Эволюция перцовой моли является эволюционным примером направленного изменения цвета популяции бабочек в результате загрязнения воздуха во время промышленной революции . В это время увеличилась частота появления темных бабочек, что является примером промышленного меланизма . Позже, когда загрязнение уменьшилось, светлая форма снова стала преобладать. Промышленный меланизм у перцовой моли был ранним испытанием естественного отбора Чарльза Дарвина в действии и остается классическим примером в учении об эволюции . [1] [2] [3] В 1978 году Сьюэлл Райт описал это как «самый яркий случай, когда действительно наблюдался заметный эволюционный процесс». [4] [5]
Темная или мелановая форма бабочки перцовой (var. Carbonaria ) была редкой, хотя экземпляр был собран к 1811 году. После полевого сбора в 1848 году в Манчестере , промышленном городе в Англии, было обнаружено, что частота этой разновидности резко возросли. К концу 19 века она почти полностью превосходила численность первоначального светлого типа (var. typica ), с рекордом в 98% в 1895 году . [6] При жизни Дарвина об эволюционной важности бабочки только размышляли. Спустя 14 лет после смерти Дарвина, в 1896 году, Дж. У. Татт представил это как случай естественного отбора. [7] Благодаря этому идея широко распространилась, и все больше людей поверили в теорию Дарвина.
Бернард Кеттлуэлл был первым, кто исследовал эволюционный механизм адаптации перцовой моли между 1953 и 1956 годами. Он обнаружил, что светлое тело было эффективным камуфляжем в чистой среде, например, в сельской местности Дорсета , в то время как темный цвет был полезен в загрязненная окружающая среда, такая как промышленный Бирмингем . Такое избирательное выживание произошло благодаря птицам, которые легко ловили темных мотыльков на чистых деревьях и белых бабочек на потемневших от сажи деревьях. Эта история, подкрепленная экспериментом Кеттлуэлла , стала каноническим примером дарвиновской эволюции и доказательством естественного отбора, используемым в стандартных учебниках. [8] [9] [10]
Однако неспособность повторить эксперимент и критика Теодором Дэвидом Сарджентом методов Кеттлуэлла в конце 1960-х годов привели к общему скептицизму. Когда в 2002 году была опубликована книга Джудит Хупер « О мотыльках и людях» , история Кеттлуэлл подверглась более резкой критике и была обвинена в мошенничестве. Критика стала главным аргументом для креационистов . Майкл Маджерус был основным защитником. Его семилетний эксперимент, начавшийся в 2001 году, самый сложный в своем роде в популяционной биологии , результаты которого были опубликованы посмертно в 2012 году, во всех деталях подтвердил работу Кеттлуэлла. Это восстановление эволюции перцовой моли как «наиболее прямое свидетельство» и «один из самых ярких и наиболее легко понимаемых примеров дарвиновской эволюции в действии». [11]
До промышленной революции черная форма моли перцовой была редкостью. Первый черный экземпляр (неизвестного происхождения) был собран до 1811 года и хранился в Оксфордском университете . [12] [13] [14] Первый живой экземпляр был пойман Р.С. Эдлстоном в Манчестере , Англия , в 1848 году, но он сообщил об этом только 16 лет спустя, в 1864 году, в «Энтомологе» . [15] Эдлстон отмечает, что к 1864 году это был более распространенный вид моли в его саду в Манчестере. Мотыльки с легким телом могли сливаться со светлыми лишайниками и корой деревьев, а менее распространенные черные бабочки с большей вероятностью были съедены птицами. Таким образом, из-за распространенности светлых лишайников и английских деревьев светлые бабочки гораздо эффективнее прятались от хищников, а частота темного аллеля была очень низкой - около 0,01%. [16]
В первые десятилетия промышленной революции в Англии сельская местность между Лондоном и Манчестером была покрыта сажей от новых угольных заводов. Многие светлые лишайники погибли от выбросов сернистого газа , а деревья потемнели. Это привело к увеличению охоты птиц на светлых мотыльков, поскольку они больше не сливались с их загрязненной экосистемой : действительно, их тела теперь резко контрастировали с цветом коры. С другой стороны, темные мотыльки очень хорошо маскировались почерневшими деревьями. [17] Популяция темной моли быстро увеличивалась. К середине 19 века количество бабочек темного цвета заметно возросло, а к 1895 году процент бабочек темного цвета в Манчестере составил 98%, что является резким изменением (почти на 100%) по сравнению с первоначальной частотой. . [17] Этот эффект индустриализации цвета тела привел к появлению термина « индустриальный меланизм ». [3]
