Этот взгляд был поддержан наблюдениями над растениями других семейств, например, мотыльковых; однако в отсутствие экспериментального доказательства его можно было рассматривать только как «рабочую гипотезу».
Все адаптации к перекрестному опылению могли быть полезны просто потому, что они делали опыление возможным, когда по какой-либо причине самоопыление становилось затруднительным или невозможным. Перекрестное опыление, следовательно, было бы полезно не само по себе, а лишь как средство опыления в целом; оно в некоторой степени служило бы средством исправления метода, непригодного самого по себе, такого как модификация, стоящая на пути самоопыления, а с другой стороны — как средство увеличения шанса опыления в случае цветков, у которых самоопыление было возможно, но могло быть предотвращено при случайных обстоятельствах. Поэтому было очень важно получить экспериментальное доказательство вывода, к которому Дарвина привело убеждение большинства селекционеров и свидетельства широкого распространения перекрестного опыления и замечательных адаптаций к нему.
Это было обеспечено исследованиями, описанными в двух других упомянутых выше работах. Исследования, на которых основываются выводы, были, по крайней мере частично, ранее опубликованы в отдельных статьях: это касается гетеростильных растений. Открытия, которые Дарвин сделал в ходе своих исследований этих растений, принадлежат к числу самых блестящих в биологической науке.
Случай с примулой (Primula) теперь хорошо известен. К. К. Шпренгелю и другим был известен замечательный факт, что разные особи европейских видов примулы несут различно устроенные цветки; некоторые растения обладают цветками, у которых столбики выступают за пределы тычинок, прикрепленных к трубке венчика (длинностолбчатая форма), в то время как у других тычинки вставлены выше рыльца, которое несет короткий столбик (короткостолбчатая форма). Брайтенбахом было показано, что обе формы цветка могут встречаться на одном и том же растении, хотя это случается очень редко. Аналогичный случай иногда встречается у гибридов, которые несут цветки разного цвета на одном и том же растении (например, Dianthus caryophyllus). Дарвин показал, что внешние различия коррелируют с другими в строении рыльца и в природе пыльцы. Длинностолбчатые цветки имеют сферическое рыльце, снабженное крупными сосочками рыльца; пыльцевые зерна продолговатые и меньше, чем у короткостолбчатых цветков. Количество производимых семян меньше, а семяпочки крупнее, вероятно, также меньше по количеству. Короткостолбчатые цветки имеют гладкое сжатое рыльце и венчик несколько иной формы; они производят большее количество семян.
Эти различные формы цветков рассматривались просто как случай изменчивости, пока Дарвин не показал, «что эти гетеростильные растения приспособлены к взаимному оплодотворению; так что две или три формы, хотя все они являются гермафродитами, относятся друг к другу почти как самцы и самки обычных раздельнополых животных» («Формы цветов» (1-е изд.), стр. 2). Мы имеем здесь пример гермафродитных цветков, которые являются полово различными. Существуют существенные различия в способе оплодотворения. Оно может осуществляться четырьмя различными способами; существуют два законных и два незаконных типа оплодотворения. Оплодотворение является законным, если пыльца с длинностолбчатых цветков достигает рыльца короткостолбчатой формы или если пыльца короткостолбчатых цветков переносится на рыльце длинностолбчатого цветка, то есть органы одинаковой длины двух разных видов цветков реагируют друг на друга. Незаконное оплодотворение представлено двумя видами самооплодотворения, а также перекрестным оплодотворением, при котором пыльца длинностолбчатой формы достигает рыльца того же типа цветка и, аналогично, перекрестным опылением в случае короткостолбчатых цветков.
Применимость терминов «законный» и «незаконный» зависит, с одной стороны, от того факта, что насекомые, посещающие разные формы цветков, опыляют их предложенным способом; пыльца короткостолбчатых цветков прилипает к той части тела насекомого, которая касается рыльца длинностолбчатого цветка, и наоборот. С другой стороны, это основано также на том факте, что эксперимент показывает, что искусственное опыление дает очень разный результат в зависимости от того, является ли оно законным или незаконным; только законный союз обеспечивает полную фертильность, причем полученные таким образом растения сильнее тех, что произведены незаконным путем.
