Странная биология островных популяций подчеркивает роль случайности, а не только отбора, в эволюционных изменениях

За пинтой пива великого биолога, полимата и любителя паба Дж. Б. С. Холдейна спросили, отдаст ли он свою жизнь, чтобы спасти своего утопающего брата. Он должен был сказать: «Нет, но я бы спас двух братьев или восемь двоюродных братьев». Он имел в виду одну из загадок эволюции: почему животные (включая людей) помогают друг другу.

В соответствии с дарвиновским естественным отбором люди не всегда должны вести себя эгоистично, чтобы максимально использовать свои шансы на размножение? Начиная с 1930-х годов, Холдейн был одним из первых биологов, которые объяснили альтруизм тем, что мы теперь называем «отбором родственников».

Человек, склонный помогать членам семьи, ведет себя эгоистично, с точки зрения их генов, поскольку они помогают обеспечить репродуктивный успех своего общего генетического материала. Вы делите в среднем половину своих генов с вашим братом и восьмую из ваших генов с вашим двоюродным братом, отсюда и занудная шутка Холдейна.

Хотя Холдейн, по-видимому, понимал принцип отбора родственников, это было еще 30 лет до того, как другой английский биолог-эволюционист, В. Д. Гамильтон, с момента своего основания получил математическое значение теории в генетической эволюции социального поведения (1964 г.), одной из самых важных работ в области эволюции.

Эгоистичный ген (1976) Ричарда Докинза и многих других популярных книг были основаны на теории отбора родственников, которая обнажила эгоистичные махинации и расчеты, присущие явно альтруистическому поведению. Так почему же Холдейн — блестящий и изобретательный биолог — довел идею отбора родственников до естественного завершения?

В поразительно честном интервью для веб-сайта «Интерии» в 1997 году выдающийся биолог-эволюционист Джон Мейнард Смит, бывший студент Холдейна, сказал, что эта неудача была частично политической: я должен в некоторой степени понижать ее в политических и идеологических обязательствах… Я, как мне кажется, очень неохотно признавал, что все генетическое может влиять на человеческое поведение.

И я думаю, что мы не говорим себе сознательно, что это будет не марксистом, поэтому мы не будем этого делать, это не то, как работает ум, но это был путь, который наш разум не был, так сказать, готов спуститься в совершенно бессознательном смысле, а Билл [ Гамильтон] был очень готов пойти по ней… Чтобы сделать большие прорывы в науке, что сделал Гамильтон, недостаточно иметь техническое понимание какой-то технических моментов, это должно соответствовать вашему миру, что вы должны идти по этой дороге.

Эволюционная биология, возможно, больше, чем любая другая отрасль науки, — это политический зверь.

Пытаясь объяснить, как возникла жизнь, биологи-эволюционисты решают колоссальный вопрос о том, как и почему мы существуем.

Поэтому неудивительно, что по мере продвижения эволюционной биологии она тщательно изучается и критикуется на каждом этапе, вплоть до самого фундаментального уровня.

Все мы знаем, что некоторые религиозные группы отвергают эволюцию в пользу буквального библейского творения, а другие возражают против социальных и моральных последствий описания человека как просто еще один вид животных.

Но есть и внутренняя политическая борьба, которая происходит как внутри, так и между биологами-эволюционистами.

Как показывают воспоминания Мейнарда Смита о Холдейне, между политическими и научными точками зрения был внутренний конфликт, сознательный или подсознательный.

После просмотра интервью Мейнарда Смита (постати, Ричарда Докинза) я задавался вопросом, были ли эти мешающие мировоззрение просто симптомом заряженного политического климата Европы в 1940-х и 50-х годах.

Или, возможно, они были присущи самой эволюционной биологии.

И так со словами Мейнарда Смита в моей памяти, я, впечатлительный младший ученый, недавно начал сомневаться в некоторых собственных находках.

В 2009 году я провел несколько месяцев, ловя концы Бертелота через острова в Северной Атлантике.

