Эволюционные и технические инновации, которые ждут своего часа

Какие организмы являются самыми успешными на планете? Некоторые люди могут подумать о таких хищниках, как львы и белые акулы. Другим на ум приходят насекомые или бактерии. Но мало кто упомянёт семейство растений, которые люди видят вокруг себя каждый день: травы.

Травы отвечают как минимум двум критериям впечатляющего успеха. Первый - это изобилие. Травы покрывают североамериканские прерии, африканские саванны и евразийские степи, которые простираются на 8 000 км от Кавказа до Тихого океана. Второй критерий - это количество и разнообразие видов. С момента возникновения травы развились в более чем 10 000 видов с поразительным разнообразием форм: от небольших пучков волосяной травы, приспособленной к холоду Антарктиды, до высоченных трав северной Индии, способных укрыть целые стада слонов, и азиатских бамбуковых лесов высотой до 30 метров.

Однако, на протяжении десятков миллионов лет (фактически большую часть своей эволюционной истории) травы не были в изобилии. Их происхождение восходит к эпохе динозавров, более 65 миллионов лет назад. Фактически, только менее 25 миллионов лет назад они стали доминирующим видом, который известен сегодня.

Почему же травам пришлось ждать 40 миллионов лет, чтобы получить своё место под солнцем? Эта загадка становится ещё сложнее, если знать, что на ранних этапах эволюция наделила травы многочисленными свойствами, способствующими выживанию. Среди них такие защитные химические вещества, как лигнин и диоксид кремния, которые стачивают зубы пасущихся животных. Эти свойства также защищают травы от засухи, как и сложные метаболические инновации, которые помогают им экономить воду.

Но успех развития зависит от гораздо большего, чем какая-то внутренняя характеристика новой формы жизни, например, улучшение или новая способность, дарованная инновацией. Он зависит от мира, в котором рождается эта форма жизни.

Травы - одна из таких форм жизни, чей успех (измеряемый обилием или разнообразием видов) был отложен на миллионы лет.  Первые муравьи появились 140 млн. лет назад, но муравьи начали развиваться в 11 000 или более видов, существующих сегодня, только через 40 млн. лет.

Млекопитающие, ведущие разнообразный образ жизни - живущие на земле, лазающие по деревьям, летающие или плавающие - появились более чем за 100 млн. лет до того, как 65 млн. лет назад стали более развитыми. А одному семейству морских моллюсков пришлось ждать 350 млн. лет, прежде чем оно достигло успеха, разросшись до 500 видов.

Они ставят под сомнение многие широко распространённые представления об успехе и неудаче. И эти сомнения относятся не только к инновациям природы, но и к инновациям человеческой культуры.

Чтобы жизнь развивалась, ей пришлось преодолевать трудности с помощью инноваций - например, как извлекать энергию из минералов, органических молекул и солнечного света или как спасаться от хищников и преследовать добычу. Каждая из этих задач может быть решена многими способами, каждая из них возникает как творческий продукт биологической эволюции, каждая воплощается в виде уникального образа жизни, и эволюция идёт дальше.

Инновации не прекратились с биологической эволюцией. Виды со сложной нервной системой, включая шимпанзе, дельфинов и воронов, открыли простые технологии - инструменты, которые они используют для охоты или сбора пищи. За 12 000 лет, прошедших с момента сельскохозяйственной революции, человеческая культура придумала такие революционные инновации, как математика и письменность, а также бесчисленное множество более мелких - от колеса до обоев. Среди них бесчисленное множество "спящих красавиц". К ним относятся такие прорывные технологии, как радар, на который поначалу не обращали внимания, и такие научные открытия, как генетические законы наследования, которыми пренебрегали десятилетиями.

Разумеется, природа и культура творят по-разному. Чернила и бумага "Принципиума" Ньютона - это иной субстрат для творчества, чем клетки, ткани и органы синего кита. Упорство писателя в борьбе с пятнадцатым черновиком главы - это иной двигатель творчества, чем случайные мутации ДНК. Коммерческая ценность патента - это иная мера успеха, чем частота ежедневного деления бактерии Escherichia coli.