Если мы примем за 100 число цветков, которые производят семена в результате законного оплодотворения, мы получим следующие числа от незаконного оплодотворения:
Primula officinalis (P. veris) (первоцвет весенний)... 69 Primula elatior (первоцвет высокий)... 27 Primula acaulis (P. vulgaris) (первоцвет обыкновенный)... 60
Далее, растения, полученные незаконным методом оплодотворения, показали, например, у P. officinalis, снижение фертильности в последующих поколениях, стерильную пыльцу и в открытом грунте более слабый рост. (При очень благоприятных условиях (в теплице) фертильность растений четвертого поколения увеличивается — момент, который ввиду различных теоретических вопросов заслуживает дальнейшего исследования). Они ведут себя, по сути, точно так же, как гибриды между видами разных родов. Этот результат важен, «ибо мы таким образом узнаем, что трудность в половом объединении двух органических форм и стерильность их потомства не дают верного критерия так называемой видовой обособленности» («Формы цветов», стр. 242): относительная или абсолютная стерильность незаконных союзов и их незаконных потомков зависит исключительно от природы половых элементов и от их неспособности соединяться определенным образом. Это функциональное различие половых клеток характерно для поведения гибридов, как и для незаконных союзов гетеростильных растений. Согласие становится еще более тесным, если мы рассматриваем растения примулы, несущие разные формы цветков, не как принадлежащие к систематической единице или «виду», а как включающие несколько элементарных видов. Законно произведенные растения, таким образом, являются истинными гибридами (когда Дарвин писал в отношении разных форм гетеростильных растений: «которые все принадлежат к одному и тому же виду так же определенно, как и два пола одного и того же вида» («Перекрестное опыление и самоопыление», стр. 466), он использовал термин «вид» в широком смысле. Недавние исследования Бейтсона и Грегори («О наследовании гетеростилии у примулы»; «Proc. Roy. Soc.» Ser. B, том LXXVI, 1905, стр. 581) представляются мне также подтверждающими взгляд, что результаты незаконного скрещивания гетеростильных примул соответствуют таковым при гибридизации. Тот факт, что законная пыльца осуществляет оплодотворение, даже если незаконная пыльца достигает рыльца за короткое время до этого, также указывает на этот вывод. Самоопыление в случае короткостолбчатой формы, например, не исключено. Несмотря на это, количественная пропорция двух форм, полученных в открытом грунте, остается примерно такой же, как когда опыление было исключительно законным, по-видимому, потому, что законная пыльца является препотентной), с которыми их поведение в других отношениях, как показал Дарвин, представляет столь близкое согласие. Этот взгляд получает поддержку также от того факта, что потомки цветка, оплодотворенного незаконно пыльцой другого растения с той же формой цветка, принадлежат, за немногими исключениями, к тому же типу, что и их родители. Две формы цветка, однако, ведут себя по-разному в этом отношении. Среди 162 сеянцев длинностолбчатых незаконно опыленных растений Primula officinalis, включая пять поколений, было 156 длинностолбчатых и только шесть короткостолбчатых форм, в то время как в результате законного оплодотворения почти половина потомства была длинностолбчатой и половина короткостолбчатой. Короткостолбчатая незаконно опыленная форма дала пять длинностолбчатых и девять короткостолбчатых; причина этого различия требует дальнейшего объяснения. Значение гетеростилии, рассматриваем ли мы ее теперь как устройство для нормального производства гибридов или нет, всесторонне выражено Дарвином: «Мы можем быть уверены, что растения стали гетеростильными, чтобы обеспечить перекрестное оплодотворение, ибо теперь мы знаем, что скрещивание между отдельными особями одного и того же вида весьма важно для силы и фертильности потомства» («Формы цветов», стр. 258). Если мы вспомним, насколько важной стала интерпретация гетеростилии во всех общих проблемах, как, например, тех, что связаны с условиями образования гибридов, факт, который ранее упускался из виду, мы можем оценить, как Дарвин смог сказать в своей автобиографии: «Не думаю, чтобы что-либо в моей научной жизни доставило мне столько удовлетворения, как выяснение смысла строения этих растений» («Жизнь и письма», том I, стр. 91).
Замечательные условия, представленные у растений с тремя видами цветков, таких как Lythrum и Oxalis, согласуются в существенном с таковыми у Primula. Их нельзя рассматривать здесь подробно; следует лишь отметить, что исследование этих случаев было еще более трудоемким. Чтобы установить относительную фертильность различных союзов у Lythrum salicaria, было произведено 223 различных оплодотворения, причем каждый цветок был лишен своих мужских органов, а затем опылен соответствующей пыльцой.
