Разнообразие живых организмов почти невообразимо. Многие миллионы видов обитают на земле, в земле и над землей, и каждый из них занимает свое собственное место в природе (экологическую нишу). Некоторые виды, например люди, собаки и крысы, могут жить в очень широком диапазоне условий. Другие, напротив, крайне специализированы. Например, один из видов грибов растет исключительно на передней части надкрыльев единственного вида жуков, который обитает в единственной пещере на юге Франции. Личинки одного из видов мушки-дрозофилы, Drosophila carcinophila, могут развиваться только в особых бороздках под выростами третьей пары ротовых придатков сухопутного краба, обитающего лишь на нескольких островах в Карибском море.
Биологическая эволюция объясняет не только происхождение этого разнообразия, но и распространение видов по нашей планете. Рассмотрим, к примеру, мушек из семейства Drosophilidae (дрозофилиды), живущих на Гавайских островах. Более 500 видов мушек этого семейства, относящихся к роду Drosophila и к близкому к нему роду Scaptomyza, встречаются исключительно на Гавайях. Эти виды составляют около четверти всех известных науке видов из этих двух родов. На Гавайях живет больше видов этих родов, чем на какой-либо другой сравнимой по площади территории Земли. Почему так много разных видов этих мушек обитают на Гавайях, и только на Гавайях?
Ответ на этот вопрос следует из геологической и биологической истории Гавайских островов. Эти острова представляют собой вершины стоящих посреди океана вулканов. Они никогда не были соединены ни с каким материком. Эти острова возникли из-за наползания Тихоокеанской тектонической плиты на «горячую точку», где поднимающиеся вверх из глубины Земли расплавленные породы нагревают земную кору. Самые новые острова — самые высокие, а более старые постепенно разрушаются и в конечном итоге погружаются под воду. Самый старый из современных Гавайских островов, атолл Куре, поднялся со дна океана около 30 миллионов лет назад, в то время как самый молодой, Большой остров (о. Гавайи), возник лишь около 500 000 лет назад и по-прежнему обладает довольно сильной вулканической активностью.
[Видообразование — эволюционный процесс, в ходе которого из существующих видов возникают новые.]
Все туземные (то есть существовавшие до людей, которые пришли от 1200 до 1600 лет назад) растения и животные Гавайского архипелага происходят от организмов, которые по воздуху или по воде с окружающих материков и с других островов попали на Гавайи, первоначально почти безжизненные. Что касается мушек-дрозофилид, то ряд данных, особенно полученных с помощью изучения ДНК, говорит о том, что все современные гавайские виды родов Drosophila и Scaptomyza происходят от единственного предкового вида, попавшего на острова миллионы лет назад.
Когда тектонические силы привели к воссоединению Северной и Южной Америки, то некоторые млекопитающие, возникшие в Южной Америке, такие как этот броненосец, расселились на север.
Первые «поселенцы» столкнулись с условиями, весьма благоприятными для стремительного видообразования. Каждый вид неоднократно становился предковым для множества новых видов по мере заселения мушками новых местообитаний — на разной высоте, с разным количеством осадков, с разной почвой и разными растениями. Кроме того, небольшие группы мушек, а в некоторых случаях, возможно, и единичные оплодотворенные самки, время от времени перелетали или переносились ветром на другие острова, где от них происходили новые виды. Например, многие гавайские дрозофилы откладывают яйца в гниющие на земле листья. На материках эта ниша занята другими группами насекомых и иных беспозвоночных, но на Гавайях она оставалась почти незанятой.
Млекопитающие, населявшие Северную и Южную Америку, представляют собой еще один хороший пример того, как особенности распространения видов объясняются их эволюцией. Около 60 миллионов лет назад Северная Америка примыкала к Евразии, и там развивались парнокопытные, непарнокопытные, хоботные и хищные млекопитающие. Южная Америка в те времена лишь недавно отделилась от Австралии с Антарктидой, и на этом материке эволюционировали сумчатые, а также свои группы копытных, гигантские грызуны, ленивцы и броненосцы. Примерно 3 миллиона лет назад тектонические силы сблизили Северную и Южную Америку, а падение уровня моря привело к образованию Панамского перешейка. По нему обитатели Северной Америки — ламы, еноты, пумы, медведи и собаки — двинулись на юг, а броненосцы, ленивцы, дикобразы и опоссумы проследовали в обратном направлении, однако прижиться там смогли лишь немногие мелкие виды. А в Южной Америке почти вся самобытная фауна млекопитающих, сухопутных крокодилов и гигантских бегающих птиц была вытеснена пришельцами с Севера.