Но за этими различиями скрывается глубокое сходство. Одно из них заключается в том, что огромное количество инноваций появляется раньше своего времени. Творческие продукты, не имеющие очевидных достоинств, ценности или полезности, но способные изменить жизнь, если им дать достаточно времени, встречаются повсюду в природе и культуре.

Гусеницы бабочек-монархов пристрастились к опасной пище. Они поедают листья молочая, многолетней травы высотой в несколько метров, с крошечными звездообразными цветами, образующими привлекательные гроздья. Листья молочая могут быть красивыми, но они не безобидны. Когда гусеница вонзается в лист, по каналам внутри повреждённого листа под давлением выделяется вещество молочно-белого цвета, отсюда и название "молочай". Гусеницы знают, что это белое вещество ядовито, поэтому они стараются перерезать эти каналы и дать ему стечь, прежде чем съесть лист.

Это вещество - токсичный латекс - сложная и липкая смесь химических веществ, назначение которой сходно с назначением липких смол, таких как жёлтые выделения сосновых деревьев. Латекс и смолы являются смертоносным оборонительным оружием против голодных животных. Когда насекомые откусывают кусок растения, производящего латекс или смолу, липкий материал может обездвижить их ротовые органы и склеить их вместе. Более 30% гусениц бабочки-монарха, которые вылупляются на листьях молочая, увязают в латексе растения, приклеиваются к листу и погибают. И такая ловушка - это только один тип защиты, воплощённый в латексе и смолах. При этом оба выделения могут также содержать токсичные химические вещества, такие как гликозиды.

Это химическое оружие также является примером эволюционных инноваций, так называемых, потому что они возникают в процессе эволюции вида и помогают ему выжить. Эволюция создала их не один, не два и не несколько раз, а по меньшей мере 40 раз у совершенно разных видов. Более того, многие из видов также независимо друг от друга создали сеть распространения этих токсичных выделений, сложную систему каналов, по которым липкие вещества доставляются туда, где растение подвергается нападению. Учёные называют это ключевыми инновациями, потому что они не просто улучшают выживание одного вида растений. Они имеют более глубокие и долгосрочные последствия для эволюции.

Растения, производящие латекс, меньше страдают от насекомых, быстрее растут и тратят больше энергии на воспроизводство, создавая цветы и производя семена. Эти преимущества позволяют таким растениям распространяться дальше и колонизировать новые места обитания. В этих местах обитания они в конечном итоге образуют новые виды.

Эволюционная сила этого химического оружия раскрывается в исследовании шестнадцати семейств растений. Каждое семейство не только производит латекс и смолы, но и имеет близкородственное семейство, лишённое этой способности. Исследование показало, что в 13 из 16 семейств, производящих латекс, развилось больше видов - не просто несколько, а в 100 раз больше, - чем в родственных семействах без этой способности.

Сотни миллионов лет назад примитивные насекомые охотились только на других животных или жили на детрите, собирая тушки мёртвых организмов. Переход от такой диеты к растениям не мог быть лёгким. Одним из препятствий для вегетарианского образа жизни являются химические средства защиты растений, которые имеют решающее значение для их выживания, поскольку растения не могут ни бегать, ни прятаться.

Другим препятствием является то, что ткани и сок растений бедны питательными веществами, такими как незаменимые аминокислоты - гораздо беднее, чем животная пища или детрит. Более того, питающиеся детритом могут прятаться в земле, в то время как питающиеся растениями принимают пищу на открытом воздухе. Такой образ жизни подвергает их нападению хищников, которых привлекают их маленькие, часто плохо бронированные и восхитительно мягкие тела.

Несмотря на эти препятствия, фитофагия была открыта не раз, и не два-три раза, а по меньшей мере 50 раз, разными видами. И она стала очень успешной, как доказали биолог Чарльз Миттер из Мэрилендского университета и его соавторы. Эти исследователи показали, что ветви растительноядных насекомых на древе жизни имеют тенденцию производить больше видов, чем их нерастительноядные собратья.

Например, в семействе насекомых, известном под названием Chloropidae (его представитель на фото ниже), растительноядная ветвь насчитывает более 1 350 видов, тогда как другая - всего 80 видов. Несмотря на то, что фитофагию открыли лишь несколько отрядов насекомых, - она стала настолько успешной, что сегодня половина из 900 000 видов насекомых в мире питается растениями. Фитофагия - это ещё одна из ключевых инноваций эволюции.

