Млекопитающие едва не вымерли вместе с динозаврами
Мел-палеогеновое вымирание, после которого исчезли динозавры, не пощадило и млекопитающих. Их расцвет в следующие эпохи оказался связан не с тем, что вымирание обошло млекопитающих стороной, а с их успешным восстановлением после. К таким выводам пришли авторы новой статьи, опубликованной в Journal of Evolutionary Biology.
Ник Лонгрич (Nick Longrich) и его коллеги по британскому Университету Бат изучили окаменелые останки млекопитающих, обитавших на территории Северной Америки между двумя миллионами лет до мел-палеогенового вымирания (около 65 млн лет назад) и 300 тысячами лет после. Скорость их гибели во время вымирания оказалась куда выше предыдущих оценок: из 59 видов выжили лишь четыре, полностью исчезли 93 процента видов и 86 процентов родов.
Авторы считают, что прежние оценки страдали от искажения, связанного с тем, что в результате выжили, в основном, широко распространенные виды, тогда как вымерли все нишевые, узксоспециализированные, останки которых встречаются намного реже. «Ископаемые летописи в основе своей страдают от систематической ошибки в пользу выживших», – пишут ученые в статье.
По их данным, последующий успех млекопитающих связан не с удачным для них вымиранием: они пострадали даже больше других известных групп, таких как черепахи. Однако млекопитающие продемонстрировали потрясающие способности адаптироваться, и уже через 300 тысяч лет их видовое разнообразие превысило показатели мелового периода.
Возможно, таким быстрым изменениям способствовало возникновение массы изолированных экологических ниш, оставшихся на месте разрушенных экосистем позднего мела. «Эндемичные» млекопитающие в них смогли эволюционировать быстрее и оправились от последствий вымирания с поразительной, по историческим меркам, скоростью.
Роман Фишман
Еще один миф, опровержение которого хотелось бы увидеть: антропогенез невозможен, так как 99% мутаций смертельны.
Светлана Боринская: Большинство вновь появляющихся мутаций нейтральны, т.е. не влияют на свойства организма.
Как показано при анализе ДНК человека, каждый родитель передает своему ребенку примерно 100 вновь возникших мутаций.
Конечно, среди них могут быть и вредные. Но судя по тому, что мы пока не вымерли, их, вредных, никак не 99%. Наиболее часто выявляемая вновь возникшая мутация, известная у человека - это мутация в гене гормона роста, которая ведет к одному из видов карликовости (ахондроплазия). Ахондроплазия встречается у одного из 100 000 новорожденных. В целом частота серьезных врожденных нарушений не превышает немногих процентов. Конечно, часть вредных мутаций мы просто не видим - плод погибает еще до рождения, или мы видим проявление вредных мутаций как бесплодие (нарушено оплодотворение или развитие останавливается на стадии первых делений зародышевой клетки). НО если бы 99% мутаций были смертельны, то при 100 новых мутаций в каждой яйцеклетке не мог бы родиться ни один ребенок (а также котенок, цыпленок, лягушонок и т.п.).
Птица кювьеров пастушок вымерла в далеком прошлом, а затем возродилась, дважды пройдя один и тот же эволюционный процесс, установили ученые.
О животном, совершившем такой «эволюционный подвиг», говорится в новом исследовании, опубликованном в Zoological Journal of the Linnean Society.
Исследователи обнаружили на атолле окаменелости кювьерова пастушка. Они появились как до, так и после изменения уровня воды. Ученые пришли к выводу, что после «потопа» птицы снова прилетели на атолл, скорее всего — с Мадагаскара. Здесь они повторили эволюцию своих далеких предков, снова утратив способность летать. Кювьеровы пастушки встречаются на Альдабре и по сей день.
По словам ученых, это очень редкий пример итеративной эволюции — повторной эволюции вида от одного и того же предка в разные периоды истории.
