Вымирают крупные. Но почему?

В октябре СФУ посетил доктор биологических наук Леонард Владимирович Полищук, ведущий научный сотрудник кафедры общей экологии МГУ. В течение пяти дней он читал студентам и аспирантам курс лекций по «Современной экологии». Доктор Полищук занимается вопросами эволюционной экологии – науки, находящейся на стыке экологии, генетики и биоинформатики. Изучая генетические мутации, Леонард Владимирович с коллегами выявил зависимость между темпом накопления слабовредных мутаций и размером тела у млекопитающих. Этот результат может иметь прямое отношение к одной из наиболее актуальных проблем биологии – вымиранию видов.

Л.В. Полищук: «До сих пор считалось, что причинами вымирания крупных видов животных (а то, что они вымирают чаще, чем мелкие, известно давно) являются изменения климата и деятельность человека. Мы обнаружили, пока только на базе косвенных данных, и естественные предпосылки. Крупные виды, как правило, малочисленны, а при низкой численности снижается эффективность естественного отбора. Отбор по-прежнему, как и при высокой численности, отсеивает вредные мутации, но пропускает слабовредные. В результате возникает тяжёлый «генетический груз», ускоряющий процесс вымирания. Парадокс, но тот же самый естественный отбор ответственен за то, что ранее масса тела этих животных увеличивалась, и они на какое-то время становились более конкурентоспособными».

В науке это называется «близорукостью» отбора: на определённом временном отрезке изменения являются благоприятными, но в будущем они обрекают вид на вымирание.

Вымирание крупных млекопитающих, которое на большинстве континентов произошло 10-15 тыс. лет назад, – одно из самых таинственных событий естественной истории относительно недавнего, по геологическим меркам, прошлого. В это время вымерли такие гиганты, как мамонты и мастодонты Северной Америки (в Сибири на острове Врангеля мамонты «задержались» еще на несколько тысяч лет), пещерный медведь, шерстистый носорог и большерогий олень в Европе и Азии, огромные наземные ленивцы в Южной Америке. Австралийский континент, на котором вымирание произошло несколько раньше, вообще лишился всех видов крупнее 50 кг. Причины этих вымираний обсуждаются уже 200 лет и до сих пор остаются загадкой. В работе доктора Полищука, которая готовится к печати в журнале Evolutionary Ecology Research, показано, что, хотя на разных континентах вымирание имело свои особенности, риск вымирания находился в обратной зависимости от численности: крупные звери вымирали в той пропорции, в которой их численность падала. При этом, поскольку не существует никакого порогового значения размера тела, выше которого звери вымирают, а ниже находятся в безопасности, наряду с крупными зверями вымирала, по выражению палеонтолога Кирилла Еськова, также и маммальная мелочь (от латинского названия млекопитающих – Mammalia). Например, в Северной Америке вымер болотный лемминг весом всего около 20 г.

Тем самым, как полагает доктор Полищук, проблему преимущественного вымирания крупных зверей по сравнению с мелкими можно считать в основном решённой: чем больше масса тела, тем ниже численность и тем больше вероятность вымирания.

«Разве всё это не было известно раньше?» – может спросить читатель. И неужели нужно ждать 200 лет, чтобы прийти к столь очевидному заключению? Пожалуй, основной результат работы Полищука состоит в том, что низкая численность может быть единственным фактором преимущественного вымирания крупных зверей; теперь нет необходимости привлекать изменение климата или пресс древних охотников для объяснения преимущественного вымирания крупных зверей на границе современной геологической эпохи; среди многих возможных гипотез выбрана одна, которая представляется наиболее обоснованной. Теперь предстоит искать объяснение не факту преимущественного вымирания крупных зверей, а отклонению локального риска вымирания от глобальной зависимости.

В августе этого года на австралийской ферме по разведению овец обнаружили останки неизвестного вида динозавров. По мнению палеонтологов, ящер, которому дали кличку Зак, относился к группе гигантских динозавров зауроподов. Возраст окаменелостей составляет около 97 миллионов лет.

Как всегда бывает в науке, решение одной проблемы неизбежно порождает другую. Остаётся загадкой, почему примерно 12 тысяч лет назад вырос риск вымирания всех млекопитающих – как крупных, так и мелких. Ведь не будь этого, не было бы и массового вымирания крупных зверей в это время – более массового, чем в предыдущие эпохи. Убедительного ответа на этот вопрос пока нет, хотя сам автор работы склоняется к тому, что причиной было, скорее всего, изменение климата.

