Необычное новшество

Приспособление человека к бегу, как полагают, являет собой пример абсолютно новой, чрезвычайно смелой черты эволюции – а именно пример того, что глубинные изменения организмов могут происходить до возникновения генетических изменений.

Организм человека подвержен изменениям в течение жизни. Мы знаем это по собственному опыту: занятия новым видом спорта изменяют строение тела. Гипертрофируются, увеличиваются в объеме некоторые мышцы, и человек это быстро замечает. Однако люди не замечают, что изменяются и кости. Мы привыкли думать о нашем скелете как об инертной, безжизненной структуре, костной опоре живых тканей тела, но на самом деле кость – это тоже живая ткань. Несмотря на то что она в значительной степени минерализована, в ней есть живые клетки, расположенные в полостях жесткого костного матрикса. Эти клетки взаимодействуют друг с другом и с клетками, находящимися на поверхности костей. Эти клетки реагируют на напряжения, приложенные к костям, и формируют новую костную ткань там, где кость надо укрепить, а также удаляют избыток ткани, когда необходимость в укреплении отпадает. (Одна из проблем, с которой сталкиваются космонавты, долгое время находящиеся в состоянии невесомости, – это атрофия костной ткани, то есть потеря костной массы.)

В эмбриональном периоде, в детстве, и даже во взрослом состоянии форма и функции наших организмов отнюдь не целиком определяются ДНК. Это означает, что форма скелета, как и форма всего тела, не является производным деятельности одних только генов, это производное использования тела, производное поведения. Гены всего лишь задают параметры, в пределах которых возможны такие изменения.

Примеры очень глубоких изменений «нормальной» анатомии определенных областей тела могут возникать, когда анатомия и физиология организма каким-то образом сильно нарушаются. В 1942 году голландский ветеринар Э. Й. Слийпер описал странную двуногую козочку. Это животное родилось с парализованными передними конечностями и поэтому не могло передвигаться на четырех конечностях, как это делают здоровые животные. Тем не менее этот козленок научился передвигаться, прыгая на задних конечностях. Когда коза околела, Слийпер вскрыл ее и обнаружил очень странные изменения в ее анатомии. Грудная клетка и грудина имели весьма необычную форму, а у мышц верхней части задних конечностей изменилась форма и появились новые, дополнительные сухожилия. Такие примеры показывают, насколько изменчивой и пластичной может быть анатомическая структура организма, насколько легко она поддается различным модификациям.

Скачущая на двух ногах коза Слийпера иллюстрирует очень важный момент: какая бы причина ни привела к параличу передних конечностей, не она стала одновременно причиной адаптивных изменений в задних конечностях. Анатомические изменения в них возникли в результате способа, каким коза начала их использовать. Податливость анатомического строения уменьшается с возрастом – невозможно добиться таких драматических изменений, посещая спортзал, – но такой потенциал становится выше, если изменение поведения происходит на ранних стадиях развития.

Американский биолог Мэри Джейн Уэст-Эберхард предположила, что связанные с бегом анатомические изменения в ходе эволюции человека могли возникнуть именно таким способом – как часть адаптации организма к окружающей среде (через поведенческие изменения) – и даже стать «нормой» для целой популяции в течение жизни одного поколения. Это очень важная, и, в определенной мере, еретическая идея, так как она противоречит строгой неодарвинистской доктрине о том, что эволюция происходит благодаря случайным генным мутациям, которые оказываются полезными в плане приспособления организмов к окружающей среде. Анатомические изменения в ответ на новое поведение – или, другими словами, фенотипическая адаптация – тоже могут приводить к эволюционному разнообразию.

Эта смелая идея о связи между анатомией, поведением и эволюцией содержит в себе отзвук одной старой гипотезы по поводу механизма возникновения эволюционных изменений. Предшественник Дарвина, французский натуралист Жан-Батист Ламарк говорил нечто подобное в самом начале XIX века. Он считал, что животные могут передавать потомству признаки, приобретенные в течение жизни. В качестве классического примера приводили жирафа. Животным приходилось тянуться вверх за листьями, и шея немного вытягивалась, а потом жираф передавал этот признак потомству, у которого шея вытягивалась еще немного, и так далее. Дарвин весьма благосклонно отнесся к идее такого «мягкого наследования», но она не укладывалось в предложенный им механизм естественного отбора, каковой дал название книге «О происхождении видов путем естественного отбора». Этот механизм работает на основе уже существующего в популяции разнообразия признаков. Это разнообразие является результатом действия наследственных факторов (которые позднее были названы генными мутациями), а поэтому понятно, что анатомические изменения, приобретенные в течение жизни, не могут наследоваться.

Сейчас, однако, такое утверждение представляется чересчур категоричным. Теперь мы знаем, что внешние влияния на гены могут передаваться потомству. Химические модификации белковой упаковки ДНК – которые могут происходить в течение жизни организма под влиянием факторов окружающей среды – влияют на функцию генов. Удивительно, но эти модификации могут наследоваться, несмотря даже на то, что сами гены остаются неизменными. Этот феномен наследуемых эпигенетических изменений говорит о том, что в мягкой наследственности все-таки что-то есть.

