«Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных»

Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных (fb2) - Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных 12723K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Шон Б. Кэрролл

Шон Кэррол Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

Издание осуществлено при поддержке

Фонда некоммерческих программ Дмитрия Зимина "ДИНАСТИЯ"

Иллюстрации Джейми Кэрролл, Джоша Клейса и Лианн Олдс

Художественное оформление и макет серии Андрея Бондаренко

© Sean В. Carroll, 2005. All rights reserved © Т. Мосолова, перевод на русский язык, 2015 © А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2015 © 000 "Издательство ACT', 2015 Издательство CORPUS ®

Фонд некоммерческих программ "династия" основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании "вымпелком". Приоритетные направления деятельности Фонда — развитие фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект "Библиотека 'Династии'" — издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта. Более подробную информацию о Фонде "Династия" вы найдете по адресу .

Предисловие. Революция N3

Ты говоришь, что хочешь революции?

Ну, знаешь ли,

Мы все хотим изменить мир.

Твердишь, что это эволюция?

Ну, знаешь ли,

Мы все хотим изменить мир.

Говоришь, у тебя есть решение?

Ну что же,

Мы не прочь взглянуть на план!...

Джон Леннон и Пол Маккартни Revolution 1 (1968)

Физик и нобелевский лауреат Жан Перрен однажды заметил, что путь к любому научному достижению заключается в "объяснении сложного видимого [явления] какими-то простыми невидимыми". Две величайшие революции в биологии — революция в теории эволюции и революция в генетике — шли именно таким путем. Дарвин объяснил разнообразие видов, обнаруживаемых в палеонтологической летописи, и современных живых организмов действием естественного отбора на протяжении чрезвычайно длительного времени. Молекулярная биология объяснила, каким образом наследственные признаки всех организмов закодированы в молекулах ДНК, состоящих всего из четырех оснований. Но какими бы блестящими ни были эти догадки, они не смогли полностью объяснить происхождение сложных наблюдаемых нами форм — от формы тела древних трилобитов до формы клюва галапагосских вьюрков. Ни естественный отбор, ни последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК не могут напрямую объяснить, каким образом формировался внешний вид живых существ или как он эволюционировал.

Ключом к пониманию формы является развитие, в ходе которого яйцеклетка превращается в сложное животное, состоящее из многих миллиардов клеток. Это удивительное превращение оставалось одной из самых волнующих загадок биологии на протяжении почти двухсот лет. А развитие тесно связано с эволюцией, поскольку изменить форму взрослого организма можно только за счет изменения эмбриона. В последние двадцать лет в биологии развернулась новая революция. Успехи биологии развития и эволюционной биологии развития, сокращенно — эво-дево (от англ. evolutionary developmental biology, evo-devo — Прим. перев.), позволили узнать много интересного о невидимых генах и некоторых простых правилах, которые определяют форму животных и ее эволюцию. Многое из того, что нам открылось, было настолько удивительным и неожиданным, что в значительной степени изменило наш взгляд на процесс эволюции. К примеру, раньше ни один биолог не мог предположить, что те же самые гены, которые контролируют развитие частей тела и органов насекомых, контролируют и развитие тела человека.

Книга, которую вы держите в руках, рассказывает об этой новой революции и о том, как она помогает разобраться в вопросах эволюции царства животных. Я хотел представить читателю наглядную картину процессов развития животных и показать, как различные изменения в ходе этого процесса сформировали и современных животных, и тех, которых мы знаем лишь по окаменелостям.

Когда я писал эту книгу, я имел в виду несколько типов читателей. Во-первых, те, кто интересуется природой, естественной историей, фауной дождевых лесов, рифов, саванн, а также ископаемыми останками из древних отложений, узнают много нового о развитии и эволюции некоторых наиболее удивительных животных из прошлого и настоящего. Во-вторых, физикам, инженерам, программистам и всем остальным, интересующимся происхождением сложных структур, эта книга расскажет о том, как в результате комбинации небольшого числа общих элементов возникло невероятное разнообразие форм. В-третьих, я уверен в том, что новые достижения эво-дево помогут студентам и преподавателям сделать изучение эволюции более интересным и раскроют более увлекательную и ясную картину эволюции, чем та, что мы представляли себе до сих пор. И, наконец, в-четвертых, эта книга предложит любому человеку, задающему себе вопрос "Откуда я взялся?", описание нашей с вами истории: относительно короткого пути, который мы проходим от яйцеклетки до взрослого организма, и долгого трудного путешествия от возникновения первых животных до совсем недавнего появления нашего вида.

Рисунок Кристофера Херра, 10 лет (школа Игл, Мэдисон, штат Висконсин).

Введение. Бабочки, зебры и эмбрионы

Она бредет сквозь облака

В голове ее кружится карнавал

Зебры, бабочки,

Сказки и лунный свет

Вот и все, о чем думать умеет она

Джими Хендрикс Little Wing (1967)

Последний раз, когда я был в школе, где учатся мои дети, меня восхитили вывешенные в коридорах детские рисунки. Среди пейзажей и портретов было множество изображений животных. Удивительно, но из тысяч млекопитающих дети почему-то чаще всего выбирали зебр. А из всех животных вообще наибольшей популярностью пользовались бабочки. Мы живем в Висконсине, дело было в середине зимы, но дети рисовали совсем не то, что видели за окном. Откуда все эти бабочки и зебры?

Я уверен, что детское творчество отражает глубокий интерес детей к строению животных — форме их тела, рисунку и окраске. Мы все ощущаем эту связь. Вот почему мы ходим в зоопарк полюбоваться на редких зверей, толпимся у вольеров с бабочками, разглядываем аквариумы и тратим бешеные деньги на содержание домашних питомцев — собак, кошек, птиц и даже рыбок. Чаще всего выбор породы или вида домашнего животного основан на наших эстетических чувствах. При этом нас часто привлекают (а иногда и пугают) наиболее экзотические животные: гигантские кальмары, плотоядные динозавры или пауки-птицееды.

Такой же интерес и восхищение форма тела животных на протяжении многих столетий вызывала и у знаменитых натуралистов. В холодной, серой и сырой довикторианской Англии юный Чарльз Дарвин читал 2000-страничный отчет Александра фон Гумбольдта о путешествии по Южной Америке[1]. Дарвин был настолько поглощен этой книгой, что позднее заявлял, будто в это время думал, говорил и мечтал лишь о том, чтобы увидеть описанные Гумбольдтом тропические страны. Ему повезло: в 1831 г. у него появилась возможность отправиться в плавание на "Бигле". Позднее Дарвин писал Гумбольдту: "Все течение моей жизни определилось тем, что я читал и перечитывал эту книгу". Два других англичанина — двадцатидвухлетний служащий и страстный коллекционер насекомых Генри Уолтер Бейтс и его друг, натуралист-самоучка Альфред Рассел Уоллес — также мечтали отправиться в путешествие за новыми образцами. Познакомившись с описанием путешествия Дарвина в Бразилию (1848), Бейтс и Уоллес решили обязательно там побывать. Путешествие Дарвина длилось пять лет, Бейтс провел в тропиках одиннадцать лет, а Уоллес совершил два путешествия, в сумме длившиеся четырнадцать лет. Этим мечтателям, обнаружившим и собравшим тысячи видов организмов, предстояло начать первую революцию в биологии. Должно быть, есть что-то такое в жизни в северном климате, что вдохновляет на мечты о тропиках. Я рос в Толедо, штат Огайо, в окружении городских парков и сельскохозяйственных угодий у берегов не слишком щедрого озера Эри. Мои мечты о райских уголках подпитывались статьями в журналах и телевизионными передачами, такими как "Царство животных" (в черно-белом варианте). Десятилетия спустя мне посчастливилось увидеть животных африканских саванн, джунглей Центральной Америки и барьерных рифов Австралии и Белиза (правда, я был всего лишь туристом, а вовсе не отважным путешественником). И эти животные оказались еще более потрясающими, чем я мог вообразить.

На открытых пастбищах в Кении бродят стада зебр и слонов, а вблизи прогуливаются одинокие жирафы, страусы и гепарды. Полосатые лошади, гигантские серые звери с полутораметровыми носами и пятнистые кошки, способные обогнать джип. Если бы этих созданий не было на свете, в их существование было бы почти невозможно поверить.

В дождевых лесах водится множество более мелких животных. В пятнах солнечного света, проникающего через просветы в кронах деревьев, танцуют яркие бабочки, такие как красно-желтый геликониус или отсвечивающая металлическими искрами голубая морфо. Внизу, в лесной подстилке кричат покрытые красными и бирюзовыми пятнами ядовитые лягушки-древолазы, а ярко-зеленые муравьи-листорезы поглощены масштабным проектом по сбору урожая. Крупные хищники выходят ночью. Я никогда не забуду ужаса, охватившего меня при встрече с полутораметровой смертельно опасной копьеголовой змеей в полной темноте и тишине ночных джунглей в Белизе, как раз в тех местах, где водятся ягуары (мы видели лишь свежие следы, но хищники были совсем близко!).

Еще более странные и удивительные существа обитают в море. Попробуйте нырнуть — не слишком глубоко — вблизи кораллового рифа у берегов Австралии, и разнообразие рыб, кораллов и ракушек буквально бросится вам в глаза. Повсюду неоновые цвета, тела всех форм и размеров, фантастические рисунки, а время от времени мелькают тени гигантской морской черепахи, осьминога или стремительной акулы. Невероятное разнообразие размеров, строения и цвета тела животных вызывает серьезные вопросы, касающиеся происхождения форм животных. Как появилась каждая из форм? И как эволюционировало их разнообразие? Эти вопросы волновали биологов уже очень давно, еще во времена Дарвина, Уоллеса и Бейтса, да даже и раньше. Но лишь совсем недавно ученые нашли убедительные ответы на эти вопросы, и многие из них оказались настолько удивительными и глубокими, что в корне изменили наш взгляд на формирование мира животных и на наше место в нем. К написанию книги меня подтолкнул тот интерес, который все мы испытываем к формам живых существ, но моей целью было распространить этот интерес и восхищение на процесс создания формы, то есть на наши новые знания о биологических процессах, определяющих планы строения животных и их разнообразие. В основе многочисленных видимых элементов формы живых существ лежат удивительные процессы, которые прекрасны своей способностью превращать одну-единственную крошечную клетку в большое, сложное, высокоорганизованное, отличное от других существо; процессы, которые с течением времени создали мир, населенный миллионами существ с ярко выраженной индивидуальностью.

Эмбрионы и эволюция

Пытаясь разобраться в огромном многообразии животных, натуралисты первым делом попытались разбить их на группы, такие как позвоночные (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие) и членистоногие (насекомые, ракообразные, паукообразные и др.), однако между животными из разных групп, да и внутри одной и той же группы наблюдалось множество отличий. Что разнит рыбу и саламандру? Или насекомое и паука? Понятно, что леопард — это кошка, но ведь что-то отличает его от домашнего кота? А что отличает нас от наших двоюродных братьев шимпанзе?

Ключ к ответу на подобные вопросы — это четкое осознание того, что форма каждого животного является продуктом двух процессов: развития из яйца и эволюции от предковой формы. Для понимания того, как появилось все наблюдаемое разнообразие форм живых организмов, необходимо понять механизмы этих двух процессов и осознать их неразрывную связь. Попросту говоря, развитие — это процесс превращения яйцеклетки в эмбрион, а затем во взрослую особь. Эволюция формы происходит за счет эволюционных изменений самого процесса ее развития.

Оба эти процесса поразительны. Подумайте только, развитие сложного многоклеточного существа начинается с одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. А всего через день (у личинки мухи), через несколько недель (у мыши) или через несколько месяцев (у нас с вами) яйцеклетка превращается в миллионы, миллиарды или, как у человека, в триллионы клеток, формирующих органы, ткани и отдельные части тела. На свете не так много явлений (если они вообще есть), которые вызывали бы у нас такое удивление и благоговение, как превращение яйцеклетки в эмбрион, а затем во взрослый организм. Один из крупнейших биологов, последователь Дарвина Томас Гексли (Хаксли) писал:

Человек, изучающий Природу, восхищается все больше и удивляется все меньше по мере того, как знакомится с ее законами; но среди всех чудес, которые она представляет для изучения, возможно, наиболее достойным восхищения является развитие растения или животного из зародыша.

"Афоризмы и размышления", 1907.

О существовании связи между развитием и эволюцией биологам известно давно. И Дарвин в книгах "О происхождении видов" (1859) и "Происхождение человека и половой отбор" (1871), и Гексли в коротком шедевре "О положении человека в ряду органических существ" (1863) в значительной степени опирались на данные эмбриологии (те, что были известны в середине девятнадцатого века) для демонстрации связи человека с царством животных и для подтверждения теории эволюции. Дарвин призывал читателя представить себе, как мельчайшие изменения, происходящие в разные моменты и в разных частях тела, через тысячи или миллионы поколений, за временные промежутки длиной от десятков тысяч до нескольких миллионов лет, приводят к образованию множества форм, адаптированных к различным условиям и обладающих уникальными способностями. Именно к этому в двух словах сводится суть эволюции.

Суть доводов Гексли проста: мы можем удивляться превращению яйца во взрослое животное, но для нас это будничный факт. В таком случае, только отсутствие воображения мешает понять, каким образом изменения в этом процессе, накапливающиеся на протяжении больших временных отрезков, намного превышающих то, что может охватить человеческий опыт, создают разнообразие всего живого. Эволюция столь же естественна, как и развитие эмбриона.

Будучи естественным процессом того же рода, что и появление дерева из семечка или курицы из яйца, эволюция исключает творение и любое другое сверхъестественное вмешательство.

"Афоризмы и размышления", 1907.

Хотя Дарвин и Гексли были правы относительно роли развития в эволюции, на протяжении сотни с лишним лет после публикации их работ приблизиться к пониманию загадок развития практически не удалось. Вопрос о том, как простое яйцо дает начало полноценному организму, оставался одним из самых трудноразрешимых вопросов во всей биологии. Многие считали, что процесс развития безнадежно сложен и что для объяснения развития разных животных требуются совершенно разные подходы. Эта задача казалась настолько неразрешимой, что исследования в области эмбриологии, наследственности и эволюции, которые сто лет назад были тесно переплетены и формировали ядро биологического мышления, разделились и каждая из этих наук принялась изобретать собственные закономерности.

Поскольку развитие эмбриологии задержалось очень надолго, она не принимала никакого участия в так называемом современном синтезе эволюционных идей (другое название этого направления — синтетическая теория эволюции), который возник в 1930-1940-х гг. Десятилетия спустя после выхода в свет трудов Дарвина ученые все еще пытались понять механизм эволюции. В момент создания "Происхождения видов" механизм передачи наследственных признаков не был известен. Работы Грегора Менделя были заново открыты биологами лишь спустя десятилетия после их публикации, и до начала 1900-х гг. генетика не развивалась. Специалисты в разных областях биологии использовали совершенно разные подходы к изучению эволюции. Палеонтологи концентрировались на очень больших временных интервалах, анализе окаменелостей и эволюции крупных таксонов. Систематиков волновали проблемы вида и видообразования. Генетики по большей части исследовали изменчивость признаков лишь у нескольких модельных видов. Эти области научных исследований не были связаны между собой, а порой и соперничали, пытаясь доказать, что каждая из них вносит больший вклад в эволюционную биологию. Гармония была достигнута постепенно, в результате интеграции взглядов на эволюционные процессы на разных уровнях. Книга Джулиана Хаксли "Эволюция: современный синтез" (1942) обозначила возникновение этого союза и признание всеми двух основных идей. Первая идея: постепенная эволюция может быть результатом небольших генетических изменений, создающих вариации, которые становятся материалом для естественного отбора. Вторая идея: эволюция на уровне крупных таксонов и в более крупных масштабах может объясняться теми же постепенными эволюционными изменениями, происходящими за более длительные промежутки времени.

Современный синтез в значительной степени заложил основы эволюционной биологии на последующие шестьдесят лет. Однако, несмотря на многообещающие слова "современный" и "синтез", эта теория была неполной. С момента ее возникновения до недавнего времени мы могли сказать, что формы изменяются и что движущей силой этого процесса является естественный отбор, но мы ничего не могли сказать о том, как изменяются формы, объяснить видимые проявления эволюции, запечатленные, например, в окаменелостях. С точки зрения современного синтеза эмбриология была своего рода "черным ящиком", который каким-то образом трансформирует генетическую информацию в трехмерный функциональный организм.

Эта патовая ситуация длилась несколько десятилетий. Эмбриологи были поглощены проблемами, которые можно было решить, работая с яйцеклетками и эмбрионами всего нескольких модельных видов животных, и проблема эволюционных изменений развития выходила за рамки их научных интересов. Эволюционисты изучали генетическую изменчивость в популяциях, игнорируя связь между генами и формой. Хуже того: в некоторых кругах к эволюционной биологии относились так, будто ее место — среди музейных древностей.

Это продолжалось до 1970-х гг., когда наконец были услышаны голоса, призывавшие к объединению эмбриологии и эволюционной биологии. Громче других звучал голос Стивена Джея Гулда, чья книга "Онтогенез и филогенез" оживила дискуссию о том, каким образом изменения развития могут влиять на эволюцию. Кроме того, Гулд встряхнул эволюционную биологию, когда вместе с Нильсом Элдриджем по-новому взглянул на палеонтологическую летопись и выдвинул идею прерывистого равновесия, согласно которой эволюция характеризуется длительными периодами стабильности (равновесие), прерывающимися короткими промежутками активных изменений (прерывистость). Книга Гулда и многие его последующие работы заставили пересмотреть "общую картину" эволюционной биологии и расставили акценты над оставшимися неразрешенными вопросами. Посеянные им зерна проросли в душе многих молодых ученых, к числу которых относился и я.

Для меня и многих других, кто рос в период расцвета молекулярной биологии, объяснившей механизм работы генов, ситуация в эмбриологии и эволюционной биологии казалась удручающей, однако обе науки обладали невероятным потенциалом. Отсутствие знаний в области эмбриологии приводило к тому, что дискуссия по поводу эволюции формы в эволюционной биологии практически полностью сводилась к беспредметным спекуляциям. Как можно достичь прогресса в понимании эволюции формы без научного представления о том, как вообще создается форма? Популяционным генетикам удалось установить, что эволюция происходит благодаря изменениям генов, но это положение не было подкреплено примерами. Не был охарактеризован ни один ген, изменение которого повлияло бы на форму тела и эволюцию какого-либо животного. Чтобы перейти на новый уровень понимания эволюции, был необходим прорыв в эмбриологии.

Революция в эво-дево

Всем было понятно, что в центре загадочных процессов развития и эволюции находятся гены. Зебры выглядят, как зебры, бабочки — как бабочки, а люди — как люди только по той причине, что обладают соответствующими генами. Проблема заключалась в том, что практически ничего не было известно о том, какие гены имеют значение для развития животных.

Длительный застой в эмбриологии, наконец, был прерван усилиями нескольких блестящих генетиков, которые, работая с плодовой мушкой дрозофилой, рабочей лошадкой генетики в последние восемьдесят лет, предложили способ поиска генов, контролирующих развитие. Открытие этих генов и их исследование в 1980-х гг. позволили совершенно по-новому взглянуть на развитие животных и выявить логику и механизмы процессов, на которых основано создание формы.

Практически сразу после того, как были охарактеризованы первые наборы генов дрозофилы, произошел взрыв, способствовавший началу новой революции в биологии. На протяжении более ста лет биологи были уверены, что разные животные и на генетическом уровне устроены совершенно по-разному. Чем сильнее различается форма двух животных, тем меньше общего их развитие имеет на уровне генов (если у них вообще есть что-то общее). Один из создателей направления современного синтеза Эрнст Майр писал, что "поиск гомологичных генов имеет смысл лишь в случае самых близкородственных организмов". Но, вопреки ожиданиям всех биологов, очень многие гены, которые сначала были охарактеризованы как гены, ответственные за формирование плана строения дрозофилы, имеют точные аналоги, которые отвечают ровно за то же самое у большинства других животных, включая нас с вами. Далее выяснилось, что развитие различных частей тела, таких как глаза, конечности и сердце, строение которых кардинально различается у разных видов животных и которые, как долгое время считалось, эволюционировали совершенно разными путями, контролируется одними и теми же генами у разных животных. Сравнительный анализ генов развития у разных видов животных превратился в новую дисциплину, находящуюся на границе между эмбриологией и эволюционной биологией. Эту дисциплину стали называть эволюционной биологией развития, или сокращенно эво-дево.

Уже на первых этапах развития этой новой науки выяснилось, что при всех видимых различиях формы и физиологии сложных животных — мух и птиц-мухоловок, динозавров и трилобитов, бабочек, зебр и людей — их объединяет общий "инструментальный набор" генов, которые контролируют формирование и разметку тела животных и всех его частей. Подробнее я расскажу об открытии этого набора и о замечательных свойствах входящих в него генов в третьей главе. Сейчас важно понять, что обнаружение этих генов перевернуло прежние представления о родственных связях между животными и о том, что делает животных такими разными, а также позволило по-новому взглянуть на эволюцию.

В результате секвенирования полной последовательности ДНК разных видов животных (их геномов) стало известно, что у дрозофилы и человека имеется большой набор общих генов развития; более того: у человека и мыши 29 000 идентичных генов, а человек и шимпанзе на генетическом уровне идентичны почти на 99%. Эти цифры и факты, возможно, унижают тех, кто хочет видеть человека стоящим выше всего животного мира, а не его эволюционировавшей частью. Но я бы хотел, чтобы гораздо больше людей разделяли мнение, которое выразил комик Льюис Блэк. Он сказал, что нет смысла дискутировать с теми, кто нападает на теорию эволюции, поскольку "у нас есть ископаемые. Мы выиграли". Отлично сказано, господин Блэк, хотя у нас есть нечто большее, чем просто ископаемые.

Действительно, новые факты и открытия эмбриологии и эво-дево отметают последние избитые аргументы противников эволюции об отсутствии промежуточных форм и низкой вероятности эволюции сложных структур. Теперь мы понимаем, каким образом полноценный сложный организм строится из единственной клетки. При помощи новейшего набора эффективных методов мы можем наблюдать, каким образом модификации развития приводят к возрастанию сложности и разнообразия. Открытие древнего набора генов развития однозначно доказало происхождение животных, включая человека, от примитивного общего предка. Эво-дево позволяет проследить изменения структур на длительных временных промежутках и увидеть, как плавники рыб превратились в конечности наземных позвоночных, как в результате последовательных преобразований из примитивной трубчатой ноги возникли элементы ротового аппарата, ядовитые когти, плавательные и питающие конечности, жабры и крылья и как самые разные варианты глаз были построены на основе группы светочувствительных клеток. Обилие новых данных, полученных эво-дево, позволяет воссоздать живую картину того, как создается и эволюционирует форма животных.

Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

Идея об общности набора генов, регулирующих формирование плана строения, и о сходстве нашего генома с геномами других животных постепенно распространяется среди широкой публики. При этом, однако, остается без внимания некий парадокс. Если наборы генов у разных видов так похожи, откуда берутся различия? Разрешение этого парадокса и выводы из него составляют основную тему моей книги. Парадокс генетического сходства различающихся видов разрешается с помощью двух ключевых идей, которые я изложу и к которым буду постоянно возвращаться по ходу повествования. Эти идеи имеют огромное значение для понимания того, каким образом инструкции, специфичные для каждого вида животного, записаны в ДНК, и как создается и эволюционирует форма. Эти идеи весьма скудно отражены в средствах массовой информации, но они очень важны для понимания таких важнейших эпизодов истории жизни на Земле, как взрыв биоразнообразия в кембрийском периоде, эволюция разнообразия внутри отдельных групп животных, таких как бабочки, жуки или вьюрки, а также наша с вами эволюция от общего предка с шимпанзе и гориллами.

Первая идея заключается в том, что биоразнообразие связано не только с тем, какие именно гены входят в набор генов развития, сколько, говоря словами Эрика Клэптона, "it's in the way that you use it" — с тем, как они используются. Создание формы происходит посредством включения и выключения генов в разное время и в разных местах в процессе развития организма. Различия формы являются следствием изменения времени и места использования генов, особенно тех, которые регулируют количество, форму и размер структур. Мы увидим, что гены могут использоваться множеством способов, и именно за счет этого создается невероятное разнообразие форм тела и его частей.

Вторая идея касается того, где в геноме искать непосредственных виновников, ответственных за эволюцию формы. Так вышло, что в последние сорок лет их искали совсем не там, где надо. Давно было известно, что гены построены из длинных последовательностей нуклеотидов, которые декодируются универсальным способом при производстве белковых молекул, и именно белки совершают основную работу в клетках и тканях организма. Генетический код, с помощью которого закодированы все двадцать слов белкового словаря, известен уже более пятидесяти лет, и мы легко справляемся с задачей расшифровки последовательностей нуклеотидов и их переводом в белковые последовательности. Но гораздо менее понятно, почему лишь крошечная доля нашей ДНК, всего около 1,5%, кодирует все 25 000 белков нашего организма. Зачем тогда нужна вся остальная ДНК? Около 3% ДНК (содержит примерно 100 миллионов бит) выполняют регуляторную функцию. Эта ДНК определяет, когда, где и каким образом синтезируется основная часть продуктов того или иного гена. Позже я расскажу о том, как регуляторная ДНК организована в удивительные маленькие устройства, которые интегрируют информацию о положении клеток в эмбрионе и о сроках развития. На выходе эта информация трансформируется в элементы, из которых и состоит форма животного. Регуляторная ДНК содержит инструкции для построения тела, и эволюционные изменения именно этой ДНК приводят к разнообразию формы.

Чтобы понять роль регуляторной ДНК в эволюции, нужно сначала усвоить некоторые основные законы биологии. Необходимо понять, как устроены животные и какую роль в эмбриональном развитии играют гены. Этим вопросам, которые и сами по себе интересны, посвящена первая часть книги. Я расскажу о некоторых общих принципах архитектуры животных, а также о тенденциях в эволюции плана строения, общих для нескольких групп животных (глава 1). Я познакомлю вас с рядом удивительных мутантных форм, которые помогли биологам обнаружить набор генов, регулирующих развитие организма (главы 2 и 3). Мы проследим за работой этих генов и увидим, как она отражает логику и порядок построения тела животных и составляющих его сложных структур (глава 4). Наконец, мы узнаем о тех устройствах в геноме, которые содержат инструкции для создания анатомических структур (глава 5).

Во второй части книги я собрал воедино все, что нам известно о возникновении разнообразия животных на основе изучения ископаемых животных, генов и эмбрионов. Я расскажу о некоторых наиболее важных и интересных эпизодах эволюции животных, которые показывают, как из небольшого количества строительного материала природе удалось смастерить столько отличных друг от друга форм. Я произведу фундаментальный анализ кембрийского взрыва (когда возникли основные современные типы животных и известные нам сегодня части тела) с точки зрения генетики и биологии развития (главы 6 и 7). Мы поговорим о происхождении вариантов рисунка на крыльях бабочек, что является блестящим примером того, как природа умеет изобретать, обучая старые гены новым трюкам (глава 8). Я расскажу несколько историй об эволюции оперения островных птиц и окраски шерсти млекопитающих (глава 9). Все это очень убедительные и красивые примеры, которые помогают глубже проникнуть в суть эволюционного процесса. Но есть из них и более прямое следствие: эти прецеденты демонстрируют процессы, лежащие в основе происхождения человека. В десятой главе я расскажу о формировании нашего вида, главным образом, на примере развития нашего удивительного мозга. Мы начнем с происхождения наших предков от человекообразного предшественника примерно шесть миллионов лет назад и проследим те физические изменения и изменения в развитии, которые привели к появлению Homo sapiens. Мы поговорим о генетических изменениях, произошедших в ходе нашей эволюции, в том числе об изменениях, вероятнее всего повлиявших на эволюцию качеств, которые, по нашему мнению, делают нас людьми.

Величие "самого современного синтеза": третье действие

История развития теории эволюции — это драма в трех действиях. В первом действии, почти 150 лет назад, в самой важной книге во всей историй биологии Дарвин заставил читателей ощутить величие нового видения природы — увидеть, как "из такого простого начала эволюционировало и продолжает эволюционировать бесконечное число самых прекрасных форм". Во втором действии архитекторы современного эволюционного синтеза объединили, как минимум, три дисциплины, чтобы достичь "большого" синтеза. Особое величие третьего действия, разворачивающегося сегодня, заключается в новом взгляде на биоразнообразие и возникновение форм животных, и этот новый взгляд — заслуга эмбриологии и эволюционной биологии развития. Многое мы теперь можем увидеть воочию — например, проследить за тем, как разнообразные животные принимают бесконечное число прекрасных форм.

Однако в науке под красотой понимают нечто гораздо более глубокое, чем внешность. Высшие научные достижения являются продуктом эмоциональной и интеллектуальной деятельности одновременно, синтезом левого (рационального) и правого (эмоционального, творческого) полушарий. "Эврика" в науке всегда сочетает в себе чувственно-эстетический и концептуальный подходы. Физик Виктор Вайскопф (который был еще и пианистом) заметил: "В науке прекрасно то же, что в Бетховене. Сначала сплошной туман, но вдруг вы видите связь между всеми событиями. Это выражение целого комплекса глубоко волнующих вас человеческих проблем, которые всегда вас трогали, но никогда прежде не соединялись воедино".

Одним словом, лучшие образцы научной мысли относятся к тому же разряду человеческого опыта, что и лучшие книги или фильмы. Загадка или драма захватывает нас, и мы следим за развитием событий, ведущих к некоему откровению, которое, если речь идет о лучших образцах, помогает нам яснее видеть и понимать окружающий мир. Главным ограничителем научной мысли является истина. Может ли невыдуманный мир науки вдохновлять и радовать в той же степени, что и воображаемый мир художественных произведений?

