Эволюция березовой пяденицы является эволюционным примером направленного изменения цвета в популяции моли в результате загрязнения воздуха во время промышленной революции . Частота темноокрашенных молей в то время увеличилась, пример промышленного меланизма . Позже, когда загрязнение было уменьшено в ответ на законодательство о чистом воздухе, светлоокрашенная форма снова стала преобладать. Промышленный меланизм у березовой пяденицы был ранним испытанием естественного отбора Чарльза Дарвина в действии, и он остается классическим примером в учении об эволюции . [1] [2] [3] В 1978 году Сьюэлл Райт описал его как «самый ясный случай, в котором действительно наблюдался заметный эволюционный процесс». [4] [5]
Темная или меланическая форма березовой пяденицы (var. carbonaria ) была редкой, хотя к 1811 году был собран один экземпляр. После полевого сбора в 1848 году в Манчестере , промышленном городе в Англии, было обнаружено, что частота этого вида резко возросла. К концу 19 века он почти полностью превзошел по численности исходный светлый тип (var. typica ), с показателем 98% в 1895 году. [6] Эволюционное значение этой пяденицы только предполагалось при жизни Дарвина. Спустя 14 лет после смерти Дарвина, в 1896 году, Дж. У. Тутт представил ее как случай естественного отбора. [7] Благодаря этому идея широко распространилась, и все больше людей поверили в теорию Дарвина.
Бернард Кеттлвелл был первым, кто исследовал эволюционный механизм адаптации березовой пяденицы в период с 1953 по 1956 год. Он обнаружил, что светлое тело было эффективным камуфляжем в чистой среде, например, в сельском Дорсете , в то время как темный цвет был полезен в загрязненной среде, например, в промышленном Бирмингеме . Это избирательное выживание было обусловлено птицами, которые легко ловили темных мотыльков на чистых деревьях и белых мотыльков на деревьях, потемневших от сажи. История, подкрепленная экспериментом Кеттлвелла , стала каноническим примером дарвиновской эволюции и доказательством естественного отбора, используемым в стандартных учебниках. [8] [9] [10]
Однако неудача в повторении эксперимента и критика Теодора Дэвида Сарджента методов Кеттлвелла в конце 1960-х годов привели к общему скептицизму. Когда в 2002 году была опубликована книга Джудит Хупер « О мотыльках и людях» , история Кеттлвелла подверглась более суровой критике и была обвинена в мошенничестве. Критика стала главным аргументом для креационистов . Майкл Маджерус был главным защитником. Его семилетний эксперимент, начавшийся в 2001 году, самый сложный в своем роде в популяционной биологии , результаты которого были опубликованы посмертно в 2012 году, подтвердил работу Кеттлвелла в мельчайших подробностях. Это восстановило эволюцию березовой пяденицы как «самое прямое доказательство» и «один из самых ясных и легко понимаемых примеров дарвиновской эволюции в действии». [11]
До промышленной революции черная форма березовой пяденицы 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 The Entomologist . [15] Эдлстон отмечает, что к 1864 году это был более распространенный тип моли в его саду в Манчестере. Моль со светлым телом могла сливаться со светлыми лишайниками и корой деревьев, а менее распространенные черные моли с большей вероятностью съедались птицами. В результате распространенных светлых лишайников и английских деревьев, следовательно, светлые моли были гораздо более эффективны в укрытии 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 покрылась сажей от новых угольных фабрик. Многие из светлых лишайников погибли из-за выбросов диоксида серы , а деревья потемнели. Это привело к увеличению хищничества птиц на светлых молей, поскольку они больше не сливались с загрязненной экосистемой : действительно, их тела теперь резко контрастировали с цветом коры. Темные моли, с другой стороны, очень хорошо маскировались почерневшими деревьями. [17] Популяция темных молей быстро увеличивалась. К середине 19 века количество темных молей заметно возросло, и к 1895 году процент темных молей в Манчестере составлял 98%, что было резким изменением (почти на 100%) по сравнению с первоначальной частотой. [17] Этот эффект индустриализации на цвет тела привел к появлению термина « индустриальный меланизм ». [3]
Намек на то, что промышленный меланизм может быть доказательством, подтверждающим теорию 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 изменениями цвета у моли-кольчатки (тогда Gnophos obscurata , теперь Charissa obscurata ). Он отметил существование темных молей в торфе в Нью-Форесте , коричневых молей на глинистой и красной почве в Херефордшире и белых молей на меловых скалах в Льюисе и предположил, что эта вариация была примером «выживания наиболее приспособленных». Он сказал Дарвину, что нашел темных молей на меловом склоне, где листва была почернела от дыма из известковых печей , и он также слышал, что белые моли стали менее распространенными в Льюисе после того, как известковые печи работали в течение нескольких лет. [18] Дарвин, похоже, не отреагировал на эту информацию, возможно, потому, что он считал, что естественный отбор будет гораздо более медленным процессом. [19] Научное объяснение окраски моли было опубликовано только в 1896 году, через 14 лет после смерти Дарвина, когда Дж. У. Тутт явно связал меланизм березовой пяденицы с естественным отбором. [16]
Меланизм наблюдался как в европейских, так и в североамериканских популяциях березовой пяденицы. Информация о росте частоты скудна. Гораздо больше известно о последующем падении частоты фенотипа , поскольку оно было измерено лепидоптерологами с использованием ловушек для моли .
