Надо ли коренным образом пересмотреть эволюционную науку - или разговоры о «революции» ошибочны? Когда исследователи из Университета Эмори в Атланте приучили мышей бояться запаха миндаля (сочетая его с электрическим током), они , к своему ужасу, обнаружили , что и дети, и внуки этих мышей спонтанно боялись одного и того же запаха. Этого не должно быть. Поколения школьников приучали, что наследование приобретенных характеристик невозможно. Мышь не должна рождаться с тем, чему ее родители научились при жизни, точно так же, как мышь, потерявшая хвост в результате несчастного случая, должна родить бесхвостых мышей.

Если вы не биолог, вас простят за заблуждение относительно состояния эволюционной науки. Современная эволюционная биология восходит к синтезу, который возник примерно в 1940–1960-х годах и сочетал в себе механизм естественного отбора Чарльза Дарвина с открытиями Грегора Менделя о том, как наследуются гены. Традиционная и все еще доминирующая точка зрения заключается в том, что адаптации - от человеческого мозга до павлиньего хвоста - полностью и удовлетворительно объясняются естественным отбором (и последующим наследованием). Тем не менее, когда новые идеи хлынут из геномики, эпигенетики и биологии развития, большинство эволюционистов соглашаются, что их область исследований постоянно меняется. Многие данные предполагают, что эволюция сложнее, чем мы когда-то предполагали.

Некоторые биологи-эволюционисты, в том числе и я, призывают к более широкой характеристике эволюционной теории, известной как расширенный эволюционный синтез (EES). Главный вопрос заключается в том, может ли то, что происходит с организмами в течение их жизни - их развитие, - играть важную и ранее непредвиденную роль в эволюции. Ортодоксальная точка зрения заключалась в том, что процессы развития в значительной степени не имеют отношения к эволюции, но EES рассматривает их как стержневые. Протагонисты с авторитетными полномочиями встают по обе стороны этого спора: известные профессора университетов Лиги плюща и члены национальных академий идут лицом к лицу по поводу механизмов эволюции. Некоторые люди даже начинают задаваться вопросом, не предвидится ли революция. В своей книге « О природе человека» (1978) биолог-эволюционист Эдвард О Уилсон утверждал, что человеческая культура держится на генетическом поводке. Метафора вызывала споры по двум причинам. Во-первых, как мы увидим, не менее верно и то, что культура держит гены на привязи. Во-вторых, хотя должна существовать генетическая предрасположенность к культурному обучению, некоторые культурные различия могут быть объяснены лежащими в основе генетическими различиями.

Тем не менее, у этой фразы есть объяснительный потенциал. Представьте себе собачника (гены), который пытается сохранить контроль над мускулистым мастифом (человеческая культура). Траектория пары (путь эволюции) отражает исход борьбы. Теперь представьте, что один и тот же собачник борется с несколькими собаками на поводках разной длины, причем каждая собака тянет в разных направлениях. Все эти рывки отражают влияние факторов развития, включая эпигенетику, антитела и гормоны, передаваемые родителями, а также экологическое наследие и культуру, которые они унаследовали.


Изображение любезно предоставлено автором.
Выгул собак - хорошая метафора того, как EES рассматривает адаптивный процесс. Требуется ли для этого революция в эволюции? Прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос, нам нужно изучить, как работает наука. Лучшие авторитеты здесь - не биологи, а философы и историки науки. Книга Томаса Куна « Структура научных революций» (1962) популяризовала идею о том, что науки меняются посредством революций в понимании. Считалось, что эти «сдвиги парадигм» последовали за кризисом доверия к старой теории, возникшим в результате накопления противоречивых данных.

Затем есть Карл Поппер и его предположение о том, что научные теории нельзя доказать, но можно опровергнуть. Рассмотрим гипотезу: «Все овцы белые». Поппер утверждал, что никакие положительные результаты, согласующиеся с этой гипотезой, не могут доказать ее правильность, поскольку нельзя исключать вероятность возникновения противоречивых данных в будущем; и наоборот, наблюдение единственной «черной овцы» убедительно доказало бы ложность гипотезы. Он утверждал, что ученые должны стремиться к проведению критических экспериментов, которые потенциально могут опровергнуть их теории.

Все, от диеты до загрязнения воздуха и поведения родителей, может влиять на экспрессию генов.