В книге, содержащей отчет о гетеростильных растениях, рассматриваются и другие виды, которые, помимо цветков, открывающихся нормально (хазмогамных), также обладают цветками, которые остаются закрытыми, но способны производить плоды. Эти клейстогамные цветки представляют собой поразительный пример обычного самоопыления, и Г. фон Моль обратил на них особое внимание как на таковые вскоре после появления книги Дарвина об орхидеях. Если бы речь шла только о производстве семян самым простым способом, клейстогамные цветки были бы сконструированы наиболее удобно. Венчик и часто другие части цветка редуцированы; развитие семени может, следовательно, быть осуществлено с меньшими затратами строительного материала, чем в хазмогамных цветках; также нет потери пыльцы, и, таким образом, меньшего количества достаточно для оплодотворения.
Почти все эти растения, как указал Дарвин, имеют также хазмогамные цветки, которые делают возможным перекрестное оплодотворение. Его взгляд, что клейстогамные цветки происходят от первоначально хазмогамных, был подтвержден более поздними исследованиями. Условия питания в широком смысле являются факторами, которые определяют, будут ли производиться хазмогамные или клейстогамные цветки, при условии, конечно, что рассматриваемые растения имеют способность развивать обе формы цветка. Первые могут не появляться некоторое время, но в конечном итоге развиваются при благоприятных условиях питания. Убеждение многих авторов, что существуют растения только с клейстогамными цветками, поэтому не может быть принято как авторитетное без тщательного экспериментального доказательства, так как мы имеем дело с внеевропейскими растениями, для которых часто трудно обеспечить соответствующие условия при культивации.
Дарвин видит в клейстогамных цветках адаптацию к хорошему снабжению семенами при малых затратах материала, в то время как хазмогамные цветки того же вида обычно перекрестно опыляются, и «их потомство будет таким образом укреплено, как мы можем заключить из широко распространенной аналогии» («Формы цветов» (1-е изд.), стр. 341). Прямое доказательство в поддержку этого до сих пор было представлено лишь в немногих случаях; мы часто будем обнаруживать, что пример, поданный Дарвином в решении таких проблем, как эти, путем трудоемкого эксперимента, к сожалению, мало имитировался.
Другая глава этой книги рассматривает распределение полов у полигамных, двудомных и гино-двудомных растений (последний термин, ныне широко используемый, мы обязаны Дарвину). Она содержит ряд важных фактов и дискуссий и вдохновила экспериментальные исследования Корренса и других.
Наиболее важной из работ Дарвина по биологии цветков является, однако, работа о перекрестном и самооплодотворении, главным образом потому, что она излагает результаты экспериментальных исследований, охватывающих многие годы. Только такие эксперименты, как мы указывали, могли определить, является ли перекрестное оплодотворение само по себе полезным, а самооплодотворение, с другой стороны, вредным; вывод, который простое сравнительное изучение механизмов опыления делает в высшей степени вероятным. Поздние биологи-цветоводы, к сожалению, почти полностью ограничились наблюдениями за цветочными механизмами. Но от этого рода работы мало что можно получить, кроме предположения, сделанного давным-давно К. К. Шпренгелем, что «очень многие цветки имеют раздельные полы, и, вероятно, по крайней мере столько же гермафродитных цветков являются дихогамными; таким образом, казалось бы, Природа не желала, чтобы какой-либо цветок был оплодотворен собственной пыльцой».
Именно случайное наблюдение вдохновило эксперименты Дарвина о влиянии перекрестного и самооплодотворения. Растения Linaria vulgaris выращивались на двух соседних грядках; на одной были растения, полученные в результате перекрестного оплодотворения, то есть из семян, полученных после оплодотворения пыльцой другого растения того же вида; на другой росли растения, полученные в результате самооплодотворения, то есть из семян, произведенных в результате опыления того же самого цветка. Первые были явно превосходящими последние.
Дарвин был удивлен этим наблюдением, так как ожидал, что вредное влияние самооплодотворения проявится после ряда поколений: «Я всегда полагал до недавнего времени, что никакие вредные эффекты не будут видны до тех пор, пока не пройдет несколько поколений самооплодотворения, но теперь я вижу, что одного поколения иногда достаточно, и существование диморфных растений и все удивительные приспособления орхидей мне вполне понятны» («Больше писем», том II, стр. 373).
Наблюдения над Linaria и исследования результатов законного и незаконного оплодотворения у гетеростильных растений были, по-видимому, началом длинной серии экспериментов. Они касались растений разных семейств и привели к результатам, которые имеют фундаментальное значение для истинного объяснения полового размножения.