Стюард собрал данные для первых записей березовой пяденицы по местности и пришел к выводу, что морфа карбонарии была результатом единственной мутации , которая впоследствии распространилась. К 1895 году она достигла зарегистрированной частоты 98% в Манчестере. [20]
Начиная примерно с 1962 года и по настоящее время частота фенотипа карбонарии неуклонно падала в соответствии с более чистым воздухом вокруг промышленных городов. Ее снижение было измерено точнее, чем ее рост, посредством более строгих научных исследований. В частности, Кеттлвелл провел общенациональное исследование в 1956 году, Брюс Грант провел аналогичное исследование в начале 1996 года [21] , а Л. М. Кук в 2003 году [22].
Похожие результаты были получены в Северной Америке. Меланические формы не были обнаружены в Японии. Считается, что это связано с тем, что березовые пяденицы в Японии не обитают в индустриальных регионах. [22]
Тутт был первым, кто предложил «гипотезу дифференциального хищничества птиц» в 1896 году как механизм естественного отбора . Меланические морфы были лучше замаскированы на фоне коры деревьев без листоватого лишайника, тогда как морфы typica были лучше замаскированы на фоне деревьев с лишайниками. В результате птицы находили и съедали те морфы, которые не были замаскированы, с большей частотой. [23]
В 1924 году Дж. Б. С. Холдейн рассчитал, используя простую модель общего отбора , селективное преимущество, необходимое для зарегистрированной естественной эволюции березовых пядениц, основываясь на предположении, что в 1848 году частота темноокрашенных пядениц составляла 2%, а к 1895 году она составила 95%. Темноокрашенная, или меланическая, форма должна была быть на 50% более приспособленной, чем типичная светлоокрашенная форма. Даже принимая во внимание возможные ошибки в модели, это разумно исключало стохастический процесс генетического дрейфа, поскольку изменения были слишком быстрыми. [24] Статистический анализ Холдейна отбора для меланического варианта у березовых пядениц стал хорошо известной частью его усилий по демонстрации того, что математические модели, которые объединяют естественный отбор с менделевской генетикой, могут объяснить эволюцию — усилия, которые сыграли ключевую роль в основании дисциплины популяционной генетики и начале современного синтеза эволюционной теории с генетикой. [25]
Пяденица березовая Biston betularia также является моделью параллельной эволюции в частоте меланизма у британской формы ( f. carbonaria ) и американской формы ( f. swettaria ), поскольку они неотличимы по внешнему виду. Генетический анализ показывает, что оба фенотипа наследуются как аутосомно-доминантные . Перекрестные гибридизации показывают, что фенотипы производятся аллелями в одном локусе. [26]
Ген carbonaria у B. betularia считался находящимся в области хромосомы 17. Позднее был сделан вывод, что ген не может находиться в этой области, поскольку ни один из генов в хромосоме не кодирует ни рисунок крыльев, ни меланизацию. Область, которая использовалась для его обнаружения, была первым интроном ортолога гена кортекса у Drosophila . Путем исключения кандидатов в области на основе редкости осталась вставка из 21 925 пар оснований. Вставка, обозначенная как carb -TE, представляет собой мобильный элемент класса II , который имеет приблизительно 9-килобайтную неповторяющуюся последовательность, тандемно повторяющуюся два и одну треть раза. В целевом сайте имеется 6 пар оснований инвертированных повторов и дублированных 4 пар оснований, которых нет у моли typica . Carb -TE имеет более высокую экспрессию на стадии быстрого морфогенеза крылового диска. Механизм того, как ген увеличивает экспрессию, и является ли он единственным вовлеченным геном, до сих пор неизвестен. [27] [28]
Несколько альтернативных гипотез естественному отбору как движущей силе эволюции были предложены в 1920-х и 1930-х годах. Случайные мутации , миграция и генетический дрейф также рассматривались как основные силы эволюции. [29]