Каждая пойманная птица была драгоценной точкой данных, и я тщательно измерил каждую, от клюва до хвоста.

Благодаря длительным исследованиям дарвиновских галапагосских вьюрков островные птицы являются мальчиками плаката для естественного отбора.

В каждом учебнике биологии показано, как эти виды возникают на разных островах, каждый из которых слегка отличается, с клювом разной формы, идеально приспособленным к пище, которую он ест.

Каждый студент знает, что эти вариации между вьюрками на Галапагосских островах дали Дарвину некоторые из его самых важных идей о том, как популяции диверсифицируются и меняются с течением времени.

Мы с коллегами знали, что наши концы различаются не только по форме клюва, но и по общему размеру, длине ног и размеру крыльев.

И эти различия были существенными — пипины на одном острове могли быть на 10% больше, чем другой.

Представьте себе, если бы у людей одной страны были головы, которые были на фунт тяжелее, чем у соседней страны.

Как естественный отбор разлучил эти кости — было ли это все о еде, или секс, хищники или паразиты сыграли свою роль?

Мы искали тесное соответствие между экологическими проблемами, с которыми сталкивались птицы в определенных местах, и адаптациями, которые отреагировали на эти проблемы.

Это будет шикарная история естественного отбора.

Но когда я посмотрел на данные, казалось, что ни один из этих факторов не был виноват.

Вместо этого различия в этих птицах, казалось, были связаны с историей и случайностью.

Вы, вероятно, слышали, что «ученые использовали доказательства ДНК, чтобы раскрыть наше африканское происхождение».

Действительно, теперь кажется несомненным, что современные люди произошли в Африке, и именно благодаря ДНК мы можем сказать это с такой уверенностью.

Мы знаем, как ДНК наследуется и как она меняется с течением времени, и поэтому можем делать конкретные прогнозы о том, сколько генетического разнообразия мы ожидаем увидеть в группе людей.

Используя все более сложные компьютерные модели, мы можем использовать эти прогнозы, чтобы определить точные сигнатуры, которые разные маршруты колонизации записали в наши гены.

А благодаря современной технологии секвенирования ДНК мы можем быстро и (допусто) добиваться огромного количества генетической информации от отдельных людей по всему миру.

Язык, на котором мы говорим, форма наших черепов, даже наша способность бороться с определенными заболеваниями, можно предсказать с поразительной степенью точности, только на нашем расстоянии от Африки, сравнивая то, что модели предсказывают о моделях вариации ДНК с тем, что на самом деле наблюдается, биологи нанесли на карту движения наших предков из Африки в удивительном деталях.

Около 60 000 лет назад люди вышли из Африки на Ближний Восток, и в течение следующих 30 000 лет их потомки распространились по Европе и Азии, направляясь на юго-восток через Таиланд и Вьетнам, через Индонезию и дальше на юг в Австралию.

Только около 15 000 лет назад группа из северо-восточной России отважилась пройти через Берингов пролив и колонизировала Америку с севера на юг.

В наших генах спрятаны десятки тысяч лет истории.

Но выяснение того, откуда мы пришли, — это только начало.

Что мы действительно хотим знать, так это то, как и как исторические движения наших предков формировали то, кем мы являемся сегодня.

И ответ таков: да, они имеют драматизм.

Язык, на котором мы говорим, форма наших черепов, даже наша способность бороться с определенными заболеваниями, можно предсказать с поразительной степенью точности, только на нашей дистанции от Африки.

Чтобы понять, как это происходит, нам нужно подумать о том, как люди переезжали из одного места в другое.

Путешествие по неизвестным землям — опасное дело, поэтому мы ожидаем, что древние люди будут избегать дальнего пути, за исключением случаев, когда им это нужно, и они, вероятно, не путешествовали в массовом порядке.

Вместо этого, когда люди колонизировали новые земли, вероятно, это было несколько бесстрашных исследователей, ищущих новые пастбища.

И доказательства ДНК подтверждают это.

