обзор показывает, что простого ответа нет: иногда эволюция приводит к поразительно схожим решениям, а иногда эволюционирующие линии идут совершенно разными путями даже при одинаковых обстоятельствах. Я думаю, что это часть очарования и красоты эволюции, что она производит как ожидаемое, так и неожиданное, возможно, как и в нашей индивидуальной жизни, но в гораздо большем масштабе».
Мысленный эксперимент Гулда до сих пор вызывает оживленные споры, отчасти из-за несоответствий, которые Гулд внес в то, как он описал свою метафору воспроизведения, а также из-за путаницы вокруг концепции непредвиденных обстоятельств. Гулд часто смешивал два распространенных значения слова «случайность»: как зависимость от чего-то другого и как случайное событие.
«Существует множество разных литератур по идее Гулда, и эти литературы не разговаривают друг с другом», - сказал Лосос. «Есть исследования микробной эволюции. Есть все исследования конвергентной эволюции или отсутствия конвергентной эволюции. А также есть философская литература о том, что имел в виду Гулд, когда сказал «повторить запись». То есть, в более общем смысле, когда вы говорите о роли непредвиденных обстоятельств - термин, который использовал Гулд, - что это на самом деле означает?»
Их обзор существующих эмпирических исследований был сосредоточен в первую очередь на трех типах «повторных исследований»: лабораторных экспериментах по эволюции с быстро развивающимися организмами; эксперименты, проведенные в природе; и естественные эксперименты, в которых сравниваются родословные, развившиеся в сходных условиях. Всесторонний анализ выявил сложную картину эволюционных изменений, в которой очевидны как случайность, так и детерминизм.
Блаунт, Ленски и Лосос изучили ряд различных типов лабораторных экспериментов, в том числе эксперименты с параллельным воспроизведением, в которых идентичные популяции организма развиваются по отдельности в идентичных условиях, и аналитические эксперименты с воспроизведением, в которых образцы замораживаются из эксперимент с параллельным воспроизведением, а затем воскрес и заново эволюционировал из разных моментов времени. Этот обзор включал изучение долгосрочного эволюционного эксперимента с Escherichia coli (LTEE), начатого Ленски в 1988 году. LTEE отслеживал 12 популяций E. coli, созданных из одного клона, на протяжении более 70 000 поколений. Образцы каждой популяции замораживались каждые 500 поколений, что позволяло исследователям напрямую сравнивать эволюционирующие бактерии с их предками.
Блаунт, Ленски и Лосос также исследовали эксперименты, пытающиеся воспроизвести эволюцию в естественных условиях. На сегодняшний день существует лишь несколько таких экспериментов, и их обзор этих экспериментов показал высокую степень повторяемости эволюционных реакций на различные исторические условия.
Их обзор сравнительных исследований «естественных экспериментов» еще больше пролил свет на доказательства предсказуемости эволюции. Подобные черты могут независимо развиваться у нескольких видов - например, у карибских ящериц-анолов, у которых по отдельности развились такие черты, как длина ног и хвоста, чтобы облегчить их жизнь в их специфических средах обитания. Однако конвергенция в эволюции происходит не всегда, как показывает их обзор; непредвиденные обстоятельства могут играть важную роль в дивергентной эволюции различных признаков.
«Что мы ясно видим, так это то, что как конвергенция, так и отсутствие конвергенции часто встречаются в мире природы», - сказал Лосос. «Бесполезно просто продолжать добавлять к двум спискам. Реальный вопрос, к которому сейчас обращаются люди, заключается в следующем: почему конвергенция происходит иногда, а не другие? Вот куда сейчас ведутся исследования. Это вопрос, на котором мы должны сосредоточиться."
Их обзор был частично поддержан грантом Национального научного фонда, Центра изучения эволюции в действии BEACON, Университета штата Мичиган и Гарвардского университета.