Только благодаря ключевой инновации вид может использовать существующие возможности, такие как более тёплый климат или новый источник пищи. Но возможно, эволюционные инновации проще, чем кажутся?

Примеры производства латекса и фитофагия - это только две возможности, возможно что эволюция действует как проворный новатор. Она вовремя реагирует на изменения в окружающей среде и тщательно отслеживает многие такие изменения во времени. Если это так, то она внедряет инновации только после появления эволюционных возможностей, таких как подъём горного хребта или разлом континента. Вторая возможность более заманчива. Что если многие инновации появляются раньше своего времени, но расцветают только при благоприятных условиях?

Если инновации легко приходят в эволюцию, то они так же легко приходят и в культуру, и многочисленные открытия подтверждают это утверждение. Одним из древних примеров является сельское хозяйство, которое имеет по меньшей мере 11 независимых истоков, в том числе на Ближнем Востоке, в Китае, Африке и Новой Гвинее, с такими разными культурными растениями, как пшеница, рис и кукуруза. Многочисленные открытия латекса в биологической эволюции также имеют параллель в истории человечества: коммерчески полезная форма латекса, то есть натуральный каучук.

Молочно-белый латекс, вытекающий из повреждённых каучуковых деревьев, химически нестабилен. Чтобы создать из него полезный, стабильный натуральный каучук, требуется процесс, называемый вулканизацией. Когда в 1839 году изобретатель Чарльз Гудьир случайно открыл этот процесс, он положил начало коммерческой революции в производстве изделий из натурального каучука. Они стали настолько важны для промышленной революции, что столетие спустя президент компании Goodyear Tire & Rubber Company назвал резину "сгибателем мышц и сухожилий" индустриального общества. Ко времени Второй мировой войны для танка требовалось 3600 кг резины, а для линкора - сотни тонн. Каучук стал жизненно важным и очень ценным товаром.

Кажется, что взрывной успех каучука был обусловлен лишь единичным открытием. На самом деле индейцы доколумбовой Америки опередили Чарльза Гудьира почти на 3 500 лет. Они открыли способ нагревания сырого латекса с соком лозы ипомеи для достижения вулканизации. Они производили резиновые изделия: фигурки, резиновые ленты и резиновые мячи для ритуальных игр, в которых воплощались мифы о сотворении мира. Но поскольку их инновация появилась слишком рано, её влияние на человечество было незначительным.

Примеры открытий становятся всё более многочисленными по мере приближения к современности, возможно, потому, что темпы инноваций ускоряются. Маятниковые часы были изобретены как минимум три раза, термометр - семь раз, телеграф - четыре раза, а радар - шесть раз.

Томасу Эдисону пришлось испробовать 6 000 различных материалов, прежде чем он наткнулся на бамбук как материал, из которого можно сделать стабильную нить накаливания. Но то, что кажется трудным для отдельных новаторов, может выглядеть совсем иначе с другой точки зрения, например, историка, изучающего целую историческую эпоху. С этой точки зрения большинство изобретений и открытий - это не с таким трудом добытые единичные события истории, а почти неизбежные продукты своего времени.

Примерно в трети изобретений между двумя независимыми открытиями прошло более 10 лет. Это намёк на то, что ранние открытия часто игнорируются или забываются. Очевидный вопрос - почему. Среди таких примеров - лекарство от цинги, смертельной болезни, которую наблюдатель XVIII века назвал "морской чумой", потому что она убивала бесчисленных моряков, проводивших месяц за месяцем в открытом океане. Симптомы этой болезни начинаются достаточно безобидно - с недостатка энергии и боли в дёснах. Они усиливаются, перерастая в мышечные боли и расшатывание зубов. А кульминацией становятся гноящиеся раны, кровотечения, конвульсии, которые неизменно заканчиваются смертью.