Во всем мире мы видим «узкие узлы» на генетическом уровне — сигнатуры, где небольшая группа особей, несущая относительно небольшое количество генетических вариантов, создала новые колонии.

Это ключ к пониманию того, почему наиболее генетически разнообразное человеческое население может быть найдено в Африке, в то время как популяции дальнейших миграций происходят от гораздо меньшего запаса храбрых (или отчаянных) мигрантов.

Когда новое население основывается всего лишь несколькими особями, слепая удача внезапно становится очень важной для ее биологии.

На острове Тристан-да-Кунья в Южной Атлантике проживает менее 300 постоянных жителей, и около половины из них страдают астмой.

Исследователи из Университета Торонто, изучавшие заболевание среди островитян в 1990-х годах, не смогли найти очевидных причин для окружающей среды или гигиены из-за высокой заболеваемости и пришли к выводу, что генетика должна играть определенную роль.

282 жителя, которых они изучали, произошли всего от 15 первоначальных поселенцев, у которых, как оказалось, среди них обычно была высокая распространенность астмы.

Поскольку основатели были вынуждены скрещиваться, астма увеличилась в распространенности среди населения.

Ученые называют это явление «эффектом основателя».

В более техническом плане изменение частоты признака, когда новая популяция формируется небольшим числом особей.

И именно такие эффекты, как этот, оставили свою подпись в наших телах и в наших генах, чтобы распространять, как древние следы из Африки, на остальной мир.

Докинз был довольно на пуговицах, когда он не описывал в наших генах своего рода научный Дейв Спарт, пытающийся попасть в «угол псевдоним», если эффекты основателя могут объяснить такие вариации внутри вида, возможно ли, что они могут также объяснить большие различия, даже новые виды?

В статье под названием «Изменение генетической среды и эволюции» (1954) биолог-эволюционер Эрнст Майр предположил, что эффекты основателя могут привести к образованию совершенно новых видов.

По дрессировке орнитолог Майр провел несколько лет, собирая птиц в Новой Гвинее для таксономического исследования.

Он заметил, что виды птиц, обнаруженные на наиболее изолированных, наружных островах, как правило, сильно отличались от своих материковых родственников.

Майр задавался вопросом, может ли эволюция «ускориться», когда несколько особей колонизируют новую область.

После дальнейших исследований он утверждал, что в небольших популяциях могут возникнуть новые комбинации взаимодействующих генов, которые, в свою очередь, будут взаимодействовать с естественным отбором и заставлять популяцию переживать то, что он называл «генетической революцией».

Эволюция пойдет по новому пути, и в конечном итоге сформируются новые ветви эволюционного дерева, гораздо быстрее, чем если бы только естественный отбор был направляющей силой.

Сегодня почти все биологи-эволюционисты согласны с тем, что эффекты основателя возникают, и могут объяснить различия среди особей внутри вида.

Но сохраняются ли они в течение эволюции, и особенно, участвуют ли они в формировании новых видов, является предметом разногласий.

Эксперименты с небольшими популяциями плодовых мяс в лаборатории почти не привели к ожидаемому эволюционному изменению.

Были также теоретические критики Майра и других сторонников его теории.

Вдобавок, возникли проблемы с поиском улик в дикой природе.

Человеческие популяции очень тесно связаны, и в эволюционном плане возникла любая дивергенция относительно недавно.

Но биологические виды часто разделяются на миллионы лет, и если бы к этому моменту произошли какие-либо эффекты основателя, их следы вполне могли бы быть стерты.

По общему мнению, помимо нескольких примеров, эффекты основателя не были главной силой в формировании Древа жизни.

И именно здесь я возвращаюсь в свои островные концы, к Джону Мейнарду Смиту и в политику.

Глядя на мои данные, мне показалось, что эффекты основателя были ответственны за различия, возникшие у этих птиц.

Я чувствовал, что у меня есть один из самых ярких примеров того, как эффекты основателя могут сохраняться в дикой природе на протяжении многих тысяч лет.

