Закон «джунглей». В поисках формулы жизни Кэрролл Шон
Компактин казался многообещающим препаратом. А если я добавлю, что открытое Эндо вещество оказалось первым статином – представителем класса лекарств, сегодня принимаемых 25 млн человек во всем мире, и общие продажи этого препарата в 2012 г. составили 29 млрд долл., то вы решите, что Эндо стал богатым и знаменитым, может быть, даже получил Нобелевскую премию.
Нет, ничего подобного не произошло.
Путь от открытия компактина до создания кардиологического лекарства оказался извилистым и тернистым. Это история об убеждениях и упорстве нескольких людей, в том числе Эндо, Брауна и Голдштейна, а также некоторых фармацевтических менеджеров – но никак не функционеров «Санкё».
От грибка к лекарству
Эндо совместно с корпорацией «Санкё»(Sankyo) опубликовал статью об открытии компактина и запатентовали новое соединение. Следующий важный этап заключался в проверке действия компактина на животных. Радовал тот факт, что соединение не вызывало никаких заметных патологий у крыс. Но кое-что и настораживало: у крыс, принимавших препарат в течение семи дней, уровень холестерина не изменялся, эффект отсутствовал и при приеме более высоких доз препарата в течение пяти недель. Компактин не работал и на мышах. Учитывая такие отрицательные результаты опытов на животных, казалось, что фармацевтических перспектив у компактина нет, а годы упорного труда Эндо пошли прахом.
Однако Эндо не сдавался. Однажды весенним вечером 1976-го он зашел в бар неподалеку от работы и встретил там коллегу, который использовал в своих исследованиях кур-несушек. Эндо успел поставить дополнительные эксперименты, оставлявшие надежду, что отрицательные результаты на крысах и мышах были связаны с тонкостями регуляции холестерина именно у этих видов и что препарат может оказаться эффективен на других животных.
Всего через месяц приема уровень холестерина у птиц снизился на 50 %! Успешные опыты с несушками сподвигли Эндо провести опыты на мартышках и собаках, у которых компактин позволил снизить уровень холестерина на 30–44 %. Учитывая близкое биологическое родство между обезьяной и человеком, эти результаты свидетельствовали о высоком потенциале препарата. Компания «Санкё» сформировала группу «Проект по развитию компактина», в которую входил Эндо, а также фармакологи, патофизиологи, химики и токсикологи, которым было поручено продолжить работу над этим лекарством.
Но как только для компактина забрезжили радужные перспективы, токсикологи заметили аномалию в клетках печени у крыс, получавших очень высокие дозы препарата. Минуло много месяцев, прежде чем было решено продолжить клинические разработки. Однако, когда уже полным ходом шли испытания на людях, токсикологи «Санкё» обнаружили другую проблему: у собак, принимавших компактин на протяжении двух лет, развивалась патология, напоминавшая рак кишечника. «Санкё» прекратила разработку компактина в августе 1980 г.
К тому времени работа Эндо в «Санкё» уже получила известность. Рой Вагелос, выдающийся специалист по липидам, возглавлял исследовательский отдел американской фармацевтической компании «Мерк». Он перешел в «Мерк» с академической должности, надеясь изменить весь процесс открытия новых лекарств. Десятилетиями компании отыскивали потенциальные препараты, исследуя множество соединений на предмет их воздействия на клетки или микробов, а не на конкретную молекулярную мишень. Вагелос стремился использовать биохимию и разработать более целенаправленные подходы. Кроме того, он провел плодотворный год в Париже, работая с Жаком Моно, поэтому научился мыслить в контексте регуляционной логики. Сопоставив работы Брауна и Голдштейна о законах регуляции холестерина и открытый Эндо грибок, естественным образом ингибировавший редуктазу, Вагелос распознал в этом потенциал для создания нового антихолестеринового лекарства.
Вагелос убедил исследователей из «Мерк» искать компактиноподобные вещества в других грибках и уже в 1979 г. открыл похожее соединение в грибке Aspergillus terreus. Это вещество, позже названное ловастатином, отличалось от компактина только наличием в молекуле дополнительной метильной группы (один атом углерода, три атома водорода). «Мерк» оперативно запустила клиническое испытание ловастатина на людях, но, как только Вагелос узнал о намерении «Санкё» прекратить испытания компактина, а также о подозрениях на развитие опухолей у собак, исследование «Мерк» также было немедленно остановлено. Компактин и ловастатин так и остались бы тупиковыми разработками, если бы не неожиданный результат, полученный в Техасе.
Браун и Голдштейн также узнали об открытии Эндо. Впечатлившись силой ингибитора фермента, они попросили образец соединения. Кроме того, они пригласили Эндо взглянуть на их лабораторию в Техасе и помогли ему с изучением эффектов компактина. Ученые с немалым удивлением обнаружили, что компактин не просто ингибирует активность редуктазы – оказалось, что под действием лекарства сами клетки начинают синтезировать гораздо больше данного фермента. Так удалось выявить важную логику двойного отрицания в законах регуляции холестерина – когда угнетается синтез холестерина внутри организма, угнетается и обратная репрессия синтеза фермента.
Теперь же, с учетом этих конкретных законов, Браун и Голдштейн обнаружили удивительную возможность Поскольку ранее они установили, что регуляция редуктазы и рецепторов ЛПНП в клетках происходит в унисон, то рассудили, что соединения, ингибирующие фермент редуктазу, также должны повышать уровень рецепторов ЛПНП. А в таком случае, если количество рецепторов ЛПНП в клетках повысится, эти рецепторы выведут из кровотока еще больше ЛПНП, снизив тем самым уровень ЛПНП-холестерина в крови, что критически важно при лечении сердечных заболеваний.
Чтобы проверить такую возможность, Браун и Голдштейн приобрели в «Мерк» небольшое количество ловастатина и стали давать его собакам. Действительно, у собак увеличилось и количество рецепторов ЛПНП, и клиренс ЛПНП в кровотоке. Результаты убедили Брауна и Голдштейна, что препарат может чистить человеческие сосуды и снижать уровень ЛПНП, но и «Мерк», и «Санкё» остановили исследования из-за данных об образовании опухолей у собак.
Голдштейн отправился в Японию и навестил Эндо, который к тому времени уже покинул «Санкё» и работал в токийском университете Ноко. Эндо сообщил Голдштейну, что, на его взгляд, никаких опухолей у собак не было – патофизиологи просто неверно интерпретировали увиденное. Он считал, что в кишечнике у собак просто скапливались большие количества неусвоенного лекарства. Эндо полагал, что аномалии – просто побочный эффект, так как собакам давали очень большие дозы препарата по сравнению с теми, что предполагалось назначать людям. Голдштейн также замечал странные структуры в клетках, испытавших воздействие очень высоких доз компактина. Возможно, опасения о токсичности компактина оказались преувеличены?
Голдштейн и Браун стремились выяснить, могут ли ингибиторы редуктазы в самом деле давать терапевтический эффект при лечении людей – особенно тех, кто подвержен максимальному риску, например пациентов с семейной гиперхолестеринемией. Поэтому они подключили к работе двух врачей, Дэвида Билхаймера и Скотта Гранди, и решили проверить, может ли ловастатин снизить уровень ЛПНП. Для этого было решено провести небольшое клиническое исследование на шестерых пациентах с семейной гиперхолестеринемией, имевших высокие уровни холестерина и ЛПНП. Как рассчитывали и надеялись ученые, благодаря лечению ловастатином увеличилось количество рецепторов ЛПНП, а уровень ЛПНП-холестерина снизился примерно на 27 %.
Воодушевившись этими результатами, Браун и Голдштейн написали Вагелосу в «Мерк». Они объяснили, как лечение «отменяет генетический дефект», связанный с недостатком рецепторов ЛПНП у пациентов с семейной гиперхолестеринемией, и предложили совершенно новаторский подход к лечению генетических заболеваний. «Можно не заменять гены, а пользоваться принципами регуляции, чтобы хорошие гены работали усерднее», – утверждали они. На тот момент прошло 10 лет после открытия компактина и три года с тех пор, как «Мерк» и «Санкё» отказались от разработки ингибиторов редуктазы. Голдштейн и Браун убеждали Вагелоса и «Мерк» возобновить эти работы «в кратчайшие сроки».
Через несколько месяцев в «Мерк» перезапустили большое клиническое исследование ловастатина, но только на пациентах из группы высокого риска, имевших запредельные уровни холестерина и страдавших сердечными заболеваниями. Функционеры по-прежнему опасались, что ловастатин обладает канцерогенными или иными токсическими свойствами. Новый директор по базовым исследованиям в компании «Мерк» доктор Эдвард Школьник полагал, что ловастатин может оказаться очень важным лекарством, если эти опасения удастся устранить, поэтому собрал группу, которой поручил провести комплексное исследование токсичности препарата. Браун и Голдштейн очень обрадовались, что Школьник подключился к проекту и стал отстаивать препарат, – все трое познакомились, еще когда работали в Общеклинической больнице штата Массачусетс. Позже Голдштейн и Школьник трудились в одной лаборатории в NIH, где крепко подружились. Вместе с бывшими коллегами Школьник отправился в Техас, чтобы максимально подробно разобраться в регуляции холестерина.
Голдштейн и Браун предложили продуманный эксперимент, который позволил бы определить, возникают ли поражения слизистой у животных непосредственно из-за действия препарата, либо их причина – в передозировке, что легко предотвратить. К восхищению Школьника, их гипотеза сработала как заклинание; никаких язв не возникло, канцерогенные процессы также отсутствовали. Школьник больше не сомневался, что ловастатин можно смело назначать людям.
Спустя два года исследований удалось выяснить, что ловастатин снижает уровень холестерина в плазме и в ЛПНП на 20–40 %. «Мерк» подала заявку на регистрацию препарата, и в августе 1987 г. она была одобрена FDA (Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов).
Но даже с учетом хороших клинических результатов и одобрения FDA врачи по-прежнему серьезно сомневались в общей полезности препарата. В конце концов, цель лечения заключалась не в снижении уровня холестерина, а в снижении смертности. Чтобы проверить полезность статинов в долгосрочной перспективе, «Мерк» впоследствии организовала пятилетнее исследование с участием 4444 пациентов, применив статин следующего поколения (симвастатин, также называемый «Зокор»). Результаты превзошли все ожидания: исследование показало ошеломительное снижение смертности от коронарных заболеваний на 42 %.
Учитывая столь явную полезность препарата, статиновая революция стала раскручиваться по полной. Во многом благодаря применению этих лекарств смертность от сердечных заболеваний в США с тех пор, как Ансел Киз забил тревогу о холестерине, снизилась почти на 60 %.
Эта революция не могла бы состояться без открытий Брауна и Голдштейна, распознавших основные законы регуляции холестерина, без оригинальной идеи Эндо – искать естественные ингибиторы редуктазы в плесени, а также без упорства руководителей «Мерк» и горстки врачей.
В 1985 г. Браун и Голдштейн за свои достижения разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине (рис. 4.2). Вагелос в 1985 г. стал главным исполнительным директором «Мерк», и следующие 10 лет в истории компании были отмечены удивительными инновациями и коммерческим успехом.
А что Эндо? Оказалось, что Эндо не получил ни копейки за свое изобретение, долгое время его вклад в разработку статинов оставался непризнан. Эта ошибка была частично исправлена в 2003 г., когда в Киото состоялся симпозиум в честь Эндо, приуроченный к 30-летию открытия компактина. В своем посвящении Браун и Голдштейн отметили: «Без Эндо статины, возможно, так и не были бы открыты… Миллионы людей, чья жизнь продолжается благодаря статиновой терапии, обязаны этим Акире Эндо и тому, что он исследовал вытяжку из примитивных грибов».
Рис. 4.2
Джозеф Голдштейн и Майкл Браун. Фотография сделана в тот день, когда было объявлено, что они совместно получат Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1985 год
Фотография публикуется с разрешения Джозефа Голдштейна
Глава 5. Заклинившие акселераторы и отказавшие тормоза
Рак будет побежден не из-за жалости к больным и не из страха перед болезнью, а из любопытства – узнать, как и почему он возникает.
Герберт Уэллс
Велосипед в кампусе – дело обычное, поэтому студенты могли и не обратить внимания на один красный велик, каждый день пересекавший кампус Чикагского университета. Но если бы они присмотрелись более внимательно, то с удивлением заметили бы, что едет на нем элегантная седовласая женщина. Однако и тогда они бы не догадались, что этой заправской велосипедистке 88 лет и что она, бабушка пятерых внуков, – одна из наиболее прославленных американских ученых, незадолго до того удостоенная высочайшей гражданской награды в стране – Президентской медали Свободы.
Но Джанет Дэвисон Роули была именно такой. Важнейшее достижение Роули, одной из первых исследовательниц рака, было таково: именно она доказала, что рак является генетическим заболеванием. Хотя она занималась исследованием значительно более сложных проблем, чем метаболизм сахара у бактерий или регуляция холестерина у человека, она пользовалась тем же научным методом, что Моно и Жакоб, Браун и Голдштейн, а именно – определила ситуацию, в которой законы регуляции нарушаются, и выяснила, почему это происходит. Ее прорыв позволил по-новому объяснить рак и создать новый спасительный препарат.
Рис. 5.1
Джанет Роули по дороге в лабораторию
Фотография Дэна Драя. Публикуется с разрешения University of Chicago Magazine
Хромосомы и бумажные куклы
Джанет Дэвисон росла в Чикаго в годы Великой депрессии. Денег не хватало, семья была вынуждена часто переезжать из одного района в другой, поэтому маленькая Джанет сменила много школ. Из-за нужды она не могла позволить себе никаких роскошеств или экзотических увлечений. Отец познакомил ее с филателией, и девочка хорошо научилась анализировать мелкие детали. В юном возрасте она уже подмечала тонкие различия между выпусками, будь то период выпуска или другие характерные признаки. Она продолжала увлекаться филателией, и когда повзрослела, а умение распознавать закономерности впоследствии очень ей пригодилось.
Проучившись в старших классах всего два года, Дэвисон выиграла стипендию на обучение по специальной программе в Чикагском университете, что позволило ей в 15-летнем возрасте поступить в университет, а затем закончить курс высшей школы и получить степень бакалавра одновременно. Дэвисон преуспела в этой атмосфере требовательности и отзывчивости, серьезно заинтересовалась биологией и медициной. Затем она подала заявку в медицинскую школу при университете и получила возможность там учиться. Но в 1944 г. девушки могли попасть на эту специальность лишь по квоте: всего три места на курсе из 65 человек. Квота уже была заполнена, поэтому Дэвисон решила выждать год. Эта пауза не слишком ей помешала – ведь когда Дэвисон поступила на медика, ей было всего 20. Она получила степень по медицине в 1948 г. и на следующий день после вручения дипломов вышла замуж за сокурсника Дональда Роули.
Хотя Дэвисон (теперь – доктор Роули) в очень юном возрасте закончила обучение и практику, исследовательской карьерой она занялась много позже. Поступая в медицинскую школу, она хотела состояться как жена и мать, считала, что профессия врача (частичная занятость) будет ей интересна. Итак, по окончании интернатуры они с Дональдом вплотную занялись семьей. Роули воспитывала четырех сыновей, а по паре дней в неделю работала в различных клиниках – сначала в Мэриленде, а затем вновь в Чикаго.
Среди первых клиник в ее карьере была такая, где лечили детей с отклонениями в развитии. В 1959 г., всего через пару лет после определения точного количества хромосом у здорового человека (46), удалось установить, что у детей с синдромом Дауна есть лишний экземпляр 21-й хромосомы. Роули, хотя и не проходила курс генетики, очень заинтересовалась наследованием генетических заболеваний. Проработав в этой клинике несколько лет, она решила взяться за более серьезные исследования.
Вскоре такая возможность представилась, когда Дональд собрался провести годичный творческий отпуск в Оксфордском университете и поработать с Говардом Флори, который в свое время делил палатку с Чарльзом Элтоном, а в 1945 г. стал одним из лауреатов Нобелевской премии за разработку пенициллина. Роули поняла, что за год пребывания в Англии она может научиться анализировать хромосомы, а затем применить этот опыт на основной работе в Чикаго. В те годы исследования велись так: брали кровяные клетки, выращивали их в присутствии помеченного радиоактивными изотопами предшественника ДНК, а затем фотографировали радиоактивные хромосомы на чувствительную пленку. Такая процедура позволяла точно подсчитывать хромосомы и выявлять грубые отклонения, но с ее помощью было сложно различить детали, которыми одни хромосомы отличались от других.
Роули достаточно хорошо изучила этот метод, даже была соавтором статьи, в которой анализировалось копирование хромосом при делении клеток. Вернувшись в Чикаго, она решила не продолжать работу в клинике, а заняться исследованиями. Имея в активе всего одну научную статью, она обратилась к доктору Леону Джейкобсону, директору Аргоннского онкологического исследовательского госпиталя, который ранее работал главным врачом в команде ученых Чикагского университета, занятых в Манхэттенском проекте.
«Я начала в Англии исследовательский проект и хочу его продолжить. Можно у вас поработать в порядке частичной занятости? – объяснила Роули. – Мне понадобится только микроскоп и проявочная. Кстати, вы будете мне платить? Я должна буду платить няне».
Джейкобсон согласился, и Роули занялась изучением хромосом людей, страдавших различными заболеваниями крови. В клетках некоторых пациентов она находила лишние хромосомы, в других хромосом не хватало, но она не могла определить, какие именно хромосомы предопределяют болезнь. Так продолжалось до тех пор, пока не появился новый метод окрашивания хромосом, при котором использовался флуоресцентный краситель, позволявший различать такие детали. Роули познакомилась с этой техникой во время еще одного творческого отпуска, проведенного в Англии. Вернувшись домой, она стала подробнее изучать образцы крови пациентов, больных лейкемией.
В начале 1972 г. она обнаружила нечто необычное в клетках двух пациентов, страдающих острой миелоидной лейкемией: казалось, что фрагменты двух разных хромосом (8-й и 21-й) оторвались от них и поменялись местами. Такое явление называлось транслокацией, и тот факт, что одинаковая перестановка произошла у двух пациентов с одинаковым типом рака, был поразителен.
Тогда уже было хорошо известно, что в раковых клетках есть лишние хромосомы или каких-то хромосом недостает. Но более внимательный осмотр показал, что многие виды раковых клеток довольно сильно отличаются друг от друга. Поскольку в них не прослеживались какие-либо устойчивые закономерности, хромосомные аберрации обычно считались следствием, а не причиной рака. Действительно, идея о том, что у рака могут быть конкретные генетические причины, не получила широкого признания. Когда в 1966 г. Пейтон Роус получил Нобелевскую премию за открытие вируса, вызывавшего рак у кур, он заявил: «Существует мнение, что онкогены (гены, вызывающие рак) вызывают изменения в генах клеток… но многочисленные факты, рассматриваемые в комплексе, решительно исключают такую гипотезу».
Роули воодушевилась. Возможно, те самые изменения, которые она наблюдала в хромосомах двоих пациентов с лейкемией, могли быть причиной заболевания? Она написала об этом короткую статью и отправила ее в ведущее издание New England Journal of Medicine («Медицинский журнал Новой Англии»). Статью не приняли. Когда Джанет попыталась выяснить почему, ей ответили, что открытие было сочтено «незначительным». Тогда она отправила работу в малоизвестный французский журнал Annales de Gntique («Анналы генетики»), где ее опубликовали.
Вскоре после этого Роули стала изучать клетки пациентов, страдавших другим видом рака – хроническим миелоидным лейкозом (ХМЛ). Работая дома в «свободные» дни, она исследовала особенности их хромосом. Фотографировала окрашенные препараты, вырезала из снимков отдельные хромосомы, наклеивала их на макулатурной бумаге и раскладывала прямо на обеденном столе. Хромосомы существуют парами, многие из них соединены в центральной части двумя длинными «плечами», направленными вверх и вниз. Мальчишки поддразнивали мать, что та играет с бумажными куклами.
За много лет до этого двое исследователей из Филадельфии обнаружили, что в некоторых клетках у пациентов с ХМЛ 22-я хромосома до странности маленькая. Такую хромосому назвали «филадельфийской». Когда Роули внимательно рассмотрела клетки ХМЛ, применив новые методы окрашивания, она обнаружила, что 9-я хромосома в трех образцах длиннее, чем должна быть. На самом деле, недостающая часть 22-й хромосомы путем транслокации попадала в 9-ю хромосому. Таким образом, генетическая информация в клетках ХМЛ на самом деле не отсутствовала, как полагали ранее, она просто находилась не в том месте (рис. 5.2).
Имея на руках три независимых случая транслокации 9-й и 22-й хромосом, исследовательница отправила отчет о своих находках в Nature, ведущий международный научный журнал. Редакторы отвергли статью на том основании, что транслокация могла быть лишь проявлением нормальной изменчивости в человеческой популяции.
Тем временем Роули исследовала хромосомы других клеток из образцов крови пациентов: в этих клетках оказалось по 46 нормальных хромосом. Транслокация была специфична именно для раковых клеток. Более того, Роули обнаружила еще несколько независимых случаев – всего девять – такой же транслокации у пациентов с ХМЛ. Эта аномалия не могла быть совпадением. Дополнительные данные убедили редколлегию, и журнал Nature все-таки опубликовал статью летом 1973 г.
Рис. 5.2
Изменения хромосом при лейкемии. Джанет Дэвисон Роули заметила, что в клетках больных хроническим миелоидным лейкозом 22-я хромосома не слишком маленькая, просто ее кончик попадает в 9-ю хромосому
Иллюстрация воспроизведена с разрешения Рут Мак-Киннон (Ruth Mac-Kinnon) http://scifundchallenge.org/firesidescience/2013/11/11/philadephia-the-birthplace-of-cancer-genetics/
Открытые Роули хромосомные изменения при двух типах лейкемии, специфичные, но все-таки разные, были серьезными доказательствами в пользу того, что по крайней мере некоторые виды рака обусловлены конкретными, возможно, уникальными генетическими мутациями. Обнаруженные ею транслокации ставили массу вопросов. Существуют ли другие подобные транслокации? Как они провоцируют рак? Эти вопросы не давали Роули покоя. Внезапно ее «приработок» стал самой интересной частью жизни. В нарушение ее давних планов и к ее собственному удивлению, карьера и исследования переместились с периферии в самый центр ее жизни, когда самой Роули было уже 48. Она стала ездить в лабораторию на велосипеде, работая по пять дней в неделю.
Вскоре Роули обнаружила другую транслокацию – между 15-й и 17-й хромосомами, – характерную для острого промиелоцитарного лейкоза. Другая исследовательская группа открыла транслокацию при лимфоме Бёркитта.
Транслокация означает, что воедино сливаются два фрагмента ДНК, которые ранее не были смежными. Роули подозревала, что новое наложение двух генов должно быть важнейшим фактором возникновения рака. Но в середине и конце 1970-х геном человека (ДНК всех 23 хромосом, где содержатся все наши гены) был настоящей terra incognita. Выявить гены, вовлеченные в процесс, а тем более понять, как их транслокация вызывает рак, казалось практически невозможным. Так было до тех пор, пока не случились удивительные открытия, связанные с совершенно иным направлением исследований.
Как найти гены рака
Если влияние хромосомных изменений на возникновение рака вызывало скепсис, причем немалый, то роль вирусов в этом процессе казалась еще более сомнительной. В 1910 г. ученый Пейтон Роус из Института Рокфеллера обнаружил вирус, способный вызывать саркому у кур. Однако это открытие было воспринято очень скептически, да и самому ученому оставалось лишь утверждать, что онкогенный вирус действительно существует, поэтому он забросил это направление исследований. Вернуться к нему удалось лишь десятилетия спустя, когда оказалось возможно рассмотреть вирус в мощный электронный микроскоп, а у животных были выделены другие онкогенные вирусы. Только тогда существование таких вирусов стало общепризнанным. Итак, между открытием Роуса и присуждением Нобелевской премии за него прошло 56 лет. Но поскольку у человека такие вирусы обнаружены не были, их роль в заболеваемости людей оставалась в лучшем случае неясной.
Тем не менее существование онкогенных вирусов у животных давало потенциально важные подсказки о том, каковы закономерности развития рака. Одно из основных преимуществ, связанных с изучением таких вирусов, как RSV (вирус саркомы Роуса), заключалось в их простоте. У RSV было всего несколько генов, и возникал вопрос: какие из них вызывают рак?
Важнейшую деталь обнаружил Стив Мартин, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, который выделил мутантный RSV, способный воспроизводиться в клетках, но не превращавший их в раковые. Соответствующая мутация возникла всего в одном из четырех генов этого вируса, который называется src (произносится «сарк»). Поскольку нормальный ген src у вируса был необходим для запуска рака, src назвали вирусным онкогеном (геном, вызывающим рак). Но что мог поведать ген куриного вируса о возникновения рака вообще и в частности у людей?
Основное открытие, связанное с опухолевыми вирусми, было сделано еще одним тандемом врачей, учившихся в NIH, – однокашниками Голдштейна и Брауна Харолдом Вармусом и Дж. Майклом Бишопом. Вармус изучал в NIH ту самую систему регуляции ферментов, которую впервые стали исследовать Моно и Жакоб. Бишоп изучал вирус полиомиелита. Тандем возник, когда в 1970 г. Вармус начал работать в лаборатории Бишопа при университете Сан-Франциско, там он собирался исследовать опухолевые вирусы, RSV в частности. В дальнейшем у Вармуса и Бишопа была общая лаборатория.
Открытие гена src побудило Вармуса и Бишопа задуматься о происхождении подобного гена. Он не требовался вирусу для инфицирования клеток и размножения в них. Если ген не нужен вирусу для распространения, то почему он существует, откуда взялся? Возможно, рассуждали они, это мог быть клеточный ген, который вирус случайно захватил на каком-то этапе эволюции. В таком случае ген src мог найтись в нормальных куриных клетках.
До эры развития генной инженерии объявить о поиске такого гена было гораздо проще, чем осуществить сам поиск. Прошло почти четыре года, прежде чем удалось поставить критически важный эксперимент, в котором меченный радиоактивными изотопами «зонд» ДНК, представлявший собой вирусный ген src, использовался для поиска подобного гена в ДНК нормальных клеток. Первые результаты, пролившие свет на эту проблему, получил в октябре 1974 г. постдок Доминик Стеэлен. Действительно, в куриных клетках был подобный ген src. Его назвали «c-src» (от «клеточный src»), чтобы отличать от v-src, вирусного онкогена. Вскоре c-src нашли у других птиц, в том числе у уток, индеек и даже эму.
Но ген c-src встречался не только у птиц. Вармус, Бишоп и их коллега Дебора Спектор нашли этот ген и у млекопитающих, в том числе у людей. Его наличие у других животных показывало, что c-src – древний ген, существующий несколько сотен миллионов лет.
Что бы это значило? Вармус и Бишоп обдумывали удивительные возможности. Во-первых, длительная эволюционная родословная c-src указывала, что он выполнял какую-то задачу в нормальных клетках. Во-вторых, близкое сходство между c-src и v-src подсказывало, что онкогенный вирус RSV мог приобрести ген v-src, подхватив копию c-src, но при этом изменив его так, что новая разновидность гена стала провоцировать рост опухолей.
Все-таки src представлял собой единичный случай. Существовали ли другие вирусные онкогены, у которых были клеточные аналоги? Их поиск превратился в гонку. Очень скоро было открыто несколько вирусных онкогенов у различных опухолевых вирусов, инфицировавших кур, мышей или крыс, а их аналоги имелись не только у вида-хозяина, но и у других животных, а также у людей. Гены myc, abl и ras дополнительно подтвердили, что вирусные онкогены происходят от нормальных клеточных генов, так называемых «протоонкогенов».
К концу 1970-х казалось, что формируются два солидных, но невзаимосвязанных «досье» о происхождении рака. Существование вирусных онкогенов и клеточных протоонкогенов убедительно объясняло, как вирусы могут вызывать рак, но только у животных. Демонстрация характерных хромосомных изменений при некоторых видах человеческого рака была красноречивой, но ограничивалась лишь некоторыми типами опухолей, причем было неизвестно, какими именно генами вызваны эти изменения. Каким образом можно было объединить два этих «досье»?
Способ был, и он позволил понять, почему природа рака связана с регуляцией.
Нарушение законов регуляции
Среди самых первых вирусных онкогенов и клеточных протоонкогенов, открытых после src, был ген v-abl, вызывавший у мышей лейкоз Абельсона, а также его клеточный аналог, ген c-abl. Подобно c-src и другим, c-abl также присутствует в человеческом геноме. Когда ученые выяснили, что ген c-abl относится к 9-й человеческой хромосоме и та же хромосома участвует в транслокации, описанной Роули при ХМЛ, они задумались: могут ли быть связаны эти факты? Возможно ли, что у больных ХМЛ 9-я хромосома повреждалась вблизи от гена c-abl?
Это было весьма смутное предположение. Хромосомы очень велики, в каждой содержится около 1000 генов. C-abl мог оказаться в любом участке хромосомы. Команда голландских и английских ученых взялась исследовать клетки с филадельфийской хромосомой (22-й). Они были просто поражены, выяснив, что ген c-abl из 9-й хромосомы действительно переместился в 22-ю хромосому (рис. 5.3, слева).
Далее открывалась захватывающая перспектива: возможно, ген c-abl непосредственно причастен к возникновению рака у человека. Чтобы подробнее выяснить, что происходит с геном c-abl в ХМЛ-клетках, исследователи выделили ту часть 22-й хромосомы, которая накладывалась на ген c-abl. Примечательно, что у 17 разных пациентов ген c-abl переместился практически в одну и ту же точку 22-й хромосомы. Итак, характерным признаком рака являлась не только транслокация из 9-й хромосомы в 22-ю, но и то, что склеивание участков происходило практически в одном и том же месте. Это подсказывало, что там, где ген c-abl попадал в 22-ю хромосому, происходило нечто очень важное. Дальнейшие исследования показали, что ген c-abl сливался с другим геном под названием bcr (это аббревиатура, означающая «кластер точек разрыва»). В результате объединенный ген кодировал аномальный белок, в котором «головная» часть белка c-abl сливалась с «хвостом» белка bcr (см. рис. 5.3 справа).
Рис. 5.3
При слиянии двух генов образуется онкоген, вызывающий рак. В клетках, пораженных хроническим миелоидным лейкозом, ген abl из 9-й хромосомы сливается с геном bcr 22-й хромосомы; гибридный ген кодирует аномально активный белок
Иллюстрация Лиэнн Олдз
Каким-то образом такое слияние превращало нормальный протоонкоген в смертельный онкоген. Этот механизм стал понятен, когда исследователи сравнили действие нормального белка c-abl и слившегося белка bcr/abl. Белок c-abl относится к классу так называемых тирозинкиназ, которые добавляют к белкам фосфатные группы. Добавление и удаление фосфатов – один из распространенных способов регуляции действия белка, то есть переключения его из неактивного в активное состояние и наоборот. Многие киназы входят в состав химических «реле», передающих информацию из внеклеточного пространства во внутренние механизмы, определяющие, что делать клетке: делиться, дифференцироваться или отмирать. В здоровых клетках тирозинкиназа c-abl обычно малоактивна. Но активность слившегося белка bcr/abl гораздо выше. В результате объединения возникает мутантный фермент, который, подобно конститутивным мутантам из опытов Моно и Жакоба, постоянно «включен».
В таком случае лейкоз – болезнь, связанная с регуляцией. При ХМЛ нормальный контроль над делением лейкоцитов нарушается из-за мутантного белка bcr/abl. Гиперактивный белок выводит из строя многочисленные клеточные «реле», которые застывают в состоянии «вкл», как будто заклинившая педаль газа в автомобиле. Оказывается, мутации в нескольких десятках других онкогенов, связанные со множеством других видов рака, по-видимому, также дают подобный общий эффект; поэтому причины рака связаны с регуляцией.
Хотя открытие онкогенов и того, как они действуют, стало прорывом в понимании механизмов рака, это была всего лишь половина генетической истории онкологии. Возможно, дочитав книгу до этого места и учитывая все, что было сказано о логике регуляции, вы уже догадываетесь, какова вторая половина этой истории. Разумеется, машина может потерять управление не только из-за заклинившего акселератора. Каков второй механизм? (Подсказка: вспомните об отрицательной регуляции и регуляторном законе двойного отрицания.)
Такой же эффект возможен, если нога соскользнет с тормоза либо если перерезать тормозной контур. Исследователи выяснили, что, действительно, отказ генетических «тормозов» – очень распространенный механизм развития рака.
Супрессоры опухолей
Первый генетический «тормоз», который удалось открыть, был связан с редким глазным раком, который называется ретинобластома. Это заболевание обычно развивается у маленьких детей, а иногда является семейным. Важнейшим ключом к генетической тайне ретинобластомы было то, что в некоторых случаях теряется участок обеих копий 13-й хромосомы; это означает, что утрата обеих копий какого-то гена – основной фактор образования ретинобластомы. Ситуация отличается от случаев с онкогенами, когда толчком к развитию рака становится изменение одной копии гена (например, bcr/abl).
На языке генетики можно сказать, что онкогенные мутации являются доминантными, так как они действуют, даже если нормальный протоонкоген не поврежден. Напротив, мутация при ретинобластоме является рецессивной – чтобы началась болезнь, должны измениться обе копии гена. По-видимому, исправная работа недостающего гена – необходимое условие для предотвращения или подавления опухоли, поэтому такой ген был назван опухолевым супрессором.
В результате подробного изучения той части ДНК, которой не хватало у больных ретинобластомой, удалось идентифицировать ген ретинобластомы (под названием Rb). Разумеется, функциональный Rb не вызывает рак, онкология – это следствие потери или изменения данного гена. Детальное исследование белка Rb показало, что в нормальном виде от него зависит важнейшая регуляция клеточного жизненного цикла. Чтобы разделиться, клетка должна скопировать свою ДНК, а потом превратиться в две клетки. Этот процесс жестко регулируется, а протекает в несколько этапов. Rb играет в начале этого цикла роль важной контрольной точки, блокируя репликацию ДНК. В таком случае при утрате обеих копий гена Rb репликация клеток может продолжаться бесконтрольно.
Rb – не единственный опухолевый супрессор, уже выявлено около 70 таких генов. Кроме того, мутации Rb связаны не только с ретинобластомой, они встречаются и при других видах рака, например при остеосаркоме и раке легких.
Более того, Rb может выключаться не только в результате мутаций. Работа белка Rb регулируется добавлением фосфатных групп, за что отвечают протеинкиназы. Rb тем активнее, чем меньше он фосфорилирован, а при высокой фосфорилированности он перестает работать. Прямое или косвенное воздействие многих онкогенных белков, в том числе bcr/abl, заключается в усилении фосфорилизации Rb, из-за этого активность Rb ингибируется, и клетки могут постоянно делиться. На самом деле Rb отключается при многих, а возможно, и при всех видах рака у человека.
Здесь мы вновь сталкиваемся с определенной отрицательной регуляцией и уже знакомым нам регуляторным законом двойного отрицания. В приницпе, Rb тормозит деление клеток. Таким образом, рост клеток возможен лишь при ингибировании этого репрессора. Но при выключении (слева) или утрате (справа) гена Rb клетки могут постоянно де литься.
Роль Rb замечательно согласуется с размышлениями Моно и Жакоба, которые десятилетиями ранее полагали, что причиной рака может быть отключение репрессора деления клеток (см. главу 3).
Теперь, зная, как мутации определенных генов нарушают законы регуляции клеточного роста, мы сталкиваемся с вызовом: как (если это возможно) затормозить деление раковых клеток.
Логическая терапия и рациональные лекарства
Десятилетиями рак пытались лечить хирургически, облучением и смесями препаратов, убивающих делящиеся клетки. Химиотерапия является неизбирательным инструментом, она не нацелена на раковые клетки как таковые, поэтому эффективность химиотерапии не гарантирована, а еще такая терапия чревата многочисленными опасными побочными эффектами. Давняя надежда, связываемая с онкологическими исследованиями, – разработать более эффективные и безопасные варианты лечения, нацеленные против конкретного вида рака, которым страдает человек. Эта надежда уже становится реальностью. Один из первых препаратов этого нового класса называется иматиниб. Он борется с той самой мутацией, которую Джанет Роули заметила, разложив снимки перед собой на обеденном столе.
Как и многие первопроходцы, иматиниб несколько раз чуть не сгинул на пути к цели. Действительно, прослеживаются поразительные параллели между историей иматиниба и разработкой первого статина. Но вновь благодаря врачам, видевшим необходимость в препарате и неустанно стимулировавшим работу над ним, эти исследования завершились головокружительным клиническим успехом, изменившим историю медицины.
При транслокации bcr/abl возникает гиперактивная протеинкиназа, вызывающая отключение репрессора Rb, что в свою очередь приводит к неконтролируемому делению клеток. Требовалось лекарство, которое бы справилось с законом двойного отрицания ХМЛ, то есть ингибировало бы bcr/abl и не позволяло ферменту-предателю творить свое черное дело.
Ник Лайдон и Алекс Маттер, двое ученых из фармацевтической компании Ciba-Geigy, расположенной в швейцарском Базеле, определили, что, поскольку многие гены кодируют измененные киназы, ингибиторы ферментов могут блокировать рост раковых клеток. В отличие от Эндо, они не стали искать такое средство в природе, не стали действовать и принятым в фармакологической индустрии методом проб и ошибок, а воспользовались методом «рационального проектирования» и стали разрабатывать такие молекулы, которые входили бы в активный центр киназы, как ключ в замок, и блокировали его, закрывая доступ для настоящего «ключа». Потратив годы на химический синтез и опыты, они получили несколько перспективных соединений, в том числе и такую молекулу, которая ингибировала нормальную киназу c-abl.
Чтобы выяснить, будут ли какие-либо из этих соединений действовать на клетки ХМЛ, Лайдон показал их знакомому врачу. Этот врач, Брайан Дракер из Орегонского университета медицинских наук в Портленде, не только очень интересовался потенциальными ингибиторами киназы bcr/abl, но и (что очень важно) имел доступ к клеткам ХМЛ-пациентов. Дракер обнаружил, что одно из соединений, полученных от Лайдона, в очень низких концентрациях убивало лишь клетки ХМЛ, а обычные клетки не затрагивало.
Дракер, Лайдон и Маттер были воодушевлены результатами, однако фармкомпания полагала, что рыночные перспективы ХМЛ-специфичного препарата сомнительны. Ученым потребовалось более года, чтобы убедить руководство продолжить испытания на животных. Затем первые токсикологические опыты на собаках вызвали подозрение, что препарат небезопасен для людей при внутривенном введении. Вскоре после этого произошло слияние Ciba-Geigy с фармацевтической компанией Sandoz, и возникла новая компания Novartis. После слияния компаний разработка препарата приостановилась, и Лайдон уволился.
В конце концов ученые Novartis опробовали на животных пероральную форму лекарства, но результаты вновь получились противоречивыми. Один токсиколог сказал Маттеру: «Если вы собираетесь колоть это человеку, то только через мой труп».
Однако Дракер не отступил. Прогноз у его пациентов был суровый – от четверти до половины всех больных умирали в течение года после постановки диагноза, а те терапевтические возможности, которыми он располагал, позволяли по крайней мере выиграть время. Дракер полагал, что любые проблемы с токсичностью решаемы, если тщательно наблюдать пациентов и контролировать дозировку. Он уговорил Маттера «не губить лекарство». Маттер продолжал убеждать руководство в необходимости препарата. Наконец Даниэль Васелла, новый исполнительный директор Novartis, санкционировал клинические испытания на людях. Исследование началось в июне 1998 г., спустя почти пять лет после того, как Дракер впервые опробовал препарат на клетках ХМЛ в лаборатории.
Дракер и два других врача стали давать малые дозы препарата небольшой группе пациентов с ХМЛ, постепенно увеличивая дозировку и отслеживая как ход болезни, так и потенциальные побочные эффекты. Основным индикатором полезности было бы снижение количества лейкоцитов: как правило, в микролитре крови должно быть 4000–10 000 лейкоцитов, а у пациентов с ХМЛ этот показатель достигал 100 000–500 000 клеток. Низкие дозы не действовали. Затем, когда доза была увеличена, у некоторых пациентов уровень лейкоцитов снизился до нормального. Анализ крови показал, что также уменьшилась доля клеток с филадельфийской хромосомой. Препарат попадал в цель.
Novartis бросила все силы на разработку препарата. Испытания были расширены, дозы увеличены, а пациентов наблюдали в течение девяти месяцев. У 97 % пациентов, получавших максимальную дозу препарата, уровень лейкоцитов нормализовался, обычно на это требовалось от одного до полутора месяцев. Три четверти пациентов избавились от раковых клеток, содержавших филадельфийскую хромосому. Эти результаты были не просто хорошими, а грандиозными, беспрецедентными в истории химиотерапии. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) рассмотрело препарат вне очереди и менее чем через три месяца, в мае 2001 г., одобрило его.
Благодаря иматинибу прогноз при лечении ХМЛ-пациентов радикально улучшился. Долгосрочная выживаемость (более восьми лет) была достигнута для 90 % пациентов – до появления препарата этот показатель составлял около 45 %. Несмотря на опасения компании, лекарство стало для Novartis золотой жилой в течение 10 лет выручка от продажи препарата составила почти 28 млрд долл. В 2012 г. Лайдон, Дракер и Роули были удостоены престижной Японской премии за свой вклад в изучение и лечение ХМЛ.
Рациональный подход к лечению ХМЛ привел к впечатляющему успеху. Но «Гливек» – всего одно лекарство, bcr/abl – всего один онкоген, а ХМЛ – конкретная разновидность рака. Что делать и как быть с остальными онкологическими заболеваниями?
Знай врага в лицо
Тело взрослого человека состоит примерно из 37 трлн клеток, которые подразделяются более чем на 200 типов. Для производства таких разнообразных клеток и для того, чтобы все они существовали в нужном количестве, требуется серьезная регуляция. Кроме того, при этом должны копироваться триллионы длинных молекул ДНК. При копировании ДНК случаются ошибки. Большинство таких мутаций безвредны, но некоторые могут обернуться катастрофой. Понимание того, почему при том или ином виде рака возникают конкретные мутации, – ключ к более точной диагностике и целевой терапии.
Технология анализа рака шагнула далеко вперед с тех пор, как Джанет Роули вырезала снимки отдельных хромосом и раскладывала их на столе. Благодаря прогрессу, позволившему ускорить и удешевить секвенирование ДНК, врач может заглянуть в любую опухоль и оценить целостность каждого гена. Изучая тысячи опухолей во всевозможных тканях, исследователи составили каталог генетических мутаций. При поиске генов, которые часто мутируют (или утрачиваются) при каждом виде рака, удалось идентифицировать большинство генов, обычно способствующих возникновению рака.
Важнейший вывод, сделанный на основании этих исследований, – лишь малая толика человеческих генов связана с раком. Человеческий геном состоит примерно из 20 000 генов, и всего 140 из них часто мутируют; причем эта группа примерно поровну состоит из онкогенов и опухолевых супрессоров. В принципе, такая цифра выглядит оптимистичной для исследователей, врачей и пациентов, поскольку сужает количество тех «врагов», с которыми нам нужно разобраться. Тем лучше, что нам многое известно о том, какую полезную функцию выполняет каждый из этих генов – практически все они относятся примерно к десяти хорошо изученным «релейным системам» или к биохимическим «путям», регулирующим дифференцирование или выживаемость клеток.
Исследования также показывают, что при большинстве видов рака мутации возникают в двух – восьми из этих 140 генов. Зная, какие гены изменяются при конкретных опухолях, мы можем заново классифицировать их по генетическому строению, соотнести мутации с течением рака и целенаправленно разрабатывать лекарства против этих мутаций. В 1997 г. не было ни одного официально утвержденного препарата, специально нацеленного на лечение раковых мутаций; в 2015 г. было уже более 30 таких лекарств, а еще несколько находились на этапе исследования. Мы укрепляем позиции, но объявлять о победе еще очень рано.
В 2010 г. у Джанет Роули диагностировали рак яичников. В ходе лечения она отправляла коллегам для изучения результаты биопсии и другие образцы своей опухоли. Но 17 декабря 2013 г. она умерла от осложнений. Роули заранее распорядилась о своей аутопсии, чтобы исследователи могли изучить, как прогрессировала ее болезнь.
В эпиграфе к этой главе я поставил цитату из Герберта Уэллса о том, что поможет нам победить рак. Но я пропустил предыдущее предложение из диалога, который присутствует в его романе «Накануне»: «Рак будет искоренен спокойными, неторопливыми, настойчивыми мужчинами и женщинами, которые, зажав в кулак все чувства и эмоции, будут работать в больницах и лабораториях».
Ученых, сделавших важнейшие шаги в борьбе с раком, не назовешь неторопливыми, кроме того, они не обуздывали и не подавляли в себе сострадание и прекрасно понимали неотложность действий…
03
Закон джунглей
Следует изучить популяционную регуляцию – только так мы сможем понять природу и спрогнозировать ее поведение.
Нельсон Хаирстон, Фредерик Смит и Лоуренс Слободкин (1960)
Мы обсудили законы и логику, регулирующие количество определенных молекул и клеток в теле, поговорили о катастрофических последствиях, возникающих при нарушении этих законов. Кроме того, мы увидели, как глубокое знание конкретных законов помогает лечить больных. Теперь я перейду к законам регуляции, действующим в значительно более крупных масштабах – на уровне популяций животных и растений, расскажу, как знание этих законов помогает «вылечить» нездоровые виды и экосистемы.
Основной вопрос был сформулирован Чарльзом Элтоном (глава 2): как регулируется количество и разнообразие животных и растений?
Возьмем, например, великий парк Серенгети. Его биоразнообразие просто поразительно: здесь обитают свыше 70 видов млекопитающих, более 500 видов птиц и целых 100 видов различных навозных жуков. Среди этих животных встречаются редчайшие (дикие собаки), самые быстрые (гепард), самые крупные (африканский слон) и самые многочисленные (гну).
Какие законы регулируют численность столь разных существ?
Хотя на свете и не найти лучшего места, чем Серенгети, но, чтобы оценить масштабы этого вопроса, лучше обратиться к тем местам, где проще сформулировать некоторые основные законы. Искусство биологии – найти простейшую модель феноменов, которые требуется понять – так, как это делали ученые-первопроходцы из предыдущих глав, работая с ферментами или опухолевыми вирусами, – и проводить тщательно контролируемые эксперименты, в каждом из которых работаешь с одной переменной. Богатство бескрайнего нетронутого Серенгети неудобно с научной точки зрения, поскольку очень сложно (но не невозможно) поставить контролируемый эксперимент с мигрирующими гну, львиными прайдами, слоновьими стадами.
Конкретные законы управляют уровнем холестерина и клеточным ростом – есть и два хороших способа открывать такие законы, регулирующие состояние диких популяций. Находишь систему, правила которой можно нарушить экспериментально, и смотришь, что получается, либо находишь ситуацию, в которой система (в данном случае – экосистема) нарушена, и определяешь, почему это произошло.
Чтобы идентифицировать некоторые законы, регулирующие состояние популяций, я сначала расскажу о прорывных открытиях, сделанных в разных частях мира (глава 6), затем исследую, как эти и еще некоторые законы действуют в великом Серенгети (глава 7). Затем я опишу некоторые места, где эти законы были нарушены (глава 8), и расскажу о титанических усилиях, призванных восстановить целые экосистемы (главы 9 и 10).
Ученые-первопроходцы, о которых мы поговорим, открыли набор экологических законов, удивительно схожих с физиологическими законами, описанными выше. На самом деле я специально сначала познакомил вас с положительной и отрицательной регуляцией, законом двойного отрицания и регуляцией по принципу обратной связи на молекулярном уровне. Вам предстоит оценить силу этих законов в грандиозных масштабах.
Глава 6. Все животные равны, но некоторые равнее
Стоит пережать экосистему – и вдруг все ее законы меняются.
Роберт Пэйн
Уже в 1963 г. в США требовалось забраться в самую глушь, чтобы найти не потревоженный человеком уголок. После изрядных поисков Роберт Пэйн, новоиспеченный ассистент-профессор зоологии из Вашингтонского университета (Сиэтл), обнаружил многообещающее местечко на самой северо-западной окраине континентальной части США. Отправившись вместе со студентами в экспедицию по тихоокеанскому побережью, Пэйн очутился в бухте Муккоу на самом кончике полуострова Олимпик. Изрезанная береговая линия, вдоль которой простирались песчаный и гравийный пляжи, была обращена к открытому океану, повсюду виднелись большие скальные выступы. Пэйн открыл среди скал процветающую экосистему. Приливные заводи были полны разноцветных созданий: зеленых морских анемонов, фиолетовых морских ежей, розовых водорослей, ярко-красных тихоокеанских морских звезд, а также губок, блюдечек и хитонов. На каменных склонах отлив обнажал полосы мелких морских желудей и крупных стебельчатых морских уточек. Дно было усеяно черными калифорнийскими мидиями, среди которых попадались очень крупные фиолетовые и оранжевые морские звезды Pisaster ochraceus.
«Ух ты, вот что я искал», – подумал он.
Рис. 6.1
Оранжевая морская звезда Pisaster ochraceus на скалистой литорали, тихоокеанское побережье. Морские звезды охотятся на мидий, благодаря чему другие организмы, в частности бурые водоросли и мелкие животные, также находят себе место в этом сообществе
Снимок публикуется с разрешения Дэвида Коулза rosario.wallawalla.edu/inverts
На следующий месяц, в июне 1963 г., он вновь отправился в четырехчасовое путешествие к Муккоу из Сиэтла: пересек залив Пьюджет-Саунд на пароме, потом поехал по берегу пролива Хуан-де-Фука, ступил на землю племени макахов и, наконец, добрался до бухты Муккоу. Во время отлива он вскарабкался на скалистый выступ. Затем, вооружившись багром и приложив все силы (а ростом Пэйн был под два метра), он сдвинул с мест всех фиолетовых и оранжевых морских звезд, до которых мог дотянуться, а затем прогнал их подальше в бухту.
Так начался один из важнейших экспериментов в истории экологии.
Почему наш мир зеленый?
Путь Пэйна к бухте Муккоу и ее морским звездам был долог и непрост. Пэйн родился и вырос в городе Кембридж, штат Массачусетс. Назвали его в честь предка, Роберта Трита Пэйна, одного из тех, кто подписал Декларацию независимости США. Юный Пэйн полюбил природу, гуляя по лесам Новой Англии. Больше всего ему нравилось наблюдать за птицами, впрочем, за бабочками и саламандрами – не меньше. В эти частые вылазки – поглазеть на птиц – Пэйн отправлялся в компании с соседом, настаивавшим, что нужно подробно записывать, каких птиц они заприметили. Это была хорошая тренировка, и Пэйн настолько поднаторел в наблюдении за птицами, что вскоре стал самым молодым членом элитного Наттоловского орнитологического клуба.
Кроме того, он вдохновлялся трудами знаменитых естествоиспытателей, благодаря которым научился видеть драматизм дикой природы. В молодости он вдохновлялся отрывками наподобие следующего, взятого из книги Эдварда Форбуша «Птицы Массачусетса»:
Однажды зимним днем компания мужчин, будучи в Медфилдских лесах, была поражена удивительным зрелищем: нечто напоминавшее огромную четырехкрылую птицу уносилось от них прочь. Птица упала в снег неподалеку от них. Оказалось, это были ястреб и неясыть, схлестнувшиеся в смертельной схватке. Когда их разняли, обе птицы уже были мертвы.
Не менее зачаровывали его подробные описания паучьих повадок, а также леденящие душу истории Джима Корбетта о выслеживании тигров и леопардов в индийской глуши, вошедшие в книгу «Кумаонские людоеды».
В доме у Пэйна пауки считались «священными тварями». Юный Пэйн мог часами любоваться на этих ткачей, поедавших мух, которых он подсаживал им в паутину.
Поступив в Гарвард и вдохновившись примером нескольких знаменитых палеонтологов, работавших на факультете, Пэйн живо заинтересовался ископаемыми животными. Он так увлекался обитателями моря, жившими под водой более 400 млн лет назад, что решил изучать геологию и палеонтологию в аспирантуре Мичиганского университета.
В обязательную программу входили довольно скучные исследования из различных зоологических дисциплин: ихтиологии (наука о рыбах), герпетологии (наука о рептилиях и амфибиях) и т. д., утомлявшие Пэйна. Исключение составляла естественная история пресноводных беспозвоночных, которую читал эколог Фред Смит. Пэйну очень нравилось то, как профессор провоцировал студентов, заставляя их думать.
В один памятный весенний день – именно такой, когда профессору неохота преподавать, а студентам сидеть в аудитории, – он сказал: «Сегодня занимаемся в помещении». Он посмотрел в окно – на дерево, которое только-только покрывалось листьями.
«Почему дерево зеленое?» – спросил Смит, глядя в окно.
«Хлорофилл», – ответил студент, правильно назвав содержащийся в листьях пигмент. Но Смит клонил не к этому.
«Почему вся эта зелень не съедается? – продолжал Смит. Казалось, это простейший вопрос, но Смит показал, насколько неизвестны даже такие базовые вещи. – Тут же тучи насекомых. Может быть, кто-то их контролирует?» – рассуждал он.
К концу первого курса Смит почувствовал, насколько Пэйна не устраивает геология, и предложил ему попробовать себя в экологии. «Почему бы вам не стать моим студентом?» – спросил он. Это была серьезная перемена специальности. Пэйн вызвался изучать ископаемых животных девонского периода, окаменелости которых встречались в здешних породах. Смит ответил: «Ни в коем случае». Пэйн должен был исследовать живых, а не вымерших существ. Он согласился, и Смит стал его научным руководителем.
Смит давно интересовался брахиоподами (плеченогими) – морскими животными, имеющими раковину из двух створок, соединяющихся в виде замка. Пэйн разбирался в этих животных, поскольку они в изобилии встречаются в ископаемых породах, но их современная экология была малоизучена. Первым делом Пэйну было поручено найти живых брахиопод. Поскольку океана поблизости не было, в 1957–1958 гг. Пэйн ездил во Флориду, так сказать, на разведку и нашел несколько перспективных местечек. С разрешения Смита он отправился в своеобразный аспирантский творческий отпуск. В июне 1959 г. Пэйн вновь уехал во Флориду, где на протяжении 11 месяцев, живя в своем фургончике «Фольксваген», изучал ареал, места обитания и повадки всего одного вида.
Именно такая деятельность позволила аспиранту-натуралисту наработать солидный базис и позже легла в основу диссертации Пэйна. Но брахиоподы-фильтраторы – не самые занимательные животные. А просеивать кучи песка в поисках полусантиметровых рачков было, прямо скажем, не слишком интересно.
Побережье Мексиканского залива Пэйн перелопачивал не из особого интереса к флоридским брахиоподам. Путешествуя по северо-западному побережью Флориды, Пэйн добрался до Морской лаборатории «Аллигейтор-Харбор» и получил разрешение там остаться. Он заметил, что на краю близлежащего полуострова Аллигейтор-Пойнт несколько раз в месяц во время отлива можно найти целые стаи больших хищных моллюсков. Некоторые из них, например плеуроплока трапециевидная, достигают более 30 см в длину. Ил и заросли меч-травы в Аллигейтор-Пойнт оказались отнюдь не скучными – скорее наоборот, это было настоящее поле боя.
Наряду с подготовкой диссертации о брахиоподах Пэйн вел тщательное, фактически элтоновское, исследование моллюсков. Он насчитал восемь многочисленных видов улиток и подробно записал, какие из них какими питаются. На этой арене, где «брюхоногие жрут брюхоногих», Пэйн видел, что во всех без исключения случаях более крупные моллюски поедают более мелких, но отнюдь не всех. Например, пятикилограммовая плеуропока трапециевидная ела практически исключительно других брюхоногих моллюсков, почти не трогая более мелкую добычу, например двустворчатых моллюсков, которые были основной пищей для мелких улиток. Молодой ученый интерпретировал эти данные в элтоновском ключе:
Элтон (1927) предполагал, что отношение размеров – основная причина существования пищевых цепей, поскольку существа, слишком крупные или слишком мелкие для одного хищника, могут стать добычей другого хищника. Таким образом, более мелкие организмы проходят через одно или несколько промежуточных звеньев пищевой цепи и опосредованно «попадают на обед» к более крупным хищникам.
Пока Пэйн во Флориде наблюдал за хищниками, его научный руководитель Смит продолжал размышлять о зеленых деревьях и о роли хищников в природе. Смит живо интересовался не только структурой биологических сообществ, но и теми процессами, которые их сформировали. Частенько он перекусывал в компании двоих коллег – Нельсона Хаирстона-старшего и Лоуренса Слободкина – и все трое по-дружески спорили об основных экологических идеях. Собеседники интересовались, каким процессам подчиняются популяции животных, обсуждали объяснения, которые муссировались в то время. С точки зрения одной из ведущих научных школ, размер популяции зависел от физических условий, в частности от погоды. Смит, Хаирстон и Слободкин (которых прозвали «ХСС») сомневались в этой идее, поскольку если бы она была верной, то размеры популяций должны были подвергаться таким же случайным колебаниям, как и погода. На самом деле, считали эти трое, численность видов в природе должна как минимум отчасти зависеть от биологических процессов.
Отталкиваясь от элтоновской пирамиды, ХСС изображали пищевую цепь поделенной на разные уровни в соответствии с объемом пищи, потребляемой на каждом уровне (эти уровни называются «трофическими»). В самом низу находятся редуценты, разлагающие органический мусор; над ними располагаются продуценты – растения, зависящие от солнечного света, дождя и содержащихся в почве питательных веществ. Еще выше находятся консументы – травоядные, поедающие растения, и хищники, питающиеся травоядными (рис. 6.2).
Сообщество экологов в целом признавало, что каждый уровень пищевой цепи ограничивается ресурсами того уровня, что расположен под ним; то есть популяции положительно регулируются в восходящем направлении. Но Смит и его сотрапезники размышляли над следующим наблюдением, которое, казалось, противоречило указанной точке зрения: Земля-то зеленая. Известно, что травоядные не поедают всю имеющуюся растительность, на многих растениях полно недоеденных листьев. Поэтому ХСС полагали, что травоядные не ограничены в пище и что их популяции регулируются каким-то другим фактором. Этим фактором, считали они, являются хищники, отрицательно регулирующие пищевую цепь в нисходящем направлении. Хотя экологи давно изучали взаимоотношения «охотник – добыча», было принято считать, что численность хищников зависит от количества доступной дичи, а не наоборот. Предположение о том, что хищники в целом регулируют популяции дичи, было радикальным выходом из плоскости.
Рис. 6.2
Трофические уровни в биологических сообществах. Согласно Хаирстону, Смиту и Слободкину (ХСС), предложившим «гипотезу зеленого мира», каждый организм относятся к одному из четырех трофических уровней: редуценты (грибки и черви), продуценты (наземные растения и водоросли), травоядные и хищники
Иллюстрация Лиэнн Олдз
Чтобы подкрепить свой тезис, ХСС упоминали случаи, в которых наблюдался взрывной рост численности травоядных после исчезновения хищников. Так, популяция оленей в округе Кейбаб на севере штата Аризона увеличилась после истребления местных волков и койотов. Они обобщили свои наблюдения и тезисы в работе «Структура сообществ, контроль популяций и конкуренция», а затем в мае 1959 г. отправили ее в журнал Ecology. Статью отклонили. Она вышла в свет только в итоговом выпуске журнала American Naturalist за 1960 г.
Предположение о том, что хищники регулируют численность травоядных, сегодня широко известно под названием «гипотеза ХСС», или «гипотеза зеленого мира». Хотя ХСС и заявляли: «нашу логику нелегко опровергнуть», их идеи, как и большинство требований пересмотреть статус-кво, вызвали большую критику. Я не буду приводить здесь все замечания. В частности, было справедливо отмечено, что эта гипотеза требует проверки и дополнительных доказательств. Именно такой проверкой и сбором доказательств занялся в 1963 г. бывший студент Смита в бухте Муккоу.
Подтолкнуть и посмотреть
В сущности, гипотеза ХСС была описанием естественного мира, основанным на наблюдениях. Таковы же были идеи и труды Элтона, и исследования Пэйна, касавшиеся брахиопод и хищных моллюсков (если уж на то пошло, таковы были и исследования Дарвина). Действительно, почти вся экология до 1960-х была основана на наблюдениях. Недостаток такой наблюдательной биологии заключался в том, что она не позволяла исключить альтернативные объяснения и гипотезы. Пэйн, как и плеяда молекулярных биологов, о которых было рассказано выше, понял, что если мы хотим понять, как устроена природа, – выявить законы, регулирующие численность животных, – то должны установить ситуации, в которые сможем вмешаться и нарушить эти законы. Так, чтобы определить роль хищников, необходимо найти экосистему, из которой можно удалить хищников и посмотреть, что получится. Впоследствии такой метод в экологии был назван «подтолкнуть и посмотреть».
Каждую весну и лето дважды в месяц, а также раз в месяц зимой Пэйн возвращался в бухту и повторял свой ритуал изгнания морских звезд. Он смог полностью очистить от них одну каменистую отмель размером 8 на 2 м, а на соседней отмели ничего не тронул. На обоих участках он подсчитал количество обитателей и вычислил «плотность населения», обнаружив там 15 видов животных.
Чтобы понять структуру пищевой цепи в бухте Муккоу, Пэйн внимательно следил, чем питаются хищники. Морская звезда выворачивает желудок наружу, чтобы съесть добычу, поэтому, чтобы определить ее рацион, Пэйн перевернул более 1000 морских звезд и посмотрел, каких животных они захватывают желудком. Оказалось, что морская звезда – всеядный гурман, питается усоногими рачками, хитонами, блюдечками, улитками и мидиями. И хотя мелкие усоногие рачки являлись наиболее многочисленной добычей – звезда могла слопать десятки таких рачков за один присест, – не они, а мидии и хитоны были основным источником калорий для нее.
К сентябрю, всего через три месяца после первого изгнания морских звезд, Пэйн уже замечал, что экосистема стала меняться. Усоногие морские желуди размножились, заняв 60–80 % всего доступного пространства. К июню 1964 г., спустя год после начала эксперимента, морских желудей вытеснили мелкие, но более плодовитые морские уточки и мидии. Более того, практически исчезли четыре вида водорослей, с участка откочевали два вида блюдечек и два вида хитонов. Также уменьшились популяции морских анемонов и губок, хотя морские звезды и не охотятся на этих животных. Однако популяция мелких хищных улиток Thais emarginata увеличилась в 10–20 раз. В целом из-за удаления хищных морских звезд биоразнообразие в этой приливной зоне уменьшилось с 15 до восьми видов.
Результаты этого простого эксперимента были поразительны. Они показали, что один хищник может управлять видовой структурой биологического сообщества, просто охотясь на свою добычу. Это отражается как на животных, которыми он питается, так и на тех животных и растениях, которых он не ест.
Пэйн продолжал этот эксперимент в течение последующих пяти лет, и за это время мидии распространились по скальному выступу в среднем почти на метр к линии отлива, заняв таким образом почти все доступное пространство и полностью вытеснив все остальные виды. Пэйн понял, что сильнейший эффект от присутствия морских звезд заключался именно в сдерживании численности мидий. Для животных и водорослей, обитавших на литорали, важным ресурсом было жизненное пространство – место на камнях. Мидии оказались сильными соперниками в борьбе за это пространство, и, когда не стало морских звезд, они победили и изгнали с отмели все прочие виды. Хищник стабилизировал сообщество, отрицательно регулируя популяции тех видов, которые конкурировали за доминирующее положение. Вот как схематически выглядели участки с морскими звездами и без них.
Пэйновское изгнание морских звезд красноречиво подкрепляло гипотезу ХСС о том, что хищники контролируют экосистему в нисходящем направлении. Но это был всего один эксперимент всего с одним хищником в отдельно взятой точке тихоокеанского побережья. Если Пэйн собирался сделать какие-либо обобщения, то было важно провести эксперименты в других местах с другими хищниками. Драматические результаты эксперимента в бухте Муккоу стали прелюдией к целой серии опытов по принципу «подтолкнуть и посмотреть».
Отправившись на ловлю лосося, Пэйн обнаружил необитаемый остров Татуш. Этот маленький остров, захлестываемый штормами, располагался близ побережья в нескольких километрах севернее бухты Муккоу, на расстоянии около километра от берега. Там на прибрежных скалах Пэйн нашел многие из тех видов, что и в бухте Муккоу, в том числе больших морских звезд Pisaster. С разрешения племени макахов Пэйн стал сбрасывать морских звезд в воду. Через несколько месяцев мидии заполонили скалы, на которых не осталось хищников.
Проводя творческий отпуск в Новой Зеландии, Пэйн исследовал другое прибрежное биологическое сообщество, располагавшееся в северной оконечности пляжа близ Окленда. Там он нашел другой вид морских звезд, Stichaster australis, охотившихся на новозеландских зеленых мидий. Этих моллюсков подают в ресторанах по всему миру. За девять месяцев Пэйн изгнал всех морских звезд с участка площадью 37 кв. м, но не трогал морских звезд на прилегающем похожем участке. Далее немедленно последовал поразительный эффект. Обработанную область быстро заполонили мидии, занятая ими территория быстро увеличилась на 40 % по направлению к линии отлива. Всего за восемь месяцев исчезли шесть из 20 ранее обитавших здесь видов; через год и три месяца большая часть пространства была занята исключительно мидиями. Интересно, что экспансия мидий происходила, несмотря на то что здесь в изобилии встречалась крупная хищная морская улитка.
Пэйн обозначил хищных морских звезд в прибрежных биологических сообществах штата Вашингтон и Новой Зеландии ключевыми видами. Точно так же как ключевой камень арки необходим для устойчивости всего свода, такие ключевые хищники, существующие на вершине пищевой цепи, обеспечивают биоразнообразие во всей экосистеме. Пэйн продемонстрировал, что без этих видов сообщество распадается. После первопроходческих экспериментов, в ходе которых он и предложил термин «ключевые виды», Пэйн стал искать ключевые виды и в других сообществах. Эти поиски привели его к еще одной эпохальной идее.
Каскадные эффекты и закон двойного отрицания в пищевых цепях
Объектами экспериментов Пэйна по принципу «подтолкнуть и посмотреть» являлись не только хищники. Ученый хотел понять, какие законы в принципе определяют структуру прибрежных биологических сообществ. Другими известными обитателями приливных заводей и мелководий являлись, в частности, разнообразные водоросли, особенно крупная бурая ламинария, также известная как морская капуста. Но ламинария распространена неравномерно: кое-где она многочисленна и разнообразна, а в других местах почти отсутствует. Одними из важнейших консументов, поедающих водоросли, являются морские ежи. Пэйн и Роберт Вадас решили выяснить, как морские ежи влияют на биоразнообразие водорослей.
Для этого они руками вытащили всех морских ежей из некоторых заводей близ бухты Муккоу либо посадили в проволочные клетки на некоторых участках в Фрайди-Харбор (близ города Беллингем). Для контроля они оставили рядом непотревоженные заводи или участки. Далее они наблюдали драматический эффект от исчезновения морских ежей: там, где ежей не было, бурно разрослись некоторые виды водорослей. На контрольных участках с большими популяциями морских ежей водорослей было очень мало.
Пэйн также заметил, что такие «пустоши», густо населенные морскими ежами, были обычны в приливных водоемах близ острова Татуш. По идее, ежовые пустоши противоречили ключевому положению гипотезы ХСС о том, что травоядные обычно не потребляют всю имеющуюся в их распоряжении растительность. Но вскоре стало понятно, почему в тихоокеанских водах встречаются такие «пустоши», – после удивительного открытия еще одного ключевого вида, животного, истребленного на побережье штата Вашингтон задолго до того, как Пэйн начал экспериментировать с природой.
Когда-то каланы были распространены от Северной Японии до Алеутских островов, а также по всему тихоокеанскому побережью Северной Америки вплоть до залива Байя в Калифорнии. Каланы, являвшиеся некогда самыми многочисленными морскими млекопитающими, привлекали людей своим роскошным мехом. В XVIII и XIX вв. на них развернулась такая хищническая охота, что к 1900 г. уцелело всего около 2000 этих животных, тогда как до истребления популяция насчитывала 150 000–300 000 особей. Этот вид вымер на большей части ареала, в том числе в штате Вашингтон. Каланы были взяты под охрану в 1911 г. по условиям международного договора. Едва не исчезнув на Алеутских островах, эти животные вновь значительно размножились в некоторых местах архипелага.
В 1971 г. Пэйну предложили отправиться в те края, на Амчитку. Это безлесный остров в западной части архипелага. Некоторые студенты изучали там сообщества морских водорослей, и Пэйн отправился на остров, чтобы помочь им советом. Джим Эстес, студент из Аризонского университета, встретился с Пэйном и поделился своими исследовательскими планами. Эстес интересовался каланами, но экология не была его специализацией. Он рассказал Пэйну, что хотел бы изучить, как водорослевые леса обеспечивают процветание калановых популяций.
«Джим, вы неправильно формулируете вопрос, – сказал ему Пэйн, – вам нужно рассмотреть три трофических уровня: каланы питаются морскими ежами, морские ежи питаются ламинарией».
Эстес успел осмотреть лишь Амчитку с ее многочисленными каланами и густыми водорослевыми лесами. Он быстро понял, что можно сравнить острова, где есть каланы и где их нет. Вместе с другим студентом Джоном Пальмисано он отправился на остров Симия – скальный остров, имеющий около 4,5 км в длину и почти 7 км в ширину. Он расположен примерно в 320 км к западу от Амчитки, и каланов там нет. Эстес и Пальмисано сразу осознали, что остров сильно отличается от Амчитки: идя по пляжу, они всюду замечали огромные панцири морских ежей. Но настоящим шоком оказалось то, что когда Эстес впервые решил нырнуть, то увидел, что все дно покрыто крупными морскими ежами, а ламинарии нет вообще. Он заметил и другие поразительные отличия между биологическими сообществами двух островов: на Амчитке было полно ярких рыб-терпугов, тюленей и белоголовых орланов, а на Симии – не было, как и каланов.
Эстес и Пальмисано решили, что разительные отличия между двумя этими сообществами связаны именно с каланами, злейшими врагами морских ежей. Они предположили, что калан является ключевым видом и отрицательная регуляция, которую он оказывает на популяцию морских ежей, имеет первостепенное значение для структуры и разнообразия прибрежных морских экосистем.
Наблюдения Эстеса и Пальмисано позволяли предположить, что при реинтродукции каланов прибрежные экосистемы кренным образом изменятся. Вскоре после их первых исследований представилась возможность проверить воздействие каланов на экосистему – эти животные распространялись по побережью Аляски, заново заселяя различные территории. В 1975 г. каланы не встречались в Оленьей Бухте на юго-востоке Аляски. Но к 1978 г. они там обосновались; морские ежи измельчали, их стало гораздо меньше; морское дно покрылось их панцирями, а затем над ними поднялись высокие густые заросли ламинарии.
С появлением каланов уменьшилось количество морских ежей, которые ранее не давали разрастаться ламинарии. Вот как можно схематически изобразить законы регуляции, которым подчиняются морские ежи и ламинария.
Вновь закон двойного отрицания. В данном случае каланы способствуют росту ламинарии, уменьшая популяцию морских ежей. Открытие регуляции водорослевых лесов, связанной с охотой хищных каланов на растительноядных морских ежей, было сильным аргументом в пользу гипотезы ХСС и в пользу пэйновской концепции «ключевых видов» (рис. 6.3).
С экологической точки зрения, хищные каланы оказывают каскадный эффект на несколько трофических уровней, расположенных под ними. Пэйн предложил новый термин для описания сильных нисходящих эффектов, открытых им и другими учеными при удалении или реинтродукции отдельных видов, – трофический каскад.
Открытие трофических каскадов было потрясающим фактом. Многие прямые и косвенные эффекты, связанные с присутствием либо отсутствием хищников (морских звезд, каланов), были удивительны, поскольку иллюстрировали такие связи между живыми организмами, которые ранее были не просто неизвестны, но и невообразимы. Кто бы мог подумать, что рост ламинариевых лесов зависит от присутствия каланов? Эти драматические и неожиданные эффекты позволили предположить, что трофические каскады, о существовании которых биологи даже не подозревали, действуют повсюду и определяют свойства других сообществ. А в таком случае трофические каскады, должно быть, являются важнейшими характеристиками экосистем – законами регуляции, управляющими количеством и разнообразием организмов в сообществе.
Действительно, в различных экосистемах были открыты всевозможные трофические каскады. Приведу всего несколько примеров.
В пресных водоемах Оклахомы трофический каскад хищники – растительноядные – водоросли регулирует численность гольянов и растений. Мэри Пауэр и ее коллеги обнаружили в заводях реки Брир-Крик обратную взаимосвязь между численностью окуней и гольянов: две эти рыбы сосуществовали всего в двух из 14 заводей, причем только после большого наводнения. Более того, заводи, населенные окунями, казались зелеными из-за водорослей, а в заводях, где жили гольяны, водорослей не было. Такое распределение позволяло предположить, что окунь, подобно калану, не дает размножиться гольяну, что, соответственно, способствует разрастанию водорослей.
Рис. 6.3
Влияние каланов на морских ежей и водорослевые леса. Вверху: при присутствии каланов численность морских ежей находится под контролем, поэтому может вырасти водорослевый лес. Внизу: при отсутствии каланов морские ежи бесконтрольно размножаются, оставляя после себя «пустоши», где нет водорослей
Фотографии публикуются с разрешения Боба Стенека
Чтобы проверить эту гипотезу, Пауэр удалила окуней из заводи и разделила ее на две части изгородью. С одной стороны она посадила гольянов, а другую для контроля оставила без изменений. Вскоре гольяны полностью съели все водоросли. Затем она запустила в заводь с гольянами трех большеротых окуней. Всего через три часа гольяны переместились в мелководную часть заводи, где окуни не могли их достать; а через несколько недель весь водоем зазеленел. Эти результаты не только продемонстрировали существование каскада окунь – гольян – водоросли, но и показали, что избегание хищника может давать примерно такой же эффект, как и хищничество.
Аналогичные трофические каскады вида «хищники – травоядные – растения», примерами которых являются триады «окунь – гольян – водоросли» и «калан – морской еж – ламинария», были описаны и на суше. В первой половине XX в. остров Айл-Ройял в озере Верхнем (штат Мичиган) был повторно заселен лосями и волками. Долгосрочные исследования показали, что волки положительно влияют на рост елей, так как контролируют численность лосей, активно объедающих еловые ветви. В Венесуэле трофические каскады были обнаружены, когда было создано водохранилище Гури, затопившее тропический лес: в водоеме возникли многочисленные острова, на которых не было хищников. Например, в отсутствие кочевых муравьев и броненосцев – хищников, питающихся муравьями-листорезами, – листорезы размножились настолько, что лес на острове сильно поредел. Косвенно влияя на рост деревьев, упомянутые хищники регулируют и все жизненное пространство, доступное другим существам.
Логика этих каскадов, существующих в воде и на суше, такова.
Я изобразил эти каскады так, чтобы подчеркнуть нисходящие отрицательные регуляторные взаимодействия между организмами, относящимися к разным трофическим уровням. Но должен подчеркнуть, что эта картина является весьма упрощенной, причем сразу в двух отношениях. Во-первых, большинство организмов относится не к простым линейным пищевым цепям, а, как хорошо знал Элтон, к пищевым сетям, где больше членов и взаимодействий. Во-вторых, все экосистемы в определенной степени подвергаются восходящей положительной регуляции. Без солнца не было бы зеленых растений, без растений не было бы пищи для травоядных, без травоядных не было бы добычи для хищников. Однако принципиальный прорыв, совершенный ХСС и Пэйном, заключался в следующем: они смогли буквально перевернуть традиционный ход рассуждений и открыть сильное косвенное воздействие хищников на продуцентов.
Трофические каскады – это динамические, а не статические свойства экосистем. Действительно, было замечено, что трофические каскады также могут менять направление, даже без прямого вмешательства человека. Оценивалось, что к 1970-м популяция каланов на юго-восточном побережье Аляски восстановилась до 100 000 особей. Но впоследствии численность этих животных радикально снизилась от мыса Касл-Кейп (полуостров Южная Аляска) до острова Атту в алеутском архипелаге. Рассматривалось много разных причин этого явления, но Джим Эстес с коллегами подозревали, что основным виновником сокращения численности калана является косатка. Они предполагали, что косатки не так давно стали охотиться на каланов, когда сократилась численность их излюбленной дичи – морских львов и китов. При этом косатки превратили трехуровневый каскад (слева) в четырехуровневый (справа), повлияв на популяции, расположенные ниже. Прибрежные мелководья вновь оказались плотно заселены морскими ежами, и ламинариевые леса исчезли.
Не все животные равны
Опыт, который начался с изгнания морских звезд, позволил открыть два фундаментальных закона природы, описывающих регуляцию популяций. Это будут два наших первых Закона джунглей.
ЗАКОН ДЖУНГЛЕЙ 1КЛЮЧЕВЫЕ ВИДЫ. НЕ ВСЕ ВИДЫ РАВНЫНекоторые виды влияют на стабильность и биоразнообразие своих экосистем, причем такое влияние непропорционально численности и биомассе представителей ключевого вида. Важность ключевых видов заключается в степени их влияния, а не в том, какой уровень в пищевой цепи они занимают.
Важно подчеркнуть, что не все хищники – ключевые виды и не все ключевые виды – хищники. Ключевые виды встречаются не во всех экосистемах. Но в главе 7 мы поговорим еще о некоторых ключевых видах.
ЗАКОН ДЖУНГЛЕЙ 2НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ОПОСРЕДУЮТ СИЛЬНЫЕ КОСВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИЕСЯ ПО ТРОФИЧЕСКИМ КАСКАДАМНекоторые члены пищевых цепей оказывают непропорционально сильные (нисходящие) эффекты, распространяющиеся по экосистемам и опосредованно затрагивающие виды, расположенные на более низких трофических уровнях.
Такие каскады могут существовать в различных ситуациях, где трофические уровни связаны сразу многими парами сильных регуляторных взаимодействий. Речь может идти о взаимодействиях «хищник – хищник», «хищник – травоядное» или «травоядное – продуцент».
Рис. 6.4
Роберт Пэйн в бухте Муккоу
Снимок публикуется с разрешения Кевина Шейфера, фотоагентство Alamy
Важно подчеркнуть, что большинство видов в экосистеме не участвуют в сильных взаимодействиях. В ходе другого колоссального исследования, растянувшегося на несколько лет, Пэйн изучал взаимодействия между травоядными и продуцентами на острове Татуш. Он обнаружил, что взаимодействия между большинством видов были слабыми или пренебрежимо малыми. Эти знания, добытые тяжким трудом, Пэйн резюмировал цитатой из романа Джорджа Оруэлла «Скотный двор»: «Все животные равны, но некоторые равнее». Я бы добавил, что все натуралисты равны, но некоторые равнее (рис. 6.4).
Читать бесплатно другие книги:
