Кіріспе

Эволюциялық биологиядағы қымызқұйрықты көбелектің маңызы – эволюциялық биологиядағы қымызқұйрықты көбелектің эволюциясы, өнеркәсіптік революция кезінде ауаның ластануы салдарынан көбелек популяциясындағы түстің бағытталған өзгерісінің эволюциялық мысалы. Осы кезеңде қара түсті көбелектердің саны артты, бұл өнеркәсіптік меланизмнің бір көрінісі болды. Кейін, ластану азайғанда, ашық түсті нысандар қайтадан басымдыққа ие болды. Қымызқұйрықты көбелектің өнеркәсіптік меланизмі Чарльз Дарвиннің табиғи іріктелуін іс жүзінде тексерудің алғашқы мысалы болды және қазір де эволюцияны оқытудағы классикалық үлгі саналады. 1978 жылы Сеуолл Райт оны «көзге көрінетін эволюциялық процестің нақты байқалған ең айқын мысалы» деп сипаттады. Қымызқұйрықты көбелектің қара түсті немесе меланикалық түрі (var. carbonaria) сирек кездесетін, бірақ 1811 жылға дейін бір данасы жиналған. 1848 жылы Англияның Манчестер қаласынан (өнеркәсіптік қала) алғашқы жинақ жасалғаннан кейін, осы түрдің саны күрт өскені анықталды. 19 ғасырдың соңына қарай ол бастапқы ашық түсті түрді (var. typica) дерлік толығымен басып озды, 1895 жылы 98% құрады. Көбелектің эволюциялық маңызы Дарвиннің өмір кезеңінде ғана болжамдалды. Дарвиннің өлімінен кейін 14 жыл өткен соң, 1896 жылы Дж. В. Тутт оны табиғи іріктелудің мысалы ретінде ұсынды. Осының нәтижесінде бұл идея кеңінен тарады және Дарвиннің теориясына сенушілер саны көбейді. Бернард Кеттлвелл 1953-1956 жылдар аралығында қымызқұйрықты көбелектің бейімделуінің эволюциялық механизмін зерттеуге алғашқылардың бірі болды. Ол ашық түсті дененің таза ортада, мысалы, Дорсет ауылдық аймағында тиімді жасырыну құралы екенін, ал қара түстің ластанған ортада, мысалы, өнеркәсіптік Бирмингемде пайдалы екенін анықтады. Бұл таңдамалы тіршілік құстарға байланысты болды, олар таза ағаштардағы қара көбелектерді және күйелі ағаштардағы ақ көбелектерді оңай ұстады. Кеттлвеллдің тәжірибесімен расталған оқиға Дарвиннің эволюциясының канондық мысалы және стандартты оқулықтарда қолданылатын табиғи іріктелудің дәлеліне айналды. Алайда, тәжірибені қайталаудағы сәтсіздік және Теодор Дэвид Сардженттің 1960 жылдардың соңында Кеттлвеллдің әдістерін сынауы жалпы күмән тудырды. 2002 жылы Джудит Хупердің «Көбелектер мен адамдар туралы» кітабы жарық көрген кезде Кеттлвеллдің әңгімесіне қатаң шабуыл жасалды және оны алдаумен айыптады. Бұл сын жаратылыстанушылар үшін маңызды аргументке айналды. Майкл Махерус басты қорғаушы болды. Оның 2001 жылы басталған жеті жылдық тәжірибесі, популяциялық биологиядағы ең толыққанды тәжірибе, нәтижелері 2012 жылы қайтыс болғаннан кейін жарияланды, Кеттлвеллдің жұмысын егжей-тегжейлі растады. Бұл қымызқұйрықты көбелектің эволюциясын «эволюцияның ең тікелей дәлелі» және «Дарвиннің эволюциясының ең айқын және оңай түсінілетін мысалының бірі» ретінде қайта жаңғыртты.

Шығуы мен эволюциясы

Өнеркәсіптік революциядан бұрын қара түсті көбелек сирек кездесетін. Алғашқы қара данасы (тегі белгісіз) 1811 жылға дейін жиналған және Оксфорд университетінде сақталған. Алғашқы тірі данасын 1848 жылы Манчестерде (Англия) Р. С. Эдлстон ұстаған, бірақ ол бұл туралы тек 16 жылдан кейін, 1864 жылы "Энтомолог" журналында жариялаған. Эдлстон 1864 жылы Манчестердегі бағында бұл көбелек түрінің көптеп таралғанын атап өткен. Ашық түсті көбелектер ашық түсті лишайлар мен ағаш қабығымен үйлесіп кеткен, ал қара түсті, сирек кездесетін көбелектерді құстар жиі жеген. Осылайша, ашық түсті лишайлар мен ағылшын ағаштарының болуы нәтижесінде ашық түсті көбелектер жыртқыштардан жасыруда тиімдірек болды, ал қара түсті аллельдің жиілігі өте төмен болды, шамамен 0,01%. Англиядағы өнеркәсіптік революцияның алғашқы онжылдықтарында Лондон мен Манчестер арасындағы аймақтар жаңа көмір жағатын зауыттардың күлімен жабылған. Көптеген ашық түсті лишайлар күкірт диоксидінің зиянды әсерінен қурады, ал ағаштар қараңғырланды. Бұл ластанған ортада ашық түсті көбелектердің құстарға оңай шалынбауына себеп болды, себебі олардың түсі қабықтың түсінен айқын ажыратылатын болды. Ал қара түсті көбелектер қараңғырланған ағаштармен үйлесіп, жақсы жасырына алды. Қара түсті көбелектердің саны тез өсті. XIX ғасырдың ортасына қарай қара түсті көбелектердің саны айтарлықтай артты, ал 1895 жылға қарай Манчестердегі қара түсті көбелектердің үлесі 98% құрады, бұл бастапқы жиіліктен (шамамен 100%) күрт өзгеріс болды. Дарвин бұл ақпаратқа жауап бермеген сияқты, мүмкін ол табиғи іріктеудің өте баяу процеске жатады деп ойлаған шығар. Көбелектің түсіне қатысты ғылыми түсініктер 1896 жылы, Дарвиннің қайтыс болғаннан кейін 14 жыл өткен соң ғана жарияланды, Дж. В. Татт табиғи іріктеуді меланизммен тікелей байланыстырды. 1962 жылдан қазіргі уақытқа дейін карбонария фенотипінің жиілігі өнеркәсіптік қалалар маңындағы ауаның тазаруына байланысты бірте-бірте төмендеді. Оның төмендеуі оның өсуінен гөрі дәл өлшенді, себебі зерттеулер қатаң ғылыми әдістермен жүргізілді. Атап айтқанда, Кеттлвелл 1956 жылы ұлттық сауалнама жүргізді, Брюс Грант 1996 жылдың басында осыған ұқсас сауалнама жүргізді, ал Л. М. Кук 2003 жылы зерттеу жүргізді. Ұқсас нәтижелер Солтүстік Америкада да алынды. Жапонияда меланистік формалар табылған жоқ. Бұл Жапониядағы көбелектердің өнеркәсіптік аймақтарда таралмауымен байланысты деп есептеледі. 1924 жылы Дж. Б. С. Холдейн қарапайым іріктеу моделін қолданып, 1848 жылы қара түсті көбелектердің жиілігі 2% болса, ал 1895 жылы 95% болған жағдайда, көбелектердің эволюциясы үшін қажетті іріктеу артықшылығын есептеді. Қара түсті немесе меланистік форма әдеттегі ашық түсті формадан 50% артыққа ие болуы керек еді. Модельдегі қателерді ескергенімен, бұл генетикалық дрейфтің кездейсоқ процесін жоққа шығарды, себебі өзгерістер тым жылдам болды. Холдейннің меланистік вариантты іріктеуге қатысты статистикалық талдауы, табиғи іріктеуді мендельдік генетикамен біріктіретін математикалық модельдер эволюцияны түсіндіре алатынын көрсетуге жасаған күш-жігерінің маңызды бөлігі болды. Бұл күш-жігер популяциялық генетика ғылымының негізін қалауға және эволюциялық теорияны генетикамен біріктіруге үлкен үлес қосты. Бюстон бетуляриясы британдық (f. carbonaria) және американдық (f. swettaria) формаларындағы меланизмнің таралуындағы параллель эволюцияның үлгісі болып табылады, себебі олар сыртқы түрінде ешқандай айырмашылықты көрсетпейді. Генетикалық талдау екі фенотиптің де аутосомалық доминанттық жолмен мұрагерлікке берілетінін көрсетті. Гибридтеу нәтижелері фенотиптердің бір локустағы аллельдер арқылы анықталатынын көрсетті. Карбонария гені B. betularia-да 17-ші хромосоманың бір аймағында орналасқан деп есептелген. Кейін геннің сол аймақта болмауы мүмкін деген қорытындыға келді, себебі хромосомадағы гендердің ешқайсысы қанаттың пішініне немесе меланизацияға жауап бермейтін. Оны табу үшін пайдаланылған аймақ - Drosophila-дағы қабық генінің ортологының бірінші интроны. Аймақтағы сирек кездесетін кандидаттарды жою арқылы 21,925 базалық жұптан тұратын кіріктірілім қалды. Carb TE деп белгіленген кіріктірілім - бұл шамамен 9 кб қайталанбайтын тізбекті екі және үштен бір рет қайталайтын II кластағы ауыстырылатын элемент. Типикалық көбелектерде жоқ мақсатты жерде 6 базалық жұп және 4 базалық жұп қайталанады. Carb TE қанат дискісінің жылдам морфогенезі кезінде жоғары экспрессияны көрсетеді. Геннің экспрессияны қалай арттыратыны және осы процеске басқа гендер қатыса ма, әлі белгісіз.

Альтернативті гипотезалар

Эволюцияның қозғаушы күші ретінде табиғи іріктеуге бірнеше балама гипотезалар 1920 және 1930 жылдары ұсынылды. Кездейсоқ мутация, көші-қон немесе генетикалық дрейф те эволюцияның маңызды күштері ретінде қарастырылды. П. А. Райли қосымша таңдау факторын ұсынды, онда меланиннің ауыр металдарды байланыстыруы (хелаттау) өнеркәсіптік дамумен байланысты ауыр металдардың зиянды әсерінен көбелектерді қорғайды деп есептелді. Бұл таңдау артықшылығы құстардың түрліше жемтіктеуінің (предацияның) негізгі таңдау механизмін күшейтеді.

Фенотиптік индукция

1920 жылы Джон Уильям Хеслоп Харрисон құстар көбелектерді жемейтініне сенгендіктен, Татттың құстардың түрліше жыртқыштық гипотезасын қабылдамады. Оның орнына, ол ластағыштар организмнің сомасы мен ұрық плазмасына өзгерістер енгізуі мүмкін деп ұсынды. 1925 жылы К. Хасбрук бұл гипотезаны дәлелдеуге тырысып, құрттарды сутек сульфиді (H2S), аммиак (NH3) және "пиредин" сияқты ластағыш газдарға ұшыратты. Ол зерттеулерінде сегіз түрді пайдаланды, олардың төртеуі меланизмді көрсетпейтін көбелектер болды. 1926 және 1928 жылдары Хеслоп Харрисон индустрияландырылған аймақтардағы меланик көбелектердің көбеюіне себеп – ол елемеген жыртқыштардың таңдауы емес, "мутациялық қысым" екенін айтты. Оның сөзіне göre, ауадағы ластағыш бөлшектерде қорғасын мен марганец тұздары болды, және ол олардың меланин өндіру гендерінің мутациясына, бірақ басқа гендерге емес, себеп болатынын болжады. Ол Selenia bilunaria және Tephrosia bistortata түрлерін материал ретінде пайдаланды. Личинкалар осы тұздар сіңген жапырақтармен тамақтандырылды: содан кейін меланиктер пайда болды. 1932 жылы Маккенни Хьюз жасаған ұқсас тәжірибе осы нәтижелерді қайталай алмады; статистик және генетик Рональд Фишер Хеслоп Харрисонның бақылауларының жеткіліксіз екенін көрсетті, ал Хьюздің нәтижелері Хеслоп Харрисон қажет еткен 6% мутация деңгейін "мүмкін емес" етті.

Кетлвеллдің эксперименті

Перілі күбәләгімен алғашқы маңызды тәжірибелерді Бернард Кеттлвелл Оксфорд университетінде Е. Б. Фордтың жетекшілігімен жүргізді, ол оған эксперименттерді жүргізу үшін Нуффилд қорынан грант алуға көмектесті. 1953 жылы Кеттлвелл алдын ала тәжірибе жүргізді, онда көптеген күбәләктер үлкен (18м × 6м) вольерге жіберілді, онда оларды үлкен сиськилер (Parus major) жеп қойды. Оның негізгі тәжірибесі Англияның Бирмингем қаласындағы Кристофер Кэдбери ылғалды жерлер қорығында өтті, онда күбәләктерді белгілеп, босатып, қайта ұстады. Ол осы ластанған орманды аймақта көбінесе typica түрінің күбәләктерінің жемтілікке ілігетінін анықтады. Осылайша ол меланикалық фенотиптің мұндай ортада перілі күбәләктердің тірі қалуы үшін маңызды екенін көрсетті. Кеттлвелл 1955 жылы тәжірибені Дорсеттегі ластанбаған орман алқаптарында және тағы бір рет Бирмингемдегі ластанған орман алқаптарында қайталады.

Сындар

Теодор Дэвид Саргент 1965-1969 жылдар аралығында тәжірибелер жүргізді, олардан ол Кеттлвеллдің нәтижелерін қайталау мүмкін емес деген қорытындыға келді және құстардың қара немесе ақ ағаш сабақтарындағы көбелектерге ешқандай артықшылық танытпағанын айтты. Ол Кеттлвелл құстарды ағаштардан көбелектерді теруге үйреткенін болжады. Майкл Маджерустың 1998 жылғы «Меланизм: Эволюция іс әрекетінде» кітабының екі тарауы Кеттлвеллдің «Меланизм эволюциясы» еңбегіндегі зерттеулерді сынап, Кеттлвеллдің бастапқы тәжірибелік әдістеріне қатысты сұрақтар көтерген зерттеулерді талқылады және қосымша зерттеулерді қажет етті. Джудит Хупердің «Көбелектер мен адамдар туралы» (2002) кітабы Кеттлвеллдің тәжірибесін қатаң сынады. Хупер Кеттлвеллдің далалық жазбаларын таба алмағанын және Саргенттің сын-пікірлеріне сүйене отырып, оның тәжірибесінің алаяқтық болғанын айтты, атап айтқанда, көбелектердің суреттері өлі көбелектердің тірекке қойылған суреттері екендігі туралы айыптаулар. Ол Э. Б. Фордты «дарвинизмнің фанаты» деп атады және ол ғылыми жағынан сауатсыз Кеттлвеллді қажетті тәжірибелік нәтижелерге жету үшін пайдаланғанын мәлімдеді. Кітаптың қабылдануы «көбелектердің эволюциясы» туралы әңгімені оқулықтардан жою туралы талаптарға әкелді. Ғалымдар Хупердің айыптауларын қарастырып, олардың негізсіз екенін анықтады. Креационистік интеллектуалды жобалау қозғалысының негізін қалаушыларының бірі Филипп Джонсон көбелектердің «ағаш сабақтарына қонбайтынын», суреттер үшін «көбелектерді ағаш сабақтарына жабыстыру қажет болғанын» және тәжірибелердің «алдау» және «алаяқтық» болғанын айтты. Интеллектуалды жобалау жақтасы Джонатан Уэллс осы тақырыпта мақала жазды, оның қысқартылған нұсқасы 1999 жылғы 24 мамырдағы «The Scientist» журналында жарияланды, онда «көбелектердің әдетте ағаш сабақтарына қонбауы Кеттлвеллдің тәжірибелерін жарамсыз етеді» делінген. Уэллс өзінің 2000 жылғы «Эволюция иконалары» кітабында былай деп жазды: «Дегенмен, оқулықтарда түсіндірілмеген нәрсе – биологтар 1980 жылдардан бері классикалық оқиғаның бірнеше күрделі кемшіліктері бар екенін біледі. Ең маңыздысы – көбелектер жабайы табиғатта тіпті ағаш сабақтарына да қонбайды. Оқулықтағы суреттер, көрінеді, сахналаған». Алайда, көбелектер кейде ағаш сабақтарына қонады, ал Ник Матцке «сахналаған» және «сахналамаған» суреттер арасында айтарлықтай айырмашылық жоқ екенін айтады.

Маджерстің эксперименті

2001 жылдан 2007 жылға дейін Маджерс Кембриджде Кеттлвелл экспериментіне қатысты әртүрлі сын-пікірлерді шешу үшін тәжірибелер жүргізді. Тәжірибе барысында ол қара күштердің табиғи қалпына келу позыцияларын байқады. Қарастырылған 135 күштің жартысынан астамы ағаш бұтақтарында, көбінесе бұтақтың төменгі жартысында болды; 37% ағаш діңгектерінде, көбінесе солтүстік жағында; ал тек 12,6% бұтақтарда немесе олардың астында демалды. Хупермен хат алмасып, ол құстар емес, жарғақтар басты хищниктер болуы мүмкін екенін анықтау үшін қосымша тәжірибе жасады. Ол көптеген құс түрлерінің күштерді аулайтынын байқады және құстардың түрлі хищниктік әрекеттерінің типтік түрге қарағанда карбонарияның таралу жиілігінің төмендеуіне жауапты екенін анықтады. Маджерс тәжірибелерін жазып аяқтауға үлкермей қайтыс болды, сондықтан жұмысты Кук, Грант, Сакчери және Джеймс Маллет аяқтады және 2012 жылдың 8 ақпанында «Қара күштердегі құстардың таңдамалы хищниктігі: Майкл Маджерстің соңғы тәжірибесі» деген атпен жариялады. Бұл тәжірибе өнеркәсіптік меланизмді зерттеудегі ең ірі тәжірибе болды, оған алты жылдық зерттеу барысында 4864 жеке тұлға қатысты, және күштердегі меланизмнің жасырындыру және хищниктік қатысты табиғи іріктелудің нақты мысалы екенін растады. Олардың қорытынды сөзі былай болды: «Бұл деректер күштердегі меланизмнің өсуі мен төмендеуіне жасырындыру мен құс хищниктігінің басты себеп екенін көрсететін ең тікелей дәлел болып табылады».