Сто лет назад Редьярд Киплинг опубликовал книгу сказок (Just so stories), вдохновленных его пребыванием в Индии. Чудесные сказки Киплинга — "Откуда у леопарда пятна", "Отчего у верблюда горб", "Как мотылек топнул ногой" и многие другие — рассказывают о том, как некоторые из самых любимых нами и самых необычных существ приобрели свои выдающиеся черты. Так вот, теперь биологи могут рассказать о бабочках, зебрах и леопардах истории не менее удивительные, чем сказки Киплинга о том, как появились пятна, полоски, горбы и рога. Но ко всему прочему они сообщают простые и изящные истины, углубляющие наше понимание животного мира, частью которого являемся мы сами.

Часть I. Создаем животных

Строение древних и современных животных. Рисунок Джейми Кэрролл.

Глава 1. Строение животных: современные формы, древние чертежи

Вся сложность заключается в загадочности и красоте органической формы.

Росс Гаррисон, эмбриолог (1913)

Поразительное разнообразие форм встречается не только у животных, обитающих на суше и в море. Под землей, на разной глубине — от нескольких сантиметров в слое песка до сотен метров в каменистых породах — хранится летопись 600 млн лет истории животного мира. Это загадочные первые животные в сланцах Канадских Скалистых гор, это огромные туши динозавров в долинах американского Запада, это зубы и фрагменты черепов наших двуногих предков в Восточно-Африканской рифтовой долине. И кое-что из того, что скрыто под землей, порой оказывается чрезвычайно странным по сравнению с тем, что живет и дышит на земле.

Рис. 1.1. Окаменелости со дна реки Флорида. Кость млекопитающего, фрагменты панциря черепахи и зубы акул. Обратите внимание на разнообразие форм и размеров. Самый большой зуб принадлежат гигантской акуле Charcharadon megalodon. Собрано и сфотографировано Патриком Кэрроллом

Сам я сделал это удивительное открытие лишь недавно, и не где-нибудь, а во Флориде — излюбленном уголке отпускников и пенсионеров, ищущих солнца, развлечений и расслабленного отдыха. Здесь можно увидеть пальмы, прекрасные песчаные пляжи, грациозных пеликанов и скоп, обаятельных ламантинов и дельфинов, а также Homo sapiens в клетчатых шортах... А еще полутораметровых броненосцев, клыкастыхмастодонтов, пятнадцатиметровых акул, верблюдов, носорогов, ягуаров и саблезубых кошек.

Не верится? Это чистая правда. Надо просто знать, где искать.

Отправляйтесь к реке, проложившей себе путь меж песчаных берегов, копните ее дно лопатой — и, возможно, вы обнаружите зубы одного из десяти видов акул: от зазубренного и изогнутого зуба серой акулы до чудовищного пятнадцатисантиметрового клыка давно исчезнувшего монстра Charcharadon megalodon (рис. 1.1). В той же гальке можно отыскать следы недавнего геологического прошлого Флориды — кости тапиров, ленивцев, верблюдов, лошадей, глиптодонтов, мастодонтов, морских коров и других исчезнувших животных.

Такое разнообразие форм ныне живущих и вымерших животных в одном месте заставляет задуматься о двух важных вещах: как возникает неповторимая, индивидуальная форма животного? И откуда взялось столько разнообразных форм?

На первый взгляд может показаться, что вариантов строения животных слишком много. Однако есть несколько давно устоявшихся эволюционных тенденций, определяющих их дизайн, о которых мы и поговорим. В этой главе мы займемся поиском некоторых общих закономерностей строения и эволюции животных, чтобы свести это сбивающее с толку разнообразие к нескольким основным типам.

Строим животных из кубиков

Основная закономерность строения животных становится очевидной уже в тот момент, когда пытаешься понять, что это за кость или зуб ты подхватил лопатой со дна реки во Флориде. Сложность в том, чтобы одновременно определить, какому животному принадлежал этот фрагмент и к какой части тела он относится. Почему это так трудно? На этом примере мы наблюдаем одну из закономерностей строения животных. Близкородственные животные, например, позвоночные, собраны из очень похожих деталей.

Рис. 1.2. Модульное строение позвоночных. Вверху: отпечаток десятисантиметровой саламандры юрского периода. Внизу: скелет пятиметрового зауропода Camarasaurus, также юрского периода. Фото саламандры предоставлено Нилом Шубином из Университета Чикаго, фото зауропода — Музеем естественной истории Карнеги.

Допустим, с небольшой помощью экспертов, нам удалось установить, что фрагмент кости принадлежал вымершей морской корове. Допустим, это ребро. Но какое? А если это фаланга пальца вымершей лошади, то какого именно пальца? Разглядывая отдельные кости, ответить на этот вопрос чрезвычайно сложно. Тут мы сталкиваемся со второй закономерностью строения животных: животные собраны из определенного набора сходных элементов, как будто из кубиков.

Некоторые из этих деталей могут быть небольшими, как фаланги пальцев, другие — огромными, как позвонки некоторых позвоночных. Эти основные элементы очень древние, и их пропорции сохранились у животных самого разного размера. Гигантский динозавр из группы зауропод и маленькая саламандра, жившие во время юрского периода (свыше 150 млн лет назад), демонстрируют одинаковую архитектуру, основанную

На ПОВТОРЯЮЩИХСЯ МОДУЛЯХ (рис 1.2).

Модульный дизайн характерен не только для позвоночных. В знаменитой сланцевой формации Берджес в Канаде обнаружены первые крупные и сложные животные, жившие в морях кембрийского периода свыше 500 млн лет назад. Они демонстрируют все те варианты модульного плана строения, которые характерны и для их современных потомков (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Модульная организация животных кембрийского периода. Ayshaeia pedunculata из группы Lobopodia (вверху) и трилобит Olenoides serratus (внизу) состоят из повторяющихся модулей. Фотографии предоставлены Чипом Кларком, Смитсоновский Институт.

Окаменелости привлекают нас по нескольким причинам. Безусловно, мы испытываем восторг и благоговение, когда прикасаемся к вымершим животным, обитавшим в давным-давно исчезнувших мирах. Но, кроме того, нас завораживает их форма. Эти окаменелости демонстрируют сохранившуюся в ходе эволюции тенденцию модульной сборки тел из повторяющихся элементов.

В отдельных частях тела животных также наблюдается модульное строение. Например, наши конечности содержат повторяющиеся элементы: каждая состоит из нескольких частей (бедро, голень, лодыжка; плечо, предплечье, кисть), а кисти и ступни имеют по пять похожих пальцев (рис. 1.4). Модульная структура конечностей четвероногих животных имеет очень древнее происхождение, что со всей очевидностью демонстрируют ископаемые остатки, относящиеся к юрскому периоду.

Рис. 1.4. Модульное строение человеческой руки. Рентгеновский снимок демонстрирует, что все пальцы состоят из сериального набора повторяющихся костных элементов. Фотография предоставлена Джейми Кэрролл.

Иногда модульное строение той или иной структуры неочевидно. Сложный рисунок на крыльях бабочки может показаться беспорядочным, однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что узор всегда составлен из повторяющихся мотивов. Нижняя сторона крыла голубой бабочки Morpho имеет повторяющийся рисунок, состоящий из полосок, шевронов (рисунок в виде буквы V) и пятен, и все элементы рисунка разделены жилками крыла (рис. 1.5). Таким образом, каждый элемент крыла, ограниченный крыловыми жилками, можно рассматривать как структурную единицу. А общий узор крыла создается в результате повторения этих модульных единиц, в какой-то степени различающихся размером либо формой линий, шевронов или пятен.

Рис. 1.5. Сериальный повтор элементов на нижней стороне крыла голубой Morpho. Каждое крыло состоит из нескольких субъединиц (модулей), ограниченных двумя жилками и краем крыла. Каждая субъединица содержит вариации на тему одних и тех же элементов рисунка — пятен-глазков, полосок и шевронов. Бабочка — подарок Нипама Патела, фотография Джейми Кэрролл.

Дизайн, основанный на повторяемости элементов, характерен даже для очень мелких и невидимых невооруженным глазом структур. Изумительно красивые крылья бабочек на самом деле состоят из мельчайших чешуек. Каждая чешуйка — вырост, образованный отдельными клетками, выстроенными в множество рядов. Каждая чешуйка имеет свой цвет, и все они, подобно мазкам на картине художника-пуантилиста, складываются в общий рисунок, когда мы охватываем глазом всю картину целиком. Рисунок на теле рыб, змей и ящериц тоже образован чешуйками (не такими, как у бабочек), выстроенными в упорядоченный геометрический узор. Способность чешуек отражать или преломлять свет зависит от еще более тонких деталей клеточной микроанатомии, определяющей длину волны поглощенного или отраженного света (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Повторение на микроскопическом уровне. Чешуйки на крыле бабочки подобны мазкам на картине художника-пуантилиста: каждому мазку соответствует одна чешуйка специфического цвета. Вместе эти чешуйки (или мазки) формируют геометрический рисунок. Фотография Стива Пэддока.

Этих примеров достаточно, чтобы оценить невероятно сложную задачу развития — создание полноценного организма из одной-единственной крошечной клетки. Здесь задействовано множество деталей, и все эти детали важны. Небольшое изменение на ранней стадии развития приводит к целому каскаду последствий. Что же это за процесс, который позволяет собрать массивного динозавра и аккуратно раскрасить пятна на крыльях бабочки?

Учитывая такое невероятное разнообразие размеров и форм животных, детали развития каждого вида кажутся "почти бесконечным набором особенностей, каждую из которых следует рассматривать в отдельности", как всего четверть века назад заметил молекулярный биолог Понтер Стент. Однако биологи были удивлены и обрадованы, когда обнаружили, что в строении животных существуют закономерности, которые, к счастью, проявляются не только во внешности, но и гораздо глубже — на уровне генетических механизмов развития. Итак, в этой главе я начну рассказывать о внешнем сходстве, а в последующих двух главах мы поговорим о сходстве на более глубоком уровне — на уровне генов.

Эволюция как изменение числа и типа элементов

Модульное строение животных определяет их форму. Анатомы уже давно заметили, что, вне зависимости от внешних различий, тела и части тел животных так или иначе строятся вокруг нескольких явственных тем. Больше столетия назад некоторые из этих тем были очерчены английским биологом Уильямом Бэтсоном. Его идея оказалась очень полезной для понимания логики строения животных и того, как в эволюции появляются варианты одной общей темы.

Бэтсон обнаружил, что тела многих крупных животных состоят из повторяющихся частей, и многие из этих частей, в свою очередь, также состоят из повторяющихся единиц. Если рассматривать определенную группу животных, выясняется, что наиболее очевидные различия между членами группы заключаются в количестве и типе повторяющихся структур. Например, хотя все позвоночные имеют модульное строение позвоночника, состоящего из отдельных позвонков, количество и тип позвонков разного типа у всех позвоночных различаются. Общее число позвонков от головы до хвоста варьирует в широких пределах: от десятка у лягушки до тридцати трех у человека и нескольких сотен у змеи (рис. 1.7). Кроме того, позвонки можно подразделить на шейные, грудные, поясничные, крестцовые и хвостовые. Основное различие между этими типами позвонков у разных животных заключается в их размере и форме, а также в наличии (или отсутствии) соединенных с ними структур, таких как ребра. Причем разные позвоночные животные в значительной степени различаются по числу позвонков каждого типа.

Рис. 1.7. Скелет змеи. Форму тела змеи определяет наличие сотен позвонков и ребер. Рисунок предоставлен Куртом Слэдки, Университет Висконсина.

Тот же самый архитектурный принцип применим к строению и разнообразию форм членистоногих. Тела членистоногих животных состоят из повторяющихся сегментов, число которых в туловище (т.е. за головой) может составлять от одиннадцати у насекомых до нескольких десятков у сороконожек и многоножек. Группы сегментов различаются между собой (например, грудные и брюшные) по размеру и форме, но особенно по тому, какие конечности от них отходят (так, от грудных сегментов насекомых отходит по паре ног, а от брюшных нет).

Позвоночные и членистоногие успешно освоили все среды обитания (воду, сушу и воздух) и отличаются от других животных особой сложностью анатомии и поведения. Тела животных обеих групп построены из похожих повторяющихся элементов. Есть ли связь между модульной структурой тела и успешностью эволюционной диверсификации? Я считаю, что есть. Задачей биологов было понять, как такие животные могут быть построены, начиная от единственной клетки, а также как в процессе эволюции появились всевозможные варианты одного и того же плана строения. Модульное строение тел позвоночных и членистоногих, а также вариабельность числа и типа составляющих модулей — важные ключи к пониманию этих процессов.

Части тела, которые являются модульными и сконструированы из сходных структурных единиц, значительно различаются у разных видов по числу и типу. Конечности четвероногих позвоночных (тетрапод) обычно имеют от одного до пяти пальцев. На руках и ногах человека имеется по пять видов пальцев (большой, средний и т.д.). Сходство между пальцами очевидно, а различие касается главным образом их размера и формы. Конечности четвероногих животных адаптированы к различным функциям и имеют весьма разнообразное строение, а лежащая в их основе пятипалая структура сохранялась на протяжении 350 млн лет, хотя у некоторых видов в ходе эволюции количество пальцев все же изменилось и находится в диапазоне от одного до пяти (у верблюда два пальца, у носорога три и т.д.). Вариации на тему тетраподной организации могут быть весьма значительны (см. рентгеновские снимки на рис. 1.8). Интересно, что близкородственные виды могут различаться в заметной степени; в некоторых группах животных эволюционировали виды, различающиеся по количеству пальцев.

Рис. 1.8. Разнообразие формы конечностей позвоночных животных. Конечности всех позвоночных представляют собой вариации общего плана строения с изменением числа, размера и формы отдельных элементов (таких как пальцы). Фотографии предоставили Курт Слэдки из Университета Висконсина и Крейг Хармс из Университета Северной Каролины.

Гомология, сериальная гомология и закон Уиллистона

При сравнении частей тел животных разных видов важно понимать, сравниваем ли мы одну и ту же часть тела, которая могла измениться различным образом, или части тела, представляющие собой серию, сходство между которыми может быть весьма отдаленным. Например, передние конечности саламандры, зауропода, мыши и человека являются гомологами. Это означает, что все они представляют собой одну и ту же структуру, модифицированную определенным образом у каждого вида. Все они произошли от передней конечности общего предка. Задние конечности четвероногих позвоночных и наши ноги — тоже гомологи. По отношению друг к другу передние и задние конечности являются сериальными гомологами: они возникли как повторяющиеся структуры и у разных животных дифференцировали в разной степени. Примерами сериальных гомологов являются позвонки и связанные с ними структуры (ребра); передние и задние конечности четвероногих животных; пальцы; зубы; элементы ротового аппарата, усики и ноги членистоногих; а также передние и задние крылья насекомых.

Изменение числа и вида сериальных гомологов является одной из важнейших тенденций в эволюции животных. Давайте рассмотрим еще пару примеров. Если вы любите морепродукты, вам, должно быть, приходилось разделывать омаров. Расчленяя этих животных, вы, вероятно, обращали внимание на их модульное строение и большое разнообразие конечностей (рис. 1.9). Несколько особенностей строения омаров отражают общие для членистоногих темы модульного строения и сериальной гомологии. Во-первых, тело этого животного состоит из головы (с глазами и ротовым аппаратом), грудного отдела (с ходильными ногами) и длинного хвоста (самое вкусное!). Во-вторых, разные отделы тела имеют специфические придатки (усики, клешни, ходильные ноги, плавательные ноги). В-третьих, каждый придаток, в свою очередь, тоже состоит из сегментов, и в разных придатках число таких сегментов различается (сравните клешни с ходильными ногами). Если бы вы отважились расчленить насекомое или краба, то вы бы заметили определенное сходство строения, организации и сегментации их тел, но при этом и явное различие в количестве и виде сериально гомологичных структур.

Рис. 1.9. Разнообразие сериально повторяющихся элементов у омара. Усики, клешни, ходильные ноги, плавательные ноги и хвостовые структуры — все это модификации базовой структуры конечностей. Рисунок Джейми Кэрролл.

Второй пример сериально гомологичных частей тела — это зубы, которыми мы пережевываем тех самых омаров. Наши челюсти оснащены зубами нескольких типов (клыки, большие и малые коренные зубы, резцы и др.). И вновь, одно из очевидных различий между всеми позвоночными заключается в количестве и типе зубов. Например, у примитивных рептилий, относящихся к крупным морским видам, был полный рот практически одинаковых зубов, но позднее у животных развились разные зубы, предназначенные для откусывания или пережевывания пищи. Различие типов зубов отражает различия в характере питания: у плотоядных животных есть резцы и клыки, тогда как у травоядных — в основном коренные зубы (рис. 1.10). По форме зубов мы тоже отличаемся от наших родственников приматов (рис. l.11). Из зубов получаются отличные, прочные окаменелости, и эти находки сыграли очень важную роль в изучении наших древних предков и их образа жизни.

Рис. l.10. Зубы примитивных позвоночных. Зубы мозазавра (внизу) кажутся практически одинаковыми, тогда как у более поздних позвоночных (вверху вы видите череп лошади) появились разные типы зубов. Фотография реконструированного черепа Platecarpus plaifrons предоставлена Майком Эверхартом, сайт Oceans of Kansas Paleontology (/).

Рис. 1.11. Варианты зубов у приматов. Приматы различаются по количеству и форме клыков и больших и малых коренных зубов. Сверху вниз: человек, горилла, павиан, капуцин, мадагаскарский лемур. Из книги Т. Гексли "О положении человека в ряду органических существ", 1863.

Эволюционные тенденции изменения числа и вида повторяющихся структур настолько распространены, что палеонтолог Сэмюель Уиллистон в 1914г. сделал следующий общий вывод: "в эволюции существует закон, в соответствии с которым количество частей тела со временем сокращается, а оставшиеся постепенно приобретают специфическую функцию". Уиллистон занимался изучением древних морских пресмыкающихся. Он обратил внимание на то, что в ходе эволюции более ранние формы, имевшие большее количество сходных сериально повторяющихся элементов, сменялись более поздними, у которых количество этих элементов сокращалось, а их специализация усиливалась. Причем специализированные структуры редко возвращались в неспециализированное состояние, в более общие формы. К примеру, когда у тетрапод впервые появились пальцы, этих пальцев на каждой ноге было по восемь. Но типов пальцев было не более пяти, и в конце концов число пальцев сократилось до пяти, каждый из которых имел свою функцию или в дальнейшем редуцировался. В биологии мало общих законов, а из тех, что существуют, совершенно определенно бывают исключения. И все же закон Уиллисона является полезным наблюдением, распространяющимся не только на древних рептилий, о которых писал ученый. Существует общая тенденция, в соответствии с которой сериальные гомологи со временем приобретают функциональную специализацию и уменьшаются в числе. Специализация морфологии позвонков, зубов и пальцев у позвоночных, а также ног и крыльев у членистоногих практически всегда сопровождались уменьшением числа повторяющихся элементов. Уиллистон и Бэтсон уловили некоторые простые закономерности, касающиеся строения животных и их эволюции, что позволило выявить некие общие правила, которым подчиняется история развития животных и формирование их разнообразия.

Симметрия и полярность

Кроме повторяемости структурных элементов, тела и части тел животных обычно обладают еще двумя особенностями — симметрией и полярностью. Большинству знакомых нам животных присуща билатеральная симметрия. Это означает, что их левая и правая половины симметричны относительно центральной оси симметрии, совпадающей с длинной осью тела. Такое строение также подразумевает, что у животного есть зад и перед, и именно оно способствовало эволюции множества эффективных способов передвижения. Некоторые животные демонстрируют иные типы симметрии. Например, пентарадиальная симметрия характерна для иглокожих, к которым относятся морские ежи, круглые и плоские, и многие другие замечательные животные (рис. 1.12). Ось симметрии животного дает ключ к разгадке его строения.

Рис. 1.12. Другие типы симметрии животных. Иглокожие, такие как круглые морские ежи (слева), плоские морские ежи (в центре) и морские звезды (справа), обладают радиальной симметрией. Рисунок Джейми Кэрролл.

Разобраться в строении животного помогает и полярность тела и его частей. У большинства животных существует три оси полярности: от головы к хвосту, сверху вниз (у нас — от груди к спине, так как мы с вами ходим на двух ногах) и от проксимального (ближнего к туловищу) конца к дистальному (удаленному от туловища) концу. Проксимо-дистальная ось характерна для структур, отходящих от туловища, например для конечностей. Отдельные части тела тоже имеют полярность. Например, кисти рук имеют три оси, ориентированные от большого пальца к мизинцу, от тыльной стороны руки к ладони, а также от запястья к кончикам пальцев.

Как форма тела закодирована в геноме?

Модульность, симметрия и полярность — практически универсальные характеристики строения тела животных, в том числе таких сложных или крупных, как бабочки или зебры. Эти характеристики и эволюционные тенденции, подмеченные Уиллистоном и Бэтсоном, говорят о том, что в архитектуре тел животных существуют порядок и логика. За невероятным разнообразием форм животных кроются некие общие закономерности строения и эволюции.

В этой книге я сосредоточусь на четырех основных вопросах:

1 Какие основные "правила" определяют форму животных?

2 Каким образом закодирована видоспецифичная информация, необходимая для построения конкретного животного?

3 Как эволюционирует разнообразие форм?

4 Чем объяснить существование глобальных эволюционных тенденций, таких как изменение числа и функций повторяющихся элементов структуры?

Где следует искать все эти правила и инструкции? Конечно, в ДНК. В полном наборе ДНК животного (геноме) содержится информация, необходимая для его формирования. Инструкции для создания пяти пальцев, двух пятен-глазков, шести ног или белых и черных полос закодированы в геноме того вида, который обладает соответствующими признаками. Означает ли это, что существуют гены, ответственные за создание пальцев, пятен, полос и т.д.? В первой части книги я расскажу о том, каким образом в геноме закодированы анатомические признаки. Во второй части книги мы поговорим об эволюционном разнообразии. Понятно, что в ДНК животных с тремя или четырьмя пальцами, двумя или семью пятнами-глазками, шестью или восемью ногами, а также с белой или черной окраской содержатся разные инструкции. Эволюция формы в конечном счете сводится к генетике. Но чтобы понять, каким образом гены создают всю потрясающую красоту животного мира, нам сперва придется обратиться за подсказкой к монстрам.

Глава 2. Монстры, мутанты и гены развития

"А знаете, я всегда была уверена, что единороги — просто сказочные чудища! Я никогда не видела живого единорога!"

"Что ж, теперь, когда мы увидели друг друга, — сказал Единорог, — мы можем договориться: если ты будешь верить в меня, я буду верить в тебя! Идет?"[2]

Льюис Кэрролл "Алиса в Зазеркалье" (1872).

Когда я был маленьким, гвоздем субботней телепрограммы для меня были фильмы ужасов про монстров — Creature Feature. Мой лучший друг Дейв обожал это шоу. Он сидел перед телевизором в своем подвале с опущенными шторами и выключенным светом, с бейсбольной битой под рукой, снабдив окна и двери всякими хитроумными приспособлениями на случай, если какому-нибудь монстру вздумается его навестить. Он часами смотрел фильмы про Годзиллу, Дракулу, мумию или еще кого пострашнее. Потом Дейв пересказывал нам основные сюжетные линии и рассуждал о сравнительных способностях и уникальных свойствах всех этих чудовищ. Живое воображение, подкрепленное стоявшей рядом с ним двадцатилитровой банкой попкорна и банкой сахарной глазури, заставляли его почти поверить в реальность этих существ.

Восхищение чудовищами, смешанное с ужасом, универсально и имеет древнюю историю. Начиная с древнегреческих мифов и кончая современными фильмами ужасов, люди населяли свои творения разнообразными великанами, мутантами и отвратительными уродцами. Я не разделял увлечение Дейва монстрами (как и его пристрастие к сахару), однако в развитии эмбриологии монстры сыграли немаловажную роль. Одним из успешных подходов к пониманию нормального развития животных было изучение различных уродцев с аномальным количеством частей тела или их неправильным расположением. Некоторые из этих существ были созданы человеком, другие стали такими вследствие повреждений и нарушений в процессе внутриутробного развития, а третьи — в результате редких природных мутаций. Открытия, сделанные в ходе изучения таких монстров, недавно позволили выявить специфические механизмы сборки тела и частей тела животных.

Циклопы: мифы и реальность

Афиша к фильму "Циклоп" (1956). В & Н Productions, Inc. All rights reserved.

Я никогда не верил в сказки об оживших мертвецах, о превращении людей в летучих мышей или мух, о гигантских гориллах размером с небоскреб, о полулюдях-полулошадях (-полукозах, -полузмеях, -полурыбах и т.д.), об огнедышащих драконах и невидимках. Я относил все это к категории сказочных страшилок. То же самое касалось монстров с одним-единственным глазом на лбу, но тут я, как выясняется, был неправ.

Я знал несколько мифов о циклопах, но не подозревал, что животные с одним глазом на лбу хорошо известны ученым. В частности, в какой-то момент в штате Юта от 5 до 7% новорожденных овец были поражены циклопией — летальным пороком развития, в результате которого единственный глаз у них располагался на лбу, ноздри и челюсть отсутствовали, а полушария мозга были неразвиты (рис. 2.1). Это нарушение называется голопрозэнцефалией, что означает "единый передний мозг" и проявляется главным образом в том, что передний мозг и глаз не разделяются на симметричные структуры.

Рис. 2.1. Ягненок-циклоп. Дефект вызван тем, что мать в критический период беременности находилась под воздействием циклопамино — токсичного вещества, вырабатываемого растением Veratrum californicum. Фотография предоставлена Линн Джеймс из Центра изучения ядовитых растений, Логан, штат Юта.

Выяснилось, что высокая частота распространения циклопии у овец была вызвана тем, что на пастбищах, где они паслись, встречалось лилейное растение Veratrum californicum. Если овца ела эту траву в критический период беременности (примерно на четырнадцатый день), то могло произойти нарушение развития плода. Это растение вырабатывает химическое вещество циклопамин, которое обладает тератогенным действием (от греческого слова teras, что означает монстр) и нарушает нормальное развитие эмбриона.

Циклопамин — лишь один из множества тератогенов. Известно немало химических веществ, оказывающих негативное влияние на развитие эмбриона. Наверное, наиболее печальную известность приобрел лекарственный препарат талидомид, предназначавшийся для устранения тошноты при беременности. Прием беременными женщинами этого препарата в конце 1950-х и начале 1960-х гг. привел к рождению тысяч людей с различными дефектами. Хотя ученые знали о подобных молекулах уже много десятилетий, механизм их действия оставался неизвестным до тех пор, пока сравнительно недавно эмбриологи и молекулярные биологи не объединили свои усилия. Успех в изучении механизма действия тератогенных веществ был достигнут в результате более тонких экспериментов, в особенности тех, что включали манипуляции с эмбрионами и генами.

Губы тритона и крылья цыпленка

На протяжении всего прошлого столетия биологи с помощью скальпелей, игл, пинцетов и всевозможных других инструментов резали, перетягивали, жгли, измельчали, скручивали и прокалывали эмбрионы, пытаясь обнаружить основные правила, по которым строятся животные. Пионеры эмбриологии целиком и полностью полагались на физические методы, когда перемещали и удаляли клетки, а затем анализировали аномалии формирования эмбриона. В результате этих "жестоких пыток" было получено несколько монстров, чьи поразительные признаки позволили выявить несколько ключевых закономерностей, регулирующих процессы развития животных[3].

В первую очередь среди всех ученых-эмбриологов того времени следует назвать Ганса Шпемана, который был первым и на протяжении шестидесяти с лишним лет единственным эмбриологом, удостоенным Нобелевской премии (впрочем, впоследствии, как мы с вами убедимся, эмбриологи наверстали упущенное). В одном из своих первых экспериментов Шпеман попытался установить, одинаковыми ли свойствами обладают две первые клетки эмбриона тритона. Шпеман взял тонкий волосок с головы своей дочери и туго затянул сделанную из него петлю между двумя первыми клетками, разделив эмбрион на две половинки. Каждая из клеток дала начало нормальному головастику, и это говорило о том, что из двух половинок раннего эмбриона земноводного могут появиться два совершенно одинаковых животных.

Но когда Шпеман разделил эмбрион по-другому, перевязав его перпендикулярно области контакта между двумя первыми клетками, эффект был совершенно иным. С одной стороны образовывался нормальный головастик, а с другой стороны разрасталась неорганизованная масса ткани. В конечном итоге это помогло установить, что участок эмбриона, называемый дорсальной губой бластопора, играет ключевую роль в развитии эмбриона. Если этот участок удалить, эмбрион превращается в сгусток ткани, в котором отсутствуют структуры, в норме формирующие спинную (дорсальную) сторону туловища. Кроме того, если дорсальную губу бластопора пересадить на будущую брюшную (вентральную) сторону другого эмбриона, происходит образование второй эмбриональной оси и развиваются два сросшихся эмбриона (рис. 2.2). Шпеман назвал этот участок "организатором", поскольку установил, что он организует образование нервных тканей в дорсальной части эмбриона и может инициировать развитие дополнительной оси тела при пересадке[4].

Рис. 2.2. Индукция дополнительной (вторичной) оси тела. Пересадка ткани "организатора" в другой участок эмбриона вызывает образование еще одного эмбриона, "сиамского близнеца", соединенного с первым. Фотографию предоставили Хироки Курода и Эдди де Робертис, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

Впечатляющий эксперимент Шпемана показал, что упорядоченное развитие эмбриона обеспечивается взаимодействием между его частями. Были обнаружены и другие организаторы с такими же поразительными свойствами, показавшие, как этот принцип работает на самых разных уровнях: на уровне целого эмбриона, отдельных его частей и вплоть до мельчайших структур. Давайте познакомимся с двумя другими организаторами, не менее важными, чем дорсальная губа бластопора.

Образование конечностей всегда вызывало восторг у эмбриологов. Начиная с маленького бугорка на боку у зародыша, конечность проходит в своем развитии множество стадий, пока не примет окончательную форму. У трехдневного эмбриона цыпленка этот бугорок составляет в длину и в ширину не более 1 мм, но к моменту вылупления из яйца конечность увеличивается в размере примерно в тысячу раз. В ходе развития маленькая лапка растет и удлиняется, приобретает кости, хрящи, мускулы, сухожилия, пальцы и перья, прекрасно демонстрируя скоординированность процессов развития. Возможно, самым удивительным является строго упорядоченный процесс образования хрящевой ткани (которая впоследствии заменяется костной тканью). Хрящ образуется вокруг плотного скопления клеток и закладывается по направлению от плеча к кисти и далее к пальцам. За ходом процесса можно проследить с помощью специальных красителей (рис. 2.3). Строгий порядок событий при развитии конечностей и наличие у конечности полярности, которую мы наблюдаем в виде четкой последовательности пальцев, означают, что зачаток конечности, как и эмбрион в целом, может каким-то способом проинструктировать клетки, чем они должны в конце концов стать.