Хотя идеи Куна и Поппера хорошо известны, они остаются спорными и спорными в глазах философов и историков. Современное мышление в этих областях лучше охарактеризовано венгерским философом Имре Лакатошем в «Методологии программ научных исследований» (1978):

История науки опровергает и Поппера, и Куна: при ближайшем рассмотрении и важнейшие эксперименты Поппера, и революции Куна оказываются мифами.
Аргументы Поппера могут иметь логический смысл, но они не совсем соответствуют тому, как наука работает в реальном мире. Научные наблюдения подвержены ошибкам измерения; ученые - люди и привязываются к своим теориям; а научные идеи могут быть чертовски сложными - все это делает оценку научных гипотез грязным делом. Вместо того, чтобы признать, что наши гипотезы могут быть ошибочными, мы оспариваем методологию («Эта овца не черная - ваши инструменты неисправны»), оспариваем интерпретацию («Овца просто грязная») или придумываем поправки к нашим гипотезам (« Я имел в виду домашние породы, а не диких муфлонов »). Лакатош назвал такие исправления и выдумки «вспомогательными гипотезами»; ученые предлагают им «защитить» свои основные идеи, чтобы их не нужно было отвергать.

Такое поведение явно проявляется в научных дебатах об эволюции. Возьмите идею о том, что новые свойства, приобретенные организмом в течение его жизни, могут быть переданы следующему поколению. Эта гипотеза стала известна в начале 1800-х годов французским биологом Жан-Батистом Ламарком, который использовал ее для объяснения эволюции видов. Тем не менее, она уже давно рассматривается как дискредитирован эксперимента - к тому , что термин «Ламарка» имеет уничижительный оттенок в эволюционных кругах, и все исследователи , выражающие сочувствие к идее эффективного бренда себя «эксцентричный». Принято считать, что родительский опыт не может повлиять на характеры их отпрысков.

За исключением того, что они делают. На способ, которым гены экспрессируются для создания фенотипа организма - фактические характеристики, которыми он в итоге оказывается, - влияют химические вещества, которые к ним прикрепляются. Все, от диеты до загрязнения воздуха и поведения родителей, может влиять на добавление или удаление этих химических меток, которые включают или выключают гены. Обычно эти так называемые «эпигенетические» прикрепления удаляются во время производства сперматозоидов и яйцеклеток, но оказывается, что некоторые из них избегают процесса перезагрузки и передаются следующему поколению вместе с генами. Это известно как «эпигенетическая наследственность», и все больше и больше исследований подтверждают, что это действительно происходит.

Lэто возвращение к мышам, опасающимся миндаля. Наследование эпигенетической метки, передаваемой в сперме, привело к тому, что потомство мышей приобрело унаследованный страх. В 2011 году в другом необычном исследовании сообщалось, что черви реагируют на воздействие опасного вируса, производя факторы сайленсинга вируса - химические вещества, которые блокируют работу вируса, - но, что примечательно, последующие поколения эпигенетически унаследовали эти химические вещества через регуляторные молекулы (известные как «малые РНК»). ). В настоящее время существуют сотни таких исследований , многие из которых опубликованы в самых известных и престижных журналах. Биологи спорят , является ли действительно Ламарка или эпигенетические наследования только внешне напоминает это, но никуда не деться от того, что наследование приобретенных характеристик действительно происходит.

По рассуждениям Поппера, одной экспериментальной демонстрации эпигенетической наследственности - как одна паршивая овца - должно быть достаточно, чтобы убедить эволюционных биологов в том, что это возможно. Тем не менее, в целом биологи-эволюционисты не торопятся менять свои теории. Скорее, как и предполагал Лакатос, мы выдвинули вспомогательные гипотезы, которые позволяют нам сохранить наши давние убеждения (то есть, что наследование в значительной степени объясняется передачей генов из поколения в поколение). К ним относятся идеи о том, что эпигенетическое наследование встречается редко , что оно не влияет на функционально важные признаки , что оно находится под генетическим контролем и что оно слишком нестабильно, чтобы поддерживать распространение признаков посредством отбора.