Широкая распространенность в животном мире однополого сексуального поведения традиционно рассматривается как эволюционный парадокс. В основе большинства гипотез, предложенных для его объяснения, лежат два постулата: 1) о резко негативном влиянии однополого секса на приспособленность (отсюда — поиск важных прямых или косвенных преимуществ, перевешивающих ущерб) и 2) о том, что строго разнополый секс — эволюционно исходное состояние для животных, а однополый — позднейшая «надстройка». Провокативное эссе, опубликованное группой американских биологов в журнале Nature Ecology & Evolution, ставит оба постулата под сомнение. По мнению авторов, эволюционно исходным состоянием могло быть неразборчивое половое поведение, направленное на любых представителей своего вида и не требующее умения определять пол партнера, а негативное влияние эпизодического (необлигатного) однополого секса на репродуктивный успех часто невелико или даже вовсе отсутствует. В таком случае в специальных объяснениях нуждается не эпизодическое однополое, а строго разнополое сексуальное поведение, требующее развития сложных систем идентификации партнеров и сопряженное с риском упущенных репродуктивных возможностей.
По мнению авторов, именно такое, как у морских ежей, неразборчивое половое поведение, не предусматривающее выбора партнера по половому признаку, могло быть эволюционно исходным состоянием для раздельнополых животных — а вовсе не строгое DSB, как принято считать. В этом есть определенная логика, поскольку неразборчивое половое поведение явно проще избирательного. В этом случае животные не нуждаются ни в половом диморфизме (то есть в признаках, по которым можно определить пол потенциального партнера), ни в умении разбираться в этих тонкостях, ни в дополнительных рецепторах или органах чувств, которыми, вероятно, пришлось бы обзаводиться ради такого умения.
эволюционные эксперименты на жуках Tribolium castaneum (рис. 1, i) показали, что если доля самок в популяции высока, то самцы со временем полностью утрачивают половую избирательность и начинают спариваться с самцами так же охотно, как и с самками (см. статью Натальи Резник. Ошибочка вышла?). По-видимому, в этом случае «непродуктивный» расход ресурсов (включая и расход сперматофоров, которые у этих жуков выбрасываются при однополых спариваниях точно так же, как и при разнополых) не настолько обременителен, чтобы отбор продолжал поддерживать дорогостоящие механизмы безошибочного различения сородичей по полу.
Нужно помнить и том, что чрезмерная разборчивость при выборе партнера сопряжена с риском упущенных репродуктивных возможностей. Никакая избирательность не может быть абсолютно безошибочной, но животные, которые попытаются довести ее до совершенства, чтобы исключить вероятность SSB, рискуют упустить свой шанс на размножение. Например, излишне разборчивый самец может упустить шанс спариться с самкой, которая почему-то показалась ему недостаточно женственной. Эти рассуждения согласуются с тем, что некоторые животные в ходе эволюции, по-видимому, научились подстраивать под ситуацию уровень своей половой избирательности. Например, самцы жуков-могильщиков становятся менее избирательными — и чаще демонстрируют SSB, — если в период своей жизни, предшествовавший размножению, они редко встречали самок, то есть как бы приучались к мысли, что самка — большая редкость и ее нельзя упускать; дополнительные эксперименты позволили исключить альтернативные интерпретации этого результата (K. C. Engel et al., 2015. Acceptance threshold theory can explain occurrence of homosexual behaviour).
Особенно далеко это зашло у некоторых бесхвостых амфибий. Так, самцы серой жабы (рис. 1, o) в период размножения пытаются спариться практически с любым движущимся объектом, примерно подходящим по размеру. Если этим объектом оказывается другой самец того же вида, он издает особые звуки, и его сразу отпускают. Возможно, этот условный сигнал является адаптацией, развившейся специально для минимизации ущерба от SSB. Лягушки, схваченные самцом жабы, тоже кричат по-своему, но они не знают жабьего «пароля», и поэтому им намного труднее освободиться от страстных объятий (A. Marco, M. Lizana, 2002. The absence of species and sex recognition during mate search by male common toads, Bufo bufo).
На примере приспособления бактерий к антибиотикам удалось показать, что дарвиновская эволюция может использовать лишь очень малую часть из множества теоретически возможных путей достижения цели. Каждая отдельная мутация должна повышать приспособленность, иначе она будет отсеяна отбором. При этом положительный или отрицательный эффект многих мутаций зависит от того, какие мутации уже успели зафиксироваться ранее. Ограниченность числа допустимых «мутационных траекторий» делает эволюцию предопределенным и предсказуемым процессом.