Рис. 2.3. Формирование конечностей у цыпленка. Всего за несколько дней в ходе эмбрионального развития ноги и крылья цыпленка очень сильно увеличиваются. За образованием хрящевой ткани, предшествующим формированию костей, можно проследить с помощью специальных красителей Этот процесс начинается с проксимальных частей конечностей и заканчивается формированием пальцев. Обратите внимание, что детали анатомического строения крыльев и ног различаются. Фотографии предоставлены Джозефом Лэнкманом и Джоном Фоллоном, факультет анатомии Университета Висконсина.

Несколько десятилетий назад другой пионер эмбриологии, Джон Сондерс, открыл в почке крыла куриного эмбриона организатор полярности конечности. В норме куриное крыло имеет три пальца, которые по размеру и форме можно идентифицировать как пальцы 2, 3 и 4 (в направлении от передней к задней части крыла; пальцы 1 и 5 в крыле не формируются). Когда Сондерс пересадил кусочек ткани из задней части зачатка крыла (оттуда, где должен был появиться 4-й палец) в переднюю часть крыла (где в норме появляется 2-й палец), сформировалось крыло, имеющее дополнительные пальцы. Эти дополнительные пальцы представляли собой зеркальное отображение нормальных пальцев: вместо последовательности пальцев 2, 3, 4 возникла последовательность 4, 3, 2, 3, 4 (рис. 2.4). Такая зеркальная полярность говорит о том, что клетки в задней зоне почки крыла организуют полярность последовательности пальцев (4, 3, 2), и если эти клетки пересадить в другое место, точно такая же последовательность возникает и там.

Рис. 2.4. Индукция полидактилии у курицы. Трансплантация зоны поляризующей активности (ЗПА) из заднего участка зачатка развивающегося крыла в новое место в передней зоне приводит к появлению дополнительных пальцев, последовательность которых имеет полярность, противоположную нормальной. Фотографии предоставлены Джозефом Лэнкманом и Джоном Фоллоном, факультет анатомии Университета Висконсина.

Сферы влияния организатора Шпемана и зоны поляризующей активности (ЗПА) в конечности цыпленка достаточно широки. Эти организаторы воздействуют на развитие всего эмбриона или значительных участков его тела. Однако были обнаружены организаторы, действующие на развивающиеся структуры гораздо меньшего размера. В 1980 г. Фредерик Нийхут из Университета Дьюка показал, что формирование пятен-глазков на крыльях бабочек также индуцируется организаторами. Когда Нийхут убивал микроскопическую группу клеток, которая должна была формировать центр глазка, глазок не образовывался. Более того, он обнаружил, что если эту группу клеток удалить из крыла бабочки в первые сутки развития на стадии куколки и пересадить в любой другой участок крыла, пятно-глазок появляется на новом месте (рис. 2.5). Причем такой способностью обладают только клетки из центральной части пятна. Нийхут назвал организатор пятна-глазка "фокусом".

Рис. 2.5. Индукция развития пятна-глазка на крыле бабочки. Пересадка клеток из центральной части глазка в развивающемся крыле в другое место приводит к появлению глазка на этом участке. Фотография Фредерика Нийхута из его книги "Развитие и эволюция рисунка на крыльях бабочек" (The Development and Evolution of Butterfly Wing Patterns).

Все организаторы обладают способностью влиять на морфогенез (процесс, приводящий к созданию формы) тканей или клеток. Такую их специфическую активность объясняют в первую очередь тем, что клетки организаторов производят вещества, влияющие на развитие других клеток. Такие вещества называются морфогенами. Влияние организаторов зависит от их расстояния до клеток-мишеней: клетки, расположенные поблизости от организатора, испытывают наиболее сильное воздействие, а те, что расположены дальше в эмбрионе тритона, зачатке конечности или крыле бабочки, подвергаются меньшему воздействию. Уже давно появилось предположение о том, что морфогены, образующиеся в клетках определенного участка, диффундируют оттуда, создавая градиент концентрации. То есть идея такова, что клетки, окружающие источник морфогена, реагируют на него в соответствии с полученным количеством вещества. Например, в почке крыла курицы клетки, расположенные вблизи ЗПА, формируют задний палец (палец 4), а те, что расположены дальше, формируют следующие пальцы (соответственно, 3 и 2). В пятнах-глазках на крыльях бабочек концентрические круги окрашенных в разные цвета чешуек, по-видимому, являются результатом ответа на уровень морфогена, синтезируемого клетками "фокуса", разный в зависимости от расстояния от источника.

Морфогены, ответственные за активность организаторов, можно назвать Чашей Грааля в эмбриологии. Основной трудностью в этой области исследований было то, что активность организаторов является результатом действия целой группы клеток. Любая клетка производит тысячи веществ, и нельзя было исключать, что за активность организаторов отвечают несколько субстанций. Пересадка клеток — это мощный инструмент исследования, но эмбриологам предстояло отыскать способ находить морфогены в густом биохимическом бульоне. Ждать пришлось несколько десятилетий.

Перспективные монстры

Созданные Шпеманом, Сондерсом и Нийхутом животные были рукотворными монстрами с удвоенными осями симметрии, с дополнительными пальцами или с измененным рисунком крыльев. На самом деле еще в 1894 г. Бэтсон в трактате "Материалы по изучению изменчивости" (Materials for the Study of Variation) описал и классифицировал целый ряд "монстров" с отсутствующими, лишними или измененными частями тела. Из различных музеев, коллекций и анатомических лабораторий со всей Европы Бэтсон собрал целый зверинец уродцев, среди которых были сосновый пилильщик и шмель с ногами вместо левой антенны, речной рак с дополнительным яйцеводом, бабочки с отсутствующими или дополнительными пятнами, лягушки с дополнительными или "неправильными" позвонками и многое другое (рис. 2.6). Бэтсон разделил обнаруженные им аномалии на две категории: с изменением числа повторяющихся элементов или с превращением одной части тела в подобие другой. Вторую категорию аномалий он назвал гомеозисными изменениями (от греч. слова homeos, что означает такой же или похожий). Этот термин стоит запомнить. На основании соответствующего материала Бэтсон хотел показать, что в природе происходят определенные морфологические скачки и что именно они могут быть основой эволюционных изменений. Сразу хочу заметить, что какой бы притягательной на первый взгляд ни казалась идея Бэтсона, биологи с достаточным на то основанием обычно утверждают, что такое скачкообразное развитие эволюции является очень и очень маловероятным. Само существование подобных вариаций вовсе не позволяет считать их основанием для возникновения новых видов. Скорее, наши знания говорят о том, что эти монстры почти наверняка являются ошибками и будут вычищены из популяции естественным отбором без малейшей возможности передать свои признаки потомкам. Это представление о "перспективных" монстрах, способных дать начало новым формам животных за один скачок, оказалось очень трудно развеять. Оно особенно прижилось в научно-популярных средствах массовой информации (несколько лет назад канал Би-би-си даже выпустил программу с таким названием — я тщетно пытался убедить продюсера, что эта теория опровергнута). Это соблазнительная идея, но она не имеет смысла. По ходу повествования мы с вами убедимся в том, что нет никаких оснований считать перспективных монстров агентами эволюции.

Рис. 2.6. Некоторые из монстров Бэтсона. Слева вверху представлен пример гомеозисной мутации у шмеля, в результате которой на месте одного усика у него появилась нога. Справа вверху: исчезновение пятен-глазков на крыле у бабочки. Внизу: варианты морфологии позвонков и их отростков у лягушки. Из книги У. Бэтсона "Материалы по изучению изменчивости" (Materials for the Study of Variation, 1894).

Основной недостаток коллекции Бэтсона, пожалуй, в том, что большинство ее экземпляров имели дефект лишь в одной паре структур. Эти необычные экспонаты были весьма редкими находками, и причина подобных дефектов была неизвестна. Важно было понять, например, являются ли эти уродства генетическими или же возникают в результате физического повреждения в процессе развития эмбриона (и поэтому не наследуются). Таким образом, информация, которую можно было извлечь из экспонатов Бэтсона, касалась не причин эволюции, а того, какую роль в эволюции может играть развитие. Как говорилось в одном из трудов Стивена Джея Гулда, повлиявших на смену направления моей научной деятельности, монстры Бэтсона "перспективны" для науки, но безнадежны как особи.

Сколько пальцев? Вариации числа пальцев: от Анны Болейн до бейсбольных питчеров

В коллекции Бэтсона присутствовали и человеческие уродства: здесь были люди с дополнительными ребрами, человек с лишними сосками, удивительная левая рука с восемью пальцами, расположенными симметричным образом, а также люди с лишними пальцами на одной или обеих руках (рис. 2.7). Этот последний дефект, называемый полидактилией, встречается не так уж редко, примерно у 5-17 из 10 000 живорожденных детей.

Рис. 2.7. Полидактилия у человека. Из книги У. Бэтсона "Материалы по изучению изменчивости", 1894.

Степень выраженности полидактилии бывает разной — от кожного выроста со стороны большого пальца или мизинца до дополнительного ногтя, отдельной фаланги или целого пальца. Дополнительные пальцы могут быть отделены от остальных или срощены с ними. В последнем случае этот дефект называют синполидактилией. В некоторых случаях дополнительные пальцы возникают симметрично на двух руках и двух ногах (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Полидактилия рук и ног. У этого человека по шесть пальцев на руках и по семь на ногах. Фотографии предоставлены Робертом Хиллом, отделение генетики человека Совета по исследованиям в области медицины, Эдинбург, Шотландия; PNAS 99 (2002): 7548.

Люди обычно неплохо живут с лишними пальцами. В истории описаны случаи полидактилии у известных персон, включая Анну Болейн, жену английского короля Генриха VIII, у которой, вероятно, на одной руке был лишний ноготь. По некоторым сведениям, дополнительные пальцы были у французского короля Карла VIII и Уинстона Черчилля. У бейсболиста Антонио Альфонсека, выигравшего в 2003 г. Мировую серию в составе команды "Флорида марлине", по шесть пальцев на каждой руке. Дополнительные пальцы никак не влияют на его способность удерживать мяч, но, по-видимому, оказывают психологическое давление на противника, поскольку подачу против Альфонсеки бейсболисты называют "встречей с шестипалым".

Полидактилия часто является наследственным признаком, и известны целые семьи, где он передается из поколения в поколение. Например, в районе Алтыпармак вблизи города Эфес в Турции некоторые семьи носят фамилию Алтыпармак, что означает "шестипалыйи.

Полидактилия широко распространена среди позвоночных, особенно среди кошек, мышей и кур. Удивительно, что сходная аномалия в расположении пальцев встречается у животных разных видов, включая человека, и может быть наследственной или вызываться экспериментальными манипуляциями. Это говорит о том, что может существовать какой-то общий механизм, способствующий появлению дополнительных пальцев у человека и курицы. Забавно, что прогресс в этой области исследований наметился только в результате изучения некоторых выдающихся мутантов среди животных, которые вообще не имеют пальцев, — скромных плодовых мушек.

Монстры среди дрозофил

Монстры могут помочь нам в изучении законов развития только в том случае, если у нас есть постоянный источник аномальных особей, которых можно выводить в лабораторных условиях и чьи потомки имеют те же признаки. В 1915 г. генетик Кэлвин Бриджес получил первого способного к размножению гомеозисного мутанта плодовой мушки Drosophila melanogaster, которая тогда только начинала завоевывать популярность у генетиков как объект исследований. Бриджесу удалось найти спонтанную мутацию, в результате которой маленькие задние крылья дрозофилы становились похожими на крупные передние крылья. Он назвал этого мутанта Bithorax. Впоследствии среди дрозофил были идентифицированы и другие гомеозисные мутанты. Например, у мутанта Antennapedia вместо антенн на голове ноги (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Гомеозисный мутант дрозофилы. Слева: голова нормальной дрозофилы. Справа: голова дрозофилы с мутацией Antennapedia, у которой антенны превратились в ноги. Фотографии предоставлены Руди Тернером, Университет Индианы.

Удивительно, что у этих гомеозисных мутантов одна структура полностью превращается в другую. Дело не в том, что процесс развития задерживается или нарушается, а в том, что изменяется судьба целой структуры, которая формируется в неправильном месте или состоит из неправильного количества частей. Важно то, что происходит замена одного сериального гомолога на подобие другого (антенны заменяются ногами, передние крылья задними). Кроме того, особенность подобных превращений заключается в том, что они возникают из-за мутации всего-навсего одного гена. У дрозофилы мутации лишь нескольких гомеозисных генов приводят к появлению гомеозисных форм, и это означает, что за дифференцировку сериально гомологичных частей тела у этих животных отвечает небольшое число генов развития.

Исследование гомеозисных мутаций привело сначала к революции в эмбриологии, а потом — к революции в эволюционной биологии. Но чтобы понять значение этих мутаций, нужно понять механизм работы генов развития. Как отдельный ген может повлиять на формирование одной структуры и не оказать влияния на формирование другой? Что такое важное, оказывающее столь серьезное влияние на форму тела животного кодируют эти гены? Возможно, вы скажете: "Дрозофилы? А почему я вообще должен интересоваться дрозофилами?" Ответить на все эти вопросы помогут более глубокие знания о структуре ДНК и работе генов, а поэтому мы с вами познакомимся с некоторыми удивительными открытиями, касающимися строения генома различных животных.

Шуточная иллюстрация к знаменитому изречению Жака Моно. Масштабный отрезок составляет 1 микрометр (слева) и 1 метр (справа). Рисунок предоставлен доктором Саймоном Сильвером, Университет Иллинойса, Чикаго.

Глава 3. От E. coli до слона

Что верно для Е. coli, верно и для слона.

Жак Моно лауреат Нобелевской премии

"Мы хотим предложить структуру для соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура обладает новыми свойствами, представляющими значительный интерес для биологии". Такими словами начиналась статья, в которой в 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сообщили об открытии строения генетического материала. ДНК — это универсальный носитель информации во всех шести царствах организмов — бактерий, архей, простейших, грибов, растений и животных. Примерно через десять лет был разгадан еще один универсальный принцип организации живого — генетический код. Но, может быть, остались неоткрытыми другие универсальные закономерности? Клетки, ткани и органы (если они есть) представителей разных царств очень сильно различаются по важным параметрам. Внутри каждого царства тоже существует значительное разнообразие — например, к животным относятся как малюсенькие планктонные организмы, так и гигантские млекопитающие, морские и наземные. Классификация организмов, выводы о том, похожи они или не похожи друг на друга, в значительной мере основаны на их внешности. Поэтому бытует мнение, что чем сильнее животные различаются по внешнему виду, тем меньше между ними общего на генетическом уровне.

К концу этой главы вы поймете, что такая точка зрения не всегда справедлива. В этой главе нас ждет множество неожиданностей. Вы узнаете несколько историй о важных (и прекрасных!) открытиях, которые изменили наше представление об эволюции животных. Вы узнаете о глубоких и неожиданных связях между разными формами. Я начну с короткого рассказа об одной бактерии и на ее примере изложу основные законы генетики. Затем мы перейдем к более сложным созданиям, познакомимся с гомеозисными генами плодовой мушки и в конце концов охватим все царство животных.

Белки, ДНК и генетическая логика

Подумайте о различных типах клеток в нашем теле — что они делают и почему? Эритроциты переносят кислород к тканям, клетки пищеварительных органов участвуют в переваривании пищи, нервные клетки передают электрические импульсы по нервной системе, мышечные клетки приводят в движение различные части тела. Специализация этих клеток основана на выработке ими специфических белков — молекул, которые выполняют всю работу в организме. Эритроциты синтезируют кислород-связывающий белок гемоглобин, клетки поджелудочной железы — трипсин и другие белки, которые расщепляют пищу на отдельные компоненты, нейроны синтезируют белки, устанавливающие электрический потенциал, а мышечные клетки синтезируют белки, которые собираются в длинные волокна, определяющие силу мышц. Однако хотя все эти клетки заняты разной работой, все они содержат одну и ту же генетическую информацию, заключенную в молекулах ДНК. Тем не менее клетки каждого типа синтезируют специфические белки и отличаются от остальных. Избирательный синтез белков в строго определенных местах или в строго определенное время является основой для построения сложных организмов.

Прежде чем биологи разобрались, как устроены различные клетки в организме животных, им пришлось разгадать, как хранится, копируется и расшифровывается генетическая информация в простых организмах, таких как кишечная палочка Escherichia coli. Известно несколько штаммов бактерии Е. coli, среди которых есть как полезные, так и довольно опасные для нас. Для молекулярных биологов Е. coli оказалась замечательным союзником, который помог раскрыть основные правила логики и механизмов работы белков и генов. Информация, полученная с помощью этой простой бактерии, позволяет рассуждать о развитии и эволюции более сложных организмов.

Сначала интерес биологов к бактерии Е. coli возник в связи с явлением индукции ферментов. Е. coli предпочитает простому сахару глюкозу, но если глюкозы нет, она может расщеплять и использовать другие сахара. Сахар лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу под действием фермента, называемого β-галактозидазой. Если Е. coli растет на среде с глюкозой или с другим источником сахара, β-галактозидаза образуется очень медленно и в очень небольшом количестве. Бактерия не тратит энергию на то, чтобы синтезировать белок, в котором нет нужды. Но когда глюкозы нет, а в среде появляется лактоза, скорость синтеза фермента увеличивается в тысячу раз, и его присутствие можно зафиксировать всего через три минуты. Каким-то образом бактерия ощущает присутствие лактозы и при необходимости начинает синтезировать нужный фермент. Как такая простая клетка "узнает", какой фермент производить? Каким образом синтез нужного фермента индуцируется в присутствии того самого вещества, которое он должен разрушить?

Ответы на эти вопросы нашли Франсуа Жакоб и Жак Моно, которые вместе с Андре Львовым в 1965 г. за свои открытия были удостоены Нобелевской премии. Ни одного из троих нельзя назвать теоретиком из "башни из слоновой кости". Жакоб и Моно пришли работать в Институт Пастера после Второй мировой войны, во время которой Моно участвовал во французском Сопротивлении, Львов собирал разведданные и иногда прятал у себя дома сбитых летчиков, а Жакоб был офицером медицинской службы в Северной Африке в составе движения "Свободная Франция", а потом был тяжело ранен в Нормандии в августе 1944 г. Историческое значение их работы, чрезвычайная важность следствий из нее, а также необыкновенные личные качества ее авторов делают историю открытия индукции ферментов и логики работы генов бактерии одной из наиболее драматичных историй в современной биологии.

Чтобы понять механизм индукции ферментов и его роль в сложных организмах, мы должны разобраться в основах структуры и функции ДНК, РНК и белков. Я согласен, что это может показаться трудным, но как только вы представите себе все эти компоненты в действии, вам станет ясна логика биологических процессов. А главное, вскоре нам предстоит сделать несколько больших открытий, оценить которые можно лишь тогда, когда вы поймете роль разных классов молекул, составляющих живой организм.

Связь между ДНК, РНК и белком заключается в следующем: ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК, в свою очередь, является матрицей для синтеза белка. Таким образом, заключенная в ДНК информация в два этапа перекодируется в белки, которые и выполняют всю работу в клетках и целых организмах.

Сначала я хочу рассказать вам о хромосомах, генах и ДНК (рис. 3.1). Любую очень длинную молекулу ДНК в клетке называют хромосомой. Гены представляют собой отдельные фрагменты молекулы ДНК. ДНК состоит из двух нитей, которые составлены из "кирпичиков", называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит одно основание, а всего существует четыре вида этих оснований, которые обозначают буквами А, С, G и Т. Нити ДНК удерживаются вместе за счет сильных парных взаимодействий между основаниями, находящимися на противоположных нитях. В клетке может быть всего одна хромосома (как в E. coli), а может быть гораздо больше (у нас с вами их двадцать три пары). Уникальная последовательность нуклеотидов в ДНК (например, ACGTCGAATT...) определяет уникальную информацию, закодированную в каждом гене.

Рис. 3.1. Хромосомы, ДНК и гены. Хромосомы — это длинные молекулы ДНК, состоящие из тысяч генов. ДНК состоит из двух нитей, образованных нуклеотидами (А, С, G и Т), которые удерживаются вместе за счет связей между основаниями на противоположных нитях. Отдельные гены — это участки последовательности ДНК разной длины. Рисунок Лианн Олдс.

Теперь давайте посмотрим, как происходит расшифровка заключенной в ДНК информации.

Первая стадия расшифровки информации гена называется транскрипцией. Этот процесс заключается в синтезе однонитевого транскрипта матричной РНК (мРНК), который комплементарен одной из двух нитей молекулы ДНК. Вторая стадия заключается в переводе последовательности мРНК в последовательность белка; этот процесс называется трансляцией (рис. 3.2). Для перевода РНК в белок используется универсальный генетический код. "Кирпичиками" для строительства белков служат аминокислоты, соединяющиеся в длинные цепи. Между последовательностью оснований в ДНК и последовательностью аминокислот в белке имеется прямое соответствие. Последовательность аминокислот в каждом белке определяет его форму и свойства: переносит ли он кислород, формирует мышечные волокна или расщепляет лактозу.

Рис. 3.2. Расшифровка информации, заключенной в ДНК, осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит транскрипция ДНК с образованием матричной РНК (мРНК). На втором этапе происходит трансляция мРНК в молекулу белка. Рисунок Джоша Клейса.

Вернемся к Е. coli и попытаемся понять, каким образом бактерии удается синтезировать β-галактозидазу только тогда, когда в среде присутствует лактоза. Моно и Жакоб поняли, что синтез фермента контролируется переключателем, находящимся в гене β-галактозидазы. Когда лактозы нет, переключатель выключен, когда она есть — он включается. Переключатель состоит из двух основных компонентов: белка, называемого lac-репрессором, и короткой последовательности ДНК вблизи гена β-галактозидазы, с которой связывается белок lac-репрес-сор. Когда белок-репрессор связывается с этой последовательностью ДНК, ген выключается (репрессируется) и синтеза РНК и белка не происходит. Но в присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК и начинается синтез транскрипта РНК и фермента (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Роль переключателя в синтезе β-галактозидазы и метаболизме лактозы в клетках Е. coli. Когда лактозы нет, белок lac-penpeccop связывается с переключателем и подавляет транскрипцию. В присутствии лактозы репрессор отсоединяется от ДНК, начинаются транскрипция и трансляция и образуется фермент. Рисунок Джоша Клейса.

Контроль синтеза фермента с помощью lac-репрессора — классический пример логики регуляции работы гена: ген используется лишь тогда, когда это необходимо. Всего в клетках E. coli 4288 генов, но в каждый конкретный момент времени работает лишь часть из них. У человека более 25 000 генов, но в каждом конкретном типе тканей или органов используется лишь часть из них. Можно назвать две основные закономерности работы генов у бактерий, и мы еще неоднократно обратим на них внимание.

1 Регуляция работы гена осуществляется с помощью присоединения / отсоединения ДНК-связывающего белка к / от ДНК.

2 ДНК-связывающий белок узнает специфическую последовательность ДНК вблизи последовательности гена.

Невозможно переоценить значение открытия генетических переключателей в клетках бактерий. Жакоб и Моно не просто открыли элегантный механизм контроля клеточной физиологии. Это открытие позволило разгадать тайну клеточной дифференцировки в более сложных организмах, включая нас с вами. Ученые поняли, что функции клеток крови, головного мозга, мышц и т.д. определяются синтезом специфических для конкретной ткани белков. Открытие индукции ферментов в бактериях проложило путь к пониманию функции специализированных клеток в органах и тканях животных. Но Жакоб и Моно были не только талантливыми генетиками. Они прекрасно писали, и их научные статьи, опубликованные в начале 1960-х гг., относятся к числу самых красивых, четких и убедительных трудов во всей биологической литературе. Они писали и книги. Книга Моно "Случайность и необходимость" (Hasard et la Necessite) так же хорошо известна в литературных и философских кругах, как и в среде биологов. Жакоб тоже написал несколько классических книг, включая замечательную автобиографию.

Потенциальные следствия из этих открытий были настолько широки, что Моно остроумно заметил: "Что верно для E. coli, то верно и для слона". Это было смелое обобщение, учитывая состояние биологической науки в тот период.

До изучения генов слонов в 1965 г. было еще далеко. Прав ли был Моно? Действительно ли логика процессов в микроскопических бактериях распространяется и на более крупных и сложных обитателей Земли? Ответить на этот вопрос нам помог не слон, а маленькое насекомое — дрозофила, благодаря которой был сделан ряд совершенно неожиданных, революционных открытий. А началось все с тех же гомеозисных монстров.

Гомеобокс

Гомеозисные мутанты плодовых мушек манили к себе многих молодых биологов. Мушки с ногами на голове, с дополнительной парой крыльев или с ногами на месте ротовых придатков — возможно, их кинематографический вид способствовал их привлекательности в качестве научного объекта. Но все же, скорее всего, исследователей привлекало то, что все эти удивительные существа появлялись в результате мутации единичных генов. Как изменение в одном-единственном гене может так сильно изменить форму тела? В чем заключается "нормальная" функция этих удивительных генов?

Ответить на эти вопросы удалось благодаря развитию технологии клонирования генов. Как только метод клонирования стал применяться более широко, несколько смелых биологов занялись изучением гомеозисных генов дрозофилы. Этой работе помогли многолетние генетические исследования, показавшие, где именно на третьей (из четырех) хромосоме дрозофилы находятся эти гены. Оказалось, что все они организованы в два кластера, расположенных по соседству. Один кластер, названный комплексом Bithorax, содержит три гена, которые влияют на строение задней части тела мушки, другой кластер, названный комплексом Antennapedia, состоит из пяти генов, которые влияют на строение передней части тела. Более того, порядок расположения генов в кластерах соответствует порядку расположения тех частей тела, за формирование которых они отвечают (рис. 3.4). Эта интересная, но непонятная связь зародила в ученых надежду, что в этих комплексах генов кроется ключ к пониманию общей логики построения тела животного.

Рис. 3.4. Hox-гены дрозофилы. Восемь генов (сокращенные названия lab, pb и т.д.) локализованы на одной и той же хромосоме дрозофилы, и каждый ген определяет особенности развития определенного участка тела мушки; эти участки расположены вдоль передне-задней оси тела мухи (выделены серым цветом разной интенсивности). Рисунок Лианн Олдс.

К 1983 г. ДНК из этих двух комплексов генов была выделена и проанализирована. Одна из первых задач заключалась в идентификации белков, закодированных восемью гомеозисными генами. Первым важным открытием стало то, что каждый из этих генов, размером около 1000 пар оснований, содержит практически идентичную короткую последовательность примерно из 180 оснований. В результате трансляции эта последовательность превращается в 60-аминокислотный домен, входящий в состав всех восьми белков. Это было безумно интересно, так как означало, что, хотя каждый гомеозисный ген оказывает специфическое влияние на определенную часть тела, все гомеозисные белки имеют какие-то сходные функции. У молекулярных биологов есть традиция давать названия отдельным элементам ДНК. Поскольку последовательность из 180 пар оснований в гомеозисных генах представляла собой маленький "ящик" ("бокс") общности в длинных последовательностях ДНК, эту общую последовательность ДНК стали называть гомеобоксом, а кодируемую ею последовательность белка — гомеодоменом. Позднее для краткости гомеозисные гены с гомеобоксами этого типа стали называть Hox-генами.

Но что делает этот гомеодомен, какими свойствами обладает? Мой коллега по лаборатории, Аллен Лафон, определил последовательность одного гена из комплекса Antennapedia и попытался понять, как он работает. Одна из стратегий, которую биологи применяют для изучения новых последовательностей, заключается в поиске сходства между ними и уже известными молекулами. Поэтому Аллен стал сравнивать гомеодомен со всеми белками, которые когда-либо были изучены, считая, что если он найдет структурное сходство, то сможет подобраться к разгадке функции гомеодомена.

Где-то он уже однажды видел структуру, напоминавшую гомеодомен...

Да это же lac-репрессор! И не только lac-репрессор, но и весь набор ДНК-связывающих белков, которые связываются с переключателями в бактериях и дрожжах.

Эврика!

Найденное сходство означает, что гомеодомен представляет собой ДНК-связывающий домен, встроенный в структуру белка. Скорее всего, гомеозисные белки также могут регулировать действие переключателей в организме животных, и именно по этой причине они влияют на формирование и дифференцировку структур.

Это важная новость. Однако скептики могут заметить, что мы продвинулись в своих знаниях от малюсенькой бактерии до малюсенькой мухи. Ну и что? Как это помогает разобраться в строении великолепных животных, о которых мы собирались поговорить? И в строении нас самих?

Подобные заявления мне знакомы. Когда я защитил диссертацию и начал работать с дрозофилами, некоторые мои коллеги старшего поколения считали, что я потерял голову. Дрозофилы? Что они могут рассказать о людях или о других млекопитающих? Распространенная точка зрения, подкрепленная десятилетиями разрыва между биологами, работавшими на мышах, крысах или других традиционных моделях медицинской биологии, и теми, кто работал с "низшими" формами, состояла в том, что законы физиологии и развития млекопитающих чрезвычайно сильно отличаются от соответствующих законов у жуков или червяков. Различия эти настолько велики, что работать на таких объектах, как дрозофилы, многим (представьте себе!) казалось бессмысленным.

Но всех нас ждало множество сюрпризов.

Объединяя царство

Билл Макгиннис и Майк Левайн не считали, что у пушистых зверей должен быть какой-то особый статус. Кроме того, эти ученые, работавшие в лаборатории профессора Вальтера Геринга в Университете Базеля, очень интересовались гомеозисными мутантами. Когда они обнаружили, что в каждом гомеозисном гене дрозофилы есть гомеобокс, они сделали следующий логический шаг. Они начали выделять ДНК из всех живых существ, каких только могли найти в окрестностях Базеля, а также в соседних лабораториях, включая насекомых, земляных червей, лягушек, коров и людей, чтобы проверить их ДНК на наличие гомеобоксов.

