Устойчивость к химикатам и естественный отбор
Пестициды и их функциональные «кузены» – антибиотики – представляют собой химическое оружие, направленное на виды живых организмов, популяции которых мы стремимся контролировать. Хотя химическая война с насекомыми, сорняками и прочими вредными для человека видами организмов идет относительно недавно, с точки зрения эволюции наши вредители уже успели выработать устойчивость, причем на удивление быстро. Устойчивость к пестицидам и антибиотикам – результат естественного отбора, однако эта концепция так обманчиво проста, что может показаться неадекватным объяснением для столь быстрого развития защитных механизмов. Но естественный отбор действительно является очень мощным инструментом создания устойчивости к химикатам.
Идея естественного отбора основана на том, что многие виды живых организмов производят больше потомства, чем способно выжить и размножиться. Как хорошо известно всем, у кого есть сестры или братья, среди потомства генетическая вариабельность весьма велика. Хотя подавляющее большинство генетических различий не влияют на общую приспособленность организмов, некоторые черты могут иметь особое значение[12]. Кроме того, особи, обладающие лучшей общей приспособленностью, обычно производят больше потомства, чем менее приспособленные, хотя размножающиеся. Таким образом, гены, обеспечивающие значительное повышение приспособленности, со временем широко распространяются в популяции.
Отдельные особи внутри вида, чтобы выжить и размножиться, должны преодолевать многочисленные трудности, одна из которых – воздействие химических веществ. Некоторые из подвергшихся воздействию особей могут погибнуть, а другие – выживут. Те, кто сможет найти способ противостоять токсическому воздействию пестицидов или антибиотиков с помощью биотрансформации и других механизмов, с большей вероятностью передадут свои гены следующему поколению.
Виды выработали различные стратегии, гарантирующие, что какая-то часть их потомства и, следовательно, генетического материала выживет и сохранится и, в свою очередь, также даст поколение потомков. Одна из них – так называемая К-стратегия, или экономное размножение, при которой родители вкладывают много энергии в свое потомство, но из-за этого не могут производить его в большом числе. Такой сценарий обычно характерен для организмов с большой продолжительностью жизни и медленной сменой поколений. Человек, естественно, попадает в эту категорию, как и многие знакомые нам млекопитающие – домашние (коровы, лошади, собаки и кошки) и дикие (киты, олени, львы, тигры и медведи).
Альтернативой этому варианту служит так называемая r-стратегия, или избыточное размножение, при котором родители производят многочисленное потомство, но вкладывают в каждого потомка относительно мало. Энергия тратится преимущественно на то, чтобы произвести на свет как можно больше новых организмов, так как большая их часть не достигнет зрелости. Представьте себе количество семян, которое созревает в одном одуванчике, или количество мышат, которые рождаются у одной пары мышей за год. Виды, придерживающиеся r-стратегии, обладают рядом общих свойств, в том числе способностью быстро реагировать на изменения среды.
Различия в репродуктивной стратегии очень важны, так как помогают нам понять, как развивается устойчивость к химикатам. При прочих равных условиях чем быстрее у вида происходит смена поколений, тем быстрее идет процесс эволюции. Чем более выражена у вида r-стратегия, тем более вероятно, что его представители вовремя выработают устойчивость. К несчастью, именно те виды, которые являются мишенями химического контроля – например, грызуны, комары, тля, жуки-точильщики и долгоносики, бактерии – очень часто оказываются видами, быстрее всего вырабатывающими устойчивость к химикатам.
Сельское хозяйство, один из столпов цивилизации, – это цикл культивирования и роста, завершающийся поеданием человеком того, что он вырастил. Но у нашего урожая есть и другие потребители, которым он весьма по душе. Из-за вредителей мы теряем от 10 до 40 % выращиваемого растительного пищевого сырья. Его потребляют грибы и грызуны, но наибольший урон сельскому хозяйству наносят насекомые.
Бороться с насекомыми-вредителями с помощью химических средств пытаются уже не один век, но благодаря достижениям последнего столетия между человеком и насекомыми разгорелась настоящая гонка вооружений. И пока нельзя сказать, что насекомые проигрывают, потому что за это время более чем у 500 видов выработалась устойчивость к одному или более пестицидам.
