[Прелесть биологии] Биология эгоизма

[Прелесть биологии] Биология эгоизма
Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета" ‌‌
Другие статьи из цикла "В чем прелесть биологии":‌‌
Биологические часы и их часовщики‌‌‌‌
Секреты микоризы
Наркотики в нашей жизни
Метаболический путь глюкозы
Ось "кишечник-мозг"

Эгоизм – это поведение, определяемое стремлением живого существа к собственной выгоде, при этом одно из проявлений эгоистической натуры может проявляться в форме помощи другим, если в конечном итоге эгоист окажется в чистом выигрыше. Эгоизм, как часть человеческого естества, оставался яблоком раздора между личностью и обществом со времен зарождения цивилизаций. По сей день не существует единого мнения о моральной подоплеке эгоизма, однако мы обладаем всеми основаниями заявлять о его неразрывности с природой живых существ. Как существо, человек – это машина, управляемая эгоистичными генами внутри, с единственной целью: воспроизвести себя в виде копий генов в следующих поколениях. С экзистенциальной точки зрения такой подход обессмысливает жизнь как таковую, ведь путь саморепликации лишен высокого замысла, бесконечен и ведет в никуда. Однако в рамках научного подхода эгоизм генов оказался чрезвычайно полезным для объяснения многих концептов современной науки, отвечая на многочисленные вопросы эволюции, этологии (наука о поведении животных) и психологии.

С чего все начиналось?

Наиболее известная дарвиновская теория эволюции, сформулированная в далеком \(1859\) году, стала беспрецедентным прорывом своего времени. Предложенный Чарльзом Дарвином принцип естественного отбора, когда в борьбе за ограниченные ресурсы выживает наиболее адаптированный, разрешил споры о том, в каком направлении идет происхождение новых признаков, но не рассмотрел механизм протекания этого процесса. В \(1899\)-\(1903\) годах мутационная теория Коржинского – Де Фриза предлагалась в качестве альтернативы дарвинизму, но по иронии судьбы она оказалась отличным дополнением к самому дарвинизму, разрешая его противоречия. Оба ученых независимо описали явление мутации, когда изменение в генетике организма давало начало новому признаку. Получилось, что мутация образует новый признак, а естественный отбор решает, закрепится ли он в популяции. Но остался извечный вопрос философии "Почему?". Почему виды постоянно эволюционируют? По какой причине эволюция повернула в эту сторону, а не в другую? Что именно движет эволюцией?

Чарльз Дарвин. Источник изображения.

История эгоистичного гена берет начало в \(1960\)-ых, во времена становления геноцентричного взгляда на развитие видов. Ученые начали трактовать эволюционный процесс прежде всего как эволюцию генов, а естественный отбор популяции – вытекающим из отбора на генетическом уровне. В этом направлении наиболее осмысленные ответы на все “почему” описаны в революционной на то время книге биолога и популяризатора науки Ричарда Докинза "Эгоистичный ген".

Кратко об "Эгоистичном гене"

Кто-то голоден? Сегодня у нас в меню: на первое – “первичный бульон”, а на закуску – "первичная пицца" и "первичный майонез", иллюстрирующие возможные варианты зарождения жизни на Земле. Общей чертой “съедобной” троицы является предположение, что путем “слипания” и всевозможных перестроек неорганических соединений, изначально находившихся в составе морей ранней Земли, под действием высокой температуры и электрических разрядов молний, в воде появились первые биомолекулы. Подробнее об этом вы можете прочитать в одной из следующих статей цикла "В чем прелесть химии". Ричард Докинз предположил, что в первичном бульоне возникли первые молекулы-репликаторы, способные создавать копии самих себя. На роль пионера-репликатора выдвигалась рибонуклеиновая кислота (РНК), которая могла выступать одновременно и матрицей, и собственно дупликатором. Такой молекуле было достаточно возникнуть единожды, чтобы в дальнейшем копировать себя бесконечно, используя органические соединения из "бульона соединений", насыщенного органикой окружающей среды.

Механизм действия молекулы-репликатора. Из одной молекулы в итоге получается две.

Сразу после своего появления молекула-репликатор начала распространять свои копии по всем морям, пока более мелкие молекулы, превратившиеся в «строительные блоки», не становились все более дефицитными, что вынудило первичных репликаторов бороться за выживание друг с другом. Сейчас гены ДНК предстают частицами, нуждающимися в воспроизводстве, а все, начиная с мембраны и заканчивая многоклеточными организмами, есть лишь адаптации для повышения конкуренции за ресурсы. Уже начинает походить на привычную нам дарвиновскою эволюцию.

Было предположено, что первостепенной целью в жизни любого живого организма является банальное продолжение рода, а если быть более точным, произведение по возможности наибольшего числа потомков, достаточно приспособленных для размножения копий собственных генов. Эволюция же – всего лишь процесс этих адаптаций. В этом и заключается основная идея гипотезы “эгоистичного гена”.