Джекпот.

Они нашли множество гомеобоксов.

В результате детального анализа последовательностей гомеобоксов было обнаружено невероятное сходство этих последовательностей у разных видов животных. В гомеодоменах некоторых мышей и лягушек до 59 аминокислот из 60 совпадали с аминокислотами в гомеодоменах дрозофилы. Такое сильное сходство белковых последовательностей было удивительным. Эволюционные ветви, приведшие к появлению дрозофил и мышей, разошлись более 500 млн лет назад, еще до знаменитого кембрийского взрыва, давшего жизнь большинству современных видов животных. Ни один биолог не мог предполагать, что между генами столь отдаленных видов может существовать столь разительное сходство. Hox-гены оказались настолько важны, что их последовательности сохранялись в неизменном виде на протяжении невероятного долгого периода в эволюции животных.

Поначалу возникло несколько объяснений роли гомеобокса. Некоторые ученые не придали ему большого значения и предположили, что гомеобокс отвечает за какую-то рутинную функцию, например, обозначает местонахождение определенных белков в клетке. Но вскоре стало ясно, что гомеобоксы позволяют заглянуть гораздо глубже. Профессор Джонатан Слэк из Оксфордского Университета сравнил открытие гомеобокса с открытием Розеттского камня, позволившего расшифровать египетские иероглифы. Является ли гомеобокс ключом к разгадке процесса развития животных?

Через пару лет после обнаружения Hox-генов у позвоночных и других животных ученых ждало еще одно, возможно, даже большее потрясение. Когда стали анализировать расположение этих генов на хромосомах мыши, оказалось, что они тоже собраны в кластеры (их всего четыре), как у дрозофилы. Но что еще более удивительно, порядок генов в каждом кластере соответствует порядку расположения тех участков тела мыши, в которых эти гены экспрессируются. Это означает, что сходство между разными животными не ограничивается лишь последовательностью генов, но касается и их кластерной организации и того, как они используются в эмбрионе (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Соответствие кластеров Hox-генов и отдельных участков тела разных эмбрионов. Вверху: гены единственного кластера Hox-генов дрозофилы экспрессируются в разных участках эмбриона. Внизу: гены из четырех кластеров Hox-генов мыши экспрессируются в разных участках эмбриона. Рисунок Лианн Олдс.

Да, представьте себе. Кластеры Hox-генов определяют развитие столь разных животных, как дрозофилы и мыши, и теперь мы знаем, что это относится ко всем представителям царства животных, включая человека и слона. Ни один даже самый активный сторонник исследований на дрозофилах не мог предсказать, насколько Hox-гены важны и универсальны. Выводы оказались ошеломляющими. Не имеющие между собой абсолютно ничего общего животные строятся не только с помощью одних и тех же инструментов, но и с помощью одних и тех же генов!

Однако на этом сюрпризы не кончились.

Еще несколько уроков смирения от плодовой мушки: набор генов развития

Части тела дрозофилы не очень похожи на наши. У нас нет антенн и крыльев, у нас одна пара подвижных глаз, а вовсе не неподвижные фасеточные глаза, состоящие из 8оо ячеек. Наша кровь перекачивается четырехкамерным сердцем по замкнутой системе артерий и вен, а не просто плещется в единой полости. Мы передвигаемся на двух длинных ногах с прочными костями, а не на шести тонюсеньких лапках. Короче говоря, анатомия у нас абсолютно разная, поэтому трудно себе представить, что дрозофилы могут помочь нам в понимании того, как формируются наши собственные ткани и органы. Действительно, ученые предполагали, что некоторые структуры, такие как глаза, с их разнообразным анатомическим строением и оптическими характеристиками, в ходе эволюции животных возникали практически с нуля не менее сорока раз.

По этой причине изучение генов, ответственных за построение глаз дрозофил, не вызывало большого интереса. Но когда ученые из лаборатории Вальтера Геринга клонировали ген eyeless (безглазый — англ.), названный так по той причине, что при его мутации дрозофилы не имеют глаз, оказалось, что аналогичный ген уже известен у человека. Человеческий ген называется Aniridia (Аниридия). Его так назвали, поскольку его мутация приводит к уменьшению размера или, в тяжелых случаях, к полному исчезновению радужной оболочки глаза (ириса). Aniridia — это тот же самый ген, который у мыши известен как Small eye (Маленький глаз) и чья мутация приводит к аномалии или отсутствию глаз. Это открытие было достаточно интригующим, поскольку наши глаза камерного типа и сложные глаза дрозофилы имеют совершенно разную структуру и адаптированы к разным нуждам. Почему в формировании столь разных глаз участвует один и тот же ген? Что это — совпадение или нечто большее?

К ответу на этот вопрос нас приблизили два других эксперимента. Когда в результате специальных манипуляций ген eyeless включали в других частях тела мушки, ткани глаза появлялись на крыльях, ногах и в других местах (рис. 3.6). Этот факт, а также отсутствие глаз у мутантов с поврежденным геном eyeless показали, что этот ген является мастер-геном, т.е. ключевым геном для развития глаза. Без него образования глаза не происходит, а там, где он активен, ткань развивается в структуры глаза. Во втором эксперименте мышиный ген Small eye заставляли экспрессироваться в "неправильных" местах тела дрозофилы. Как вы думаете, что произошло?

Рис. 3.6. Мастер-ген eyeless контролирует формирование глаза. Нормальная голова дрозофилы с крупным фасеточным глазом (а); мутация гена eyeless у дрозофилы приводит к потере глаза (б); индукция развития глазной ткани на крыле у дрозофилы в результате экспрессии гена eyeless в крыле (в). Фотографии предоставлены Джорджем Холдером. Онкологический центр Андерсона, Хьюстон.

Результат был таким же, как и в эксперименте с геном дрозофилы — ткани дрозофилы начали образовывать структуры глаза. Однако важно заметить, что ткани образовывали структуры глаза дрозофилы, а не мыши. Так что, хотя все гены были похожими и их экспрессия оказывала похожее действие, окончательная форма структуры зависела от контекста развития, т.е. от вида организма-хозяина, а не от происхождения гена. Мышиный ген индуцировал мушиную программу развития глаза.

Гены eyeless, Aniridia, Small eye имеют общее, менее выразительное название — Рах-6. Происхождение этого названия не слишком важно, а вот распространение данного гена в царстве животных и его связь с развитием глаз очень важны. Оказалось, что ген Рах-6 связан с развитием глаз самых разных типов — простых, как у плоских червей, и гораздо более сложных, как у позвоночных. Объяснить связь гена Рах-6 с развитием глаз у животных можно двумя способами. С одной стороны, использование этого гена для построения глаз у различных животных могло быть случайным совпадением. С другой стороны, он мог использоваться для построения глаз у какого-то очень древнего общего предшественника всех животных, и его функция сохранилась на протяжении всей эволюции царства животных. Прежде чем выбрать правильный ответ, отметим еще более удивительные совпадения в развитии различных животных.

В моей лаборатории мы всегда интересовались проблемой происхождения и эволюции конечностей, поскольку ноги, крылья и плавники — это основные адаптационные приспособления для тех животных, у которых они есть. Несколько лет назад мы изучали роль гена Distal-less (сокращенно D//), название которого связано с тем, что при его мутации у дрозофилы не развиваются дистальные (наиболее удаленные от тела) участки конечностей. Мы хотели узнать, существует ли подобный ген у других видов животных. Мы с радостью обнаружили, что Dll также используется для формирования дистальных частей конечностей бабочки, а также ракообразных, пауков и многоножек. Это говорит о том, что Dll участвует в формировании конечностей у всех членистоногих. (Кроме того, наша статья помогла журналисту Дэвиду Бэрри объяснить читателям, почему он не ест омаров — потому что они, на самом деле, просто крупные насекомые. Не слишком изящный или корректный эволюционный аргумент, но мы оценили внимание к нашей работе.) Поскольку все эти животные относятся к одному типу и имеют сходное строение членистых конечностей, использование ими гена Dll имеет смысл. Неожиданностью оказалось другое открытие, сделанное нами и нашими коллегами при изучении конечностей животных, не состоящих в близком родстве с членистоногими.

Мы обнаружили, что ген Dll принимает участие в формировании любых отростков, отходящих от тел животных. Сюда относятся куриные ноги, рыбьи плавники, конечности морских червей (параподии), ампулы и сифоны асцидий и даже трубчатые ножки морских ежей. Как и ген Pax-6, ген Dll — пример мастер-гена, вовлеченного в создание весьма разнообразных структур, общим свойством которых является только связь с туловищем животного. Все упомянутые животные относятся к различным ветвям филогенетического древа. Поэтому роль Dll в эволюции конечностей, по-видимому, можно интерпретировать так же, как роль Рах-6 в эволюции глаз. Либо эволюция обращалась к помощи гена Dll независимо множество раз, чтобы с нуля создавать конечности животных, либо этот ген служил для создания каких-то отростков на теле древнего общего предка и эта функция гена была неоднократно использована на протяжении эволюции животных.

Между генами и структурами позвоночных и дрозофил было обнаружено еще много общего. Я приведу один пример. В верхней части тела дрозофилы располагается сердце, сокращение которого приводит к перекачиванию крови по телу. У мух незамкнутая система кровообращения, т.е. кровь, омывающая ткани, не заключена в сосуды. В нашем понимании их сердце мало напоминает сердце, но все же оно выполняет свою работу. Генетики обнаружили ген, необходимый для формирования сердца мухи, и назвали его tinman (в честь Железного дровосека, персонажа сказки "Волшебник из страны Оз", у которого не было сердца).

Неожиданностью стало обнаружение у млекопитающих нескольких версий гена tinman, скромно названных NK2. Выяснилось, что эти гены играют важную роль в формировании сердца позвоночных, включая нас с вами. Несмотря на значительные различия в анатомическом строении сердца и системы циркуляции крови, мухи и позвоночные используют для разметки и формирования своих сердец однотипные гены.

Нужно добавить еще кое-что. Белки из семейств Рах-6, Distal-less и Tinman у дрозофил, позвоночных и других животных содержат гомеодомены. Таким образом, все они являются ДНК-связывающими белками. Эти гомеодомены похожи на гомеодомены белков Hox, но не идентичны им. Теперь мы знаем, что существует около двух десятков семейств гомеодоменов. Белки Hox, Pax-6, Dll и Tinman относятся к четырем различным семействам. Белки Рах-6 различных животных похожи друг на друга больше, чем на белки из других семейств гомеодоменных белков. Аналогичным образом, белки Hox, Dll и Tinman также имеют больше сходства с членами своего семейства, чем с белками из других семейств. Различие между семействами гомеодоменов отражает разницу в их функциональной специфичности (они связываются с разными последовательностями ДНК). Поскольку все они связываются с ДНК и оказывают столь сильное влияние на развитие органов или конечностей, можно утверждать, что они регулируют включение и выключение генов, участвующих в развитии глаз, ног или сердец соответственно. Их значительное влияние на развитие организма связано с регуляцией активности большого количества генов, с действием на ранних этапах развития или и с тем и с другим (в любом случае, без них развития органа или части тела не происходит).

Пересматриваем эволюцию животных

Когда ученые открыли, что у насекомых, позвоночных и других животных один и тот же набор генов контролирует образование участков и частей тела с похожими функциями (но очень сильно различающимся строением), а также их форму, им пришлось полностью переосмыслить историю развития животных, происхождение различных структур и природу разнообразия животного мира. Те, кто работал в области сравнительной и эволюционной биологии, долгое время считали, что разные группы животных, разделенные длительным периодом эволюции, создавались и эволюционировали совершенно разными путями. Были хорошо известны связи между представителями некоторых групп, таких как позвоночные, или между позвоночными и другими хордовыми животными. Но сходство между мухами и людьми или плоскими червями и асцидиями! Разве это возможно? Такой взгляд на эволюционные различия был столь прочно укоренен, что эволюционный биолог (и один из создателей синтетической теории эволюции) Эрнст Майр в 1960-х гг. писал: "Многое из того, что мы узнали о физиологии генов, доказывает, что поиск гомологичных генов является довольно бесполезным занятием, за исключением самых близкородственных видов. Если определенное функциональное требование можно реализовать лишь одним эффективным способом, самые разные комплексы генов приведут к одному и тому же решению, вне зависимости от пути его достижения. Поговорка «Все дороги ведут в Рим» верна не только в быту, но и в эволюции".

Эта точка зрения оказалась в корне неверной. В своей основополагающей работе "Структура теории эволюции" (The Structure of Evolutionary Theory) Стивен Джей Гулд назвал открытие кластеров Hox-генов и универсальных генов, использующихся при построении тела всех животных, переворотом основ современного синтеза. Он писал: "В центре нашего забрезжившего понимания сути генетики развития находится не просто открытие чего-то абсолютно нового... а совершенно неожиданный характер этих находок и вызванная ими необходимость пересмотреть и расширить теорию эволюции".

Мало того, что гомологичные гены существуют (что уже противоречит предсказанию Майра), но вдобавок выясняется, что не так уж много дорог ведут в Рим (т.е. к формированию адаптаций в ходе эволюции). История с геном Рах-6 показывает, что формирование самых разных типов глаз шло по одному пути. Естественный отбор не создавал множество глаз совсем с нуля: в создании всех типов глаз используется один и тот же генетический элемент. То же касается создания конечностей, сердец и т.д. Эти общие генетические элементы должны быть очень древними, древнее позвоночных или членистоногих, и происходить от тех самых первых животных, которые впервые стали использовать эти гены для того, чтобы видеть, чувствовать, есть или передвигаться. Эти животные — отдаленные предки большинства современных видов, включая нас с вами. Я подробнее расскажу о них и об эволюции животных в шестой главе. Но сначала я должен рассказать о некоторых других генах из нашего набора и открыть вам новые, неожиданные эволюционные связи.

Что такое набор генов развития?

Hox-гены и гены, участвующие в построении глаз, конечностей и сердец, пожалуй, составляют наиболее известную десятку генов, контролирующих развитие, а между тем они только часть набора генов, необходимого для развития животных. В формировании тела плодовой мушки задействовано несколько сотен генов — это лишь небольшая доля от 13 676 генов, обнаруженных в ее геноме. Подавляющее большинство генов делают другую работу — они участвуют в выполнении рутинных и специализированных функций клеток дрозофилы.

Мы узнали о наборе генов развития с помощью того же самого подхода, который позволил открыть первые гены, участвующие в построении тела, а именно — с помощью анализа мутантов. В конце 1970-х и начале 1980-х гг. два генетика, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус, приступили к идентификации всех генов, необходимых для того, чтобы построить личинку дрозофилы. Они обнаружили несколько десятков генов, которые нужны для закладки правильного количества и типа сегментов тела, гены, необходимые для формирования трех зародышевых листков, и еще большее количество генов, участвующих в создании более мелких деталей строения. Я потом кратко расскажу об этих генах, а сейчас лишь замечу, что работа Нюсляйн-Фольхард и Вишауса была столь систематической и тщательной, что им удалось идентифицировать большинство генов, которые, как мы теперь знаем, участвуют в формировании тела дрозофилы. Кроме того, "двойники" многих из этих генов присутствуют у позвоночных и других животных, и эти двойники были обнаружены во многом благодаря пионерским исследованиям дрозофилы. В 1995 году Нюсляйн-Фольхард, Вишаус и Эд Льюис получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии за свои исследования, определившие дальнейший путь развития эмбриологии и, впоследствии, эво-дево.

Наиболее удивительным и полезным свойством коллекции мутантов Нюсляйн-Фольхард и Вишауса было то, что все экземпляры имели серьезные, но очень специфические дефекты в разметке плана строения эмбриона. Например, некоторые мутанты были лишены целой группы сегментов тела, а другие имели лишь половину нормального количества сегментов. Это означало, что мутантные гены определяли создание основных анатомических модулей, из которых составлено тело насекомого. К третьей группе мутантов относились те, у кого по определенному правилу нарушалась полярность каждого сегмента, так что было ясно, что мутантные гены влияют на разметку структуры модулей. Во всех случаях, однако, развитие не останавливалось полностью: какие-то специфические процессы прекращались, но какие-то протекали нормально.

Рис. 3.7. Инструментальный набор развития. Разметку и сборку тел животных контролируют несколько разных классов белков — продуктов генов развития. Рисунок Джоша Клейса.

Теперь нам многое известно о генах из генетического набора инструментов. В основном, все гены этой группы управляют развитием организма, включая и выключая другие гены в процессе развития (рис. 3.7). Значительную часть этой группы составляют гены транскрипционных факторов — связывающихся с ДНК белков, которые напрямую включают и выключают транскрипцию генов, подобно мастер-генам, о которых я говорил выше. Другая часть генов из набора инструментов задействована в так называемых сигнальных путях. Клетки общаются друг с другом путем передачи сигналов в форме белков, которые выводятся из клетки и направляются от места синтеза к месту своего назначения. Затем эти белки связываются с рецепторами других клеток, где запускают каскад реакций, в числе которых изменение формы клетки, миграция, начало или прекращение деления клетки, а также активация или репрессия генов. Передача сигналов между группами клеток в значительной степени обеспечивает локальную разметку развивающихся структур. У дрозофилы сигнальных путей немного (всего около десяти), но в каждом из них задействовано множество компонентов — сигнальных белков, рецепторов и молекул-посредников. Все эти компоненты обеспечивают прохождение сигнала через все компартменты клетки — от мембраны через цитоплазму и в ядро. Мутация любого из этих компонентов может нарушить передачу сигнала и остановить процесс развития.

Биологи ухватились за идею о том, что гены, которые использует плодовая мушка, используются и другими животными. Поэтому всякий раз, обнаружив новый ген из набора генов развития дрозофилы, ученые начинали поиск его двойника у позвоночных. Это привело ко многим важным открытиям. Рассказом об одном из них я завершу эту главу.

От "ежей" к полидактилии, циклопам и раку

Нюсляйн-Фольхард и Вишаус коллекционировали мутантных личинок дрозофил с явными дефектами тела и давали генам, которые повлияли на их внешний вид, соответствующие названия. Это внесло в генетику дрозофилы особый колорит. Многие названия были немецкими, поскольку исследования проводились в Тюбингене. Поэтому в наборе генов развития есть гены с немецкими именами knirps (малыш), Kruppel (калека), spitz (острие), но и с английскими тоже — shavenbaby (бритое дитя), buttonhead (сферическая голова), faint little ball (бледный маленький шарик) и многие другие. Одним из любимцев генетиков был ген hedgehog (еж), названный так потому, что мутантная личинка была покрыта тонкими волосками и напоминала ежа (рис. 3.8). Молекула Hedgehog играет в организме дрозофилы очень важную роль, но ее известность возросла еще больше, когда несколько исследовательских групп обнаружили ген hedgehog у позвоночных.

Рис. 3.8. Кутикула нормальной личинки дрозофилы и мутанта hedgehog Тонкие волоски (дентикулы) мутантной личинки спутаны и находятся в беспорядке, так что напоминают иголки ежа (В), тогда как кутикула нормальной личинки характеризуется ровными поясками дентикул, соответствующими сегментам личинки, которые отстоят друг от друга на одинаковое расстояние (А). Фотографию предоставил Бенедикт Сэнсон, Кембриджский университет.

У позвоночных найдено три гена hedgehog, которые в поддержание установившейся в генетике дрозофил традиции получили названия Sonic hedgehog (в честь персонажа видеоигры), Desert hedgehog и Indian hedgehog (в честь настоящих животных). Первое потрясение ждало генетиков, когда Клифф Табин и его коллеги из Гарвардского университета стали изучать экспрессию гена Sonic hedgehog в развивающейся конечности цыпленка и обнаружили, что он включается только на заднем конце почки конечности. Эта область по локализации практически совпадала с зоной поляризующей активности Сондерса, описанной им несколько десятков лет назад, в ходе экспериментов с трансплантацией. Чтобы проверить возможное действие Sonic hedgehog в ЗПА исследователи разными путями вызывали экспрессию этого гена в других участках почки конечности. И в результате они получили тот же самый набор случаев полидактилии, что и Сондерс: последовательность дополнительных пальцев всегда имела обратную полярность по отношению к нормальной. Зона экспрессии Sonic hedgehog была не просто частью ЗПА; активность ЗПА полностью зависела от экспрессии Sonic hedgehog. Более того, ген Sonic hedgehog фигурирует не только в истории с цыпленком.

Помните описание людей с полидактилией? Теперь известно, что определенный тип полидактилии вызван мутацией, нарушающей экспрессию Sonic hedgehog в ходе эмбрионального развития конечностей человека. Это не просто красивая иллюстрация гомологичности конечностей позвоночных, но и потрясающий пример того, как открытия, сделанные при изучении дрозофилы, помогают развитию медицинской генетики.

Но это еще не все.

Помните овцу-циклопа (по-моему, эту картину забыть нельзя) и историю про тератоген циклопамин? Теперь мы понимаем, что циклопамин является ингибитором сигнального пути с участием Sonic hedgehog у млекопитающих. Он блокирует часть рецептора, так что клетки, которые должны отреагировать на сигнал белка Sonic hedgehog, не могут этого сделать. Еще один регион эмбриона позвоночных, в развитии которого данный сигнальный путь играет важную роль, — вентральная средняя линия. Сигналы от клеток вентральной средней линии играют критическую роль в подразделении вышележащих тканей на левое и правое глазные поля и левое и правое полушария головного мозга. Если беременная овца в определенный момент подвергается воздействию циклопамина, нормальное течение процесса развития останавливается и рождается циклоп. Человеческие эмбрионы не подвергаются действию циклопамина, но, возможно, аналогичное действие оказывает этиловый спирт. Алкогольный синдром плода является проявлением отравления алкоголем на критическом сроке беременности, приводящим к голопроэнцефалии. Мутации, нарушающие активность гена Sonic hedgehog или других компонентов этого сигнального пути, тоже могут приводить к циклопии.

Врожденные дефекты — это один пример последствий поломки генов из набора генов развития. Другой пример — рак. Опухоли возникают тогда, когда клетки выходят из-под контроля внутренних и внешних ограничителей, а это может быть вызвано нарушением ответа на клеточный сигнал. Подходящий пример — базальноклеточная карцинома, наиболее распространенный тип рака кожи, особенно на лице и на шее у людей, долгое время находившихся на солнце. Во многих случаях клетки этой опухоли имеют мутацию рецептора Sonic hedgehog. Эта мутация приводит к слишком высокой активности данного сигнального пути. Поэтому один из химиотерапевтических подходов к лечению этого типа рака может заключаться в использовании ингибиторов сигнального пути, включая (догадались?) циклопамин. Вот такое научное путешествие от мертворожденных ягнят к растительным токсинам и противоопухолевой терапии человека. Некоторые виды опухолей головного мозга и поджелудочной железы теперь тоже пытаются лечить с помощью веществ, влияющих на сигнальный путь с участием гена hedgehog, поскольку такие опухоли связаны с мутациями этого пути.

Я очень сомневаюсь, что когда в конце 1970-х гг. Нюсляйн-Фольхард и Вишаус начинали изучать мутантов дрозофилы, они думали о том, что их результаты помогут понять суть полидактилии, циклопии или рака. Однако значение открытия генетического набора инструментов у дрозофилы оказалось намного шире, чем кто-либо мог предполагать. И сегодня, когда мы глубже понимаем наше генетическое родство, биологи и медики привычно используют дрозофил и других "низших" животных для изучения человеческих заболеваний.

Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

Открытие общего набора генов развития у разных животных заставляет нас по-иному взглянуть на эволюцию биоразнообразия. Нам многое известно об этих генах у самых разных животных. Мы знаем, что эти гены очень древние и существовали уже до того, как возникло большинство типов животных. Кроме того, мы знаем полные нуклеотидные последовательности геномов дрозофилы, нематоды, мыши, человека, рыбы и некоторых других животных. Сравнительный анализ геномов показывает не только то, что человек имеет множество общих генов развития с дрозофилой, но и то, что с мышью у нас практически идентичный общий набор из 29 000 генов, а с шимпанзе на генетическом уровне мы совпадаем на 99%. Наличие общего набора генов развития и высокая степень генетического сходства разных видов животных представляют собой очевидный парадокс. Если набор генов развития совпадает у самых разных видов, то откуда взялись различия? Как при использовании одинаковых Hox-генов появилось такое невероятное разнообразие членистоногих? Как возникли различия между всеми млекопитающими, или между приматами, или между приматами и человеком? Чтобы понять, как с помощью одинаковых генов формируется разное анатомическое строение, нужно сначала понять, как происходит сборка одного конкретного животного. Это длинный рассказ, который станет темой двух последующих глав.

Развитие лягушки. Из книги A. Ecker, Icones Physiobgicae: Erlduterungstafeln (1851-1859).

Глава 4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

Китайская пословица

В Колорадо глубокая ночь. Весна. В лаборатории мертвая тишина. Я в миллионный раз за последние полтора года повторяю одну и ту же процедуру. Искупав сотни крошечных белых эмбрионов дрозофилы в только что приготовленном растворе антител, я начинаю нервничать. Руководитель лаборатории Мэтью Скотт еще не в курсе, но я-то знаю, что это наша последняя попытка. Я больше не могу придумать, как выполнить этот эксперимент. У меня больше нет в запасе никаких трюков, и если и на сей раз ничего не получится, значит, мы напрасно трудились полтора года. Эмбрионы на стекле напоминают зернышки риса. Я направляю на них луч голубоватого света. Великий боже! Чудесные малютки "окольцованы" зелеными полосками! Нужно звонить шефу и бежать за выпивкой. Работа продолжается.

Вернуть цыпленка

Я рассказал о наборе генов, необходимых для развития, и о том, что открытию этого набора помогло исследование удивительных мутантов с аномальным количеством частей тела, их отсутствием или неправильным расположением. К счастью, в большинстве случаев природа все делает правильно и мухи и дети рождаются с нужным количеством частей тела в нужных местах. Но как это происходит? Каким образом эти удивительные гены превращают простую яйцеклетку в сложное животное?

Так называемый редукционистский подход в биологии заключается в изучении процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне, для чего приходится "редуцировать" процессы и структуры до их молекулярных компонентов. Этот подход в последние пятьдесят лет использовался чрезвычайно успешно и позволил установить механизмы наследования, выявить причины многих заболеваний и создать новую медицинскую и диагностическую индустрию. Недостаток редукционистского подхода заключается в том, что многие биологические системы, такие как клетки, отдельные особи, популяции и сообщества, организованы на надмолекулярном уровне, так что знание составляющих их молекул не объясняет всех свойств этих систем. Точно так же, как знание того, что компьютер сделан из полупроводников, сверхпроводников и полимеров, не дает представления о том, как он устроен и работает, знакомство с генетическим набором инструментов не позволяет полностью воссоздать картину развития живого организма.

Эта ситуация напоминает ранний период эмбриологических исследований, когда эмбриологи изолировали с помощью "грубой силы" определенные популяции клеток, пытаясь понять, как они складываются в ткани и органы в процессе развития. Однажды Пол Вейс[5] проиллюстрировал знакомым эмбриологам однобокость редукционистского подхода. Он показал им фотографию целого куриного эмбриона, затем фотографию эмбриона, обработанного блендером, и, наконец, фотографию эмбриона, чьи перемолотые компоненты были собраны в одно целое путем центрифугирования. Вейс предельно четко обозначил проблему редукционизма: как собрать цыпленка обратно?

Набор генов развития — это лишь часть генетического багажа, небольшая доля из 13 700 генов у дрозофилы или 25 000 генов у млекопитающих. Действительно, мы нашли очень важные для сборки организма элементы, но как собрать из них цыпленка? Или хотя бы муху? Представьте себе, что вы купили новую игру или прибор, а в коробке обнаружили только пакетики с разрозненными деталями и инструкцию, состоящую из двух слов: "требуется сборка". В предыдущей главе я рассказывал о том, как благодаря анализу мутантных животных биологи смогли обнаружить ключевые гены развития. В этой главе мы пойдем в обратном направлении и попытаемся найти путь от генов к целым животным.

"Прозреть" нам с вами помогут карты. В книге "Карта следующего тысячелетия: Открытие новой географии" (Mapping the Next Millenium: The Discovery of New Geographies) писатель Стивен С. Холл говорит о том, что составление карт — один из первых этапов любого научного исследования. Все естествоиспытатели и ученые, начиная от великих путешественников пятнадцатого и шестнадцатого столетий и заканчивая современными астрономами, физиками и океанографами, стремились измерить и затем изобразить Землю, Вселенную и океаны так, чтобы эти изображения были как можно более информативными и привлекательными. Эмбрион животного — это своего рода маленький мир, чья будущая топология размечена активностью генов развития. Холл употребил подходящую метафору, сказав, что изучение "географии" яйца является центральной темой в биологии и что для этого нам понадобятся новые карты.

В исследованиях любого рода — от изучения космического пространства до погружения в глубины живого организма — появление новых приборов и технологий всегда играло решающую роль. В эмбриологии открытие набора генов развития не просто позволило идентифицировать гены, необходимые для построения организма, но сделало доступным новый способ наблюдения за развитием. Делая видимой работу генов в развивающемся эмбрионе (это те самые зеленые кольца, которые я впервые увидел ночью в Колорадо), мы можем увидеть расположение и форму структур задолго до того, как они сформируются на самом деле. Визуализация генов развития в эмбрионе создает яркую и динамичную карту географии развивающегося организма. На этой карте хорошо видно, как благодаря работе генов развития из простого яйца постепенно формируются сложные животные и сколько в этом процессе логики и порядка.