Вывод о том, что индустриальный меланизм может служить доказательством теории естественного отбора Чарльза Дарвина, был замечен еще при его жизни. Альберт Бриджес Фарн (1841–1921), британский энтомолог, написал Дарвину 18 ноября 1878 года, чтобы обсудить свои наблюдения за вариациями цвета у кольчатой бабочки (тогда Gnophos obscurata , теперь Charissa obscurata ). Он отметил существование темных мотыльков в торфе в Нью-Форесте , коричневых мотыльков на глине и красной почве в Херефордшире и белых мотыльков на меловых скалах в Льюисе , и предположил, что эта вариация была примером «выживания наиболее приспособленных». Он рассказал Дарвину, что нашел темных мотыльков на меловом склоне, где листва почернела от дыма печей для обжига извести , а также он слышал, что белая моль стала менее распространенной в Льюисе после того, как печи для обжига извести проработали несколько лет. . [18] Дарвин, похоже, не отреагировал на эту информацию, возможно, потому, что считал, что естественный отбор будет гораздо более медленным процессом. [19] Научное объяснение окраски бабочек было опубликовано только в 1896 году, через 14 лет после смерти Дарвина, когда Дж. У. Татт явно связал меланизм перцовой моли с естественным отбором. [16]
Меланизм появился как в европейских, так и в североамериканских популяциях перцовой моли. Информации о повышении частоты мало. Гораздо больше известно о последующем падении частоты фенотипов , поскольку оно было измерено лепидоптерологами с использованием ловушек для моли .
Стюард собрал данные о первых регистрациях перцовой моли по местам и пришел к выводу, что морфа карбонарии была результатом единственной мутации , которая впоследствии распространилась. К 1895 году зарегистрированная частота заболевания в Манчестере достигла 98%. [20]
Примерно с 1962 года и по настоящее время частота фенотипа карбонариев неуклонно снижается в соответствии с более чистым воздухом в промышленных городах. Его снижение было измерено более точно, чем его рост, посредством более строгих научных исследований. Примечательно, что Кеттлуэлл провел национальное исследование в 1956 году, Брюс Грант провел аналогичное исследование в начале 1996 года [21] и Л.М. Кук в 2003 году. [22]
Аналогичные результаты были получены в Северной Америке. В Японии меланические формы не обнаружены. Считается, что это связано с тем, что перцовая моль в Японии не обитает в промышленно развитых регионах. [22]
Татт был первым, кто в 1896 году предложил «гипотезу дифференциального хищничества птиц» как механизм естественного отбора . Мелановые морфы лучше маскировались под кору деревьев без листоватого лишайника, тогда как типичные морфы лучше маскировались под деревья с лишайниками. В результате птицы стали чаще находить и поедать те морфы, которые не были замаскированы. [23]
В 1924 году Дж. Б. С. Холдейн рассчитал, используя простую модель общего отбора , селективное преимущество, необходимое для зарегистрированной естественной эволюции перцовой плодожорки, основываясь на предположении, что в 1848 году частота бабочек темного цвета составляла 2%, а к 1895 году она составила 95%. Темная или меланическая форма должна была быть на 50% более подходящей, чем типичная светлая форма. Даже принимая во внимание возможные ошибки модели, это обоснованно исключало стохастический процесс генетического дрейфа, поскольку изменения были слишком быстрыми. [24] Статистический анализ отбора меланического варианта у перцовой плодожорки, проведенный Холдейном, стал хорошо известной частью его усилий продемонстрировать, что математические модели, сочетающие естественный отбор с менделевской генетикой, могут объяснить эволюцию – усилие, сыгравшее ключевую роль в основании теории дисциплина популяционная генетика и начало современного синтеза эволюционной теории с генетикой. [25]
Перцовая плодожорка Biston betularia также является моделью параллельной эволюции заболеваемости меланизмом британской формы ( f.carbonaria ) и американской формы ( f.svettaria ), поскольку они неотличимы по внешнему виду. Генетический анализ показывает, что оба фенотипа наследуются по аутосомно-доминантному типу . Перекрестная гибридизация указывает на то, что фенотипы производятся аллелями в одном локусе. [26]