PA Riley предложил дополнительный селективный фактор, где хелатирование тяжелых металлов меланином предположительно защитит березовых пядениц от токсического воздействия тяжелых металлов, связанных с индустриализацией. Это селективное преимущество дополнит основной селективный механизм дифференциального хищничества птиц. [30]
В 1920 году Джон Уильям Хеслоп-Харрисон отверг гипотезу Тутта о дифференцированном хищничестве птиц на том основании, что он не верил, что птицы едят моль. Вместо этого он предположил, что загрязняющие вещества могут вызывать изменения в соме и зародышевой плазме организма. [31] В 1925 году К. Хазебрук предпринял раннюю попытку доказать эту гипотезу, подвергая куколок воздействию загрязняющих газов, а именно сероводорода (H 2 S), аммиака (NH 3 ) и «пиредина» . Он использовал восемь видов в своих исследованиях, четыре из которых были видами бабочек, не проявляющими меланизма. [32]
В 1926 и 1928 годах Хеслоп-Харрисон предположил, что увеличение количества меланических молей в индустриальных регионах было вызвано « давлением мутаций », а не отбором хищниками, который он считал незначительным. Соли свинца и марганца присутствовали в загрязняющих частицах воздуха, и он предположил, что они вызвали мутацию генов, отвечающих за выработку меланина, но не других. В качестве материала он использовал Selenia bilunaria и Tephrosia bistortata . Личинки питались листьями, впитавшими эти соли: впоследствии появились меланические моли. [33] [34] Похожий эксперимент в 1932 году, проведенный Маккенни Хьюзом, не смог воспроизвести эти результаты; статистик и генетик Рональд Фишер показал, что контроль Хеслоп-Харрисона был недостаточным, и что выводы Хьюза сделали 6%-ную частоту мутаций, требуемую Хеслоп-Харрисоном, «маловероятной». [35]
Первые важные эксперименты с берёзовой пяденицей были проведены Бернардом Кеттлвеллом в Оксфордском университете под руководством Э. Б. Форда , который помог ему получить грант от Фонда Наффилда на проведение экспериментов. В 1953 году Кеттлвелл начал предварительный эксперимент, в котором мотыльков выпускали в большой (18 м × 6 м) вольер , где их кормили большие синицы ( Parus major ). Его главный эксперимент в заповеднике Кристофера Кэдбери Ветленд в Бирмингеме , Англия , включал маркировку, выпуск и повторный отлов меченых мотыльков. Он обнаружил, что в этой загрязнённой лесной местности моли -типики преимущественно подвергались охоте. Таким образом, он показал, что меланический фенотип важен для выживания берёзовой пяденицы в такой среде обитания. Кеттлвелл повторил эксперимент в 1955 году в незагрязнённых лесах в Дорсете и снова в загрязнённых лесах в Бирмингеме. [3] [23] В 1956 году он повторил эксперименты и получил похожие результаты: в Бирмингеме птицы съели большую часть белых молей (75%), тогда как в Дорсете было съедено большинство темных молей (86%). [2] [36]
Теодор Дэвид Сарджент [a] проводил эксперименты между 1965 и 1969 годами, из которых он сделал вывод, что невозможно воспроизвести результаты Кеттлвелла, и сказал, что птицы не отдавали предпочтения моли ни на черных, ни на белых стволах деревьев. [38] [39] Он предположил, что Кеттлвелл обучил птиц выбирать моль на стволах деревьев, чтобы получить желаемые результаты. [4] [40]
Две главы в книге Майкла Маджеруса 1998 года «Меланизм: эволюция в действии» критиковали исследования Кеттлвелла «Эволюция меланизма» , обсуждали исследования, которые поднимали вопросы об оригинальных экспериментальных методах Кеттлвелла, и призывали 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 от хорошо понятного примера естественного отбора в действии, хотя это, несомненно, случай эволюции. Есть много исследований, более подходящих для использования в классе». [41]