Первые карты

Процесс развития — от малюсенького яйца до сложного животного — невероятно драматичен. Лягушачья икринка превращается в головастика всего за несколько дней, и важнейшие события на этом пути занимают считанные часы или даже минуты (рис. 4.1). Через час после оплодотворения икринка (всего лишь крупная клетка) разделяется надвое, давая начало двум новым клеткам. Вскоре после этого происходит следующее деление, в перпендикулярном направлении к предыдущему, и у нас уже четыре клетки. Клеток становится 8, 16, 32, и этот процесс продолжается, формируя шар, где клетки образуют оболочку сферы. Затем, всего через девять часов после оплодотворения, начинается удивительная серия морфогенетических движений — гаструляция. В ходе этого процесса образуются внутренний (эндодерма), средний (мезодерма) и внешний (эктодерма) слои эмбриона, из которых постепенно формируются ткани и органы (кожа, мышцы, кишечник и др.). В ходе гаструляции формируется впячивание, благодаря которому клетки, расположенные на поверхности эмбриона, проникают внутрь. Всего через полдня после оплодотворения у эмбриона уже дифференцированы три основных слоя ткани (три зародышевых листка).

Рис. 4.1. Развитие головастика лягушки. Показано постепенное развитие эмбриона, начиная от первого деления яйцеклетки (а), формирования бластулы (с), внутренних зародышевых листков (d, e), нервной системы и сомитов (f-i) и заканчивая формированием глаз и их пигментацией (h-l). Изображения предоставлены Уиллом Грэмом и Барбарой Лом, Колледж Дэвидсона.

На следующих стадиях развития эти три зародышевых листка подразделяются на поля, в границах которых будут формироваться различные структуры. На спинной поверхности эмбриона начинается серия удивительных морфогенезов, в результате которых формируется нервная трубка — зачаток будущего головного и спинного мозга. Проходит лишь один день развития, и вот уже складки и выпуклости обозначают места, где позднее возникнут голова, глаза и хвост. Начинают формироваться органы головастика и его конечности. На второй день формируется спинной плавник, происходит пигментация глаз, появляется сердце и кровеносная система, а в начале третьего дня уже видны эритроциты. Пока происходит формирование органов и конечностей, свободноплавающий головастик может жить только в воде, но потом его хвост исчезает и он принимает форму взрослого животного.

Формирование личинки дрозофилы — тоже стремительный процесс (рис. 4.2). Удлиненное яйцо дрозофилы имеет в начале развития всего одно оплодотворенное ядро, но уже через несколько часов около 6000 клеток формируют плотный эпителиальный пласт вокруг внутреннего желтка. Потом происходит гаструляция с образованием внутреннего, среднего и внешнего зародышевых листков. Туловище эмбриона начинает удлиняться, на нем появляются складки, быстро намечающие границы сегментов. В этом эмбрионе, который существует всего полдня, формируются различные органы личинки и особые группы клеток, из которых потом разовьются структуры взрослого насекомого. Всего через день после оплодотворения из яйца выводится прожорливая подвижная личинка. Это животное быстро растет, дважды линяет, образует куколку, а через девять дней становится взрослой мухой.

Рис. 4.2. Развитие эмбриона мухи и ее жизненный цикл. Вверху: электронные микрофотографии эмбриона, отражающие образование внутренних зародышевых листков эмбриона (a-d) и формирование сегментов тела (e-h). Стадии, показанные на фотографиях a-h, проходят меньше чем за 12 ч. Внизу: эмбрион превращается в личинку, несколько раз линяет и превращается в куколку; через несколько дней из куколки вылупляется взрослое насекомое. Фотографии предоставлены Руди Тернером, Университет Индианы; рисунки Лианн Олдс.

Эмбрионы и личинки лягушек и мух — легкая добыча для хищников. Высокая скорость развития должна обеспечить их выживание, ведь из сотен яиц, отложенных самкой, лишь несколько достигает стадии взрослого животного. Экология человека совершенно другая — наше развитие происходит в условиях максимальной безопасности и протекает, по крайней мере поначалу, гораздо медленнее. Первые деления оплодотворенной человеческой яйцеклетки происходят примерно каждые двадцать часов, так что создание 32-клеточно-го эмбриона человека занимает приблизительно столько же времени, сколько все развитие головастика. Гаструляция у человека начинается примерно на тринадцатый день, а область головы приобретает видимые очертания примерно через три недели. Вдоль спины образуются парные выпуклости, что говорит о том, что мы наблюдаем развитие позвоночного животного (эти сомиты дадут начало позвонкам, прилегающим к ним мышцам и коже). Длина эмбриона в этот момент всего около 2,5 мм, а до рождения человека остается еще восемь (долгих!) месяцев.

Наблюдая за развитием эмбриона, мы задаем очевидные вопросы. Откуда эмбрион знает, где должен быть хвост, а где голова? Или спина и брюхо? Как он определяет, куда поместить глаза, ноги или крылья? Если мы заглянем чуть дальше в будущее оплодотворенного яйца, то нас заинтересует и то, как образуются мышцы, нервы, кровь, кости, кожа, печень и т.д. В какой момент в ходе развития эмбриона решается судьба клеток?

Пионеры в области эмбриологии пытались найти ответы на подобные захватывающие вопросы с помощью простейших экспериментальных методов. Из практических соображений они использовали эмбрионы таких животных, которые легко доступны, с которыми легко работать и за развитием которых удобно наблюдать. Обычно это были водные животные, такие как морские ежи или амфибии, яйца которых при определенных условиях развиваются очень быстро. Среди первых вопросов, которые задавали себе эмбриологи, был следующий: какие структуры формируются из различных участков раннего эмбриона? Ученые придумывали разные способы, чтобы получить ответ, но самый прямой путь заключался в том, чтобы пометить отдельные клетки безопасным химическим красителем и посмотреть, где эти клетки и их потомство окажутся потом. Такие эксперименты позволили эмбриологам создать карты (так называемые карты презумптивных зачатков, или "карты судьбы") эмбрионов на ранней стадии развития, где было видно относительное расположение клеток, дающих начало определенным структурам.

На основании подобных экспериментов были составлены атласы развития эмбрионов многих видов животных. Аналогично параллелям и меридианам на глобусе, координаты на картах эмбрионов указывают расположение будущих тканей, органов и конечностей. На рис. 4.3 показаны карты эмбрионов лягушки и мухи (способ изображения разный, но идея одна и та же). Карта эмбриона лягушки показывает, что кожа, нервная система, элементы крови, сердце и кишечник образуются из клеток, расположенных на определенной широте и долготе эмбриона (т.е. имеющих определенные географические координаты).

Рис. 4.3. "Карты судьбы" ранних эмбрионов лягушки и мухи. Обозначены участки эмбриона, из которых позднее образуются соответствующие части тела. Рисунок Лианн Олдс.

Эмбрион мухи отличается по форме от эмбриона лягушки: он вытянутый и напоминает мяч для регби или американского футбола. Но различные части тела будущего животного точно так же появляются из скрытых меток на карте. Мы видим, что структуры, которые сформируются в разных местах вдоль оси тела животного, возникают из соответствующих участков, расположенных вдоль оси раннего эмбриона.

География эмбриона

Карты зачатков показывают, что, начиная с какой-то стадии развития, клетки "знают", в какой части эмбриона они находятся и к каким тканям или структурам относятся. Если продолжать аналогию с географической картой, клетки, ткани и органы имеют специфические координаты на карте эмбриона, описываемые широтой, долготой, а также высотой и глубиной (координатами над и под поверхностью тела эмбриона). Кроме того, они различаются "национальной принадлежностью" (нервные клетки, клетки печени и т.д.). Однако все клетки эмбриона происходят из единственной оплодотворенной яйцеклетки. Поэтому очевидно, что весь этот набор информации должен формироваться когда-то в процессе развития эмбриона и обеспечить уникальный адрес десятку типов клеток, тканей и органов эмбриона. Как клетки "узнают" свой адрес и понимают, кто они? Это результат коллективной работы генов развития. В порядке их действий существует понятная логика, обеспечивающая последовательную детализацию структур.

Прежде чем я покажу наглядно, как именно работают эти гены, я проиллюстрирую общую логику географии эмбриона (рис. 4.4). Внимательно рассмотрите этот рисунок, прежде чем продолжите читать. Здесь эмбрион изображен в виде глобусов с постепенно уточняющимися координатами.

А теперь давайте посмотрим, как гены развития это делают.

Форма будущих существ: гены развития рисуют полосы, линии, пятна, точки и загогулины

Структура координатной системы эмбриона с ее пересекающимися линиями параллелей и меридианов задает определенный пространственный порядок, в соответствии с которым разворачивается программа работы генов развития. Эту геометрию также отражают физические контуры развивающегося эмбриона, у которого есть углубления, бугорки и сферические выпуклости. Скопления клеток, образующих основные подотделы эмбриона, то есть места расположения развивающихся органов или иных специализированных структур, поначалу часто размечаются простыми геометрическими символами (в виде полос, линий, пятен, точек или кривых), соответствующими участкам экспрессии генов. Фрэнсис Крик, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом получил Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК, как-то заметил, что "эмбрионы любят полоски". Это правда. Но эти полоски и другие рисунки — нечто большее, нежели просто приятная глазу картина, на которой мы видим гены развития за работой. Это отражение основных операций, с помощью которых из простого геометрического узора поэтапно создается сложная архитектура животного.

Идет ли речь о крошечной дрозофиле или крупном млекопитающем, общая логика работы генов развития по организации, разделению и спецификации отдельных частей эмбриона становится ясна, если сделать эту работу видимой. Когда на наших глазах каждый ген участвует в создании географии эмбриона, нам проще воспринять весь процесс в целом как результат деятельности множества отдельных операторов. Животное со сложным строением — результат одновременной и последовательной работы различных генов в ходе развития. Я не смогу в одной главе показать полностью, во всех подробностях процесс развития животного на генном уровне. Но мне кажется, в этом и нет необходимости. Я собираюсь описать развитие несколькими крупными мазками. Фокусируясь на этапах, в ходе которых формируются основные признаки животных, мы достаточно живо сможем представить себе, как закладывается будущая форма животного. Приведенные в книге цветные вкладки, иллюстрирующие этот процесс, — лишь малая часть из десятков тысяч фотографий, сделанных исследователями за последние двадцать лет. Это эмбриологический эквивалент спутниковых фотографий Земли. Начнем с географии эмбриона дрозофилы.

Сборка мухи

Если смотреть на только что отложенное яйцо плодовой мушки обычными глазами, оно ничем не выдает той драмы, что разыгрывается у него внутри. На самом деле ключевые гены развития, приведенные в действие оплодотворением, начинают размечать географическую карту развивающегося эмбриона. Хотя все клетки растущего эмбриона содержат одну и ту же ДНК (т.е. одни и те же гены), гены развития активизируются лишь в определенных частях эмбриона и только в определенные моменты времени. За включением и выключением генов развития мы можем наблюдать с помощью мощных современных технологий, позволяющих визуализировать РНК или белковые продукты этих генов в развивающемся эмбрионе. Эти картины отражают порядок и логику создания животного.

Меридианы, ось восток—запад

Спустя два часа после оплодотворения эмбрион дрозофилы в длину (в направлении восток — запад) состоит примерно из 100 клеток. С помощью набора из нескольких генов развития эмбрион уже разделен на западный, центральный и восточный регионы, которые выглядят как полоски из 15-25 клеток (цветная вкладка 4а), причем некоторые из полосок перекрываются. Эти полосы существуют недолго, но прежде чем они исчезнут, активизируется другой набор из семи генов развития, которые экспрессируются полосками, покрывающими восточные две трети эмбриона. Полосы экспрессии шириной в 3-4 клетки разделены "чистыми" промежутками шириной в 4-5 клеток (вкладка 4b). Каждая полоса и соседний интервал покрывают собой пару будущих сегментов; здесь активируются pair-rule-гены ("гены правила пары"). Эти полосы тоже быстро исчезают.

Как только эти прекрасные, регулярно расположенные полоски начинают блекнуть, включается другая группа генов, образующая четырнадцать полосок — некоторые шириной в 1-2 клетки, другие чуть шире; они также занимают восточные две трети эмбриона (вкладка 4с). Будущая личинка сформирует четырнадцать основных сегментов, так что каждая полоса соответствует теперь одному сегменту. Большинство из этих четырнадцати полос сохраняются на протяжении всего периода развития, и через несколько часов после их появления начинается процесс физической сегментации эмбриона. Некоторые полосы точно маркируют границы между сегментами, другие отмечают различные координаты внутри каждого сегмента.

После того как последовательные включения и выключения трех групп генов определили границы сегментов (модулей эмбриона), в дело вступает четвертая группа генов, определяющих специфику модулей, находящихся на разных долготах вдоль оси восток — запад. Это Hox-гены, действие каждого из которых обычно охватывает от двух до семи сегментов и которые остаются активными до конца развития эмбриона (вкладка 4d). Hox-гены определяют, что должно происходить или не происходить в каждом конкретном сегменте или наборе сегментов.

4а Западный и центральный регионы раннего эмбриона дрозофилы маркированы белками двух генов развития (зоны зеленого и красного цвета; область их перекрывания выглядит желтой). Каждый маленький кружок соответствует ядру клетки.

4b На следующей стадии эмбрион дрозофилы подразделяется на пары сегментов с помощью белков нескольких генов развития, которые экспрессируются полосками. соответствующими парам будущих сегментов.

4с Далее эмбрион подразделяется на отдельные сегменты с помощью белков генов развития, маркирующих задний край каждого будущего сегмента. Фотографии 4а-4с предоставлены Джимом Ленжлендом и Стивом Пэддоком.

4d Зоны экспрессии Hox-генов устанавливаются вдоль оси восток-запад. Здесь показана локализация белков четырех Hox-генов (они обозначены четырьмя цветами).

Фотография предоставлена Нипалом Пателом, Калифорнийский университет в Беркли.

Параллели, ось север — юг

В то время как ось восток — запад делится на сегменты, ось север — юг начинает разбиваться на параллели при участии другого набора генов развития. Во многом так же, как первая группа меридиональных генов, первая группа широтных генов размечает обширные зоны эмбриона: северную, экваториальную и южную (вкладка 4е).

Параллели эмбриона не соответствуют повторяющимся модулям, но некоторые из них очерчивают границы будущих зародышевых листков эмбриона. Например, все клетки, экспрессирующие ген, показанный на вкладке 4e, в процессе гаструляции окажутся внутри эмбриона и сформируют средний зародышевый листок, или мезодерму, из которой позднее разовьются мышцы и другие ткани. Клетки, расположенные к северу от них в области экватора, переместятся к югу и сформируют эпидермис брюшной стороны животного и нервный тяж.

Миры в мире: гены развития намечают расположение будущих органов и конечностей

Когда параллели и меридианы нанесены, а интервалы между ними уточнены, появляется информация, позволяющая определять положение на теле эмбриона с учетом обеих осей. Теперь можно размещать органы и другие структуры, и тут берутся за дело ключевые гены развития, ответственные за построение органов. В зависимости от количества будущих структур каждого типа, задается одна или несколько пар координат, маркирующих положение "строительных площадок".

Например, в грудном отделе дрозофилы располагаются три пары ног — по одной паре на каждый сегмент. В развивающемся эмбрионе ответственный за построение конечностей мастер-ген Distal-less (вспомните третью главу) включается в нескольких местах — ближе к южному окончанию трех сегментов, расположенных в западной части эмбриона (вкладка 4f, внизу). Обратите внимание, что в восточных сегментах Dll не активируется. Причина заключается в том, что Hox-белки строго контролируют ситуацию в каждом сегменте и не позволяют гену Dll включиться восточнее области груди (здесь формируются брюшные сегменты, не имеющие ног).

У дрозофилы две пары крыльев, и можно увидеть, как мастер-ген, вовлеченный в формирование крыла, получает сигнал включиться только в клетках, расположенных к северу от того места, где ген Dll помечает место создания будущих ног во втором и третьем грудных сегментах, но не восточнее (вкладка 4f, вверху). Относительное расположение зачатков крыльев и ног соответствует относительному расположению этих конечностей на теле взрослой дрозофилы (крылья на спине, ноги на брюхе).

Будущие ноги и крылья на этом этапе еще совсем крошечные: в одной конечности едва наберется 15-20 клеток. Но за несколько дней они вырастают в тысячу раз и становятся больше, чем был весь эмбрион в тот момент, когда они начали формироваться. В дальнейшем эти структуры станут отдельными частями тела. Их организация зависит от новой системы координат теперь уже в самом крыле, ноге или каком-либо органе. Эта внутренняя система координат устанавливается, когда часть тела еще только намечается. Клетка получает информацию о том, в какой части сегмента она находится, и по мере роста структуры эта информация уточняется. Например, небольшой кластер из 20 клеток крыла разрастется до 50 000 клеток, ограниченных зонами экспрессии генов развития с запада (перед), востока (зад), севера (спина) и юга (брюхо) (вкладка 4g). Линии широты и долготы внутри этих структур служат как для обозначения физических границ (например, для маркировки края крыла), так и для нанесения разметки, по которой пройдет дальнейшая детализация структуры.

Система координат в растущей конечности достаточно подробная, чтобы установить расположение и функцию рядов, кластеров и даже отдельных клеток. Например, крыло дрозофилы имеет две характерные особенности — сеть жилок, которые придают крылу жесткость при быстрых движениях в полете, а также ряды сенсорных щетинок на переднем крае крыла. Положение жилок и расстояние между ними задаются генами развития задолго до того, как эти жилки начинают формироваться, примерно за неделю до того, как муха впервые полетит. Ряды щетинок на передней части крыла располагаются особым образом относительно обеих осей крыла: они формируются по обе стороны от экватора, но не на восточной половине крыла. Гены, которые помогают построить щетинки, активируются в этих координатах задолго до того, как щетинки становятся заметны (вкладка 4h).

4е Координаты широты в раннем эмбрионе определяются генами развития. экспрессирующимися в южной (вверху) экваториальной (в центре) и в северной (внизу) зонах эмбриона. Фотография предоставлена Майком Левайном, Калифорнийский университет в Беркли.

4f Будущее расположение конечностей намечается за счет белков генов развития, которые синтезируются в областях эмбриона, имеющих определенные широту и долготу. Например, два разных белка намечают расположение будущих передних и задних крыльев (П и З соответственно) и ног (Н). Фотография Скотта Уэзерби.

4g За счет белков различных генов развития определяются верхняя (красная) и нижняя (пурпурная) поверхности, а также передняя (слева) и задняя (справа от вертикальной зеленой линии) зоны будущего крыла. Каждое маленькое пятнышко соответствует ядру клетки крыла. Фотография Джима Уильямса и Стива Пэддока.

4h В определенных координатах крыла включаются гены развития, способствующие формированию определенных структур. Здесь показан белок одного из генов развития (области зеленого и желтого цвета), который способствует формированию щетинок на будущем краю крыла (там, где заканчивается красная область). Фотография Сета Блера Университет Висконсина.

Спецификация повторяющихся модулей

Две пары крыльев дрозофилы очень сильно различаются по форме и функции. Передние крылья широкие, плоские, укреплены жилками и намного сильнее задних. Задние крылья гораздо меньше, имеют закругленную форму, без жилок. Их функция — удерживать муху в равновесии, корректируя высоту и угол движения в полете (дрозофилы без задних крыльев врезаются в землю). Развитие задних и передних крыльев начинается похожим образом. Система координат в двух типах крыльев совершенно одинаковая (если судить по картине экспрессии генов; вкладка 4i). Однако у взрослой особи задние и передние крылья очень сильно различаются по размеру, форме и функциональным характеристикам.

Различие между задними и передними крыльями, формирующимися в двух соседних сегментах (т.е. на разной долготе), связано с активностью Hox-гена, называемого Ultrabithorax (Ubx). Этот Hox-ген активируется во всех клетках задних крыльев, а в передних — нет (вкладка 4j). Действие Гена (Ubx модифицирует программу развития задних крыльев таким образом, что экспрессия набора генов, обеспечивающих разметку крыла, подавляется, а другие гены начинают работать очень специфически. К примеру, в задних крыльях не активируются гены, участвующие в образовании жилок, а "гены щетинок" не активируются вдоль передней кромки крыльев. Различие в развитии передних и задних крыльев в результате действия гена Ubx иллюстрирует, каким образом фундаментальная особенность строения животных, а именно, дифференцировка сериально повторяющихся частей, контролируется Hox-генами в регионах, имеющих специфические координаты относительно передне-задней оси тела. Принцип, на котором основано построение тела дрозофилы, распространяется и на нас с вами.

4i Переднее и заднее крылья различаются по размеру но их разметка происходит с помощью белков одних и тех же генов развития (сравните расположение пурпурных, красных и желтых/зеленых участков в обоих крыльях). Фотография Джима Уильямса и Стива Пэддока.

4j Белок одного из Hox-генов определяет различия между передним (второе слева) и задним (первое справа) крылом. Крупный неокрашенный диск на рисунке слева превратится в переднее крыло; ни в одной из клеток этого диска не синтезируется Ultrabithorax (обозначенный желтым цветом). Напротив, во всех клетках, из которых будет формироваться заднее крыло (ярко-желтый диск на втором справа рисунке), этот белок экспрессируется. Фотография Скотта Уэзерби.

Сборка позвоночных животных

Хотя яйца разных позвоночных по размеру и другим характеристикам очень сильно различаются между собой (сравните мелкие яйцеклетки млекопитающих с огромными, покрытыми скорлупой яйцами крупных птиц и пресмыкающихся), а взрослые животные могут быть столь разными, как гуппи и слоны или динозавры, на определенной стадии развития эмбрионы всех позвоночных весьма похожи друг на друга. На этой стадии в направлении восток — запад образуется основная ось тела (голова — хвост), определяется положение различных тканей (ось север — юг), таких как нервная трубка и хорда (плотная струна из специфических клеток, проходящая вдоль спины всех позвоночных), а вдоль тела появляются регулярно расположенные парные бугорки сомитов. Сначала я вкратце расскажу об этапах этого процесса, чтобы проиллюстрировать формирование основного плана строения позвоночных. Эти этапы включают в себя дифференцировку основных осей тела, подразделение головного мозга и формирование сомитов, из которых позднее возникают позвонки, ребра и другие модули основной оси тела. Затем я подробнее остановлюсь на формировании конечностей и покажу, каким образом происходит детализация отдельных элементов формирующейся структуры. Чтобы нарисовать общую картину, я воспользуюсь данными, полученными при изучении лягушек, рыб, мышей и кур. Принципы развития у разных видов очень похожи, но некоторые события легче понять или увидеть на примере каких-то определенных животных. Нам с вами важно получить общее представление о формировании плана строения позвоночного, и мы не будем обращать внимание на отдельные различия в деталях.

Образование осей и слоев тканей эмбриона

Многое из того, что нам известно об образовании осей тела и формировании трех зародышевых листков у позвоночных, впервые было показано в экспериментах на лягушках. Амфибии, как правило, формируют крупные яйцеклетки и откладывают много икринок. Именно поэтому амфибии гораздо лучше подходят для экспериментального изучения, чем млекопитающие с их мелкими, немногочисленными яйцами, которые развиваются внутри организма матери. Хотя после гаструляции все эмбрионы позвоночных имеют сходную организацию, они доходят до этой стадии разными путями, что связано с разным содержанием желтка в яйцеклетке. Но хотя ранние стадии развития эмбриона лягушки отличаются от таковых у эмбриона мыши, наборы генов развития, вовлеченных в дифференцировку осей тела и зародышевых листков, практически одинаковые.

Оси тела и зародышевые листки эмбриона позвоночных возникают в результате каскада процессов, в ходе которых синтез одной молекулы индуцирует синтез другой и т.д. Сначала дифференцируется ось север — юг, затем — ось восток — запад. К ключевым молекулам на этом этапе относится продукт одного из генов развития — белок Chordin (хордин). Он синтезируется клетками в области дорсальной губы бластопора (вкладка 4k). Как показали Шпеман и его ученица Хильда Мангольд, этот регион (регион-организатор) способен организовывать ось север — юг. В формировании оси голова — хвост задействованы другие белки, такие как белок Frzb, который синтезируется там, где позднее возникнет голова эмбриона (вкладка 4l).

Разметка отделов головного мозга

Одним из первых органов, образующихся в ходе развития эмбриона, является нервная трубка. Позднее эта трубка дает начало головному и спинному мозгу. Головной мозг сначала разделяется на три основных отдела — передний, средний и задний мозг. Дальше эти отделы подразделяются на доли, ответственные за различные функции — от обоняния и зрения до контроля таких непроизвольных процессов, как дыхание и сердцебиение. Еще до того, как подобное подразделение головного мозга станет заметно, и задолго до того, как каждый отдел начнет выполнять свою функцию, гены развития начинают размечать участки нервной трубки, которым предстоит стать отделами мозга. Например, один ген экспрессируется в той части, которая станет передним и средним мозгом, а другой маркирует задний мозг и границу среднего и заднего мозга. К востоку от этой границы возникает мозжечок.

Другие гены развития экспрессируются в виде полос, которые отмечают положение и границы ромбомеров — семи подотделов заднего мозга, имеющихся у всех позвоночных. Некоторые полосы распространяются на пары соседних ромбомеров, другие отмечают пары альтернативных ромбомеров (вкладка 4m). Отдельные модули заднего мозга разграничиваются за счет экспрессии Hox-генов. Вспомните, что большинство позвоночных имеют четыре кластера Hox-генов. Кластеры принято обозначать буквами а — d, а гены внутри кластеров — номерами (1-13). В заднем мозге экспрессия соседних Hox-генов маркирует отдельные ромбомеры и перекрывающиеся группы ромбомеров, как показано на вкладке 4n. В частности, ген Hoxa2 экспрессируется в ромбомерах (г) r2 — r4, ген Hoxb2 — в ромбомерах r3 — r4, ген Hoxb1 — только в r4, ген Hoxb3 — в r5 и r6, а ген Hoxb4 — в r7 и восточнее, в области спинного мозга. Этих пяти генов достаточно, чтобы создать уникальный "Hox-код" для каждого ромбомера от г2 до r7. Другие гены маркируют r1 (будущий мозжечок). Та же самая логика — сначала сформировать набор идентичных модулей, а затем сделать их отличающимися друг от друга, — применяется и в ходе формирования и дифференцировки модульного плана строения позвоночного животного.

4k В клетках организатора эмбриона лягушки синтезируется белок Chordin — продукт одного из генов развития.

4l Белок другого гена развития, Frzb, синтезируется в клетках той части эмбриона лягушки, где позднее образуется голова. Фотографии 4k и 4l сделаны Эдди де Робертисом, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

4m Гены развития размечают границы отделов заднего мозга позвоночных. Здесь показана экспрессия трех генов (полосы синего, черного и оранжевого цвета), маркирующих ромбомеры г2, гЗ и г5.

4n Зоны экспрессии Hox-генов в заднем мозге позвоночных. На каждой картинке ромбомеры гЗ и г5 маркируются экспрессией гена развития Krox 20 (розовый или оранжевый цвет). Пять зон экспрессии других Hox-генов показаны лиловым цветом и располагаются от участка г2 (Hoxa2) до г7 (Hoxb4). Фотографии 4т и 4п предоставлены Сесилией Моунс Медицинский институт Говарда Хьюза, Онкологический центр Фреда Хатчинсона, Сиэтл.

Разметка сегментов эмбриона позвоночных. По одному сомиту за раз

Сомиты — это "кирпичики", из которых строится тело позвоночного животного. Из них возникают модульные части позвоночника, ребра и некоторые группы мышц. Они появляются вдоль основной оси эмбриона в виде расположенных через равные промежутки парных бугорков, причем формируются последовательно, от головы к хвосту (с запада на восток) у всех видов позвоночных животных. У каждого вида сомиты образуются со строго определенной скоростью: через каждые двадцать минут у рыбки данио, примерно через каждые полтора часа у курицы и через каждые два часа у мыши. Всего у человека образуется в среднем 42 сомита, у мыши — 65, а у змей — до нескольких сотен.

Высокая точность "расписания" закладки сомитов и порядок их возникновения от головы к хвосту предопределяются экспрессией специфического набора генов развития. Несколько генов начинают экспрессироваться в еще не сегментированной части эмбриона, и уровень их экспрессии осциллирует в каждом раунде образования сомитов. Спереди от этой зоны появляются полоски экспрессии других генов, которые маркируют границы формирующегося сомита, а дальше, по направлению к голове, стабильные полоски экспрессии маркируют границы ранее сформировавшихся сомитов. Моментальные снимки, отражающие экспрессию генов развития, позволяют пошагово следить за ходом формирования сомитов (вкладка 4o).

Сначала все сомиты выглядят одинаково, но они дают начало разным позвонкам, ребрам и мышцам — в зависимости от их положения вдоль оси голова — хвост. Судьба конкретного сомита предопределяется характером экспрессии Hox-генов вдоль основной оси тела (ось восток — запад). Определенные Hox-гены включаются на западных (передних) границах определенных сомитов, и зона их экспрессии обычно распространяется в восточном (заднем) направлении (вкладка 4p).

Ступенчатость границ экспрессии Hox-генов приводит к тому, что в разных сомитах экспрессируется своя уникальная комбинация Hox-генов. Более того, четкие передние границы экспрессии отдельных Hox-генов часто маркируют границы между разными типами структур скелета позвоночного. Например, граница экспрессии гена Hoxc6 у всех позвоночных соответствует границе между шейными и грудными позвонками.

Собираем конечности: эта кость соединяется с...

Когда план строения уже заложен, а повторяющиеся модули тела позвоночного — сомиты — еще только формируются, начинается маркировка тех участков тела эмбриона, где будут располагаться различные органы и конечности. Активируются гены развития, необходимые для создания трехмерных структур, и начинается конструирование частей тела.

Как и мы с вами, мыши и другие позвоночные обладают множеством органов. Но я сконцентрируюсь исключительно на развитии конечностей. Четвероногость позвоночных — древний признак, и в развитии конечностей у всех позвоночных есть много общего. Подробнее всего процесс развития конечностей исследован у мышей и кур, и поэтому, описывая создание этих удивительных анатомических структур, я буду опираться на данные, полученные именно для этих двух видов животных.