Смертность от цинги стала наиболее драматичной, когда колониальные державы начали осваивать океаны в поисках новых территорий, всё дальше и дальше от дома, а их корабли проводили всё больше времени вдали от суши. Во время кругосветного плавания в 1520 году исследователь Магеллан потерял 208 из 230 человек. Два века спустя, в 1740 году, во время экспедиции по преследованию испанцев в Тихом океане британский флотоводец Джордж Энсон потерял 1300 из почти 2000 человек. В обеих экспедициях в большинстве смертей была виновата цинга.

Мощное лекарство от цинги - цитрусовые и свежие овощи - было не просто открыто и забыто, а неоднократно открыто и вновь забыто. Васко да Гама открыл его в 1497 году - вместе с морским путём в Индию - в виде апельсинов, но его знания не распространились. В 1614 году британский военно-морской справочник под названием "The Surgeon's Mate" тоже одобрил его, но этот факт, должно быть, остался без внимания, потому что даже в 18 веке британский флот терял больше моряков от болезней, чем в сражениях, и главным виновником по-прежнему была цинга.

Третье открытие пришло в виде решающего медицинского эксперимента, ставшего важной вехой в истории медицины. К сожалению, и этот эксперимент ничего не изменил. Эксперимент был первым контролируемым клиническим испытанием потенциальных средств от цинги, проведённым морским хирургом Джеймсом Линдом в 1747 году. В то время Линд служил на британском военном корабле, где 80 из 350 человек были поражены цингой. Он выделил 12 моряков, которые умирали от цинги, и кормил каждого из них основной диетой, дополненной одним из шести различных антискорбутных витаминов - потенциальных средств от цинги. Двое моряков получали апельсины и лимоны, ещё двое - уксус, ещё двое - сидр, четвёртая пара пила морскую воду и так далее. Через две недели первая пара почти полностью выздоровела. Среди других пар только те, кто получал сидр, немного поправились. Результат налицо: цитрусовые могут вылечить цингу.

Линд обобщил результаты своих исследований в своём труде "Трактат о цинге", написанном в 1753 году. Он был хорошо связан с Адмиралтейством, которое могло влиять на политику здравоохранения флота, но даже несмотря на это, Адмиралтейство игнорировало связь между цитрусовыми и цингой ещё полвека. Некоторые историки утверждают, что Линд был очернён конкурентами, которые отдавали предпочтение другим антискорбутным препаратам. Другие считают Линда слишком опередившим своё время, интеллектуальным революционером, которого сдерживали бесчисленные реакционеры, возмущённые его гением.

Длительные океанские плавания лишали моряков не только свежей пищи. Каюты были сырыми и грязными, воздух душным, а питьевая вода несвежей. Поэтому, когда моряки достигали суши и их здоровье улучшалось, кто мог сказать, была ли это хорошая еда, свежий воздух или чистая вода? Сложность проблемы также сыграла на руку глубоко укоренившемуся убеждению медицины XVIII века. Это убеждение было противоположно сегодняшнему мнению, что многие болезни имеют конкретные причины, будь то вирусная инфекция, генетическая мутация или недостаток витаминов.

В то время врачи считали, что у любой болезни может быть несколько причин; можно заболеть цингой из-за нечистой воды, сырого воздуха или грязных помещений, а фактическая причина зависит от конституции человека. А если болезни имеют несколько причин, то, как считалось, они должны иметь и несколько способов лечения. По этой причине медицинское сообщество не одобряло так называемые "специфические" средства - средства от одной болезни, которые действуют на всех людей. Если врач утверждал, что нашёл такое средство, за этим часто следовали обвинения в шарлатанстве.

В конце концов здравый смысл победил медицинские предрассудки, но на это ушло ещё почти полвека. Важное подтверждение пользы цитрусовых было получено во время вспышки цинги на британском флоте в 1793 году. Вспышка была подавлена, когда лимонный сок, доставленный из порта, помог вылечить страдающих моряков.

Подобно инновациям биологической эволюции, многие человеческие изобретения и открытия находятся в "спящем" состоянии. Существует множество причин этому, некоторые из них могут быть связаны не более чем с глупым совпадением. Другие включают укоренившиеся предрассудки, инертность к переменам и маркетинговое влияние. Кажется, что у них мало общего, но у них есть кое-что общее: все они находятся вне контроля создателя. И эта общность, которая красной нитью проходит через всю историю зарождения жизни, может дать несколько уроков современным творцам.