Применение гипотезы “эгоистичного гена”

Гипотеза "эгоистичного" гена дает обоснование многим эволюционным решениям природы из разных сфер биологии. Возникновение заботы о потомстве, переход видов к двуполой системе размножения, суть полового поведения, сущность “полезных” и “вредных” мутаций – результаты вездесущего эгоизма генов.

Развитие заботы о потомстве определенно увеличивает шансы выживания отпрысков, а значит, и вероятности, что они передадут родительские гены следующему поколению. В свою очередь, появление двух полов организмов обеспечивает лучшую заботу о потомстве, так как оно несет гены обоих родителей, а копии родительских генов, заключенных в общем ребенке, требуют вовлеченности со стороны двух особей вместо одной. При этом поддержание двух типов репродуктивных систем (мужской и женской) оказалось весьма ресурсозатратным, поэтому гермафродитизм (одновременное наличие у организма мужских и женских половых признаков) встал на второй эволюционный план.

Все же инстинкт заботы о детях имеется не у всех животных. Важно упомянуть, что мы не рассматриваем растения из-за их примитивности в сравнении с животными, хотя они подчиняются тем же правилам эволюции. Эволюционно феномен заботы о потомстве появился намного позднее у разных классов организмов, но преимущественно у птиц и млекопитающих. С точки зрения генетического эгоизма эту “задержку” можно объяснить параллельностью эволюции, когда эволюционные события должны правильно совпадать по времени, чтобы укорениться. Из-за пространственных и временных особенностей более раннего внешнего типа оплодотворения, исключающего прямой контакт родителей, "отцы" не могли знать кто несет их гены, так же как и яйцекладущие "матери". Забота о потомстве возникла параллельно с появлением внутреннего размножения и сопутствующей беременности самки (самца), которая сделала наглядным факт родственности между "матерью" и ребенком. Отцовская забота же подключилась параллельно с формированием группового образа жизни популяции, когда самец оставался в физической досягаемости после совокупления. Стоит заметить, что проявляется она заметно слабее.

Половое поведение, как следствие эгоистичной эволюции, затронуло и самцов, и самок. В силу изобилия генетического материала (сперматозоиды не особо затратны в производстве), доминирующей стратегией самцов стало оплодотворение как можно большего количества самок, чтобы оставить большее потомство со своими генами. Этим объясняется отсутствие постоянных “пар” у большинства видов животных. В то же время самки ограничены числом яйцеклеток и инвестируют больше сил и времени на заботу, поэтому делают упор не на количестве потомства, а на качестве: на его способности выжить, конкурировать и привлекать других самок (в данном случае акцент ставится на самцах, ведь в природе шансы на размножения для самок крайне велики сами по себе). Так, например, самки павлинов выбирают более ярких самцов с пышным хвостовым оперением, потому что его гены обеспечат ее отпрыскам такое же преимущество, позволяющее привлечь других самок. На базе этого проходит половой отбор самца самкой, а сами самцы вынуждены конкурировать между собой в ходе брачных игр за шанс размножаться.

Таким образом, конфликт мужских и женских приоритетов ведет к нешуточной “половой гонке вооружений”. Самцы некоторых приматов преследуют самку в период размножения и, отпугивая потенциальных конкурентов, вынуждают ее совокупиться. Однако женская сторона тоже не проста и способна проявить ответную реакцию. К примеру, самки галапагосских черепах буквально стараются убежать от настырного кавалера, и порой это отлично срабатывает.

Борьба полов: утка убегает от селезня. Источник изображения.

К тому же, гипотеза "эгоистичного гена" объясняет степень полезности мутации. Как и у организма, выживаемость гена зависит от его взаимодействия с другими генами и условиями. Как на уровне организмов идет эволюция популяции, а не самой особи, так и на уровне генов эволюционирует не сам ген, а популяция генов – генотип или генофонд. По такой логике мутация, мешающая гену реплицироваться, не считается вредной, но считается слабо адаптированной к взаимодействию с другими генами и условиями внешней среды. Такие слабо адаптированные мутации оказываются вытесненными другими мутациями или зачастую и вовсе "затерянными" в генофонде. Полезное же изменение ДНК закрепляется в геноме, так как успешно объединяется с другими генами для выполнения общей цели – воспроизведения. Так, в обычных условиях аллель серповидной клеточной анемии (СКА) вреден для носителя, но зато его гетерозиготная форма (комбинация с аллелем нормальной формы эритроцитов) обеспечивает толерантность к заболеванию малярией, так как малярийный плазмодий не способен множиться в серповидных “неправильных” эритроцитах. Ген СКА закрепился в популяции, чтобы предотвратить население от заражения малярией – произошла эволюция.