Оказалось, что из 120 теоретически возможных путей последовательного приобретения пяти мутаций большинство (102) вообще не могут реализоваться, так как требуют на каком-то этапе временного снижения приспособленности (авторы рассматривали упрощенную теоретическую модель, в которой единственным критерием приспособленности является устойчивость к цефотаксиму). Оставшиеся 18 путей очень сильно различаются по вероятности своей реализации. Расчеты показали, что в 99% случаев эволюция «выберет» один из 10, а в 50% случаев — один из двух наиболее вероятных путей.
Таким образом, природа может реализовать лишь очень небольшую часть из общего числа теоретически существующих путей «из точки А в точку Б». Авторы полагают, что обнаруженное ими правило должно распространяться и на эволюцию других белков. Это означает, что молекулярной эволюции свойственна высокая повторяемость: разные организмы должны независимо друг от друга двигаться по одним и тем же «разрешенным» эволюционным траекториям. Авторы не исключают, что аналогичные ограничения (в том числе связанные с меж- и внутримолекулярными взаимодействиями) могут направлять и «канализировать» дарвиновскую эволюцию и на более высоких уровнях организации живого.
— Евгений, расскажите, пожалуйста, о ваших двух последних статьях, посвященных теории эволюции.
— Это своеобразная мини-серия из двух статей. Две основные идеи этих работ: первая (старая, но важная) — мы говорим о глубокой связи термодинамики и процессов эволюции популяций. В общей форме эта идея восходит чуть ли не к Больцману (Ludwig Boltzmann), а в более конкретной — к Роналду Фишеру (Ronald Fisher) и его исследованиям 1930-х годов. В нашей статье это взаимодействие изучается подробнее, устанавливаются соответствия между основными понятиями термодинамики и эволюционных процессов, в частности, между температурой и эффективным размером популяции, a также между свободной энергией в термодинамике и приспособленностью в эволюционной биологии.
Вторая идея более новая, мы говорим о не менее глубоком единстве теории обучения и биологической эволюции. Мы с соавторами попытались объединить первую и вторую идеи и разработать некую общую теорию эволюции. Заметьте, я говорю не только о биологической эволюции, но и о эволюции в целом — эволюции каких угодно относительно сложных систем.
В этом, видимо, и заключается новизна исследования: мы объединили основы классической теории эволюции и теории обучения (в свою очередь, связанной с неравновесной термодинамикой) с эволюцией биологических популяций. В этом и заключается то, что мы в этих статьях пытаемся разрабатывать.
...
Что еще более интересно, это позволяет совершенно по-новому взглянуть на старую проблему, насколько эволюция вида регулируется окружающей средой. Как раз опыты Шапошникова и аналогичные опыты американских исследователей на дрозофилах и еще много других, показывают, что темпы изменений, которые могут происходить в популяции, просто по поп-генетическим механизмам, потенциально намного выше реально наблюдаемого в природе. Вопреки тому, что обычно казалось, что «эволюция у вас предполагается слишком быстрой», получается прямо наоборот. Изменения могут происходить на несколько порядков быстрее, чем это происходит в действительности. Т.е. на самом деле что-то зверушкам не дает меняться, что-то их держит.
Вопрос на засыпку – что? Ответ по умолчанию – те виды, которые с ними живут в одной экосистеме. Потому что, меняясь сам, ты нарушаешь сложившиеся экологические отношения. И тем, кто живет с тобой, это совершенно не в радость. Поэтому для того, чтобы начались реальные изменения, нужно, чтобы одновременно возникла «критическая масса» изменившихся форм и, собственно говоря, произошел развал существующей экосистемы. Как раз на этом принципе основана концепция «когерентной и некогерентной эволюции» В.А.Красилова и развивающие ее взгляды В.В. Жерихина, нашего замечательного палеоэколога: что эти периоды резких изменений, с которыми чередуются периоды стазиса – это не просто изменения в каждом виде, но они связаны и между собой. Т.е. это триггерный процесс, который, запустив удачно изменения в одном месте, вызывает общую дестабилизацию системы. На этом месте иногда происходит развал системы, и число степеней свободы резко возрастает.