Считалось, что ген карбонарии у B. betularia находится в участке хромосомы 17. Позже был сделан вывод, что этот ген не мог находиться в этом участке, поскольку ни один из генов в хромосоме не кодировал ни рисунок крыльев, ни меланизацию. Область, которая была использована для его обнаружения, оказалась первым интроном ортолога коркового гена у дрозофилы . Благодаря исключению кандидатов в этом регионе на основании редкости, осталась вставка из 21 925 пар оснований. Вставка, обозначенная карбюратором -TE, представляет собой мобильный элемент класса II , который имеет неповторяющуюся последовательность размером примерно 9 т.п.н., тандемно повторяющуюся два и один третий раз. Имеется 6 пар оснований инвертированных повторов и дублированные 4 пары оснований в целевом сайте, которых нет у бабочек typica . Carb- TE имеет более высокую экспрессию на стадии быстрого морфогенеза крылатых дисков. Механизм того, как этот ген увеличивает экспрессию, и является ли он единственным задействованным геном, до сих пор неизвестен. [27] [28]
Несколько альтернативных гипотез естественному отбору как движущей силе эволюции было предложено в 1920-х и 1930-х годах. Случайные мутации , миграция или генетический дрейф также рассматривались как основные силы эволюции. [29]
П.А. Райли предложил дополнительный селективный фактор, согласно которому хелатирование тяжелых металлов меланином предположительно защитит моль перцовую от токсического воздействия тяжелых металлов, связанного с индустриализацией. Это селективное преимущество дополнило бы основной селективный механизм дифференциального хищничества птиц. [30]
В 1920 году Джон Уильям Хеслоп-Харрисон отверг дифференциальную гипотезу Тутта о хищничестве птиц на том основании, что он не верил в то, что птицы питаются мотыльками. Вместо этого он предположил, что загрязнители могут вызывать изменения в соме и зародышевой плазме организма. [31] В 1925 году К. Хазебрук предпринял раннюю попытку доказать эту гипотезу, подвергнув куколок воздействию загрязняющих газов, а именно сероводорода (H 2 S), аммиака (NH 3 ) и « пиредина ». В своих исследованиях он использовал восемь видов, четыре из которых были видами бабочек, не проявлявшими меланизма. [32]
В 1926 и 1928 годах Хеслоп-Харрисон предположил, что увеличение числа меланических бабочек в промышленно развитых регионах произошло из-за « мутационного давления », а не отбора со стороны хищников, который он считал незначительным. Соли свинца и марганца присутствовали в частицах загрязняющих веществ в воздухе, и он предположил, что они вызывают мутацию генов, отвечающих за выработку меланина, но не других. В качестве материала он использовал Selenia bilunaria и Tephrosia bistortata . Личинок кормили листьями, содержащими эти соли: впоследствии появились меланики. [33] [34] Аналогичный эксперимент Маккенни Хьюза в 1932 году не смог повторить эти результаты; статистик и генетик Рональд Фишер показал, что контроль Хеслопа-Харрисона был неадекватным, и что результаты Хьюза сделали 6% -ную частоту мутаций, требуемую Хеслопом-Харрисоном, «маловероятной». [35]
Первые важные эксперименты с плодожоркой были проведены Бернардом Кеттлуэллом в Оксфордском университете под руководством Э. Б. Форда , который помог ему получить грант от Фонда Наффилда на проведение экспериментов. В 1953 году Кеттлуэлл начал предварительный эксперимент, в ходе которого бабочек выпускали в большой (18×6 м) вольер , где их кормили большие синицы ( Parus major ). Его главный эксперимент, проведенный в заповеднике Кристофера Кэдбери в Бирмингеме , Англия , включал маркировку, выпуск и повторную поимку меченых бабочек. Он обнаружил, что в этом загрязненном лесу преимущественно охотятся на моль . Таким образом, он показал, что меланический фенотип важен для выживания перцовой бабочки в такой среде обитания. Кеттлуэлл повторил эксперимент в 1955 году в незагрязненных лесах Дорсета и снова в загрязненных лесах Бирмингема. [3] [23] В 1956 году он повторил эксперименты и получил аналогичные результаты; в Бирмингеме птицы съели большую часть белых мотыльков (75%), тогда как в Дорсете - большую часть темных мотыльков (86%). [2] [36]
Теодор Дэвид Сарджент [а] провел эксперименты между 1965 и 1969 годами, в результате которых он пришел к выводу, что невозможно воспроизвести результаты Кеттлуэлла, и сказал, что птицы не отдают предпочтения мотылькам ни на черных, ни на белых стволах деревьев. [38] [39] Он предположил, что Кеттлуэлл научил птиц собирать мотыльков на стволах деревьев, чтобы получить желаемые результаты. [4] [40]