Но в глубине души были сомнения, островные птицы, помните, являются символами объяснительной силы естественного отбора.

Эффекты самих основателей не являются адаптивными, а артефакты колонизации небольшой группой особей.

И было признание Мейнарда Смита, от которого я задумался, не был ли я готов найти эти результаты.

Вероятно, самый большой спор в современной эволюционной биологии начался с знаковой книги Э.

О.

Уилсона «Социобиология: новый синтез» (1975), в которой он утверждал, что многие аспекты человеческого поведения можно объяснить естественным отбором.

Год спустя, в эгоистичном гене, Докинз популяризировал геноцентричный взгляд на эволюцию.

Критики во главе с Стивеном Джеем Гулдом и Ричардом Левонтином быстро ответили.

Они обвинили Уилсона и Докинза в правой политической повестке дня, биологического детерминизма, в оправдании статус-кво и в оправдании эгоистичного поведения и социального неравенства.

Одним из наиболее разногласий, касающихся вопросов, была относительная важность отбора и случайности в эволюционных изменениях.

Гулд и Левонтин резюмировали свои аргументы в эссе «Спранлы Сан-Марко и Панглоссианская парадигма: критика адаптационистской программы» (1979).

Они утверждали, что такие адаптационные, как Уилсон и Докинз, хотели интерпретировать все в мире природы как сформированное естественным отбором, чтобы идеально подходить для ИТ-среды.

Напротив, Гулд и Левонтин подчеркивали импровизирующую работу, которая ознаменовала эволюционное развитие.

По их словам, многие из особенностей организма были подобны спандрелям или промежуткам между арками в здании, например, в Венеции Святого Марка: красивые сами по себе и выглядят так, будто они были созданы так.

Но на самом деле спандрелы — это всего лишь побочный продукт использования арки для поддержки куполообразной крыши.

Точно так же многие биологические черты или характеристики выглядят так, как будто у них есть цель, но на самом деле являются лишь побочными продуктами.

Например, человеческий мозг способен завершить кроссворд Times, но никто не стал бы серьезно утверждать, что мозг развивался для этой цели.

Здесь я был левым ученым с научным повествованием, отражавшим мои политические взгляды.

Неужели я каким-то образом исказил свою интерпретацию вариации конюсти, чтобы она соответствовала моим предрассудкам?

Когда я впервые прочитал «Спандели Сан-Марко» в качестве аспиранта, меня поразили.

Здесь были два великих биолога-эволюциониста, бросающих вызов многим принципам эволюции, которые я учил в университете, в частности, центральность естественного отбора и адаптации в объяснении вариаций организмов.

Это была наука, и она имела смысл, но она также была подрывной.

Как гордый левша, мне это нравилось.

Я читал больше Гулда, Левонтина и других биологов-единомышленников, и их все больше убеждают их аргументы.

Роль перемен и случайностей в эволюции, казалось, освободила нас от жестко детерминированного прочтения биологии.

История для Гулда и Левонтина была непредсказуемым процессом.

Однако я осознавал, что научные основы этой точки зрения были весьма спорными.

Я понял, как спорно, когда впервые прочитал обзор книги «Новый ученый» «Нет в наших генах» (1984) Левонтина, Стивена Роуза и Леона Камина.

Докинз написал обзор, и это было разрушительно — «Парада адаптационистская парадигма» Гулда и Левонтина была соломенной, и мне пришлось признать, что Докинз был довольно откровенен, когда он не описывал в наших генах «сорт научных деятелей Дэйва Спарта, пытающихся попасть в «Псевдог-раг».

Даже поклонники Гулда и Левонтина оплакивали свои взгляды на естественный отбор.

Биолог Джерри Койн, бывший студент Левонтина, писал, что: когда я был в Гарварде с Диком [ Левонтин] и Стив [ Гулд], это было почти так, как будто отбор был запретной темой — как раз мне хотелось бы, чтобы кто-нибудь из них открыто признал: «Да, конечно, отбор — это единственное правдоподобное объяснение адаптации».