Распространение серповидно-клеточной анемии и малярии. Карты показывают соответствие между распространением серповидных эритроцитов (справа) и малярийных комаров (слева). В областях, где распространен малярийный комар, закрепился ген СКА, помогающий избежать малярии. Источник изображения.

Эгоистичный альтруизм

С эволюционной точки зрения социальность видов является большим достижением, потому что она увеличивает приспособленность каждого организма в группе. Достаточно вспомнить термитов, всегда готовых прийти друг другу на помощь. Высшей ступенью социального общества является эусоциальность, основной чертой которой выступает альтруизм. Однако не существует гена альтруизма, который закрепился бы в популяции, что логично, согласно гипотезе “эгоистичного гена”. Впрочем, как бы парадоксально это ни звучало, эгоизм генов все же приводит к альтруизму его носителей. В биологии под альтруизмом понимается поведение, приводящее к выживанию и/или увеличению числа потомков других особей, не являющихся прямыми потомками альтруиста, но при этом уменьшению вероятности выживания альтруиста и/или числа его прямых потомков. Альтруистическое поведение наиболее очевидно проявляется в условиях так называемого кин-отбора, когда “реципиент добра” приходится родственной особью альтруиста, несущей схожий набор генов. Конечно же, “эгоистичный ген” будет стремиться защищать свои копии, что делает акт биологического альтруизма более рациональным и не совсем бескорыстным занятием. Само явление кин-отбор встречается между братьями и сестрами, а также может быть очевидным и среди более широких социальных групп, как колонии пчел и муравьев.

Выходит, чем больше генов делят два индивида, тем отчетливее будет проявляться альтруизм. В таком случае, как же математически рассчитать степень родства между организмами и вероятность проявления альтруизма? Коэффициент родственности позволяет оценить долю идентичных по происхождению генов в генотипах родственных особей. Эта мера точна для прямых родственников, родителей и потомков, ведь ровно половину своих хромосом родитель передал потомку, для всех прочих родственников коэффициент – это мера вероятностная, показывающая лишь шанс того, что у родственников есть общие гены. Для диплоидных (содержащих по паре хромосом каждого типа) организмов коэффициент родственности вычисляется по формуле:

\[r = n\cdot 0.5^L\]

где n — количество объединяющих вас общих предков, L — число разделяющих вас поколений, r – коэффициент родственности.

Таким образом, у родителей и детей коэффициент родственности составляет \(0.5\), столько же у братьев и сестер, \(0.25\) – у прародителей и внуков, а также между племянником и тетей или дядей.

Кровность родственников. Источник изображения.

Другое правило, сформулированное Уильямом Гамильтоном и названное в его честь, оценивает возможность свершения альтруистических актов между родственниками:

\[r\cdot B>C\cdot m\]

где С (cost) — потенциальное число потомков альтруиста, B (benefit) — потенциальное число потомков реципиента, r (relatedness) — коэффициент родства (\(0\)<r<\(1\)), m (mortality) – нововведенная переменная смертности альтруиста в случае акта "добродетели" (\(0\leq m\leq 1\)).

Формула очень гибкая, поэтому в качестве \(B\) может выступать число спасенных родственников, а не их потомков, но в этом случае\(С\) всегда равен \(1\), то есть одной жизни альтруиста. Кроме того, эту формулу можно использовать для сравнения шансов выявления альтруизма, если выбор идет между разным числом родственников разной близости. Например, формула Гамильтона доходчиво объяснит на языке чисел, почему уберечь четырех племянников репродуктивно выгоднее, чем одного родного ребенка.

В рамках родственного отбора уникальным явлением считаются организмы, размножающиеся партеногенезом (из яйцеклетки без оплодотворения). Так, среднестатистическая диплоидная рабочая пчела получает половину геномного набора матки и полный геном трутня-отца, ведь он, будучи гаплоидным, несет лишь одинарный набор хромосом и его же передает через гаметы. Средняя вероятность сходства у пчел-сестер по части генома, полученной от самки-царицы, составляет \(0.25\), а от самца – всегда \(0.5\). Суммарная средняя степень сходства генома рабочих пчел между собой и их сестер, полноценных маток, составляет \(0.75\). При таком механизме генетического наследования отбор благоприятствует закреплению «генов» альтруистического поведения у пчел-сестёр, которые более родственны между собой, нежели с родителями.

Заключение

Как бы сильно эгоизм ни порицался обществом, в первозданном устройстве мира именно он движет течением самой жизни. Мы убедились во всемогуществе нашего природного эгоизма, который, как ни парадоксально, способен порождать на первый взгляд бескорыстные поступки и предопределять эволюцию, индивидуальное и групповое поведение более низших животных. Человек прошел через миллионы лет, в том числе и интеллектуального, развития, поэтому слабо верится, что мы лишь безвольные машины для размножения управляющих нами генов. Или это они хотят, чтобы мы так думали?

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова