Книга: Эволюция: Триумф идеи

Человек против жука

Жуки и другие насекомые эволюционировали вместе с растениями, которыми они питаются, сотни миллионов лет. В последние несколько тысяч лет мы, люди, внезапно изменили условия их коэволюции: мы окультурили растения и попытались избавить их от насекомых-вредителей. В большинстве случаев мы попытались остановить насекомых, не принимая в расчет реальных процессов коэволюции. В результате значительная часть наших усилий оборачивается бедой или по крайней мере серьезными проблемами. Пожалуй, самое наглядное проявление коэволюции в действии, — стремительный рост резистентности насекомых к пестицидам.

Человек начал окультуривать растения около 10 000 лет назад. Когда первые крестьяне засеяли свои поля чечевицей и полбой, насекомые этого не заметили и продолжали поедать растения на полях точно так же, как до этого поедали их диких предков. Поначалу человек мог только молиться богам об избавлении от вредителей; реально ничего сделать было невозможно. Бывали случаи, когда насекомых даже привлекали к суду. В 1478 г. жуки съели весь урожай вокруг швейцарского города Берна, и в ответ мэр города поручил одному из городских юристов обратиться в церковный суд и потребовать наказания преступников. «Причиняя вред, они наносят ущерб вечному Богу», — жаловались жители города. Жукам тоже был назначен адвокат; защитник и обвинитель сошлись в суде и красноречиво изложили дело. Выслушав обе стороны, епископ вынес решение в пользу крестьян и объявил жуков воплощением дьявола. «Мы обвиняем их и налагаем на них проклятие, — объявил он, — и приказываем им повиноваться и предаем их анафеме именем Отца, Сына и Святого Духа, чтобы они убирались со всех полей, земель, огородов, семян, плодов и прочих продуктов и удалились».

Жуки и не подумали удалиться. Они продолжали как ни в чем не бывало есть посевы. Тогда было решено, что жуки — не воплощение диавола, а наказание, наложенное Господом на крестьян за тяжкие грехи. Как только крестьяне заплатили церкви десятину с того небольшого урожая, который им удалось все же собрать, жуки пропали. Или, может быть, они просто истощили запасы пищи, и численность популяции резко упала — совершенно естественным образом.

Когда не помогли судебные процессы и заклинания, крестьяне прибегли к ядам. Еще шумеры 4500 лет назад начали посыпать свои посевы серой; в Древнем Риме были популярны деготь и жир. Древние земледельцы открыли, что вещества, содержащиеся в некоторых растениях, также способны защитить посевы от вредителей. Греки, прежде чем посадить семена, вымачивали их в настое из огурцов. В XVII в. европейцы начали извлекать из растений, таких как табак, химические вещества, которые оказались еще более мощным средством от вредителей, чем прежние настои. Пиретрины, полученные в 1807 г. из кавказской ромашки, используются в сельском хозяйстве до настоящего времени.

Параллельно с поиском более эффективных пестицидов европейцы устраивали огромные поля и плантации, как в Европе, так и в недавно открытых колониях. Для насекомых как будто накрыли громадные пиршественные столы. Во многих странах начались настоящие эпидемии насекомых-вредителей. Крестьяне начали прибегать к более мощным пестицидам, таким как цианиды, мышьяк, сурьма и цинк; они смешивали медь с известью и получали смесь, известную как парижская зелень. Изобретение аэропланов и опрыскивателей сильно расширило возможности сельских тружеников: теперь пестицидами можно было сплошь обрабатывать целые поля, и к 1934 г. американские фермеры использовали в год 30 млн фунтов серы, 7 млн фунтов пестицидов на мышьяке и 4 млн фунтов парижской зелени.

Около 1870 г. в Сан-Хосе, штат Калифорния, появилось маленькое плодовое насекомое; вероятно, оно было завезено в США с рассадой из Китая. Этот вредитель, получивший название щитовка калифорнийская, быстро распространился по Соединенным Штатам и Канаде, уничтожая по пути под корень плодовые деревья. Садоводы обнаружили, что лучший способ борьбы с новым вредителем — опрыскивать сад смесью серы и извести. Через несколько недель после опрыскивания дерева щитовка на нем полностью исчезала. Известково-серный раствор получил название калифорнийской жидкости.

Однако в начале XX в. садоводы начали замечать, что традиционная смесь серы и извести работает не так уж хорошо. Как правило, несколько особей щитовки на дереве оставалось в живых после опрыскивания, и со временем численность вредителя полностью восстанавливалась. Садоводы долины Кларкстон в штате Вашингтон, к примеру, пришли к убеждению, что производители подмешивают что-то в пестицид и разбавляют его безвредными добавками. Пытаясь гарантировать себе чистый беспримесный яд, они построили собственную фабрику и начали поливать деревья пестицидами местного производства — но щитовка продолжала распространяться, не обращая внимания на новшества. Энтомолог А. Л. Меландер осмотрел деревья и обнаружил, что щитовки припеваючи живут на листьях под толстой коркой высохшего спрея.

Меландер начал подозревать, что махинации с производством яда здесь ни при чем. В 1912 г. он сравнил эффективность действия яда в разных частях штата Вашингтон. Выяснилось, что в Якиме и Саннисайде известково-серный раствор убивает всех щитовок на дереве до последней, а в Кларкстоне от 4 до 13% насекомых остаются в живых. С другой стороны, кларкстонские щитовки, как и насекомые в других частях штата, полностью гибли от другого пестицида, производившегося на основе мазута. Иными словами, кларкстонские щитовки обладали избирательной резистентностью к известково-серному раствору.

Этот любопытный факт заинтересовал Меландера. Он знал, что, если конкретная особь насекомого съест небольшое количество яда, к примеру, мышьяка, у нее может появиться иммунитет к этому яду. Но поколения калифорнийской щитовки сменялись так быстро, что каждое насекомое за свой век успевало пережить лишь одно опрыскивание и никак не могло приобрести иммунитет к яду.

Меландеру пришла в голову радикальная мысль: что если случайная мутация подарила нескольким щитовкам сопротивляемость к известково-серному раствору? Когда садовод опрыскивал свои деревья, в живых оставались эти несколько особей и некоторое количество других, не обладающих резистентностью, но не получивших смертельной дозы яда. Уцелевшие щитовки затем скрещивались, и гены резистентности с каждым поколением получали в популяции все большее распространение. В зависимости от пропорции уцелевших щитовок деревья могли вновь покрыться резистентными или нерезистентными насекомыми. В долине Кларкстон садоводы пользовались известково-серной смесью дольше других садоводов северо-запада США, к тому же они заливали свои деревья ядом практически полностью. Тем самым фермеры сами подталкивали эволюцию самых резистентных щитовок.

Меландер опубликовал свои идеи в 1914 г., но никто не обратил на публикацию особого внимания: все были слишком заняты поиском новых, еще более мощных пестицидов. В 1939 г. швейцарский химик Пауль Мюллер обнаружил, что смесь хлора с углеводородами убивает насекомых эффективнее любого известного пестицида. Новый пестицид получил название ДДТ и показался едва ли не панацеей от всех проблем с вредителями. Простой и дешевый в производстве, новый пестицид уничтожал многие виды насекомых и был достаточно стабилен, чтобы храниться на складах годами. При использовании в малых дозах — а при его силе этого было достаточно — он вроде бы никак не угрожал здоровью людей. С 1941 по 1979 г. в мире было произведено 4,5 млн тонн ДДТ — почти по килограмму на каждого живущего человека, будто то мужчина, женщина или ребенок. ДДТ был таким мощным и дешевым, что фермеры практически отказались от прежних — казалось, безнадежно устаревших — способов борьбы с вредителями. Люди перестали осушать застойные водоемы и выводить устойчивые к вредителям сорта растений.

ДДТ и подобные ему пестициды внушили человеку опасную иллюзию: мысль о том, что вредителей можно не только контролировать, но и полностью уничтожить. Фермеры начали опрыскивать свои поля не только в случае вспышек численности вредителя, но просто так, в порядке профилактики. Одновременно работники здравоохранения решили, что ДДТ поможет человечеству справиться с комарами — разносчиками серьезных болезней, в том числе малярии. В 1955 г. в книге «Победа человека над малярией» Пол Рассел из Рокфеллеровского университета пообещал: «Впервые даже страны со слаборазвитой экономикой смогут, независимо от климата, полностью изгнать малярию из своих пределов».

ДДТ, бесспорно, спас множество жизней и уберег огромное количество урожая, но даже в первые годы его триумфального шествия некоторые ученые уже видели признаки беды. В 1946 г. шведские ученые обнаружили комнатную мушку, которую уже невозможно было убить при помощи ДДТ. Чуть позже комнатные мушки в других странах тоже приобрели резистентность к этому пестициду. Вскоре появились и другие виды, способные сопротивляться. Предупреждение Меландера полностью оправдалось. К 1992 г. резистентностью к ДДТ обзавелись более 500 видов, и их число все еще растет. Вначале, когда ДДТ только начал давать сбои, фермеры просто увеличили дозу; когда и это перестало помогать, переключились на более новые пестициды, такие как малатион; когда и он начал отказывать, занялись поисками еще более действенных средств.

Поход на вредителей с арсеналом из ДДТ и других аналогичных ядов закончился грандиозным поражением. В настоящее время только в США каждый год тратится более 2 млн тонн пестицидов. Это в 20 раз больше, чем в 1945 г., хотя новейшие пестициды гораздо более токсичны (иногда в 100 раз). Несмотря на это, доля урожая, которую человек теряет из-за насекомых, выросла с 7 до 13% — в значительной степени потому, что увеличилась сопротивляемость насекомых.

Вообще, неудача ДДТ оказалась незапланированным — и весьма масштабным — эволюционным экспериментом, не менее убедительным, чем Дарвиновы вьюрки или гуппи Тринидада. Как указывали в 1964 г. Эрлих и Рейвен, растения сотни миллионов лет занимались изобретением и производством естественных пестицидов, а насекомые все это время коэволюционировали с ними и изобретали обходные пути. В последние несколько тысяч лет насекомым пришлось столкнуться с новыми — человеческими — ядами на привычных съедобных растениях, и насекомые поступили так, как поступали всегда: начали искать обходные пути и способы сопротивления. Коэволюция вступила в эру человечества.

Новый пестицид при первом опрыскивании убивает громадное большинство насекомых. Тем не менее некоторым насекомым везет, они не получают смертельной дозы яда и остаются в живых; кроме того, выживают носители каких-нибудь редких мутантных генов, которые — совершенно случайно — обеспечивают сопротивляемость к данному пестициду. Возможно, эти мутации уже возникали, и не раз, в истории вида, но в обычных обстоятельствах они лишь мешали своим носителям; насекомые с этими мутациями проигрывали в конкурентной борьбе, а потому мутации вновь исчезали из генома. При постоянном возникновении и исчезновении таких невыгодных мутаций складывается генетическое равновесие, при котором в любой момент в популяции присутствует несколько — очень немного — особей с мутантными генами. И в момент, когда на сцену выходит пестицид, носители мутантных генов внезапно обретают серьезнейшее преимущество перед собратьями и соперниками.

Сопротивляемость насекомых-мутантов может быть основана на самых разных факторах. Они могут появляться на свет с более толстым, чем обычно, слоем кутикулы на теле, и этот слой предохраняет их от действия химиката. Их клетки могут производить мутантный протеин, способный резать молекулы пестицида на кусочки. Наконец, они могут просто испытывать беспокойство при контакте с пестицидом и улетать прежде, чем успеют получить смертельную дозу.

После опрыскивания уцелевшие насекомые оказываются в привилегированном положении — у них практически нет конкурентов. Но этого мало. Они могут заодно освободиться от паразитов и хищников, ведь яд может подействовать и на них. Благодаря отсутствию конкуренции за пищу и врагов, которые могли бы сдерживать их численность, уцелевшие насекомые переживают всплеск численности. При спаривании резистентных особей друг с другом или с уцелевшими нерезистентными насекомыми мутантные гены быстро распространяются. Если опрыскивание проводится достаточно тщательно, нерезистентные формы могут исчезнуть практически полностью.