Книга Джудит Хупер «О мотыльках и людях » (2002) подвергла эксперимент Кеттлвелла резкой критике. [42] Хупер утверждала, что полевые заметки Кеттлвелла не были найдены, и предположила, что его эксперимент был мошенническим, на основании критики Сарджента, утверждавшего, что фотографии мотыльков были сделаны с мертвых мотыльков, помещенных на бревно. Она сказала, что Э. Б. Форд был «фанатиком Дарвина», [43] и утверждала, что он использовал научно наивного Кеттлвелла, чтобы получить желаемые экспериментальные результаты. [44] Принятие книги привело к требованиям, чтобы история эволюции березовой пяденицы была удалена из учебников. [45] [46] Ученые изучили обвинения, выдвинутые Хупером, и нашли их беспочвенными. [22] [47] [48]
Филипп Э. Джонсон , один из основателей креационистского движения разумного замысла , сказал, что мотыльки «не сидят на стволах деревьев», что «моль должна была быть приклеена к стволам» для фотографий, и что эксперименты были «мошенничеством» и «аферой». [49] Сторонник разумного замысла Джонатан Уэллс написал эссе на эту тему, сокращенная версия которого появилась в выпуске The Scientist от 24 мая 1999 года , утверждая, что «тот факт, что березовые пяденицы обычно не сидят на стволах деревьев, делает эксперименты Кеттлвелла недействительными». [50] Уэллс далее написал в своей книге 2000 года «Иконы эволюции », что «однако учебники не объясняют, что биологи с 1980-х годов знали, что классическая история имеет некоторые серьезные недостатки. Самым серьезным из них является то, что березовые пяденицы в дикой природе даже не отдыхают на стволах деревьев. Фотографии в учебниках, как оказалось, были постановочными». [51] Однако березовые пяденицы иногда отдыхают на стволах деревьев, и Ник Мацке утверждает, что между «постановочными» и «непостановочными» фотографиями мало различий. [52]
С 2001 по 2007 год Майерус проводил эксперименты в Кембридже, чтобы разрешить различные критические замечания по поводу эксперимента Кеттлвелла. Во время своего эксперимента он отметил естественные положения покоя березовых пядениц. Из 135 исследованных пядениц более половины находились на ветвях деревьев, в основном в нижней половине ветви; 37% находились на стволах деревьев, в основном 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 основными хищниками. Он наблюдал за рядом видов птиц, которые фактически охотились на пядениц, и обнаружил, что дифференциальное хищничество птиц было основным фактором, ответственным за снижение частоты встречаемости карбонарии по сравнению с типикой . [23] Он описал свои результаты как полное подтверждение теории естественного отбора в эволюции березовой пяденицы и сказал: «Если взлет и падение березовой пяденицы является одним из наиболее наглядно впечатляющих и легко понимаемых примеров дарвиновской эволюции в действии, его следует преподавать. В конце концов, это является доказательством эволюции». [53]
Майерус умер, не успев закончить описание своих экспериментов, поэтому работа была продолжена Куком, Грантом, Саккери и Джеймсом Маллетом и опубликована 8 февраля 2012 года под названием «Избирательное хищничество птиц на берёзовой пяденице: последний эксперимент Майкла Майеруса». [54] Эксперимент стал крупнейшим в истории изучения промышленного меланизма, в нём приняли участие 4864 особи в шестилетнем исследовании, и он подтвердил, что меланизм у моли является подлинным примером естественного отбора, включающего камуфляж и хищничество. Их заключительное замечание гласит: «Эти данные предоставляют самые прямые доказательства, которые пока не позволяют предположить, что камуфляж и хищничество птиц являются важнейшим объяснением роста и падения меланизма у моли». [11]
Койн сказал, что он «рад согласиться с этим выводом [эксперимента Майеруса], который отвечает на мои предыдущие критические замечания по поводу истории Бистона ». [55]
Обвинения в подтасовке данных и научном мошенничестве в этом деле признаны беспочвенными.