Формирование конечности начинается с малюсеньких бугорков (почек конечностей) по бокам эмбриона, положение которых задается двумя специфическими координатами по оси восток — запад. У разных позвоночных передние конечности формируются на уровне пар сомитов с разными номерами, но всегда на границе шейного и грудного отдела. Самый западный бугорок становится передней конечностью (ногой у мыши, крылом у курицы), а самый восточный — задней конечностью (ногой в обоих случаях). На очень ранней стадии развития эмбриона мы можем наблюдать экспрессию одного из генов развития, который маркирует те места, где образуются крошечные утолщения ткани — подушечки, из которых будет формироваться конечность (вкладка 4q). Почки конечностей, хотя поначалу и очень маленькие, сразу имеют трехмерную структуру и три оси, вдоль которых верхние (тыльная сторона), нижние (ладонь), передние (большой палец), задние (мизинец), проксимальные (например, плечо) и дистальные (пальцы) элементы начинают расти по мере активного увеличения размеров почки. Дифференцировкой этих осей в зачатке конечности занимаются специфические гены развития. Например, сигнальная молекула Sonic Hedgehog производится в самой задней части почки конечности (вкладка 4q), сигнальный белок FGF8 — вокруг апикального гребня почки конечности (вкладка 4r), а ген Lmx активируется только в клетках верхней половины конечности (вкладка 4s).

В развитии длинных костей, пальцев, суставов, мышц и сухожилий конечностей участвуют другие гены. Развитие этих элементов протекает в проксимально-дистальном направлении, так что сначала определяется положение плеча и бедра, затем предплечья и голени и, наконец, кисти руки и стопы. Кость образуется в результате конденсации клеток, которые сначала образуют хрящевую ткань, постепенно сменяющуюся костной тканью. Сначала конечность представляет собой хрящевую структуру. Экспрессия гена Sox9 предопределяет пространственную структуру процесса конденсации клеток (вкладка 4t) еще даже до того, как будущая конечность становится видимой на клеточном уровне. Между зонами конденсации появляются суставы, но еще до того, как эти зоны становятся видны на клеточном уровне, полосы экспрессии гена GDF5 помечают расположение будущего плеча, локтя, запястья и суставов кисти и пальцев в передних конечностях, а также колена, лодыжки и суставов стопы в задних конечностях (вкладка 4u). Будущее расположение сухожилий, связывающих мышцы с костями конечностей, определяется экспрессией гена scleraxis, также входящего в число генов развития (вкладка 4v).

Своей красотой конечность, кроме всего прочего, обязана смерти. Разделение пальцев у эмбриона мыши, курицы и человека является следствием отмирания ткани, расположенной между пальцами. В межпальцевых зонах кистей и стоп экспрессируются особые гены, которые приказывают клеткам, находящимся в этих промежутках, исполнить программу клеточной смерти (вкладка 4w). Ткань между пальцами исчезает, как будто ее вырезали ножом. Интересно, что у уток в зонах между пальцами экспрессируется дополнительный ген, блокирующий сигнал клеточной смерти, и в результате на лапах утки остаются межпальцевые перепонки.

Хотя все конечности состоят из одних и тех же элементов — костей, сухожилий, мышц, суставов и т.д., размер, форма и число этих элементов в разных частях конечностей различаются. Например, плечо состоит из одной длинной кости, предплечье — из двух длинных костей, а кисть имеет до пяти пальцев. За размер, форму и число элементов конечности отвечает группа Hox -генов (в первую очередь Hoxa9-13 и Hoxd9-13), зоны экспрессии которых в процессе развития как задних, так и передних конечностей формируют очень сложную картину и частично перекрывают друг друга. Кроме того, у большинства видов животных передние и задние конечности также устроены по-разному. Наши руки и ноги, кисти и стопы, пальцы рук и ног — это разные вариации одной и той же структуры. У других животных, таких как птицы, кенгуру или динозавр Tyrannosaurus rex, различие между передними и задними конечностями еще заметнее. Это связано с тем, что в передней или задней конечности происходит избирательная экспрессия определенной группы генов развития, что и определяет формирование различий между этими сериально гомологичными структурами.

4о Процесс формирования сомитов маркирован экспрессией генов развития в каждом развивающемся сомите, включая те, которые еще только предстоит сформировать. Фотография предоставлена Оливье Пуркье Институт Стауэрсов, Канзас-Сити, Миссури.

4p Зоны экспрессии определенных Hox-генов располагаются вдоль туловища в определенных сомитах. Фотография предоставлена Оливье Пуркье, из статьи Cell 106 (2001): 219-32 с разрешения издательства.

4q Экспрессия гена развития помечает расположение развивающихся почек крыльев и ног. Фотография предоставлена Джоном Фоллоном, Университет Висконсина.

4r Два важнейших участка почки конечности цыпленка маркируются экспрессией генов развития. Ген Sonic hedgehog экспрессируется в зоне поляризующей активности, а ген FGF8- в апикальном эктодермальном гребне почки конечности.

4s Ген развития Lmx помечает верхнюю половину конечности. Показаны почки двух конечностей: обратите внимание на лиловую окраску верхней части каждой из них. Фотографии 4r и 4s предоставлены Клиффом Табином, Медицинский факультет Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.

4t Последовательные стадии развития конечности и формирование хрящевой ткани визуализируются благодаря экспрессии генов развития. На первой картинке показаны области экспрессии гена Sox9 в почке конечности, маркирующие будущие отделы верхней конечности. На остальных картинках отражено последовательное формирование предплечья, кисти и пальцев. Фотографии предоставлены Хуаном Урле, Университет Кантабрии, Сантандер, Испания; из статьи Developmental Biology 257 (2003): 292-301 с разрешения издательства.

Завершающий этап: проработка деталей

Одно из самых поразительных свойств строения тела животного — это его упорядоченность на всех уровнях, от общего плана до мельчайших деталей отдельных частей. Прекрасные примеры — расположение чешуек на крыльях бабочек и перьев на теле птиц. Хотя местонахождение клеток задается достаточно точно, задание координат — не единственный способ, каким достигается упорядоченность. Расстояние между отдельными элементами какой-либо системы часто определяется механизмом так называемого латерального ингибирования. Принцип этот прост, но его эффект удивителен.

Представьте себе толпу людей. Каждого человека попросили отодвинуться от соседей, окружающих его со всех сторон, на расстояние вытянутой руки. В результате каждый создает вокруг себя зону отчуждения с радиусом в протянутую руку, куда не проникает никто другой. Таким образом, возникает группа людей, отстоящих друг от друга на равные интервалы (если мы условимся, что все руки одинаковой длины, как на рис. 4.5).

Рис. 4.5. Создание упорядоченного рисунка. В исходно равномерном поле клеток (первый квадрат) начинается дифференцировка двух клеток (черные круги на втором квадрате), что препятствует дифференцировке других клеток, находящихся с ними в непосредственном контакте. В других местах клетки также начинают дифференцировать, ингибируя дифференцировку ближайших соседей (третий квадрат), что в конечном итоге приводит к регулярному распределению дифференцировавшихся клеток (последний квадрат). Теперь эти клетки могут образовывать щетинки, перья или другие структуры. Рисунок Джоша Клейса.

То же самое делают клетки, устанавливая порядок на микроскопическом уровне. Механизм этого процесса заключается в том, что клетки, которые должны сформировать определенные структуры, образуют вокруг себя зоны ингибирования. Только клетки, находящиеся вне действия такой зоны, способны формировать такую же структуру. В результате получается регулярный рисунок — волоски на теле животных, пух, перья и чешуйки у птиц, пресмыкающихся и млекопитающих, а также изумительные сложные глаза членистоногих. Любой из этих рисунков создается на локальном уровне в результате клеточных взаимодействий, а не специфицируется глобальными координатами. У эмбриона созданию такого рисунка предшествует формирование пространственно-упорядоченного узора экспрессии генов, задействованных в дальнейшем развитии структуры. Например, ген Sonic hedgehog экспрессируется на очень поздней стадии развития куриного эмбриона в каждом зачатке будущего пера еще до появления перьев (вкладка 4x).

4u Ген развития GDF5 помечает будущие суставы пальцев. Фотография предоставлена Хуаном Урле, Университет Кантабрии, Сантандер, Испания; из статьи Developmental Biology 257 (2003): 292-301 с разрешения издательства.

4v Ген развития scleraxis маркирует расположение будущих сухожилий конечности и ее пальцев.

4w Ген развития BMP 4 маркирует те ткани между пальцами, которые должны исчезнуть.

4x Ген развития patched намечает расположение развивающихся зачатков перьев на спине цыпленка. Фотографии 4v-4x предоставлены Клиффом Табином, медицинский факультет Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.

Сложное из простого: наблюдаем невидимое

Франсуа Жакоб заметил, что любое объяснение, будь оно мифологическим, магическим или научным, основано на одном и том же принципе. Говоря словами Жана Перрена, люди всегда пытаются "объяснить сложное видимое через что-то простое невидимое". Я бы возразил, что революция в нашем представлении о развитии животных стала возможна по той причине, что мы смогли сделать еще один шаг — мы сделали "простое невидимое" видимым. Возможность видеть полосы, пятна, линии и другие рисунки, которые соответствуют зонам экспрессии генов развития и в точности предсказывают будущее положение и форму сегментов, органов и других частей эмбриона, подарила нам много открытий, сделавших роль генов в процессах развития кристально ясной. Полосы, ограничивающие будущие сегменты, пятна, соответствующие зонам организующей активности, а также другие рисунки, отмечающие положение костей, суставов, мышц, органов, конечностей и др., — все это связывает невидимые гены с созданием видимой формы.

Более того, ставший видимым порядок действия генов развития животных оказался абсолютно логичным. Как при строительстве зданий, где есть определенная последовательность работ (закладка фундамента, возведение несущих стен и балок, укладка полов, размещение основных труб, проводов и перегородок), так и при сборке животного сначала выстраивается общий план и лишь в конце прорабатываются детали. Логика этого процесса объясняет, как мутации генов развития могут привести к появлению ужасных монстров. Если какая-то стадия работы пропущена, все зависящие от нее стадии протекают не так, как положено.

Я уже говорил, что функции отдельных генов развития легко понять, если проследить за их работой, и привел множество простых примеров. Однако создание целого животного — это действительно сложный процесс. Эта сложность является результатом одновременного и последовательного действия многих генов развития — десятков генов, работающих в одном и том же месте в одно и то же время, значительно большего числа генов, действующих в одно и то же время в разных местах, и сотен генов, действующих последовательно по ходу развития эмбриона. Именно цепи параллельных и последовательных операций позволяют создать сложный организм.

Теперь, когда вы пристально рассмотрели работу генов развития, имеет смысл задуматься о цепочках, которые образуют работающие гены. Как отдельные звенья цепи связаны между собой? Откуда гены узнают о том, в каком порядке, где и когда им следует включаться?

В создании животного принимает участие еще одна группа генетических невидимок — маленьких ДНК-устройств, определяющих время и место активации генов. В следующей главе я расскажу об этих удивительных маленьких устройствах в геноме, которые определяют изумительный рисунок экспрессии генов, связывают между собой цепи генов развития и обеспечивают сложность и разнообразие строения животных.

Темная материя Вселенной и генома. Вверху: фотография галактического кластера CL0024+1654; темная материя выглядит как мутное пятно в центре снимка. Внизу: микрочип, содержащий геномную ДНК дрозофилы; светлые пятна соответствуют ДНК, кодирующей различные гены, темные пятна соответствуют некодирующей ДНК. Верхняя фотография предоставлена Европейским космическим агентством, NASA и Жан-Полем Крейбом (обсерватории Миди-Пиренеи (Франция)/Калтех (США)). Нижняя фотография предоставлена Томом Джинджерсом и компанией Affymetrix.

Глава 5. Темная материя генома: инструкции к набору генов развития

Со звездного неба до нас доходит лишь слабый свет. Но чего бы достигла человеческая мысль, если бы мы не могли видеть звезды?

Жан Перрен

Представьте себе на минуточку процесс развития с позиции эмбриона: какая именно работа стоит за всеми клеточными делениями и перемещениями, за созданием зародышевых листков, сегментов и частей тела. Мы только что увидели логические стадии процесса развития, но где инструкции для выполнения каждой стадии? Почему широкие полоски образуются раньше узких, а положение одних костей определяется раньше положения других? И почему одни кости длинные и тонкие, а другие короткие и толстые? Откуда гены развития знают, где и когда им следует включаться, чтобы сформировать эмбрион? Где хранятся инструкции по работе генов развития?

Чтобы ответить на эти вопросы, я вынужден сделать два опасных шага. Во-первых, в поисках аналогии я обращусь к космологии. Риск заключается в том, что я очень мало знаю об исследованиях Вселенной, но все же мне ясно, что в устройстве Вселенной и устройстве генома есть нечто общее. Во-вторых, затем мне придется соединить эту аналогию еще с одной. Оправданием для такой авторской вольности является то, что в этой главе содержится наиболее сложная, но при этом и наиболее важная в концептуальном смысле информация. Так что потерпите, пожалуйста.

На протяжении большей части своей истории астрономия имела дело только с тем, что можно было разглядеть в небе — сначала невооруженным глазом, потом — с помощью все более сложных телескопов. Как правило, мы все лучше и лучше понимаем то, что видим (образование звезд, структуру галактик и коллапсирование солнц), но совсем недавно астрономы осознали, что лишь малая доля материи Вселенной видима (то есть излучает свет или другие волны). Поведение некоторых видимых объектов, таких как галактики, определяется влиянием более обширной, невидимой "темной материи" и "темной энергии".

Аналогия с генетикой состоит в том, что на протяжении десятилетий, благодаря простоте генетического кода, мы могли видеть в геноме только "звезды" и знали, в каком месте генома закодирован тот или иной ген. Но теперь и мы осознали, что в геномах большинства животных на долю генов, которые мы видим, приходится лишь малая часть ДНК. Преобладающая часть ДНК представляет собой последовательности, в которых не закодировано никаких генов и функцию которых нельзя определить просто путем прочтения их нуклеотидной последовательности. Это "темная материя" генома. Точно так же, как темная материя во Вселенной управляет поведением видимых тел, так и темная материя генома контролирует время и место использования конкретных генов.

Эта глава целиком посвящена темной материи в ДНК, а также тому, как она дает инструкции для работы генов развития, обеспечивающие разметку и формирование частей тела. Эти инструкции встроены в темную материю ДНК в виде генных переключателей (моя вторая аналогия). Возможно, раньше вы никогда о них не слышали. Ни в научной среде, ни в прессе они не вызвали того интереса, которого заслуживают. Но дело, скорее всего, не в их значении, а в том, как трудно их обнаружить и понять, как они работают. Лишь сравнительно недавно молекулярные биологи смогли заглянуть в темноту и исследовать расположение и функции переключателей. Самое удивительное и важное свойство генных переключателей — это способность контролировать наиболее тонкие моменты в работе отдельных генов развития. Анатомия тел животных в буквальном смысле закодирована и выстраивается — кусочек за кусочком, полоска за полоской, косточка за косточкой — созвездиями переключателей, распределенными по всему геному.

Переключатели — главные действующие лица в обоих обсуждаемых нами процессах, в развитии и в эволюции. Именно переключатели создают удивительные картины экспрессии генов, о которых мы говорили в предыдущей главе. Переключатели содержат уникальные для каждого вида животного инструкции, позволяющие создавать разных животных с помощью одного и того же набора генов развития. Недаром эти "горячие точки" эволюции так восхищали Киплинга — ведь именно переключатели создали пятна, полосы, горбы и прочее. Отчасти программисты, отчасти художники, эти фантастические устройства переводят географию эмбриона на язык генетических инструкций для создания трехмерной формы.

Вглядываемся в темноту

В космологии, биологии, а также в других науках существование отдельных элементов определяют либо напрямую — путем наблюдения, либо косвенно — путем изучения влияния этих элементов на другие, которые легче увидеть или измерить. Все доказательства существования темной материи во Вселенной являются косвенными и основаны на измерении скоростей движения и вращения галактик. Из этих данных ученые заключили, что внутри галактик должна существовать некая значительная масса, которую нельзя увидеть. Астрономы и физики до сих пор не знают точно, из чего состоит эта темная материя.

Исследования темной материи генома продвинулись гораздо дальше, поскольку мы знаем, из чего она состоит (из ДНК), и можем выделить ее и изучить ее свойства прямыми и косвенными методами. Один из наиболее мощных методов изучения некодирующей "темной" ДНК заключается в том, чтобы присоединить ее фрагмент к какому-либо гену, за которым легко наблюдать (например, к гену фермента, участвующего в цветной реакции, или гену флуоресцентного белка, видимого в луче света). Если включить эту конструкцию обратно в геном, а затем проанализировать цветную картинку, полученную с помощью микроскопа, можно понять, какого рода инструкции содержатся в этом фрагменте темной материи (новое пятно здесь, новая полоса там и т.д.). Однако основная часть темной материи ДНК не содержит никаких инструкций, а представляет собой просто "мусорную" ДНК, накопившуюся в процессе эволюции. У человека лишь 2-3% темной материи содержат генетические переключатели, контролирующие работу генов. Вся эта глава будет посвящена тому, каким образом генные переключатели контролируют развитие животных, а в оставшейся части книги мы в основном поговорим о том, как изменения переключателей влияют на ход эволюции.

Принцип устройства генных переключателей я объяснил в третьей главе на примере генетической системы, позволяющей клеткам Е. coli утилизировать лактозу. Вспомните, что у этой бактерии синтез ферментов, необходимых для расщепления лактозы, контролируется генным переключателем. Переключатель состоит из последовательности ДНК, расположенной непосредственно перед последовательностями генов, кодирующих эти ферменты. Когда лактозы нет, белок lac-репрессор связывается со специфической последовательностью переключателя и предотвращает транскрипцию. Когда появляется лактоза, репрессор отсоединяется от переключателя, позволяя включиться гену, продукт которого отвечает за расщепление лактозы.

У животных генные переключатели устроены несколько сложнее: они представляют собой более протяженные последовательности ДНК, способные к связыванию с большим количеством разнообразных белков. Некоторые из этих белков активируют транскрипцию, другие ее подавляют. Переключатели "обрабатывают" сигналы от множества белков и трансформируют их в более простую команду, которую мы наблюдаем в виде трехмерной картины экспрессии генов, такой как полосы и пятна, описанные в предыдущей главе. Важно, что один и тот же ген может регулироваться несколькими переключателями, что позволяет использовать этот ген в разное время и в разных местах, например, при формировании сердца, глаз и пальцев (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Генные переключатели контролируют использование генов в тканях организма. Экспрессия данного гена в сердце, глазах и пальцах рук контролируется независимыми переключателями. Для генов развития характерно наличие множества переключателей, активирующихся при формировании разных частей тела. Рисунок Лианн Олдс.

Существование переключателей расширяет наши представления о том, как работают гены. Говоря о генах, биологи обычно подразумевают исключительно последовательность ДНК, кодирующую белок, который, в свою очередь, совершает работу в клетках. Переключатели ничего не кодируют, они только регулируют процессы на уровне ДНК. Но гену для выполнения своих обычных функций необходима информация, поступающая от всех его переключателей. Таким образом, ген, имеющий три переключателя, состоит из четырех отдельных частей — одна кодирующая и три регуляторные (рис. 5.1). Мутации отдельных переключателей могут приводить к серьезным последствиям на уровне анатомии организма. Я буду по-прежнему использовать слово "ген" в его обычном смысле, подразумевая кодирующую последовательность, и всегда буду уточнять, если речь пойдет о переключателях.

Переключатели в роли GPS-интеграторов

Мы с вами увидели, что гены развития активируются в строго определенных точках в трехмерной координатной системе эмбриона. Но как пространственные координаты эмбриона передаются генам в виде инструкций, заставляющих их включиться или выключиться в определенный момент? Генные переключатели действуют подобно устройствам глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Подобно тому, как GPS-локатор на корабле, в машине или в самолете определяет местонахождение объекта путем интеграции множества сигналов, генный переключатель интегрирует позиционную информацию о координатах широты, долготы, высоты и глубины эмбриона, а затем указывает место, где ген должен включиться или выключиться. Я продемонстрирую принцип работы переключателей на нескольких примерах. Эти примеры следует воспринимать лишь в качестве фрагментов общей картины развития животных. В общем сценарии участвуют десятки тысяч переключателей, действующих одновременно и по очереди. Но мы не будем пытаться описать всю картину целиком; для нас главное понять логику и специфику механизма действия переключателей.

Основная функция переключателя состоит в превращении существующей картины активности генов в другую, новую картину активности генов. Одна из лучших иллюстраций того, как работают генетические переключатели, — процесс спецификации меридиональных полос экспрессии генов вдоль оси восток — запад у эмбриона дрозофилы. На ранних этапах развития эмбриона широкие полосы, состоящие из 15-25 клеток, экспрессируют белки — продукты определенных генов развития — в определенных областях вдоль оси тела. Белковый продукт каждого гена связывается со специфической последовательностью ДНК, обычно длиной в 6-9 пар оснований. Узнавание белком специфической последовательности ДНК происходит примерно так же, как ключ "узнает" свой замок. В данном случае роль замка играет специфическая последовательность ДНК. Такие последовательности называют "сигнатурными" (от англ. signature — подпись), поскольку белковому продукту каждого гена развития соответствует своя характерная последовательность. Переключатели, контролирующие определенные гены, содержат копии определенных сигнатурных последовательностей. Благодаря этому переключатели связываются с соответствующими белками, но только в ядрах тех клеток, которые находятся в координатах эмбриона, где производятся такие белки. В примере на рис. 5.2 белок А экспрессируется в диапазоне от 20 до 60° восточной долготы (в.д.), белок В — от 40 до 60° в.д., а белок С — от 30° в.д. до 30° западной долготы (з.д.). Белок А является активатором гена X, а белки В и С — его репрессоры. В соответствии с общим правилом, репрессор подавляет действие активаторов, и ген выключается. Переключатель гена Х содержит участки связывания белков А, В и С. В разных точках вдоль оси эмбриона эти участки связывания заняты разными комбинациями белков.

Рис. 5.2. Переключатели интегрируют множество сигналов, трансформируя их в полосу экспрессии гена. Активатор (А) и репрессоры (В и С) экспрессируются в разных координатах; суммарным итогом действия переключателя является узкая полоса экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

В клетках, расположенных в диапазоне от 90 до 60° з.д., ни один из этих белков не связан с переключателем, так что ген выключен. В клетках, расположенных между 60 и 400 з.д., с переключателями связаны белки А и В, так что ген выключен. В клетках между 40 и 30° з.д. с переключателем связан только белок А, и поэтому ген включен. Наконец, в клетках между о и 30° в.д. с переключателем связан только белок С, и ген выключен. После обработки этих трех "меридиональных" сигналов переключатель разрешает гену включиться только в узкой полосе клеток шириной 10°, так что три широкие полосы возможной экспрессии гена в реальности сводятся к одной узкой полоске. Положение этой полоски определяется не только разрешающим сигналом "включить с 30 до 40° з.д.", но и ограничивающими сигналами "выключить" с двух сторон.

Вы можете спросить, откуда берутся указания для экспрессии самих генов A, B и C Хороший вопрос. Экспрессия этих генов, в свою очередь, также контролируется переключателями в генах А, 8 и С соответственно, которые интегрируют сигналы белковых продуктов других генов, появляющихся на более ранних стадиях развития эмбриона. А откуда берутся эти сигналы? Из еще более ранних сигналов. Я понимаю, что это напоминает старую загадку про курицу и яйцо. Но в конечном итоге вся пространственная информация в эмбрионе берет свое начало от молекул, асимметрично распределенных в яйцеклетке, которые закладываются в нее во время ее формирования в яичнике. С этого асимметричного распределения молекул и начинают формироваться две основные оси эмбриона (так что яйцо все же появляется раньше курицы). Я не собираюсь сейчас описывать эти этапы развития. Сейчас нам с вами важно понять, что действие каждого переключателя основано на предыдущих событиях и что, включая зависимый от него ген, переключатель инициирует следующие этапы развития.

В принципе переключатели могут обрабатывать любую комбинацию сигналов широты, долготы, высоты и глубины. На рис. 5.3 представлен пример переключателя, интегрирующего сигналы, поступающие от разных осей. Таким образом происходит позиционирование конечностей в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Переключатель гена Distal-less, принимающего участие в формировании конечностей, интегрирует сигналы по широте и долготе и запускает экспрессию гена Dll в нескольких точках, расположенных вдоль основной оси эмбриона. К переключателю поступают сигналы в виде белковых продуктов нескольких уже экспрессирующихся генов развития. Один белок-активатор формирует полосы через каждые 150 вдоль оси восток — запад, но только в южном "полушарии" (0-900 ю.ш.). Два разных репрессора экспрессируются в диапазоне от 30 до 900 ю.ш. и во всем восточном "полушарии" соответственно. Интеграция и обработка этих трех сигналов приводит к тому, что ген Dll экспрессируется в небольших кластерах клеток, располагающихся на 90, 75, 60, 45, 30 и 15° з.д. и 0-30° ю.ш.

Рис. 5.3. Интеграция сигналов с разной широты и долготы определяет координаты кластеров клеток, с которых начинается формирование конечностей. Рисунок Джоша Клейса.

Физическая целостность переключателей играет очень важную роль в развитии. Если переключатель испорчен в результате мутации, нарушается нормальная обработка сигналов. Многие из тех мутантов, о которых мы говорили выше — дрозофилы с ногами, растущими из головы, и люди с шестью пальцами на руках или ногах, — появились на свет из-за того, что испорченные переключатели запустили работу генов развития в точках с неправильными координатами.

Мощь комбинаторной логики

Конструкция генетических переключателей может быть различной. В среднем переключатели состоят из нескольких сотен пар оснований. На этом участке располагаются от пяти до двадцати сигнатурных последовательностей для связывания различных белков. Ответ переключателя на сигнал, поступающий из точки с определенной широтой, долготой, глубиной или высотой, зависит от наличия, числа и локального расположения сигнатурных последовательностей, способных связываться с белковыми продуктами генов развития. Эти белки могут быть дислоцированы вдоль любой оси и в любой ткани эмбриона. Специфический характер экспрессии, определяемый каждым конкретным переключателем, зависит от специфического набора сигнатурных последовательностей в его ДНК.

Чтобы понять, какая информация заключена в переключателях, и оценить невероятное разнообразие переключателей, следует больше узнать о природе белковых продуктов генов развития и о сигнатурных последовательностях. После этого я покажу, какие широкие возможности открываются в результате использования одних и тех же инструментов в различных комбинациях. Точные математические расчеты для нас не столь важны, как понимание мощи и эффективности комбинаторной логики.

Сигнатурные последовательности, распознаваемые белковыми продуктами генов развития, состоят всего лишь из 6-9 пар оснований; иногда их чуть больше. В одном переключателе среднего размера может уместиться множество сигнатурных последовательностей. Вариаций сигнатурных последовательностей также существует множество. Последовательность из шести оснований четырех типов (А, С, G и Т) допускает 4096 перестановок (46), последовательность из семи оснований — 16 384 перестановки (47), а последовательность из восьми оснований — 65 536 перестановок (48). Белковый продукт каждого конкретного гена развития обычно узнает семейство сходных последовательностей. В сигнатурной последовательности в определенных пределах допустимы замены одного основания другим, но даже с учетом этого белковые продукты генов развития весьма избирательно связываются с последовательностями ДНК. Белковые продукты разных генов развития обычно распознают разные сигнатурные последовательности. Ниже представлен список нескольких белков генов развития и тех сигнатурных последовательностей, которые они узнают.

Pax-6 (eyeless) KKYMCGCWTSANTKMNY

Tinman TCAAGTG

Ultrabithorax TTAATKRCC

Dorsal GGGWWWWCCM

Snail CAGCAAGGTG

Где

R = A или G

У = С или Т

K = G или Т

M = А или С

S = С или G

N = A, С, G или Т

Набор генов развития животных кодирует несколько сотен ДНК-связывающих белков, причем эти белки имеют разные предпочтения при связывании с сигнатурными последовательностями. Количество возможных комбинаций сигнатурных последовательностей в переключателях просто астрономическое. Допустим, у животного имеется 500 ДНК-связывающих белковых продуктов генов развития. Тогда количество парных комбинаций сигнатурных последовательностей и соответствующих белков составляет 500 x 500 = 250 000. Количество тройных комбинаций составляет 500 х 500 х 500 = 12 500 000, а четверных комбинаций превышает шесть миллиардов. Этот расчет показывает мощь комбинаторной логики сочетания генов развития и генных переключателей. Огромное разнообразие переключателей является результатом использования одних и тех же сигнатурных последовательностей и генов развития в разных комбинациях. Альтернативный путь мог бы заключаться в использовании большего количества белков, однако использование разных комбинаций из 500 белков гораздо эффективнее, чем кодирование 250 000 различных белков (это примерно в десять раз больше числа белков, закодированных в нашем геноме).

Позвольте мне сделать небольшое отступление, касающееся роли комбинаторной логики в биологии, хотя этот пример относится совершенно к другой области. Нашей иммунной системе приходится бороться с огромным количеством самых разных потенциальных патогенов, живущих в нас и вокруг нас. Иммунная система вырабатывает специфические белки — антитела, которые связываются с белками, сахарами или жирами этих чужеродных организмов. Человек способен синтезировать миллионы различных антител. И эта невероятная способность достигается путем комбинирования в разном порядке отдельных фрагментов скромного числа (нескольких сотен) генов антител и различных типов цепей антител, а вовсе не путем кодирования миллионов различных антител.

Многообразие переключателей и универсальность комбинаторной логики очень ярко проявляются в экспериментах с последовательностями переключателей. Встраивание или удаление сигнатурных последовательностей из ДНК переключателей позволяет увидеть гибкость и мощь этого механизма. Лидерами в данном направлении исследований были Майк Левайн и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли. Они изучали логику создания рисунка, состоящего из полосок, вдоль обеих осей эмбриона дрозофилы и обнаружили простой, но элегантный механизм, лежащий в основе процесса генетической разметки эмбриона.

Основная логика разметки раннего эмбриона дрозофилы в поперечном направлении отражена на рис. 5.2. Разметка в продольном направлении основана на той же логике. Точное положение полосы определяется силой сигналов, подаваемых на переключатель. Один из способов повышения силы сигнала заключается в увеличении числа копий сигнатурных последовательностей в переключателе. Например, горизонтальная полоса экспрессии гена, проходящая через самую южную часть эмбриона дрозофилы, активируется белковым продуктом гена развития, концентрация которого изменяется в направлении с юга на север. Обычно переключатель содержит две копии сигнатурной последовательности для этого белка. Если в этот переключатель добавить две копии сигнатурной последовательности, ширина полосы увеличится более чем вдвое и полоса покроет уже значительную часть южной полусферы эмбриона (рис. 5.4a).