К сожалению для традиционалистов, ни одна из этих попыток ограничить эпигенетическое наследование не выглядит убедительной. В настоящее время известно, что он широко распространен в природе , и каждый день появляется все больше и больше примеров. Он влияет на функционально важные характеристики, такие как размер плодов, время цветения и рост корней у растений - и хотя только часть эпигенетических вариантов является адаптивной, это не менее верно в отношении генетической изменчивости, поэтому вряд ли это основание для отклонения. В некоторых системах, где скорость эпигенетических изменений была тщательно измерена, например, в растении Arabidopsis thaliana , скорость оказалась достаточно низкой, чтобы ее можно было выбрать и привести к кумулятивной эволюции. Математические модели показаличто системы с эпигенетическим наследованием развиваются иначе, чем системы, основанные исключительно на генетическом наследовании - например, отбор по эпигенетическим меткам может вызывать изменения в частотах генов. Больше нет сомнений в том, что эпигенетическая наследственность подталкивает нас к новому взгляду на эволюцию.

Эпигенетика - это только часть истории. Через культуру и общество все мы наследуем знания и навыки, приобретенные нашими родителями. Эволюционные биологи принимали это как минимум столетие, но до недавнего времени считалось, что это применимо только к людям. Это уже неразумно: существа во всем животном царстве узнают в социальном плане о диете, методах кормления, избегании хищников, общении, миграции, а также выборе партнера и места размножения. Сотни экспериментальных исследований продемонстрировали социальное обучение у млекопитающих, птиц, рыб и насекомых.

За один брачный сезон могут развиться «причуды» в тех качествах, которые люди находят привлекательными в своих партнерах.

Среди наиболее убедительных данных - исследования , в которых скрещивались большие и голубые синицы. При выращивании другими видами эти птицы сместили многие аспекты своего поведения в сторону поведения своего приемного родителя (включая высоту деревьев, на которых они кормились, их выбор добычи, метод поиска пищи, крики и песни и даже их выбор приятель). Все предполагали, что различия в поведении между этими двумя видами были генетическими, но оказалось, что многие из них связаны с культурными традициями.

Культуры животных можно поддерживать в течение удивительно долгих периодов времени. Археологические раскопки показывают, что шимпанзе использовали каменные орудия для раскалывания орехов не менее 4300 лет. Однако, что касается эпигенетического наследования, было бы ошибкой предполагать, что культура животных должна демонстрировать геноподобную стабильность, чтобы иметь эволюционное значение. В течение одного брачного сезона могут развиться «причуды» в тех качествах, которые люди находят привлекательными в своих партнерах; этот процесс был экспериментально продемонстрирован на плодовых мушках, рыбах, птицах и млекопитающих, а математические модели показывают, что такое «копирование выбора партнера» может сильно повлиять на половой отбор.

Другой пример взят из исследования пения птиц. Когда молодые птицы-самцы разучивают свои песни (обычно у находящихся поблизости взрослых самцов), они изменяют давление естественного отбора генов, влияющих на то, как песни приобретаются (у самцов) и какие песни предпочтительны (у самок). Культурная передача песни, как известно, способствует развитию паразитизма выводков - когда птицы, такие как кукушки, не вьют гнезда, а откладывают яйца в гнездах других птиц, - поскольку некоторые паразиты выводков полагаются на культурное обучение, чтобы выяснить, с кем спариваться. с. Это также способствует видообразованию, поскольку предпочтение определенных диалектов пения птиц помогает поддерживать генетические различия между популяциями.

Аналогичным образом, разнообразные, культурно усвоенные традиции кормодобывания косаток, когда разные группы специализируются на определенных типах рыб, тюленей или дельфинов, как полагают, заставляют их разделиться на несколько видов. Конечно, культура достигает своего апогея в нашем собственном виде, где теперь точно установлено, что наши культурные привычки были основным источником естественного отбора наших генов. Молочное животноводство и потребление молока привели к отбору генетического варианта, который увеличивал лактазу (фермент, метаболизирующий молочные продукты), в то время как крахмалистые сельскохозяйственные диеты способствовали увеличению амилазы (соответствующего фермента, расщепляющего крахмал).

Всю эту сложность невозможно совместить со строго генетической валютой для адаптивной эволюции, как теперь признают многие биологи. Скорее, он указывает на эволюционный процесс, в котором геномы (от сотен до тысяч поколений), эпигенетические модификации и унаследованные культурные факторы (на протяжении нескольких, возможно, десятков или сотен поколений), а также родительские эффекты (на протяжении периода времени одного поколения) совместно информируют как организмы адаптируются. Эти внегенетические виды наследования дают организмам гибкость, позволяющую быстро приспосабливаться к экологическим проблемам, таща за собой генетические изменения - во многом как стая буйных собак.

DНесмотря на ажиотаж, связанный с появлением всех новых данных, они вряд ли вызовут революцию в эволюции по той простой причине, что наука так не работает - по крайней мере, эволюционная наука. Сдвиги куновской парадигмы, как и критические эксперименты Поппера, ближе к мифам, чем к реальности. Оглянитесь на историю эволюционной биологии, и вы не увидите ничего похожего на революцию. Даже теории эволюции через естественный отбор Чарльза Дарвина потребовалось около 70 лет, чтобы она получила широкое признание в научном сообществе, и на рубеже 20-го века к ней относились со значительным скептицизмом. В последующие десятилетия появлялись новые идеи, они критически оценивались научным сообществом и постепенно интегрировались с уже существующими знаниями. В общем и целом,

То же самое и в настоящее время. Эпигенетическое наследование не опровергает генетическое наследование, но показывает, что это всего лишь один из нескольких механизмов, посредством которых наследуются признаки. Я не знаю ни одного биолога, который хотел бы порвать учебники или выбросить естественный отбор. Дебаты в эволюционной биологии касаются того, хотим ли мы расширить наше понимание причин эволюции и изменит ли это то, как мы думаем о процессе в целом. В этом отношении то, что происходит, - это «нормальная наука».

Почему же тогда традиционно мыслящие эволюционные биологи жалуются на заблудших эволюционных радикалов, лоббирующих смену парадигмы? Почему журналисты пишут статьи об ученых, призывающих к «революции» в эволюционной биологии? Если на самом деле никто не хочет революции, а научные революции в любом случае случаются редко, в чем же весь этот шум? Ответ на эти вопросы дает захватывающее представление о социологии эволюционной биологии.

Революция в эволюции - это неправильная атрибуция - миф, распространяемый маловероятным альянсом консервативно настроенных эволюционистов, креационистов и прессы. Я не сомневаюсь, что существует небольшое количество настоящих революционно настроенных эволюционных радикалов, но подавляющее большинство исследователей, работающих над расширенным эволюционным синтезом, - просто обычные, трудолюбивые эволюционные биологи.

Все мы знаем, что сенсационность продает газеты, а статьи, которые предвещают серьезные потрясения, делают их лучше. Креационисты и сторонники «разумного замысла» также подпитывают это впечатление своей пропагандой, которая преувеличивает различия во мнениях эволюционистов и создает ложное впечатление, будто область эволюционной биологии находится в смятении. Что еще более удивительно, так это то, как обычно консервативно настроенные биологи разыгрывают «Нас атакуют!». карта против своих собратьев-эволюционистов. Изображение интеллектуальных оппонентов как экстремистов и сообщение людям о том, что на них нападают, - это старинные риторические уловки, направленные на победу в дебатах или на верность.

Я всегда ассоциировал такие игры с политикой, а не с наукой, но теперь понимаю, что был наивен. Некоторые из закулисных махинаций, свидетелем которых я был, по-видимому, предназначенных для предотвращения распространения новых идей честными или неправомерными способами, поистине шокировали меня и не соответствуют практике в других областях, которые я знаю. Ученые тоже поставили на карту карьеру и наследие, равно как и борьбу за финансирование, власть и влияние. Меня беспокоит, что риторика традиционалистов имеет неприятные последствия, создавая путаницу и непреднамеренно подпитывая креационизм путем преувеличения разделения. Слишком много уважаемых ученых чувствуют необходимость изменений в эволюционной биологии, чтобы их можно было с полным основанием отбросить как второстепенные элементы.

Если расширенный эволюционный синтез не является призывом к революции в эволюции, тогда что это такое и зачем нам это нужно? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны признать, что Кун был прав, а именно, что каждая научная область обладает общими способами мышления или «концептуальными рамками». Эволюционная биология ничем не отличается, и наши общие ценности и предположения влияют на то, какие данные собираются, как эти данные интерпретируются и какие факторы используются в объяснениях того, как работает эволюция.

Вот почему плюрализм в науке - это здорово. Лакатос подчеркнул, что альтернативные концептуальные рамки - то, что он называл различными «исследовательскими программами» - могут быть ценными в той степени, в которой они стимулируют создание и тестирование новых гипотез или приводят к новым открытиям. Это основная функция EES: развивать или даже открывать новые направления исследований и новые продуктивные способы мышления.