В двух главах книги Майкла Маджеруса 1998 года «Меланизм: эволюция в действии» критикуются исследования Кеттлуэлла « Эволюция меланизма» , обсуждаются исследования, которые поднимают вопросы об оригинальных экспериментальных методах Кеттлуэлла, и содержится призыв к дальнейшим исследованиям. [23] Рецензируя книгу, Джерри Койн отметил эти моменты и пришел к выводу, что «на данный момент мы должны отказаться от Бистона как хорошо понятного примера естественного отбора в действии, хотя это явно случай эволюции. Существует множество исследований. более подходящим для использования в классе». [41]
Книга Джудит Хупер «Мотыльки и люди» (2002) подвергла эксперимент Кеттлуэлла резкой критике. [42] Хупер утверждал, что полевые записи Кеттлуэлла не удалось найти, и предположил, что его эксперимент был мошенническим, на основании критических замечаний Сарджента, утверждающего, что фотографии мотыльков были сделаны из мертвых мотыльков, помещенных на бревно. Она сказала, что Э. Б. Форд был «фанатиком Дарвина» [43] и утверждала, что он использовал научно наивного Кеттлуэлла для получения желаемых экспериментальных результатов. [44] Принятие книги привело к требованию удалить историю эволюции перцовой моли из учебников. [45] [46] Ученые изучили обвинения Хупера и пришли к выводу, что они необоснованны. [22] [47] [48]
Филип Э. Джонсон , соучредитель креационистского движения разумного замысла , сказал, что мотыльки «не сидят на стволах деревьев», что «для фотографий мотыльков приходилось приклеивать к стволам» и что эксперименты были «мошенническими». и «мошенничество». [49] Сторонник разумного замысла Джонатан Уэллс написал эссе на эту тему, сокращенная версия которого появилась в номере журнала The Scientist от 24 мая 1999 года, утверждая, что «тот факт, что перцовая моль обычно не отдыхает на стволах деревьев, делает эксперименты Кеттлуэлла недействительными. ". [50] Далее Уэллс написал в своей книге « Иконы эволюции» , вышедшей в 2000 году: «Однако учебники не объясняют, что биологам с 1980-х годов известно, что классическая история имеет некоторые серьезные недостатки. дикая природа даже не отдыхает на стволах деревьев. Учебные фотографии, оказывается, постановочные». [51] Тем не менее, мотыльки иногда отдыхают на стволах деревьев, и Ник Мацке утверждает, что между «постановочными» и «непостановочными» фотографиями нет большой разницы. [52]
С 2001 по 2007 год Маджерус проводил эксперименты в Кембридже, чтобы развеять различную критику эксперимента Кеттлуэлла. В ходе своего эксперимента он отметил естественные положения перцовой моли в состоянии покоя. Из 135 исследованных бабочек более половины находились на ветвях деревьев, в основном на нижней половине ветки; 37% находились на стволах деревьев, преимущественно с северной стороны; и только 12,6% отдыхали на ветках или под ними. После переписки с Хупером он добавил эксперимент, чтобы выяснить, могут ли летучие мыши , а не птицы, быть главными хищниками. Он наблюдал, как несколько видов птиц действительно охотятся на мотыльков, и обнаружил, что различное хищничество птиц было основным фактором, ответственным за снижение частоты карбонариев по сравнению с типиками . [23] Он описал свои результаты как полное подтверждение теории естественного отбора эволюции перцовой моли и сказал: «Если взлет и падение перцовой моли является одним из наиболее визуально впечатляющих и легко понятных примеров дарвиновской эволюции в действии, этому следует учить. В конце концов, это является доказательством эволюции». [53]
Маджерус умер, не успев завершить описание своих экспериментов, поэтому работу продолжили Кук, Грант, Саккери и Джеймс Маллет , и она была опубликована 8 февраля 2012 года под названием «Выборочное хищничество птиц на перцовой моли: последний эксперимент Майкла». Маджерус». [54] Эксперимент стал крупнейшим за всю историю изучения промышленного меланизма, в нем приняли участие 4864 особи за шесть лет, и он подтвердил, что меланизм у бабочек является подлинным примером естественного отбора, включающего маскировку и хищничество. Их заключительное замечание гласит: «Эти данные предоставляют самые прямые доказательства того, что камуфляж и хищничество птиц являются главными объяснениями роста и падения меланизма у бабочек». [11]
Койн сказал, что он «рад согласиться с этим выводом [об эксперименте Маджеруса], который отвечает на мою предыдущую критику по поводу истории Бистона ». [55]
Обвинения в фальсификации данных и научном мошенничестве по этому делу признаны бессмысленными.