Эксперименты были организованы так, что растения были защищены от посещений насекомых сеткой. Некоторые цветки затем опылялись собственной пыльцой, другие — пыльцой с другого растения того же вида. Семена проращивались на влажном песке; два сеянца одного возраста, один от перекрестного, а другой от самоопыленного цветка, были отобраны и посажены на противоположных сторонах одного горшка. Таким образом, они росли в идентичных внешних условиях; это позволило сравнить их особенности, такие как высота, вес, способность к плодоношению и т. д. В других случаях сеянцы помещались близко друг к другу в открытом грунте, и таким образом проверялась их способность сопротивляться неблагоприятным внешним условиям. Эксперименты в некоторых случаях продолжались до десятого поколения, и цветки скрещивались разными способами. Мы видим, таким образом, что эта книга также представляет собой огромное количество самой тщательной и терпеливой оригинальной работы.
Общий полученный результат заключается в том, что растения, полученные в результате перекрестного оплодотворения, превосходят в большинстве случаев те, что получены в результате самооплодотворения, по высоте, устойчивости к внешним вредным влияниям и по продуктивности семян.
Ipomoea purpurea может быть приведена в качестве примера. Если мы выразим результат перекрестного оплодотворения через 100, мы получим следующие числа для оплодотворенных растений.
Поколение. Высота. Количество семян. 1 100: 76 100: 64 2 100: 79 - 3 100: 68 100: 94 4 100: 86 100: 94 5 100: 75 100: 89 6 100: 72 - 7 100: 81 - 8 100: 85 - 9 100: 79 100: 26 (Количество коробочек) 10 100: 54 -
В среднем соотношение в отношении роста составляет 100:77. Значительное превосходство перекрестно опыленных растений очевидно в первом поколении и не увеличивается в последующих поколениях; но наблюдается некоторая флуктуация вокруг среднего соотношения. Числа, представляющие фертильность перекрестно и самооплодотворенных растений, труднее сравнить с точностью; превосходство перекрестно опыленных растений главным образом объясняется тем фактом, что они производят гораздо большее количество коробочек, а не тем, что в каждой коробочке в среднем больше семян. Соотношение коробочек было, например, в третьем поколении 100:38, соотношение семян в коробочках 100:94. Также особенно примечательно, что у самооплодотворенных растений пыльники были меньше и содержали меньшее количество пыльцы, а в восьмом поколении сниженная фертильность проявилась в форме, которая часто встречается у гибридов, то есть первые цветки были стерильными. (Полная стерильность не была обнаружена ни у одного из растений, исследованных Дарвином. Другие, по-видимому, более чувствительны; Клюэр обнаружил, что Zea Mais стал «почти стерильным» после трех поколений самооплодотворения. (Ср. Фрувирт, «Селекция сельскохозяйственных культур», Берлин, 1904, II, стр. 6)).
Превосходство перекрестно опыленных особей проявляется не одинаково у всех растений. Например, у Eschscholzia californica перекрестно опыленные сеянцы не превосходят самоопыленные по высоте и силе, но скрещивание значительно увеличивает способность растения к цветению, и сеянцы от такого материнского растения более фертильны.
Концепция, подразумеваемая термином «скрещивание», требует более глубокого анализа. Поскольку у большинства растений большое количество цветков цветет одновременно на одном и том же растении, из этого следует, что насекомые, посещающие цветки, часто переносят пыльцу с одного цветка на другой того же самого растения. Имеет ли этот метод, который называют гейтоногамией, такое же влияние, как скрещивание пыльцой с другого растения? Результаты экспериментов Дарвина с разными растениями (Ipomoea purpurea, Digitalis purpurea, Mimulus luteus, Pelargonium, Origanum) не были в полном согласии; но в целом они указывали на вывод, что гейтоногамия не показывает превосходства над самооплодотворением (автогамией). (Аналогично, скрещивание в случае цветков Pelargonium zonale, которые принадлежат к растениям, выращенным из черенков от одного родителя, не показывает превосходства над самооплодотворением). Дарвин, однако, считал возможным, что это иногда может иметь место. «Половые элементы в цветках на одном и том же растении редко могут быть дифференцированы, хотя это возможно, так как цветочные почки в одном смысле являются отдельными особями, иногда варьирующими и отличающимися друг от друга по строению или конституции» («Перекрестное опыление и самоопыление» (1-е изд.), стр. 444).