Рис. 5.4. а. Введение в переключатель участка связывания активатора расширяет зону экспрессии. б. Удаление участка связывания репрессора расширяет полосу экспрессии, в. Введение участка связывания репрессора удаляет часть полосы экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

Напротив, добиться ослабления сигнала можно путем уменьшения числа сигнатурных последовательностей в переключателе или путем их полного уничтожения. В таком случае, если эти сигнатурные последовательности связывают белки-активаторы, то переключатель оказывается полностью испорченным. Если в приведенном выше примере изменить обе сигнатурные последовательности (рис. 5.4а), данный переключатель будет инактивирован. Однако если удалять сигнатурные последовательности, с которыми связываются белки-репрессоры, область запускаемой переключателем экспрессии расширяется. На рис. 5.4б изображен другой переключатель, обеспечивающий другую полосу экспрессии. Эта полоса в ширину составляет около 20°, простираясь от 40 до 60° ю.ш., и выходит за пределы южного "полушария" эмбриона. Переключатель, контролирующий эту полосу, содержит четыре копии сигнатурной последовательности, которую распознает белок-репрессор, экспрессирующийся в самой южной части эмбриона. Если эти последовательности ДНК изменяются, репрессор больше не может связываться с переключателем и полоса занимает всю нижнюю часть эмбриона.

Эти простые эксперименты показывают, каким образом точное географическое положение полосы изменяется в результате изменения соответствующей сигнатурной последовательности. Чтобы заставить переключатель создавать специфический рисунок относительно обеих осей, нужно просто включить в него сигнатурные последовательности для белковых продуктов генов развития, действующих вдоль этих осей. Если ввести сигнатурную последовательность для связывания репрессора, который экспрессируется в южной части эмбриона, voila, экспрессия белковой полосы на юге исчезает (рис. 5.4в).

Таким образом, введение, удаление или изменение лишь нескольких оснований в последовательности переключателя может изменить характер экспрессии того или иного гена. Эти изящные эксперименты дают нам некоторое представление о том, каким образом приобретение или потеря сигнатурных последовательностей могли влиять на ход эволюции видов. Позже я расскажу об этом подробнее, но, надеюсь, вы уже начинаете понимать, какими возможностями обладают генетические переключатели.

Полоска за полоской, косточка за косточкой: целое — это сумма многих частей

Переключатели генов, экспрессирующихся в виде полосок в раннем эмбрионе, были изучены одними из первых. Одно из самых удивительных открытий, сделанных при изучении этих переключателей, заключалось в том, что отдельные полосы в многополосном рисунке задаются отдельными переключателями. Например, даже если семь полос экспрессии каких-то генов кажутся очень похожими и разделены одинаковыми промежутками, все полосы задаются разными переключателями, которые интегрируют разные комбинации продольных сигналов. Сначала может показаться, что это слишком сложный аппарат для создания довольно простого рисунка экспрессии. Однако пошаговое выстраивание узора — полоска за полоской, — обнаруженное у эмбриона плодовой мушки, оказалось ключом к общему правилу: картина экспрессии любого гена развития на самом деле является суммой многих составляющих, и каждая составляющая контролируется отдельным переключателем.

Открытие того, как действуют переключатели при создании полосок, помогло найти ответ на давнишний вопрос о том, как происходит формирование пространственной структуры биологических объектов. Несколько десятилетий математики и компьютерщики были заинтригованы процессом формирования повторяющихся сегментов, полосками зебры и узорами на раковинах морских моллюсков. Под влиянием статьи гениального Алана Тьюринга (основателя информатики, во время Второй мировой войны помогавшего расшифровать код немецкой шифровальной машины "Энигма") "Химические основы морфогенеза" (The Chemical Basis of Morphogenesis), вышедшей в 1952 г., многие теоретики пытались объяснить периодичный характер структур сложного организма. Однако их красивые модели и расчеты не подтвердились открытиями, сделанными за последние двадцать лет. Математики не могли вообразить, что в создании периодических структур основную роль играют модульные генные переключатели и что видимые глазом периодические структуры являются суммарным результатом работы множества отдельных элементов.

Мало того, что гены могут иметь несколько переключателей для разных вариантов экспрессии в конкретный момент, но, кроме того, они часто имеют разные переключатели, контролирующие совершенно разный характер их экспрессии в разных тканях и на разных этапах развития. Гены развития очень редко ограничиваются выполнением какой-то одной функции. Напротив, они вновь и вновь используются в разных местах и на разных этапах формирования эмбриона. Переключатели обеспечивают многосторонность функции индивидуальных генов. Практически каждый ген развития контролируется множеством переключателей. Часто ген имеет десять переключателей и более, а верхний предел, если таковой имеется, нам пока неизвестен.

Построение тела и частей тела осуществляется с помощью набора процессов, контролируемых отдельными переключателями. Сложный и большой скелет позвоночного на самом деле кодируется и выстраивается по отдельным косточкам в результате работы целых серий переключателей, организованных вокруг основных генов развития. Одно семейство белковых продуктов генов развития, исполняющих важную роль в развитии скелета, получило название BMP (Bone Morphogenetic Proteins — морфогенетические белки костей (англ.)), поскольку эти белки способствуют образованию хрящевой и костной ткани. Регуляция активности одного гена из этого семейства, гена ВМР5, наглядно иллюстрирует, каким образом индивидуальные структурные элементы создаются с помощью специфических переключателей.

Ген ВМР5 буквально окружен переключателями. Существуют специфические переключатели для экспрессии этого гена в ребрах, конечностях, пальцах рук, внутреннем ухе, наружном ухе, позвонках, щитовидном хряще, пазухах носа, грудине и др. (рис. 5.5). В разных местах и в разное время для создания разных структур производится один и тот же белок, причем специфика каждой операции и характер экспрессии определяются исключительно действием специфических переключателей. Существование отдельных переключателей для каждого участка обеспечивает тонкую настройку, необходимую для создания и детализации каждой части тела.

Рис. 5.5. Экспрессия гена BMP5 в различных частях мышиного эмбриона контролируется разными переключателями. По данным Дэвида Кингсли, Медицинский институт Говарда Хьюза и Стэнфордский университет; рисунок Джоша Клейса.

Изобилие переключателей

Удивительное разнообразие и тонкая географическая специфика действия переключателей являются результатом использования комбинаторной логики. Поскольку команда, выдаваемая переключателем, определяется суммой входящих в него сигналов, а количество возможных комбинаций сигналов возрастает экспоненциально с добавлением каждого нового сигнала, число команд, выдаваемых переключателем, потенциально бесконечно. Представьте себе, что дает возможность комбинировать полосы, линии, пятна, точки экспрессии активаторов и репрессоров и размещать их в любом месте, в любой ткани и в любом сочетании. Рисунки экспрессии могут быть самыми разными, и в геномах различных животных были обнаружены переключатели, создающие невероятное разнообразие таких рисунков. В каждой точке системы координат переключатели могут нарисовать и рисуют практически любые геометрические узоры экспрессии генов.

Но, хотя число возможных комбинаций сигналов и сигнатурных последовательностей огромно, реальное количество переключателей в каждом организме все же ограничено. И некоторые переключатели все же похожи друг на друга. Чтобы координировать процесс развития, в частности, создавать клетки конкретного типа со специфическими функциями, переключатели разных генов часто используют общий сигнал и общую сигнатурную последовательность. Например, для создания мышечных клеток необходимо синтезировать набор белков, позволяющих клеткам сокращаться, быстро использовать источник энергии и эффективно удалять отходы активной мышечной деятельности. Гены этих белков активируются в клетках мышц с помощью переключателей, в которых одинаковые сигнатурные последовательности узнаются одними и теми же белками. То же самое справедливо и для других специфических типов клеток — нейронов, фоторецепторных клеток глаза, клеток поджелудочной железы, клеток гипофиза и др. Функционирование органов обычно зависит от одного или нескольких генов развития, которые запускают группы переключателей, принадлежащих многим генам во всем геноме.

Модульные переключатели для построения модульных организмов: как сделать повторяющиеся части разными

Теперь, когда мы уже довольно хорошо представляем себе механизмы работы генетических переключателей, давайте поговорим о том, как эти механизмы вписываются в основные закономерности формирования тел животных, а также начнем разговор о том, как животные эволюционируют. Важнейшей чертой таких крупных и сложных животных, как членистоногие и позвоночные, является их модульное строение. Понимание того, как переключатели придают повторяющимся частям разную форму для выполнения разных функций, — ключ к пониманию развития и эволюции наших любимых животных.

В предыдущей главе мы убедились, что разные Hox-гены экспрессируются в разных сегментах и конечностях членистоногих и разных ромбомерах и сомитах позвоночных. Вид и функция каждого модульного элемента зависят оттого, какой или какие конкретные Hox-гены работают в данном конкретном сегменте, сомите, конечности или ромбомере. Именно образование этих "зон" экспрессии Hox-генов и их дальнейшее участие в создании повторяющихся элементов с различной формой и лежит в основе генетической логики, в соответствии с которой образуется модульная структура крупных симметричных животных.

Эта генетическая логика опирается на генетические переключатели на двух уровнях. Один набор переключателей принадлежит самим Hox-генам. Эти переключатели активируют соответствующие Hox-гены в определенных зонах, которые позднее станут модулями тела животного. Другая группа переключателей содержит сигнатурные последовательности, узнаваемые Hox-белками, и контролирует экспрессию других генов развития в различных модулях.

Как у членистоногих, так и у позвоночных разные Hox-гены экспрессируются вдоль основной оси эмбриона. Границы зон экспрессии каждого Hox-гена контролируются генетическими переключателями, при этом разные переключатели отвечают за экспрессию Hox-генов в различных структурах и тканях, таких как задний мозг, нервная трубка, сомиты и зачатки конечностей у позвоночных и эпидермис и нервный тяж у членистоногих. В соответствии с этой логикой клетки, относящиеся к одному модулю, производят не такие Hox-белки или их комбинации, как клетки соседнего модуля. Особая форма каждого модуля — ромбомера или сомита позвоночного, сегмента или конечности членистоногого — определяется влиянием Hox-белков на другие гены.

Основную логику того, как под влиянием Hox-белков формируются повторяющиеся элементы с различной морфологией, проще всего проиллюстрировать на примере насекомых. Большинство сегментов, расположенных вдоль основной оси тела насекомых, различаются по внешнему виду и несут на себе разные элементы. Например, первый грудной сегмент не имеет крыльев, второй грудной сегмент несет крупные передние крылья, а третий грудной сегмент — маленькие задние крылья, необходимые для поддержания равновесия в полете. В клетках передних крыльев Hox-белки не экспрессируются, но все клетки задних крыльев синтезируют белок Ubx (поскольку серия переключателей гена Ubx активирует его в третьем грудном сегменте и в задних крыльях). Различие между задними и передними крыльями насекомых связано с действием белка Ubx.

Белок Ubx определяет форму задних крыльев путем воздействия на переключатели генов, от которых зависит форма крыла. Он выключает гены, способствующие образованию структур, характерных для передних крыльев (жилок и др.), и включает гены, способствующие образованию структур, характерных для задних крыльев. Переключатели этих генов должны интегрировать множество сигналов (и содержать сигнатурные последовательности для каждого). Если мы сделаем "моментальный снимок" состояния переключателей и активности генов в передних и в задних крыльях, то обнаружим, что белок Ubx воздействует на группу переключателей, чтобы придать задним крыльям иную форму, чем у передних (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Альтернативные варианты экспрессии генов в передних и задних крыльях контролируются представителем семейства белков Hox. Прямые линии соответствуют переключателям, буквы — различным регуляторным белкам; буквой U обозначен белок Ubx. Различия в форме передних и задних крыльев объясняются разным набором активированных генов. Рисунок Джоша Клейса.

Та же логика действует при создании различных ромбомеров, позвонков и ребер у пресмыкающихся, а также различных типов конечностей у членистоногих. Различия в окончательной форме этих сериально гомологичных структур определяются Hox-белками, которые вызывают активацию определенных групп генов, участвующих в формировании конечностей, ромбомеров, позвонков и ребер в каждой точке вдоль основных осей тела.

"Монтаж" эмбриона: переключатели, цепи и сети

Я продемонстрировал работу генетических переключателей на примере одного переключателя одного гена, нескольких переключателей одного гена, а также группы переключателей, контролируемых одним белком. Однако все переключатели и белки, о которых я говорил, и все картины экспрессии, которые я показывал, — лишь отдельные кадры общего процесса. Весь процесс формирования животного — это огромное множество кадров, объединенных в невероятный, непрерывный кинофильм.

Форма тела и частей тела животного никогда не является результатом работы какого-то одного гена или переключателя. Части тела, ткани и типы клеток — все это продукты деятельности множества белков и переключателей, которые организуют морфогенез во времени и в пространстве, а также белков и других молекул, придающих клеткам и тканям их специфические физиологические и механические свойства. Процессы развития, которые осуществляются под контролем одних переключателей и белков, связаны с другими процессами, в которых принимают участие другие переключатели и другие белки. большие группы взаимосвязанных переключателей и белков образуют "цепи", которые, в свою очередь, являются частью еще более сложных "сетей", управляющих развитием сложных структур. Архитектура животных — продукт архитектуры генетических регуляторных сетей.

Схему или логику этих цепей и сетей можно изобразить с помощью диаграммы, какую используют для изображения электрических сетей или логических схем. Каждый переключатель — это точка принятия решения, узел генетической цепи. На рис. 5.7 схематически изображен ряд взаимосвязанных цепей, в которых задействовано только небольшое количество активаторов, репрессоров, переключателей и генов. Эта модель опять-таки отражает лишь часть значительно более сложной системы. Чтобы в деталях описать процесс создания дрозофилы, мне, вероятно, понадобилось бы не меньше тысячи страниц, а чтобы описать создание человека — несколько тысяч страниц. Регуляторные сети позвоночных более многочисленны (у нас в три раза больше типов клеток, чем у мух или других беспозвоночных), но на самом деле не более сложные.

Рис. 5.7. Схема регуляторной логики генетической сети. Активаторы (буквы в кружочках) и репрессоры (буквы в квадратиках) действуют на переключатели (прямые линии). Стрелки соответствуют активации, а линии, заканчивающиеся перпендикулярной чертой, означают репрессию. В построении и создании формы любой структуры обычно задействовано множество цепей активаторов и репрессоров. Рисунок Джоша Клейса.

Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития

Биологи только начинают осознавать важную роль переключателей. Мы уже несколько десятилетий умеем читать генетический код и находить в ДНК закодированные последовательности белков. В рамках модели, где центральным действующим лицом является белок, гены воспринимались как фрагменты информации, рассредоточенные в огромном море "пустой" ДНК. Кроме того, было распространено мнение, что различия между животными в значительной степени связаны с различиями в количестве генов и характере их последовательностей. Но теперь мы начинаем понимать, что гены окружены множеством переключателей. Кроме того, из результатов секвенирования геномов стало ясно, что человек и мышь имеют почти одинаковое количество генов (около 25 000). Поскольку сходство кодирующих последовательностей оказалось столь велико, пришло время выяснить, какую роль в эволюции играют переключатели.

Узнав, какова логика генетических переключателей и насколько они разнообразны, мы готовы задуматься об их вкладе в эволюцию биоразнообразия. Серьезный парадокс, возникший после открытия похожих наборов генов развития у самых разнообразных животных, заключается в следующем: как объяснить создание столь разных форм на основе одинаковых генов? Разгадка этого парадокса нашлась в результате открытия серий переключателей, которые позволяют использовать один и тот же ген снова и снова, иногда слегка, а иногда — очень сильно отличающимися способами при развитии сериально гомологичных структур у одного и того же животного.

От понимания роли переключателей в развитии до осознания их вклада в эволюцию нас отделяет совсем небольшой шаг. Переключатели позволяют использовать одни и те же гены развития по-разному в организме разных животных. Поскольку отдельные переключатели представляют собой независимые устройства по обработке информации, эволюционные изменения одного переключателя гена развития или переключателя, контролируемого белковым продуктом гена развития, могут изменить ход развития одной структуры, не влияя на другие структуры. Здесь кроется ключ к пониманию эволюции модульных тел и частей тел животных: так, например, у нас эволюционировал большой палец руки, отстоящий от остальных пальцев, а у мух возникли характерные задние крылья. Многие удивительные загадки эволюции, о которых я расскажу в следующей части книги (от взрыва биоразнообразия в кембрийском периоде до потрясающего разнообразия живущих сегодня бабочек и млекопитающих), объясняются именно эволюционными изменениями генетических переключателей.

Часть II. Окаменелости и гены. Как сделать животных разнообразными

Около десяти лет назад "кабинетные" молекулярные биологи вроде меня, не казавшие носа из лаборатории и занятые своими играми с ДНК, и палеонтологи, "полевые" ученые, раскапывавшие древние сокровища в экзотических точках планеты, были совершенно чужды друг другу. У нас не было ничего общего, мы никогда не пересекались и не искали встреч. Нас по-разному учили, работали мы обычно на разных факультетах и публиковались в разных научных журналах.

Но вдруг все изменилось.

Теперь палеонтологи говорят о Hox-генах, а молекулярные биологи отваживаются использовать в своей речи такие слова, как "кембрийский"!

Во второй части книги я расскажу чрезвычайно счастливую историю союза эмбриологии и эволюционной биологии, который помог открыть тайну эволюции формы тела животных. Толчком к этому объединению во многом послужило развитие в молекулярной биологии мощных технологий, благодаря которым возникли новые методы изучения развития и эволюции животных. То, что мы знаем о геномах ныне существующих видов и о развитии их эмбрионов, позволяет взглянуть на историю животного мира, отраженную в палеонтологической летописи, совершенно с другой точки зрения и понять не только то, что произошло, но и как это произошло — то есть нащупать внутренние механизмы формирования биологического разнообразия. Одна из догм современной геологии гласит: "настоящее — это ключ к прошлому", то есть процессы, которые мы можем наблюдать сегодня, происходили и в прошлом и могут объяснить прошлое. Эта основополагающая идея также является одним из основных принципов новой науки — эволюционной биологии развития, или эво-дево.

В первой части книги мы с вами выстроили сцену, используя четыре основных составляющих развития животных: модульную архитектуру, набор генов развития, географию эмбриона и генетические переключатели, координирующие работу генов развития в эмбрионе.

Во второй части книги начнет разворачиваться действие — эволюция формы животных как следствие изменения географии эмбриона. Мы узнаем о том, как география и форма эволюционируют за счет того, что гены развития начинают использоваться по-новому. Эволюция формы происходит благодаря тому, что очень старые гены обучаются новым приемам.

В следующих главах мы узнаем о том, что эво-дево способна помочь нам заглянуть в далекое прошлое и воссоздать облик давно вымерших животных, а также пролить свет на наиболее драматические события в истории животных. Мы исследуем ход эволюции, начиная с древнейших корней царства животных, возникшего в первобытных морях более 500 млн лет назад, проследим за возникновением новых структур, позволивших животным освоить сушу и воздушное пространство, а также поговорим о самых новых ветвях филогенетического древа животных, из которых складывается невероятное разнообразие современных форм. Это исследование поможет нам понять, каким образом мы с вами произошли от четвероногого гоминидного предка с небольшим мозгом.

Я приведу примеры, которые помогут создать живую картину эволюционного процесса. Эво-дево предлагает абсолютно новый подход и беспрецедентное качество доказательств. Некоторые из этих новых доказательств позволяют окончательно поставить точку в давних научных дискуссиях, другие поднимают новые вопросы, а третьи открывают путь к "Чаше Грааля" эволюционной биологии, т.е. безошибочно указывают на те генетические изменения, которые стали причиной эволюции конкретных видов животных.

Поскольку современная эмбриология посредством эво-дево стала полноправным участником объединенного эволюционного синтеза, пришло время отразить эти революционные изменения в учебниках по биологии. Я думаю, что методы эво-дево позволяют гораздо лучше объяснить процесс эволюции форм животных, чем абстрактные экстраполяции эпохи современного синтеза. К классическим примерам действия естественного отбора, таким как истории о галапагосских вьюрках и березовой пяденице, эво-дево добавляет истории об омарах и креветках, пауках и змеях, пятнистых бабочках, мешотчатых прыгунах и ягуарах. Эта наука лучше других позволяет объяснить происхождение "бесконечного числа прекрасных форм".

Трилобиты Olenoides serratus сланцев Берджес в Канаде. Фотография Чипа Кларка, печатается с разрешения Смитсоновского института.

Глава 6. Большой взрыв в эволюции животных

По-видимому, природе нравится разнообразить один и тот же механизм бесчисленными способами. Она оставляет тот или иной род своих созданий, лишь размножив индивиды во всех возможных формах.

Дени Дидро "Мысли к истолкованию природы" (1753)

В Смитсоновском музее естественной истории в Вашингтоне, сразу за входом в зал ископаемых, располагается ряд обыкновенных зеленых ящиков с экспонатами. Большинство посетителей равнодушно минуют их и устремляются в галерею с динозаврами и прочими чудовищами. А между тем в этих ничем не примечательных ящиках в виде небольших каменных брусков хранятся самые выдающиеся окаменелые остатки животных из всех, когда-либо найденных учеными.

Здесь представлены окаменелости из сланцев Берджес. Эти окаменелости, относящиеся к середине кембрийского периода (около 505 млн лет назад), были обнаружены палеонтологом Чарльзом Уолкоттом в 1909 году во время экспедиции в Британскую Колумбию. Эти странные, удивительные формы, запечатленные в темном серо-черном сланце, долгое время завораживали палеонтологов. Эти животные, сохранившиеся целиком, с антеннами, конечностями, хвостами и глазами, относятся к самым древним сложным животным, и среди них есть представители современных групп, таких как членистоногие, кольчатые черви, хордовые и моллюски. По-видимому, все эти животные возникли за относительно короткое время — всего 15-20 млн лет. Примеры животных, сохранившиеся в палеонтологической летописи до этого, крайне скудны. Этот эпизод быстрого (в геологическом масштабе) возникновения сложных форм запечатлен в породах, обнаруженных по всему свету, возраст которых оценивается в 525_505 млн лет. Это так называемый кембрийский взрыв — начало нового большого этапа в эволюции животных.

Впервые внимание широкой публики к кембрийскому взрыву привлек Стивен Джей Гулд в своей изумительной книге "Удивительная жизнь" (Wonderful Life, 1989). Одной из проблем, вставших перед учеными в связи с изучением кембрийских отложений, была классификация. Их "странная" (с современной точки зрения) анатомия вызывала множество споров о том, куда отнести каждое конкретное животное — к моллюскам или к червям, к членистоногим или нет... или же оно вообще не имеет отношения ни к одной из известных групп.

Связь кембрийских животных с современными группами — лишь одна из загадок. Есть и другие: что стало причиной взрыва? Почему крупные и сложные животные возникли именно в это время? Почему какие-то из них оказались успешными? Относительно причин взрыва высказывалось множество гипотез. Одни теории объясняли взрыв влиянием внешних факторов, таких как глобальное изменение климата. Другие выдвигали внутренние причины, в частности, появление генов, участвующих в формировании тела. Как в случае многих теорий, пытающихся объяснить далекое прошлое, теорию возникновения кембрийского взрыва было легче сформулировать, чем проверить. Что можно сказать о генах животных, умерших свыше 500 млн лет назад? Ведь в кембрийских отложениях нет самих животных, а есть только их отпечатки, возникшие под давлением огромных геологических сил. Но благодаря новым достижениям эмбриологии нам удалось выяснить, какую роль играли гены в случае кембрийского взрыва — в том, что он произошел, и в том, каковы были его последствия. Наука эво-дево замечательна тем, что она позволяет в некотором смысле "воскресить" давно вымершие формы.

Удивительное открытие заключается в том, что все гены, необходимые для создания крупных и сложных животных, существовали задолго до их появления в период кембрийского взрыва. Этот генетический багаж возник за 50 млн лет до появления этих форм или даже раньше. Это означает, что быстрое появление и изменение различных животных было вызвано не изменением набора генов развития, а какой-то другой причиной.

Отличительная черта многих групп кембрийских животных — изменение числа и вида повторяющихся частей тела. Это яркое подтверждение закона Уиллистона объясняется изменением географии эмбрионов. Изменение формы тела происходит из-за изменения координат экспрессии генов развития, особенно Hox-генов. А это изменение, в свою очередь, вызвано работой переключателей — именно эволюция переключателей и стала причиной кембрийского взрыва и дальнейшей эволюции более поздних групп животных.

Основным предметом обсуждения в данной главе является эволюция различных форм животных. Но чтобы вести предметный разговор, нужно установить, что именно произошло в этот период в царстве животных: что предшествовало взрыву, что случилось во время взрыва и что последовало за ним. Я начну с рассказа о животных, которые существовали до кембрия. Хотя окаменелостей, относящихся к этому времени, сравнительно немного, эво-дево позволяет проникнуть в прошлое и представить себе внешний вид и строение предшественников кембрийских животных, в том числе и загадочного последнего общего предка всех билатерально симметричных животных, включая человека.

Разгадываем загадки: животные до большого взрыва

Нашей Земле около четырех с половиной миллиардов лет. Возможно, первые живые существа появились на планете около трех с половиной миллиардов лет назад, но на протяжении первых трех миллиардов лет это были очень мелкие (не более нескольких миллиметров) и простые организмы. До появления царства животных уже существовали царства бактерий, архей, протистов и грибов (наземные растения появились позже животных, хотя их предшественники, зеленые водоросли, возникли раньше животных). В конце докембрийского периода, примерно 600 или 570 млн лет назад, размер и форма живых существ начали изменяться, и появились существа сантиметрового размера (так называемая эдиакарская фауна, получившая свое название от Эдиакарских холмов на юге Австралии, где впервые были найдены представители этой группы). Эти загадочные животные на протяжении десятилетий вызывали у палеонтологов массу вопросов. Биолог из Гарварда Энди Нолл называл их тестом Роршаха для палеонтологов. Чего только ни думали об этих существах в форме трубки либо листа папоротника или с радиально симметричным телом! Их называли и артефактом, возникшим в процессе образования осадочных пород, и исчезнувшей формой многоклеточных существ, и предками ныне существующих животных. Связь эдиакарской фауны с современными животными до сих пор остается предметом дискуссии (рис. 6.1). Но чем бы ни были эти причудливые существа, в те времена уже должны были существовать предшественники кембрийских животных. Мы точно не знаем, как они выглядели, но эво-дево позволяет нам представить себе, кого мы ищем.

Рис. 6.1. Представители эдиакарской фауны. Филогенетические связи между Dickinsonia costatala и Spriggina flounders, найденными в Эдиакарских холмах на юге Австралии, и современными или кембрийскими животными пока не установлены. Фотография предоставлена Джимом Джелингом из Южно-Австралийского музея.

Чтобы представить себе, как выглядели наши отдаленные предки, мы должны поговорить о строении филогенетического древа (рис. 6.2). Биологи придают большое значение расположению групп животных на эволюционном древе, поскольку знание родственных связей позволяет понять, в какой момент и в какой группе возник тот или иной признак. Представителями двух основных ветвей филогенетического древа животных являются насекомые и позвоночные. Эти две основные ветви были выделены на основании фундаментального различия, заключающегося в положении рта по отношению к отверстию бластопора. Те животные, у эмбрионов которых рот образуется не в том же месте, где находился бластопор, называются вторичноротыми; к этой группе относимся мы с вами, все позвоночные, иглокожие (различные морские ежи) и некоторые другие животные. Те животные, у эмбрионов которых рот образуется из отверстия бластопора, называются первичноротыми; к ним относятся насекомые, другие членистоногие, кольчатые черви, моллюски и некоторые другие группы. В основании древа располагаются губки, книдарии (медузы, кораллы, актинии) и гребневики, которые ответвляются от общего ствола до разделения ветвей первичноротых и вторичноротых. Представители этих нижних ветвей древа сыграли важную роль в истории жизни на Земле и продолжают играть важную роль в жизни современного океана, но я не буду подробно рассказывать о них в этой книге. Основное внимание я уделю двум верхним ветвям эволюционного древа.

Рис. 6.2. Эволюционное древо животных. Две основные группы билатерально симметричных животных — первично- и вторичноротые; их гипотетического последнего общего предка называют Urbilateria (урбилатерия). Ветви книдарии (актинии, кораллы) и губок отделились от основного ствола до возникновения билатерально симметричных животных. Рисунок Джоша Клейса.

Первые типичные представители первично- и вторичноротых появились в кембрийском периоде. Поскольку в этот период эти две группы уже сформировались, мы вправе предположить, что их общие предки жили до кембрийского периода. Но это только умозаключение, поскольку ископаемых остатков, относящихся к докембрийскому периоду, обнаружено совсем немного. На самом деле к первичноротым было отнесено единственное животное, Kimberella, жившее в докембрийскую эпоху, а именно, около 555 млн лет назад.

Так куда же делись эти предки? До наших дней сохранились отпечатки медуз, кораллов и губок, а также представителей эдиакарской фауны, так что, по-видимому, отсутствие окаменелостей не связано с "условиями хранения". Поскольку останки некоторых крупных животных все же были найдены, одно из возможных объяснений заключается в том, что первые первично- и вторичноротые были очень маленькими (может быть, меньше сантиметра) и имели хрупкое строение. Другое объяснение заключается в том, что среди представителей эдиакарской фауны есть-таки первично- и вторичноротые, но мы просто не можем их распознать, поскольку у них еще нет характерных признаков большинства современных животных. Без надежных фактических доказательств палеонтологи могут лишь приблизительно описать последнего общего предка первично- и вторичноротых как невыразительное червеобразное существо.