Пестициды — не лучшая замена коэволюции. Растения и насекомые способны с каждым поколением вырабатывать новые механизмы защиты и нападения, а ученым на разработку новых пестицидов требуются годы — и все это время сопротивляемость, которую обретают насекомые, требует серьезных вложений. Крестьяне вынуждены тратить на новые пестициды все больше денег. В отличие от естественных средств защиты, к которым растения приходят в процессе эволюции, пестициды иногда убивают не только вредителей, но и дождевых червей и других подземных обитателей, без которых невозможно формирование почвы из органического вещества. Некоторые пестициды убивают пчел и других опылителей. Пестициды сохраняются в природной среде многие годы и перемещаются на тысячи километров. Помимо всего прочего, они убивают и людей — непосредственно, через отравление сельскохозяйственных земель; кроме того, имеются тревожные — хотя и очень спорные — свидетельства связи между воздействием пестицидов и некоторыми типами рака.

Совсем недавно ученые предложили новое решение проблемы пестицидов в форме генетически модифицированных растений. К настоящему моменту 8 млн гектаров засеяно растениями, геном которых дополнен генами бактерий; эти гены позволяют растениям производить собственные пестициды. Бактерия Bacillus thuringiensis, у которой взяты гены, живет в почве и паразитирует на гусеницах бабочек и мотыльков. В. thuringiensis производит особый белок, который нарушает работу клеток пищеварительного тракта гусеницы и вызывает ее голодную смерть. В культуре эта бактерия (известная как Bt) содержится и используется с 1960-х гг., полученным биоинсектицидом опрыскивают все что угодно — от экологических ферм до лесов. Ее токсин безопасен для млекопитающих и быстро разлагается под действием солнечного света. Но если прежде бактерия использовалась отдельно, то теперь биохимики сумели внедрить гены Bt в геном различных сельскохозяйственных растений — хлопка, кукурузы и картофеля, — и теперь эти растения производят токсин Bt в собственных тканях. Насекомые, нападающие на трансгенные растения, получают дозу Bt и гибнут.

Агентство по охране окружающей среды надеется, что растения, производящие Bt, не станут очередной жертвой коэволюции. Вообще, если хлопковод засеет все свои поля трансгенными семенами, то насекомые, столкнувшись с огромными площадями ядовитых растений, вероятно, выработают метод защиты. Однако агентство требует, чтобы по крайней мере 20% своих земель земледельцы засеивали обычными сортами. Эти участки станут убежищами для нерезистентных особей; при скрещивании их с отдельными резистентными насекомыми произойдет расщепление признаков, и гены резистентности не получат особого распространения.

Такой подход, естественно, требует сотрудничества со стороны земледельцев — ведь им приходится жертвовать частью урожая на полях, засеваемых обычными сортами растений. Можно рассчитывать лишь на то, что горький опыт общения с пестицидами удержит многих фермеров от излишеств и помешает им засадить трансгенными сортами все свои поля. Вообще, если этот метод борьбы с вредителями продержится сколько-нибудь долго, то лишь благодаря должному пониманию коэволюции. Но если сопротивляемость все же распространится в популяции, фермерам, возможно, придется покупать новые модифицированные сорта растений, которые будут производить новый токсин, — иными словами, пестицидная гонка сменится трансгенной.

Из коэволюции можно извлечь и другие уроки борьбы с вредителями. Так, насекомые были бы менее опасны, если бы фермеры перестали засеивать громадные площади монокультурой. Если выращивать одновременно разные растения, специализированным вредителям будет трудно набрать достаточный репродуктивный импульс для серьезной вспышки численности. Потребители тоже могут помочь. Покупая фрукты в супермаркете, вы, вероятно, выбираете только безупречные плоды и проходите мимо тех, на которых есть хоть малейшее пятнышко. Садоводы, естественно, знают об этом и принимают все возможные меры, чтобы поставлять идеальные плоды в супермаркеты. Необходимо помнить, что для этого им приходится применять пестициды в больших количествах — иначе просто не удается полностью обезопасить плоды от насекомых. На самом же деле слегка тронутый плод совершенно безопасен. Если бы потребители с большей охотой покупали неидеальные фрукты, садоводы могли бы в несколько раз снизить дозы пестицидов, и эволюционное давление на насекомых тоже ослабло бы.