Что, если одни способы построения рыбы более вероятны, чем другие?

Хороший пример касается так называемой «предвзятости в развитии». Рассмотрим интригующих цихлид Восточной Африки. Для десятков, а может быть и сотен видов цихлид в озере Малави существует независимо развившийся, «дублирующий» вид в озере Танганьика, с поразительно похожей формой тела и способом питания. Такое сходство обычно объясняется конвергентной эволюцией: случайные генетические вариации, как обычно, увеличиваются, но схожие условия окружающей среды отбирают гены для получения эквивалентных результатов. То, как организмы растут и развиваются, может ограничивать возникающие признаки, но предполагается, что сами вариации по сути случайны.

Однако необычайный уровень параллельной эволюции, наблюдаемый в этих двух озерах, предполагает, что может происходить что-то еще. Что, если одни способы построения рыбы более вероятны, чем другие? Что, если вариации черт склоняются к определенным решениям? Отбор по-прежнему будет частью объяснения, но гораздо более вероятна параллельная эволюция.

Скучные зубы (коренные зубы) у млекопитающих являются одними из самых убедительных данных в отношении систематической ошибки. Исследования показывают, что можно использовать математическую модель, основанную на лабораторных мышах, для прогнозирования размера и количества зубов в образце 29 других видов грызунов. Кажется, что естественный отбор не может свободно создавать любую форму или количество зубов, а толкает виды по очень специфическому пути, созданному механизмами развития. Существование исключений - грызунов, таких как полевки с разным соотношением зубов - демонстрирует, что старый образ мышления (что «ограничения» развития ограничивают отбор) не совсем верен. Эффект развития и более тонкий, и более интересный: механизмы развития смещают ландшафт для отбора и помогают определить, какие особенности развиваются.

Такие исследования интересны, поскольку помогают сделать эволюционную биологию более предсказательной наукой. Почему же тогда этим идеям до недавнего времени уделялось сравнительно мало внимания? Вернемся к концептуальным рамкам. Исторически сложилось так, что биологи-эволюционисты рассматривали предвзятость в фенотипической изменчивости как «ограничение» - объяснение того, почему не произошло эволюции или адаптации . То, как растут организмы, ограничивает то, какими качествами они могут обладать или какими адаптивными они могут обладать. Традиционно мыслящие эволюционисты были гораздо более сдержанны, чтобы признать позитивную роль развития как причины эволюционного направления и изменений.

Потребовалась другая точка зрения (в данном случае - эволюционная биология развития, так называемая «evo Devo»), чтобы мотивировать этот вид экспериментов. С точки зрения эво-дево, предвзятость частично объясняет, какая эволюция и адаптация произошли. Зубы грызунов и тела рыб выглядят так же, как и они, потому что рост животных увеличивает вероятность появления этих характеристик. Таким образом, смещение становится гораздо более важным понятием в эволюционном объяснении. EES надеется, что, выдвинув это явление на первый план, будет расследовано.

ЕЕС, по крайней мере, мои сотрудники и я обрамляю его, лучше всего рассматривать в качестве альтернативной программы исследований в области эволюционной биологии. Вдохновленный недавними открытиями, сделанными в эволюционной биологии и смежных областях, EES исходит из предположения, что процессы развития играют важную роль в качестве причин новых (и потенциально полезных) фенотипических вариаций, причин различий в приспособленности этих вариантов и причин наследования. В отличие от того, как традиционно понималась эволюция, в EES бремя творчества в эволюции возлагается не только на естественный отбор. Этот альтернативный образ мышления используется для создания свежих гипотез и разработки новых исследовательских программ. Это только начало, но уже есть признаки того, что это исследование начинает приносить дивиденды.

Если эволюцию не следует объяснять исключительно в терминах изменений частот генов; если ранее отвергнутые механизмы, такие как наследование приобретенных характеристик, все-таки окажутся важными; и если признается, что организмы искажают эволюцию посредством развития, обучения и других форм пластичности - означает ли все это появление радикально иного и значительно более богатого объяснения эволюции? Никто не знает: но с точки зрения нашего адаптирующегося собаковода эволюция больше похожа не на мягкую генетическую прогулку, а на неистовую борьбу генов за стремительные процессы развития.