Если новые модели поведения приводят к изменению анатомического строения, то возможно, что некоторые из них станут наследственными по крайней мере в течение нескольких поколений, благодаря эпигенетическим модификациям, которые закреплялись у представителей по меньшей мере двух-трех поколений. Однако и эпигенетическая адаптация может, вероятно, приводить и к истинно генетическим, эволюционным изменениям. В сравнении с генными мутациями, приводящими к случайным вариациям (большинство которых неизбежно оказываются бесполезными или даже вредными), фенотипическая адаптация производит отнюдь не случайное изменение: с самого начала она помогает организму лучше приспособиться к окружающей среде. Естественный отбор будет действовать на такие неслучайные изменения точно так же, как он действует на изменения случайные.

Индивиды, отличающиеся новым анатомическим строением, возникшим в ответ на новое поведение, будут иметь преимущества в выживании и размножении, поэтому отбор будет благоприятствовать особям, способным к такому новому поведению. Эту гипотезу впервые высказал американский психолог Джеймс Марк Болдуин в конце XIX века в связи с эволюцией способностей к обучению. Сам феномен тогда получил название «эффекта Болдуина».

Возвращаясь к нашим бегающим предкам, мы можем живо представить себе, как такое могло происходить в реальности. Представим себе группу древних людей, предки которых не увлекались бегом, но сами эти люди поняли, что бег повышает их шансы на выживание. Эти люди живут в африканской саванне, и дело происходит за два миллиона лет до наших дней. Они питаются более разнообразно, чем их предшественники, – выкапывают корни и клубни и варят их, что делает еду вкуснее и питательнее. При случае эти люди едят и мясо, и вот здесь в игру вступает бег. Иногда люди гоняются за добычей, а иногда, возможно, едят трупы животных, убитых другими хищниками. Люди видят стаи стервятников, кружащих над убитым или павшим зверем, и бегут туда, чтобы опередить других падальщиков. Люди изо всех сил стараются избегать встреч с крупными хищниками, но если такая встреча все же происходит, то отбиваются от них, швыряясь камнями.

При таком сценарии бег мог стать реально важным и значимым признаком данной группы людей в течение одного поколения. Когда что-то начинают делать несколько человек, скорее всего, к ним присоединятся другие. Дети станут копировать поведение взрослых. Без всяких генных изменений организмы этих людей могут заметно измениться, так как мышцы и кости будут реагировать на предъявленные к ним новые требования. В частности, если начинает бегать ребенок, то строение его тела во взрослом состоянии будет значительно отличаться от строения тела его ближайших предков – родителей, бабок и дедов. Организмы некоторых людей не проявят нужной «пластичности», и бег останется для них весьма затруднительным, но для других членов племени, обладающих скрытым генным потенциалом благоприятных изменений, бег станет занятием комфортным и эффективным. Начав бегать, такие люди уже сами задают и определяют свое эволюционное будущее. Естественный отбор будет благоприятствовать раскрытию способностей потенциальных бегунов. Влияние эффекта Болдуина в течение многих поколений будет означать, что естественный отбор станет благоприятствовать тем генным мутациям, которые способствуют укреплению способностей к бегу. Но с чего все началось? Скорее всего, не с генной мутации, подхваченной давлением естественного отбора, а с изменений в поведении.

Возможно даже, что фенотипическая адаптация с большей вероятностью производит глубокие изменения в передаваемых наследственных признаках или, по крайней мере, способствует им, нежели более знакомый нам механизм естественного отбора на уровне генных мутаций. Фенотипическая адаптация, возможно, является важным генератором реальных новшеств в процессе эволюции. Такие новшества сильно отличаются от постепенных мелких адаптивных изменений, по ходу которых отбор закрепляет одни варианты и отсеивает другие. Как генераторы новшеств, немедленные реакции животных на изменения окружающей среды являются мощным инструментом эволюции – они действуют одновременно на множество индивидов сразу.

Определенно, это не означает, что Дарвин ошибался и естественный отбор неважен. Дарвин был прав, и естественный отбор очень важен, но, возможно, есть и другие механизмы адаптации, и Ламарк очень рано смог угадать один из них.

Возможно, что наши предки начали бегать, не дожидаясь помощи со стороны полезных генных мутаций – возможно, что такие изменения возникли позже, и не они облегчили переход к новому поведению. Но как бы хорошо ни адаптировались к длительному бегу наши предки, они тем не менее не могли бегать так же быстро, как другие бегуны животного царства, включая некоторых очень крупных африканских хищников. Поэтому, вероятно, все же стоило сохранять и некоторые, более «примитивные» признаки – например, ноги, которые умеют не только бегать, но и помогают, при необходимости, забираться на деревья (представьте себе газель Томпсона, карабкающуюся по пальме!). Мы располагаем, кроме того, длинными и подвижными руками, унаследованными от предков, которые много времени проводили на деревьях, но такие руки оказались весьма подходящими для метания самых разнообразных предметов – и этот навык, унаследованный и нами, помог нашим предкам выжить на африканских равнинах.