Эво-дево (ветвь эволюционной биологии развития) начинает определять точные мутации, лежащие в основе таких изменений. Например, передние конечности предка летучих мышей превратились в крылья отчасти благодаря изменению гена под названием BMP2. Он позволили сделать «пальцы» мыши длиннее обычных (см. главу 7).

Перепонки между очень длинными фалангами, образующими крыло летучей мыши, являются возрождением давно утраченной функции: у всех эмбрионов четвероногих сначала появляются перепончатые фаланги – это «наследство» от наших предков-рыб. Обычно такие перепонки исчезают на ранней стадии онтогенеза, однако у летучих мышей этот клеточный самоубийца блокируется.

Изменение назначения структуры не должно включать в себя потерю ее первоначальной формы. Челюстные кости рептилий превратились в слуховые косточки млекопитающих, сохранив саму челюсть. Нейронная сеть, позволяющая нам осуществлять точные движения конечностей, могла быть адаптирована и для создания речи.

По сути, почти все свойства сложных организмов можно рассматривать как вариации чего-то. Например, отключение одного гена у дрозофил могло превратить их усики в лапки.

Бывает и так, что только одна составляющая свойства может быть использована для другой цели. Первыми твердыми минерализованными структурами, возникшими у наших предков, были зубы древних рыб (кодонты). После развития способности к образованию твердого гидроксиапатита, ей можно было пользоваться в других частях тела. Возможно, это и стало основой для создания костных скелетов всех позвоночных.

Существуют различные направления, по которым структуры и модели поведения, созданные для одной цели, способствуют созданию новых структур и возможностей. Если мы не сразу увидели, как развивалось нечто столь сложное, как бактериальный жгутик, это не говорит о том, что он не эволюционировал.

Основные принципы эволюции путем естественного отбора, изложенные Дарвином и Уоллесом более 150 лет назад, оказались на удивление продуманными. Тем не менее многие детали, лежащие в основе различных механизмов, обнаружили лишь недавно. И они пролили новый свет на процесс эволюции. Для начала, эволюция не всегда шла в столь медленном темпе, как в свое время считал Дарвин. Новые методы исследования раскрывают основные механизмы эволюционных новшеств и способы образования видов. Теперь эволюцию можно проверить в лаборатории.

Ископаемые останки и генетические исследования предполагают, что эволюция происходила в очень медленном темпе. Однако это слишком далеко от истины.

Возьмем, к примеру, колюшку, которую Майкл Белл обнаружил еще в 1990 году, проезжая мимо озера Лоберг на Аляске. Белл был биологом, изучающим эволюцию колюшек, и не планировал собирать рыбу, так как местная колюшка была истреблена в 1982 году с целью улучшения озера для удильшиков.

Белл с удивлением заметил, что морские колюшки повторно заселили озеро. Само по себе данное явление не было чем-то необычным: морские колюшки могут жить и в пресной воде, а большинство пресноводных видов произошло от морских, которые заселяли ручьи и озера после того, как лед начал отступать в конце последнего ледникового периода.

Однако было в этих колюшках нечто странное. Спустя десять тысяч лет после ледникового периода пресноводные колюшки стали сильно отличаться от своих морских предков. Наиболее очевидным отличием стала потеря защитной чешуи, на развитие которой в пресноводной воде уходило бы слишком много времени. В озерах рыба с меньшей «защитой» может перерасти и вытеснить полностью защищенную рыбу.

Ранее считалось, что данный признак должен развиваться медленно – в течение тысяч лет. Именно поэтому Белл был так сильно удивлен, обнаружив меньше чешуи у некоторых рыб, выловленных им в озере Лоберг. В 1991 году Белл попросил друга собрать еще немного рыбы. Конечно же, большая часть из улова не имела защитной чешуи.

Белл, работавший в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, начал ловить колюшку каждый год. Раз за разом он находил все больше рыбы без защитной чешуи. К 2007 году 90 % выловленных экземпляров не имели защитных чешуек. Вместо положенных тысячелетий, данный признак успел развиться за пару десятилетий.

В отличие от постепенного процесса, описанного Дарвином, эта эволюция проходила с огромной скоростью. Помимо своей уникальности, поразительно здесь то, что такая высокоскоростная эволюция начинает казаться нормой. Очень немногие биологи пытаются отыскать доказательства происходящей эволюции. Но где бы ни находились ученые, эти доказательства находятся – от сорняков и вредителей до рыбы и человека. Теперь выясняется, что при любом изменении среды обитания происходит эволюция и самих обитателей. И делается это довольно быстро.

Такие выводы создают парадокс. Два основных способа изучения эволюции (исследование окаменелостей и сравнение с геномом ныне живущих организмов) предполагают, что процесс происходит постепенно, а некоторые виды почти не изменяются в течение десятков миллионов лет. И если эволюция – насколько быстрый процесс, как утверждают некоторые биологи, то почему данные из ископаемых и генетические исследования говорят об обратном?

Быстрая эволюция

Сообщения о быстрой эволюции поступали уже очень давно. Оказывается, еще в 1878 году британский энтомолог Альберт Фарн писал Дарвину о том, что в районах, «потемневших» от загрязнений, хариссы сероватые с темной окраской стали более распространенными, чем светлые особи. И это было почти за 20 лет до первых предположений о том, что знаменитые пяденицы березовые почернели по тем же причинам.

В 1897 году выяснилось, что несколько популяций насекомых становились резистентными к инсектицидам. К 1930-м годам таких примеров стало больше. Например, кокциды, развившие резистентность к синильной кислоте.

В следующие десятилетия биологи сталкивались с новыми и новыми примерами. Какие-то примеры стали известными (например, пяденица березовая), но все они расценивались как курьезы. «Люди говорили: "Надо же, как интересно. Должно быть, это исключение"», – вспоминает Майкл Киннисон из Университета Мэна в Ороно, один из первых исследователей, решивших взглянуть на эволюцию в действии.