В своей борьбе с немыслимым адаптационизмом они чуть не выбросили ребенка вместе с водой из ванны.

Койн был прав.

Докинз был прав.

Но я все еще чувствовал, что Гулд и Левонтин что-то задумали.

Я был сбит с толку.

Как оказалось, мое исследование вернуло бы меня обратно в этот беспорядок.

Эффекты основателя идеально вписываются в точку зрения Гулда (и он выступал за них в своих исследованиях на сухопутных улиток).

Все это есть: случайные шансы и слепая удача против выживания сильнейших и эволюционных гонок вооружений Докинса и др.

И оригинальная работа Майра о «генетических революциях» явно задела акту с Гулдом.

Генетические революции были центральными в теории прерывистых равновесий, в которых Гулд вместе с биологом Найлсом Элдриджем утверждал, что древо жизни не растет постепенно и гладко: скорей, виды остаются неизменными в течение длительного времени, перемежающихся короткими, драматическими периодами изменений.

Здесь, как и в большинстве работ Гулда, были заметные параллели между научными и политическими дебатами.

Общество, характеризующееся устойчивыми изменениями, будет противостоять крупным преобразованиям, таким как революция.

С другой стороны, прерывистое равновесие, соответствующее политической теории человеческих обществ, описанных такими людьми, как Маркс, Энгельс и Гегель.

Как только я услышал интервью Мейнарда Смита, все конфликты и замешательства, которые я испытывал, когда впервые прочитал о дебатах о социобиологии — Гулд, Левонтин, прерывистое равновесие, политика — все, что я хранил и наполовину забыт, нахлынул обратно.

Здесь я был левым ученым с научным повествованием, отражавшим мои политические взгляды.

Неужели я каким-то образом исказил свою интерпретацию вариации конюсти, чтобы она соответствовала моим предрассудкам?

Хуже того, неужели я подсознательно искажал результаты?

Я проверил и перепроверил, нашел то же самое.

Я пытался найти новые способы просмотра своих данных, но все же пришел к такому же выводу.

Эффекты основателя выглядели реальными.

Если бы я что-то не так сделал, я не мог понять, что это было.

Политические убеждения влияют на науку на многих уровнях, от решений о том, какие исследования финансируются, до подсознательных предубеждений отдельных ученых.

И со своей стороны, я уверен, что мои политические взгляды повлияли на мои научные исследования, и все это время я понятия не имел.

Мы постоянно принимаем субъективные решения как ученые: какие вопросы нас зажигают, что мы игнорируем, когда считаем результат достаточно значительным, чтобы публиковать, как мы подходим к анализу и как мы интерпретируем наши результаты.

Мы стремимся к объективности, но мы никогда не сможем ее достичь.

Вместо этого мы можем не надеяться, что процесс самокоррекции науки вычеркивает мусор, и эта правда обретет со временем.

Так что, возможно, радикальные ученые не такие уж плохие вещи.

Возможно, такие, как Гулд и Левонтин, которые могут сделать шаг назад и критически взглянуть на все свое поле, играют важную роль в контроле науки и, следовательно, в продвижении ее вперед.

Иногда они могли превысить поставленную задачу, но их критика адаптационизма была той, которую нужно было сделать, и это то, что улучшило научную строгость эволюционной биологии в целом.

Биологи теперь гораздо более осторожны, изобретая адаптивные объяснения всему, что они видят, и более поддаются неадаптивным объяснениям.

Что касается моей статьи о конечных конечных станциях, я нахожусь на нервно-складной стадии подачи ее для рецензирования.

После проверки и двойной проверки я могу пока только заключить, что эффекты основателя были реальными, и надеюсь, что рецензирование и, что более важно, после публикации публикация коллег-ученых выяснят любые проблемы.

Возможно, лучшим планом будет найти капиталистическую кухоночку, которая будет для меня его обзором.