Устойчивость насекомых к пестицидам отчасти вызвана способом применения химических веществ. Давайте рассмотрим девственное поле, где еще ни разу не распыляли пестициды. Первое использование убивает значительную часть чувствительных к пестицидам насекомых, и благодаря этому урожай повышается. Увеличивая количество пестицидов, можно убивать больше насекомых, и урожай продолжит увеличиваться. Однако зависимость не линейна, так как в определенной точке дальнейшее увеличение количества применяемых пестицидов начинает давать лишь незначительный прирост урожая. На этом этапе дальновидный фермер перестает использовать пестициды, потому что затраты становятся неоправданными.
Пестициды убивают в первую очередь тех особей, которые более чувствительны к ним, а выживают, по логике вещей, те, у которых есть генетические предпосылки для устойчивости. Если в определенном регионе все чувствительные к яду особи исключаются из популяции, более устойчивые особи скрещиваются друг с другом и увеличивают свою численность, изменяя генофонд популяции. Именно по этой причине так важно наличие в сельскохозяйственных регионах природных буферных зон и прочих некультивируемых ландшафтов, которые позволяют вредителям, чувствительным к ядам, размножаться и сохранять свои гены. Так что, как это ни парадоксально, эффективный метод контроля популяций вредителей обеспечивает сохранение в их генофонде генов, обеспечивающих особям чувствительность к химикатам. Если эти гены удаляются из общего пула, то остаются только те, что обеспечивают устойчивость, и вся популяция, к великому огорчению фермера, становится устойчива к пестицидам.
Пестициды подчиняются правилам абсорбции, описанным в главах 4 и 5. Токсичные молекулы движутся к рецептору, пытаясь соединиться с ним, а клеточные механизмы защиты стараются предотвратить это событие. Существует как минимум два основных способа, которые использует для этого клетка, и развитие устойчивости к пестицидам у насекомых может быть связано с обоими. Первая стратегия – изменить рецептор так, чтобы токсичное вещество не могло с ним связаться. Вторая – задействовать внутриклеточные белки так, чтобы превратить пестицид в относительно безопасный метаболит или же снизить чувствительность к нему ткани-мишени.
При любом механизме, по которому идет отбор, развитие устойчивости продолжает давать неожиданные результаты. Например, ученые предполагали, что изменения в физиологии и молекулярной биологии насекомых, обеспечивающие выживаемость особей, должны быть эфемерны, так как селективное преимущество реализуется только при наличии конфронтации с пестицидами. Так действительно бывает часто, но не всегда. Например, у австралийской овечьей мухи (Lucilla cuprina) гены, обеспечивающие устойчивость к малатиону, были обнаружены даже у мух, пойманных до начала применения этого инсектицида, но при этом генов устойчивости к диазинону (другому фосфорорганическому пестициду) обнаружено не было. Возможно, эти мутации дают мухам другие преимущества, однако если генетические предпосылки устойчивости к пестицидам присутствуют у мух даже при отсутствии пестицидов и передаются последующим поколениям, значит, эта мутация не оказывается для насекомых невыгодной в энергетическом смысле.
Антибиотик – это лекарство, которое убивает микроорганизмы или подавляет их рост, в то же время не являясь летальным для человека или других животных. Исторически различали две группы антибактериальных средств: синтезируемые лабораторно (например, первые поступившие в продажу сульфамидные препараты) и производимые живыми организмами (например, пенициллин). Сегодня большинство антибиотиков – это производные природных веществ, которые были выделены в чистом виде и сейчас синтезируются промышленно, поэтому граница между природными и искусственными антибиотиками фактически стерлась.
Антибиотики произвели революцию в медицине, так как с их помощью удается контролировать многие инфекционные заболевания. Во время Гражданской войны в США более 70 из каждой тысячи солдат умирали от инфекций. Примерно через 80 лет, во время Второй мировой, уровень смертности от инфекционных заболеваний снизился до менее 1 на 1000. Это исключительное повышение выживаемости во многом объяснялось именно началом широкого применения пенициллина и других антибиотиков.