Общее потепление привело к сокращению пригодных местообитаний и даже, согласно представлениям российского ученого В.В. Жерихина, разрушению целых биомов – таких, как тундростепи Евразии. Ведь мамонты жили там, где сейчас находится тундра, только во времена мамонтов в этих местах росли холодо- и засухоустойчивые злаки («степь»), которыми питались мамонты. Потепление привело к тому, что увеличилась влажность, злаки исчезли, а вместе с ними и мамонты. Вообще при разрушении биома страдают все его обитатели, но в большей мере наиболее крупные из них, поскольку они требуют большей территории для своего проживания и пропитания. Интересно, что тот же самый механизм общего повышения риска вымирания может действовать и сейчас – ведь и сейчас, на наших глазах происходит глобальное потепление (только теперь, в отличие от времени мамонтов, связанное, возможно, с деятельностью человека). Вдобавок, фундаментальная причина преимущественного вымирания крупных видов также никуда не делась – ведь крупные звери всегда малочисленнее мелких. Тогда можно ожидать, что и современное вымирание подчиняется той же зависимости от размера тела, которая наблюдалась и 10-15 тысяч лет назад. Это предположение ещё предстоит проверить.

У проблемы преимущественного вымирания крупных зверей есть ещё один, пожалуй, наиболее трудный аспект, продолжает Л. Полищук. Слониха рождает одного слонёнка, да и то не каждый год, а самка полёвки (зверька, похожего на мышь) производит по 5-6 детёнышей 3-4 раза за сезон. Крупные звери отличаются низкой численностью и низкой скоростью размножения, что повышает вероятность вымирания. Но одновременно крупные звери живут дольше и, в отличие от мелких, больше ресурсов вкладывают в заботу о потомстве, что уменьшает смертность среди молодняка. В результате численность крупных видов оказывается более стабильной, а это, в свою очередь, уменьшает вероятность вымирания. Отсюда следует, что сама по себе низкая средняя численность вряд ли приводит к повышенной вероятности вымирания, поскольку идет рука об руку с факторами, стабилизирующими колебания численности. Тем не менее крупные виды действительно вымирают чаще, чем мелкие.

Почему так происходит? Проблема ещё усугубляется тем, что в ходе эволюции крупные виды, как правило, ведут своё происхождение от мелких, а не наоборот. То есть естественный отбор «тащит» мелкие виды в сторону увеличения размера тела и, одновременно, в сторону … вымирания. А ведь, казалось бы, естественный отбор должен повышать приспособленность. И действительно, мы знаем, что крупный размер дает определённые преимущества: крупные виды имеют меньше врагов (отсюда повышенная «долговечность» их особей) и более совершенную терморегуляцию; крупные особи обычно выигрывают при прямом столкновении за ресурсы и в борьбе за самку (так называемый половой отбор). Нет ли тут противоречия с дарвиновской теорией эволюции? Тем не менее противоречия нет.

Дело в том, что отбор не всесилен, и эволюция имеет свои ограничения. Отбор как бы «не видит» слабовредные мутации (точнее, не отличает их от слабополезных) в силу того, что при низкой численности возрастает роль случайности: слабополезные мутации теряются в общей массе слабовредных, которых всегда больше, так что именно последние чаще закрепляются в популяции. Предполагается, что накопление слабовредных мутаций и является в конечном счете причиной «естественного» вымирания видов. По крайне мере в работе аспиранта кафедры общей экологии биологического факультета МГУ К.Ю. Попадьина с коллегами (Proceedings of National Academy of Sciences USA. 2007. V. 104. No. 33. P. 13390-13395) показано, что крупные виды накапливают больше слабовредных мутаций, чем мелкие. Тем не менее гипотеза о связи между накоплением слабовредных мутаций и вымиранием пока остается недоказанной.

Виды, как и люди, смертны. Накопление мутаций может быть ответственно не только за вымирание видов, но и, согласно мутационной теории старения, за старение человека. Средняя продолжительность жизни вида млекопитающих в течение большей части кайнозоя (периода геологической истории, который начался 65 млн лет назад и продолжается поныне) составляет примерно 2 млн лет, а в периоды кризисов – таких как 10-15 тыс. лет назад или переживаемый сейчас – она резко сокращается. Можно надеяться, что вычленение естественной компоненты вымирания, связанной с накоплением мутаций, позволит, с помощью развития теории охраны природы и соответствующих природоохранных мероприятий, довести продолжительность жизни вида до естественного биологического предела – точно так же, как успехи медицины позволят удлинить человеческую жизнь до 120 лет – предела, который сейчас достигается лишь немногими долгожителями.

Кирилл АРСЕНЬЕВ
Средняя оценка: 4.3 (проголосовало: 15)