Фотография политенной хромосомы личинки мушки-дрозофилы. Штрихами отмечен участок хромосомы, развернутый в обратную сторону по отношению к его исходному положению, сохранившемуся у других родственных видов. Такой поворот участка хромосомы называют инверсией.
Мушки с пятнистыми крыльями
Гавайские мушки-дрозофилы представляют собой прекрасный пример так называемой «адаптивной радиации» (т. е. как бы приспособительного расхождения из одной точки), процесса, при котором предковый вид дает начало очень большому числу новых видов за сравнительно небольшой промежуток времени. Исследователи биологической эволюции сосредоточили особое внимание на группе, включающей приблизительно 100 видов дрозофил, обладающих характерными пигментными пятнами на довольно крупных крыльях. Эти виды — носители весьма любопытных сведений об эволюционной истории данной группы.
[Хромосома — двуцепочечная молекула ДНК, содержащая линейную последовательность генов. У большинства организмов, размножающихся половым путем, хромосомы в клетках представлены парами. Одна хромосома в паре унаследована от одного из родителей, другая — от другого.]
Клетки в слюнных железах личинок всех мушек из рода Drosophila содержат особые хромосомы, получившие название политенных. Эти хромосомы легко увидеть под микроскопом. Окрашенные определенным образом, они становятся полосатыми, покрываясь поперечными темными и светлыми полосами разной ширины. Благодаря этим полоскам в хромосомах несложно выявить такую разновидность хромосомных перестроек, как инверсии. Иногда фрагмент хромосомы переворачивается задом наперед в результате ошибок, происходящих при удвоении ДНК. В результате получается видоизмененная хромосома, часть которой, заметная благодаря порядку светлых и темных полос, развернута на 180 градусов. Многие инверсии такого типа происходили в разных участках хромосом в ходе образования разных видов дрозофил.
Принимая во внимание, что все гавайские виды мушек семейства Drosophilidae произошли от единственного вида, ученые исследовали политенные хромосомы разных видов на предмет изменений в расположении полос, чтобы восстановить последовательность, в соответствии с которой виды мушек переселялись со старых островов на новые и давали начало новым видам. Например, на Большом острове, самом молодом во всем архипелаге, в настоящее время обитает 26 видов дрозофил с пятнистыми крыльями. Исследуя инверсии, происходившие в хромосомах этих видов, и сравнивая эти данные с данными о видах, населяющих более старые острова, ученые установили, что дрозофилы Большого острова являются потомками 19 оплодотворенных самок или небольших групп мушек, проникших на этот остров с соседних, более старых островов.
Данные молекулярной биологии подтвердили и уточнили выводы об эволюции, полученные в других областях науки.
Чарльз Дарвин и другие биологи XIX века пришли к своим выводам об эволюции несмотря на то, что им почти ничего не было известно о молекулярных основах жизни. Открытые с тех пор возможности детального исследования биологических молекул предоставили науке данные совершенно нового рода, свидетельствующие о механизмах и путях эволюции. Новые данные полностью подтвердили общие выводы, сделанные на основании изучения ископаемых, географического распространения видов и других наблюдений. Кроме того, молекулярные данные стали источником множества новых сведений об эволюционных отношениях видов и о механизмах эволюции.
ДНК передается из поколения в поколения либо напрямую от родительской особи к детям (у организмов, размножающихся бесполым путем), либо в результате слияния содержащих ДНК сперматозоида и яйцеклетки (у организмов, размножающихся половым путем). Последовательность нуклеотидов в ДНК, как уже было сказано, может меняться при передаче от одного поколения другому в ходе мутаций. Если эти изменения приводят к появлению полезных признаков, то новая последовательность нуклеотидов получает повышенные шансы распространиться в пределах популяции на протяжении ряда поколений. В результате в молекулах ДНК оказываются «записаны» последствия происходивших в прошлом наследственных изменений, в том числе ответственных за возникающие в ходе эволюции приспособления.