Итак, на основании палеонтологических данных мы почти ничего не можем сказать о предках современных животных, но, может быть, у нас есть какие-то другие доказательства? Некоторые выводы можно сделать, исходя из общих признаков потомков. Именно этот логический подход эво-дево использует для изучения событий далекого прошлого. Основной постулат эво-дево гласит, что если какой-то признак является общим для представителей двух или нескольких групп, значит их общий предок (точка расхождения этих ветвей на филогенетическом древе) также обладал этим признаком. Такую же логику можно применить к нашим знаниям о процессе развития и о генах двух или нескольких групп животных, и это позволит нам получить представление об их общем предшественнике. Так, мы уверены в том, что последний общий предшественник первично- и вторичноротых животных обладал билатеральной симметрией. Все представители обеих групп, по крайней мере, на каких-то стадиях своего жизненного цикла, обладают двусторонней симметрией (у морских ежей и других иглокожих, во взрослом состоянии демонстрирующих радиально симметричное строение, личинки билатерально симметричны). Такая организация сделала возможными новые способы передвижения и более сложный образ жизни. Но теперь мы можем пойти дальше: на основании сходства набора функций общих для всех животных генов развития мы можем с уверенностью утверждать, что общий предшественник билатерально симметричных животных (которого Эдди де Робертис из Калифорнийского Университета назвал Urbilateria, "примитивная билатерия") обладал набором генов развития, состоящим из шести или семи Hox-генов, генов Рах-6, Distal-less, tinman, а также нескольких сотен других генов, участвующих в построении тела.

Интересно узнать, зачем урбилатерии нужно было такое множество генов? И действительно ли это животное напоминало невыразительного червяка? Связано ли наличие столь большого числа генов с тем, что это существо обладало сложными анатомией и поведением?

Один из способов объяснить сходство функций генов развития у различных животных заключается в том, чтобы наделить эту самую урбилатерию определенными анатомическими характеристиками, за которые эти гены отвечают. Мы не знаем точно, насколько сложным был этот организм, но логическим путем можем прийти к определенным заключениям. К примеру, были ли у урбилатерии глаза? Вероятно, не такие крупные и выразительные, как у трилобитов кембрийского периода. Существо с большими сложными глазами, скорее всего, должно было бы сохраниться в виде окаменелостей. Однако, поскольку у представителей обеих основных ветвей двустороннесимметричных животных есть ген Рах-6 и другие гены, участвующие в построении глаза, урбилатерия должна была иметь какие-то глазные пятна или светочувствительный орган, состоящий из фоточувствительных клеток, расположенных в определенном порядке.

Используя туже логику, можно задаться вопросом, были ли у урбилатерии конечности. Палеонтологи находят в ископаемых осадочных породах извилистые следы, оставленные передвигающимися животными, однако только в кембрийском периоде таких следов становится действительно много. Так что маловероятно, что урбилатерия обладала полноценными конечностями. Но гены, необходимые для построения конечностей, у нее определенно были. Эти гены используются для создания любого рода отростков на туловище животного. Таким образом, даже если урбилатерия не умела ходить или плавать, она могла иметь отростки, отходящие от туловища; возможно, они помогали ей находить пищу (сенсорный аппарат) или затаскивать ее в рот (ротовые придатки или щупальца). Позднее, в кембрийском периоде, эти гены стали использоваться для формирования полноценных конечностей для ходьбы или плавания.

Мы знаем, что у урбилатерии был ген tinman, но было ли у нее сердце? Конечно, у нее не было такого сложного современного сердца, как у нас. Но это могла быть группа сокращающихся клеток, проталкивающих жидкость по телу. Кроме того, наличие нескольких Hox-генов указывает на то, что передняя, средняя и задняя части этого животного различались между собой. Наконец, используя наши знания о генах и известных нам закономерностях развития, мы можем утверждать, что урбилатерия имела сквозную кишку, рот и анус. Кроме того, мы можем сказать, что она обладала мышечными, нервными, сократительными, фоторецепторными, пищеварительными, секреторными и фагоцитирующими клетками, поскольку все эти виды клеток существуют у ее потомков. Нам неизвестно, в какой степени эти клетки были организованы в специализированные органы, которые мы могли бы назвать глазами, сердцем, конечностями и т.д. Однако уровень организации должен был быть достаточно высоким, поскольку именно в тот период гены Рах-6, D//, tinman, Hox и др. начали играть роль, которая сохранялась за ними более 500 млн лет.

Но мы ничего не можем сказать с уверенностью, пока не обнаружим окончательных доказательств в виде окаменелостей (и в настоящее время ведутся поиски новых мест и типов отложений). Впрочем, эво-дево позволяет нарисовать предварительный портрет этого существа: это животное обладало всеми генами, необходимыми для построения сложного тела, и уже достигло определенного уровня анатомической сложности.

Дарвин тоже рассуждал на тему о наших предшественниках в письме к Чарльзу Лайелю[6]. Экстраполируя свои знания о позвоночных, он писал: "Нашим предшественником было животное, которое дышало водой, имело плавательный пузырь, большой хвост для плавания, несовершенный череп и, безо всяких сомнений, было гермафродитом! Вот приятное родство для человека". Открытие сходных черт у большинства групп животных позволяет нам уйти еще дальше в глубины времен, к еще более примитивным созданиям, по сравнению с которыми дарвиновский образ предшественника кажется чрезвычайно сложным.

Так что гордитесь своими предками!

Кембрийский взрыв: так много членистоногих и так мало времени

Геологическая граница кембрийского периода отстоит от нашего времени приблизительно на 543±1 млн лет. Однако эта граница не совпадает с резким всплеском в эволюции животных: всего несколько форм обнаруживается в палеонтологической летописи за следующие 15-20 млн лет. И только потом появились настоящие членистоногие, хордовые, иглокожие и плеченогие. Поскольку эти формы явственно отличались друг от друга (иначе их нельзя было бы классифицировать), скорее всего, диверсификация отдельных линий продолжалась уже долгое время, хотя следов этого процесса в палеонтологической летописи мы пока не находим.

Один из ведущих палеонтологов, восстанавливающих события кембрийского периода, Саймон Конвей Моррис, сравнил эту раннюю фазу диверсификации с бикфордовым шнуром, конец которого теряется в глубине веков. Мы не знаем, какой была длина этого шнура, но в начале кембрийского периода огонь достиг пороховой бочки и произошел взрыв разнообразия форм. Появились не просто отдельные представители основных групп животных, но огромное разнообразие вариаций основных планов строения. Только в сланцах Берджес обнаружено около 140 видов животных, относящихся более чем к десяти типам. Находки в других местах дополнили это изобилие. Ископаемые из района Чэнцзян в провинции Юньнань в Китае особенно знамениты своей великолепной сохранностью, и, что еще важнее, они на 15 млн лет старше берджесских окаменелостей. Фауна из района Чэнцзян позволяет датировать появление некоторых групп животных более ранним временем. На этом участке раскопки ведутся очень активно и растет число ошеломляющих находок. Среди них — остатки некоторых фантастических позвоночных, о которых я вкратце расскажу. Кроме того, эта фауна — моментальный снимок из другого времени и из другой части света. Окаменелости, обнаруженные в Чэнцзяне и Берджесе, показывают, что наибольшее разнообразие наблюдалось среди представителей двух групп животных — членистоногих и лопастеногих (тип Lobopodia). Лопастеногие животные, имевшие простые ноги, не состоявшие из отдельных члеников, известны мало, однако они сыграли ключевую роль в эволюции членистоногих и в событиях кембрийского периода в целом.

Абсолютное большинство среди фауны кембрийского периода составляют членистоногие. К ним относится треть или более всех ископаемых видов, обнаруженных в сланцах Берджес. Среди них и широко известные трилобиты, такие как Olenoides serratus (с. 136) или Naroaoia compacta, и менее известные Waptia fieldensis, Marrella splendens (доминирующий Вид среди ископаемых сланцев Берджес), а также Canodaspis perfecta (рис. 6.3). Общим для всех этих животных является сходное строение большинства сегментов тела и ассоциированных с ними конечностей. Причем такое строение характерно не только для членистоногих — лопастеногие также имеют большое количество однотипных частей тела.

Рис. 6.3. Членистоногие животные кембрийского периода, обнаруженные в сланцах Берджес. Эти животные демонстрируют разные варианты строения артропод и имеют наборы членистых конечностей, различающихся по числу и типу специализации. Рисунок Лианн Олдс.

Среди лопастеногих есть любимцы Стивена Гулда, такие как животное под названием Aysheaia (рис. 6.4). Одна из причин повышенного интереса к Aysheaia заключается в простоте строения ее тела, состоящего из повторяющихся сегментов, и наличии конечностей, имеющих форму коротких трубочек. Эти черты говорят о том, что это примитивное животное, вероятно, было предком более сложных животных с членистыми конечностями. Уолкотт предположил, что Aysheaia следует отнести к кольчатым червям. Другие, включая Гулда, справедливо считали, что это животное необходимо классифицировать как лопастеногое. Ближайшими родственниками лопастеногих являются современные мягкотелые существа, называемые онихофорами, или бархатными червями. Для нашего рассказа важно, что онихофоры и исчезнувшие лопастеногие приходятся ближайшими родственниками членистоногим, это их так называемая сестринская группа. Считается, что членистоногие произошли от какого-то предка, напоминающего лопастеногое животное. Особенно важную роль ископаемые остатки лопастеногих сыграли в изучении процесса эволюции строения тела и конечностей древних членистоногих.

Одни из самых интересных животных кембрия относятся к лопастеногим, которых, с морфологической точки зрения, некоторые палеонтологи располагают на филогенетическом древе очень близко к примитивным членистоногим (рис. 6.4). Подробное изучение остатков таких животных, как Opabinia или ужасный Anomalocaris, а также других лопастеногих и членистоногих, позволяет сделать вывод о том, что именно лопастеногие приобрели целую серию усовершенствований, ставших основными отличительными признаками всех членистоногих: сегментация тела, твердый внешний скелет и двуветвистые (похожие на двузубую вилку) конечности. У разных лопастеногих встречаются те или иные из этих признаков. У Aysheaia не было ни одного из них, и поэтому ее считают наиболее примитивным представителем группы; у Opabinia было сегментированное тело, но не было двуветвистых конечностей, тогда как Anomalocarls имел двуветвистые конечности, но не имел полностью затвердевшего внешнего скелета. В следующей главе я подробнее расскажу о невероятных возможностях, появившихся в результате возникновения у животных этого типа конечностей.

Рис. 6.4. Лопастеногие животные кембрийского периода, обнаруженные в сланцах Берджес. Эти животные с простыми нечленистыми конечностями являются ближайшими родственниками членистоногих. Рисунок Лианн Олдс.

Чрезвычайно богатое разнообразие членистоногих и лопастеногих, обнаруженных в Чэнцзяне и Берджесе, а также в других местах, позволяет нам воспринимать кембрийский взрыв не как мгновенное чудо ("ничего не было — и вдруг появилось"), а как важный эпизод, в течение которого происходила эволюция строения тела животных. В масштабе всей истории Земли 10 или 15 миллионов лет — лишь краткий миг, но этого времени вполне достаточно для формирования новых типов конечностей или изменения формы тела. Для сравнения скажу, что большинство видов млекопитающих — приматы, грызуны, летучие мыши, землеройки, хищники и др. — появились в палеонтологической летописи в первые 10-15 млн лет после исчезновения динозавров (65 млн лет назад).

Но вопрос заключается в следующем: какова была движущая сила этой эволюции? Разобраться нам поможет эво-дево.

Новые гены для новых животных?

Самое простое и на протяжении долгого времени самое распространенное представление о том, как гены связаны с эволюцией сложных форм, заключалось в том, что для создания новых планов строения и новых структур гены должны эволюционировать. Интуитивно такая идея понятна. Поскольку форма тела каждого животного определяется его уникальным генетическим содержанием, новые формы требуют новой информации, т.е. новых генов. Но, как мы вскоре увидим, несмотря на привлекательность этой идеи, изобретение "новых генов" не объясняет, появление или диверсификацию большинства групп животных.

Первую версию идеи о "новых генах" в связи с любой специфической группой организмов выдвинул Эдвард Льюис из Калифорнийского технологического института, получивший Нобелевскую премию за изучение Hox-генов у дрозофилы. Льюис предположил, что многочисленные Hox-гены, которые необходимы для специфической дифференцировки различных сегментов тела насекомых, эволюционировали из небольшого набора Hoх-генов, определявших более скромный набор сегментов тела у ранних насекомых и членистоногих. Гипотеза Льюиса оказалась ошибочной. Однако проверка этой гипотезы прекрасно проиллюстрировала логику эво-дево и привела к формированию более четкой картины эволюции членистоногих.

Как узнать, какие гены были у предков членистоногих? Логика умозаключений нам с вами уже знакома: если у двух или нескольких групп животных имеется общий признак, с большой вероятностью он был и у их общего предка. Но каких животных следует сравнивать? Opabinia, Anomalocaris и другие их собратья кембрийского периода давно исчезли. Это верно, но животные с лопастным строением конечностей все еще встречаются. Онихофоры не только напоминают древних Aysheaia из отложений в Берджесских сланцах, но по-прежнему передвигаются по земле на ножках-лопастях, точь-в-точь как это делали их кембрийские предки (рис. 6.5). Мы с моими студентами Бобом Уорреном, Джен Гриниер и Тедом Гарбером предположили, что онихофоры лучше других животных помогут нам ответить на вопрос о генах предков членистоногих, поскольку все общие гены современных онихофор и современных членистоногих должны были иметься у их последнего общего предшественника.

Рис. 6.5. Эволюционное древо членистоногих и лопастеногих. Показаны родственные связи между современными и вымершими группами животных. Общий предок двух групп животных, по-видимому, живший в докембрийскую эпоху, должен был иметь не менее десяти Нож-генов, поскольку именно такое количество этих генов найдено у всех его ныне живущих потомков. Рисунок Джоша Клейса.

Для нас проблема заключалась в том, что нигде в Соединенных Штатах, не говоря уже о Висконсине, онихофоры не водятся. Однако их много в Австралии, так что я "заставил" Боба и Джен покинуть Висконсин в середине нашей изумительной зимы и отправиться в Новый Южный Уэльс (Австралия), где наш коллега и эксперт по онихофорам Пол Уайтингтон (тогда работавший в Университете Новой Англии в Армидейле) мог бы научить их ловить этих созданий, ловко прячущихся в стволах упавших деревьев. "Беспокоиться не о чем", — заверил их Пол, разве что не стоит забывать о коричневых змеях[7], ядовитых пауках и гигантских жалящих многоножках, которые тоже любят такие укрытия.

Трудиться пришлось два сезона, но в конце концов Джен и Бобу удалось собрать достаточно мелких коричневых зверушек, относящихся к виду Akanthokera kaputensis (рис. 6.6), чтобы выделить из них ДНК и эмбрионов для дальнейших исследований. Наша основная задача состояла в том, чтобы идентифицировать все Hox-гены онихофор и понять, как они используются при формировании этих животных. Нам было известно, что у дрозофилы десять таких генов — восемь стандартных и два не таких стандартных, играющих несколько иную роль в развитии. Главный вопрос для Джен, Боба и Теда заключался в том, сколько и каких Hox-генов имеет наш вид онихофор. Они выделили ДНК из собранных животных, а потом использовали специальный метод, позволивший избирательно выловить из огромного генома только те кусочки ДНК, которые содержат Hox-гены. Наша команда установила, что, хотя онихофоры имеют очень небольшой набор разных сегментов и конечностей и отличаются относительно примитивным строением, у них есть все те же Hox-гены, что и у дрозофил и других членистоногих.

Рис. 6.6. Akanthokera kaputensis — представитель онихофор. Фотография Джен Гриниер и Стивена Пэддока.

Это говорит о том, что последний общий предшественник членистоногих и онихофор обладал всеми Hox-генами, имеющимися у современных членистоногих. Кроме того, это означает, что все лопастеногие и членистоногие животные кембрийского периода — от Aysheaia до Anomalocaris, Microdictyon и Marrella — также имели весь набор из десяти Hox-генов. Более того, варианты строения тела всех более поздних членистоногих — пауков, многоножек, насекомых и всевозможных ракообразных — формировались при участии того же набора Hox-генов.

В тот момент, когда мы впервые опубликовали свои данные, многие палеонтологи считали, что кембрийский взрыв мог быть вызван увеличением числа Hox-генов. Хотя наши данные полностью противоречили этой идее, мы не были разочарованы. Возможность проверки идеи путем изучения генов таинственных существ продемонстрировала способность эво-дево пролить свет на события далекого прошлого. Для "кабинетных" молекулярных биологов, таких как я и мои студенты, было невероятно важно внести значимый вклад в изучение истории кембрийского периода.

Но это было лишь начало. Вопрос оставался открытым: если эволюция кембрийских и более поздних животных не связана с появлением новых Hox-генов, то каковы ее механизмы? Простой факт наличия в ДНК тех или иных генов не давал ответа. Ключом к разгадке оказались география эмбрионов и процесс развития различных видов членистоногих. Наши исследования привели нас к выводу о том, что не столь важно, какие гены у нас есть, важно то, как мы их используем!

Сдвиг зон экспрессии Hох-генов и закон Уиллистона

Эволюция членистоногих в кембрийском периоде главным образом состояла в увеличении числа и разнообразия сегментов и конечностей. Тело трилобита состоит из трех основных отделов — головы, туловища и пигидия (хвостового отдела), причем сегменты каждого из этих отделов и отходящие от них конечности очень похожи друг на друга и различаются только по размеру. У ныне существующих групп членистоногих, представители которых появились не позднее чем через 150 млн лет после окончания кембрийского периода, конечности гораздо разнообразнее — их насчитывается более десяти видов. Отростки на голове, туловище и хвосте являются специализированными структурами, которые служат для питания, восприятия сигналов, передвижения, дыхания, рытья нор, копуляции, заботы о потомстве и защиты. Успешное развитие членистоногих, безусловно, связано с их способностью к адаптации, которая, в свою очередь, объясняется возрастающей специализацией конечностей.

Но как возникли разные типы конечностей? По всей видимости, этот процесс должен был сопровождаться серьезными изменениями географии эмбрионов членистоногих. Чтобы понять, что конкретно произошло в ходе эволюции членистоногих, мы вновь обратимся к анализу современных животных. Лучше всего генетический контроль дифференцировки конечностей изучен у дрозофил. Нам известно, что образование каждого типа конечностей (разнообразных отростков на голове, каждой из трех пар ног, обычно отсутствующих конечностей на брюшке, а также гениталий, которые также представляют собой модифицированные конечности) контролируется Hox-белками. Разнообразие формы и функций конечностей достигается путем экспрессии разных Hox-генов в разных участках тела вдоль главных осей эмбриона. При формировании эмбриона образуется множество зон экспрессии Hox-генов по отдельности и в разных сочетаниях (на рис. 6.7 эти зоны обозначены цифрами от 1 до 10).

Рис. 6.7. Сдвиг зон экспрессии Hox-генов определяет основные различия в форме тела членистоногих. Hox-гены обозначены номерами. Обратите внимание на сдвиг границы зоны экспрессии генов 7, 8 и 9 у насекомых, многоножек и четырех ракообразных (артемий, мизид, омаров и креветок-чистильщиков) (затемненная область). Количество ногочелюстей, или максилл (мк), находится в обратной зависимости от количества сегментов, в которых экспрессируются гены 8/9, и сдвигается в сторону увеличения от варианта артемий, у которой нет ногочелюстей. У многоножки непосредственно перед ногами располагается ядовитый коготь (я. к). У трилобитов, по-видимому, было всего три отдела тела, различающихся тремя разными комбинациями зон экспрессии Hox-генов. Рисунок Лианн Олдс.

Каким было строение эмбрионов кембрийских животных? Как экспрессировались их Hox-гены 500 млн лет назад? Увидеть этого мы не можем, но можем сделать некоторые выводы, сравнивая географию эмбрионов и картину экспрессии Hox-генов у разных ныне живущих членистоногих. Например, некоторые членистоногие, такие как жаброногие рачки, имеют очень простое строение грудного отдела, все сегменты и конечности которого очень похожи. По-видимому, таким же строением обладал их примитивный предок. На рис. 6.7 показано, что у эмбрионов жаброногих ракообразных зоны экспрессии двух Hox-белков (номера 8 и 9) идентичны, тогда как у насекомых зоны их экспрессии различаются. У многоножек, еще одной представительной группы членистоногих, рисунок экспрессии Hox-генов в эмбрионе напоминает таковой у жаброногих. Длинное туловище состоит из идентичных сегментов, несущих одинаковые конечности. У эмбриона многоножки те же два Hox-белка (номера 8 и 9) экспрессируются в каждом из сегментов и в отходящих от них конечностях. У этих двух членистоногих зоны идентичных сегментов соответствуют зонам экспрессии одного и того же (или одних и тех же) Hox-белков. Таким образом, можно сделать вывод, что у членистоногих кембрийского периода, таких как трилобиты, блоки похожих сегментов и отростков соответствовали зонам экспрессии одних и тех же Hox-белков.

Нам также известно, что границы между Hox-зонами у членистоногих обычно соответствуют смене типов сегментов и конечностей. У жаброногих и многоножек в сегменте, расположенном непосредственно перед грудным отделом, экспрессируется уже другой Hox-белок или комбинация Hox-белков (номера 7 и 5/6/7 соответственно) и образуются конечности другого типа. У жаброногих это конечности ротового аппарата, а у многоножки эта конечность стала ядовитым когтем, необходимым для иммобилизации жертвы и для защиты. Такая связь между различными типами конечностей и различными Hox-зонами, расположенными вдоль оси эмбриона, распространена достаточно широко.

Известно, что у членистоногих смещение зон экспрессии Hox-белков тесно коррелирует с эволюционными различиями в количестве и форме конечностей, развивающихся на соответствующих сегментах. Причем подобные различия наблюдаются не только между представителями основных классов членистоногих, но и внутри классов. Роль сдвига зон экспрессии генов Hox в эволюции прекрасно продемонстрировали Михалис Авероф и Нипам Пател, которые собрали и изучили эмбрионы широкой выборки ракообразных (к этой группе членистоногих относятся креветки, усоногие раки, крабы и омары). Одним из заметных различий между группами было разное количество ногочелюстей (максилл), представляющих собой модифицированные конечности и расположенных в передней части грудного отдела. У жаброногих ракообразных ногочелюстей нет, нет их и у примитивных ракообразных. Однако более сложные ракообразные имеют одну, две или даже три (как омар) пары максилл. За эти важные различия отвечают небольшие изменения в географии эмбрионов. Авероф и Пател обнаружили, что у обладателей ногочелюстей зоны экспрессии двух Hox-белков (номера 8 и 9) сдвинуты назад соответственно на один, два и три сегмента по сравнению с ракообразными, у которых ногочелюсти отсутствуют (рис. 6.7). Величина сдвига точно коррелирует с количеством ногочелюстей. Более того, по-видимому, этот сдвиг и образование ногочелюстей в ходе эволюции происходили у ракообразных несколько раз независимым образом, что говорит о том, что сходные функциональные адаптации у разных животных достигаются за счет использования одного и того же механизма. Подробнее о значении повторяющихся изменений я расскажу в следующей главе.

Сдвиг зон экспрессии Hox-генов стал причиной выраженных различий тела по главной оси таких групп современных членистоногих, как пауки, ракообразные, многоножки и насекомые. С большой долей вероятности можно предположить, что то же самое происходило и в кембрийском периоде, поскольку регионализация тела и специализация конечностей наблюдаются у всех ископаемых членистоногих того времени. Блоки сходных сегментов у разных видов ископаемых членистоногих определенно соответствовали зонам экспрессии конкретных Hox-генов (рис. 6.7). Возникновение новых типов конечностей и сегментов в эволюции членистоногих связано с появлением у их эмбрионов большего числа уникальных зон экспрессии отдельных Hox-генов и их комбинаций. Таким образом, относительный сдвиг зон экспрессии Hox-генов является одним из механизмов, лежащих в основе закона Уиллистона: для специализации повторяющихся частей тела требуется, чтобы они находились в зонах экспрессии разных Hox-генов.

Сдвиг зон экспрессии Hox-генов происходил не только у членистоногих. Тот же механизм лежит в основе формирования анатомического разнообразия и нашей с вами ветви — позвоночных.

Сборка позвоночных: больше Hox-генов и много сдвигов

Эволюцию нашей семейной линии тоже можно проследить до самого кембрия. Мы относимся к позвоночным животным, которые, в свою очередь, принадлежат к хордовым — животным, обладающим хордой. Кроме позвоночных, к хордовым также относятся оболочники (такие как асцидии) и головохордовые (такие как ланцетники). Хордовые — вторичноротые животные (рис. 6.8). Долгое время наиболее изученным древним хордовым животным оставалась Pikaia из отложений в Берджесских сланцах, однако недавние находки в Чэнцзяне показали, что позвоночные существовали еще раньше, примерно 520 млн лет назад, причем их анатомия была на удивление сложной.

Рис. 6.8. Эволюционное древо хордовых животных и увеличение числа кластеров Hox-генов в ходе эволюции позвоночных. Общий предшественник всех хордовых имел один кластер генов, как и ныне живущие оболочники и головохордовые. Удвоение кластера генов в ходе эволюции происходило несколько раз — в линии бесчелюстных рыб, в линии хрящевых рыб (акул), а также у миног. Поскольку эволюционное происхождение кембрийского позвоночного Haikouichthys точно неизвестно, его ветвь принято изображать отходящей от древа одновременно с ветвями миксиновых рыб, миног и хрящевых рыб. Рисунок Джоша Клейса.

Образцы ископаемой бесчелюстной рыбы Haikouichthys ercaicunensis демонстрируют наличие головной лопасти с глазами, возможно, носовые отверстия, десять или более отдельных позвонков, жабры, а также спинной и брюшной плавник. Такое строение намного сложнее, чем у более позднего вида Pikaia, что говорит о том, что в начале кембрийского периода эволюция позвоночных животных продвинулась уже достаточно далеко. Эти недавние открытия подчеркивают чрезвычайную важность поиска ископаемых животных в уже известных и в еще не исследованных отложениях. Датировка первого появления той или иной группы животных или тех или иных признаков всегда очень примерная, поскольку последующие находки могут отодвинуть ее назад. В данном случае новые находки позволили отодвинуть происхождение группы на 15 млн лет назад. Кроме того, хотя в начале и середине кембрийского периода позвоночные не были самой многочисленной группой животных, их обнаружение в Чэнцзяне позволяет вписать хищника Haikouichthys в кембрийскую экосистему.

Появление позвоночных сопровождалось изобретением и модификацией многих структур и систем тела, включая более сложный мозг, органы чувств, хрящи, скелет и череп. Множество последующих эволюционных новшеств привело к формированию пресмыкающихся, земноводных, птиц и млекопитающих, которых мы видим сегодня. Как и в случае членистоногих и лопастеногих, нам хотелось бы знать, определялась ли ранняя эволюция позвоночных в кембрийском периоде тем же набором генов развития, которым обладали и другие группы животных, или же происхождение предковых позвоночных связано с какими-то изменениями в наборе генов развития.

Мы не можем изучить гены Haikouichthys, однако мы можем проанализировать гены некоторых современных животных, занимающих ключевые позиции на филогенетическом древе хордовых и вторичноротых, что позволит оценить генетическую сложность древних позвоночных. Одна из ключевых групп — головохордовые. У этих животных нет таких признаков позвоночных как череп или скелет, но они являются сестринской группой по отношению к позвоночным, точно так же как современные онихофоры являются сестринской группой по отношению к членистоногим. Набор генов Hox-кластера у головохордовых должен соответствовать набору генов Hox-кластера последнего общего предшественника головохордовых и позвоночных.

Единственным ныне живущим представителем головохордовых является ланцетник. Это животное длиной 5-8 см можно встретить в заливе Тампа во Флориде и в некоторых других местах. Когда Джорди Гарсия-Фернандес и Питер Холланд впервые занялись изучением его Hox-генов, они обнаружили всего один Hox-кластер. Вспомните, что современные позвоночные, такие как мышь и человек, имеют по четыре кластера, в сумме содержащих 39 генов. Изучение генов ланцетника позволяет сделать вывод о том, что увеличение числа кластеров Hox-генов произошло уже после разделения линий позвоночных и головохордовых (в кембрийском периоде или несколько раньше). Мы также знаем, что другие вторичноротые, такие как оболочники и иглокожие, обладают единственным кластером Hox-reнов. Значит, в то время как все без исключения оболочники и иглокожие в кембрийском периоде и позднее эволюционировали при наличии единственного кластера, содержащего десять Hox-генов, позвоночные увеличили число Hox-генов.

Когда в ходе эволюции позвоночных увеличилось число кластеров Hox-генов? Стало ли это событие толчком к эволюции позвоночных? Чтобы ответить на эти вопросы, пришлось изучить множество современных видов, относящихся к разным группам на разных ветвях филогенетического древа позвоночных. Все млекопитающие, птицы и некоторые рыбы, включая древнего глубоководного целаканта, имеют по четыре кластера Hox-генов. У нас есть все основания заключить, что у общего предка этих челюстных позвоночных также было четыре кластера Hox-генов.

Однако более примитивные современные позвоночные, такие как минога, имеют меньшее число Hox-кластеров. Детальное изучение Hox-кластеров миноги и их сравнение с Hox-кластерами костистых рыб и млекопитающих показало, что наши четыре кластера — результат двух раундов дупликации на ранних этапах эволюции позвоночных. Первое удвоение случилось после расхождения головохордовых и предков миног, а второе — за некоторое время до появления костистых рыб. Посмотрим еще раз на наше семейное древо (рис. 6.8). Поскольку образцы из Чэнцзяня являются бесчелюстными рыбами, мы можем предположить, что они имели всего один или два кластера Hox-генов.

Выясняется, что различие в числе кластеров Hox-генов у позвоночных отражает различие в общем количестве генов развития у этих животных. В ходе эволюции позвоночных произошло удвоение не только Hox-кластера, но и многих других генов развития. Это могло произойти, например, при дупликации всего генома или его крупного фрагмента. Увеличение числа генов развития у высших позвоночных говорит о том, что на ранних этапах эволюции позвоночных появление новых генов сыграло значительную роль в эволюции плана строения. Одним из показателей эволюции анатомии хордовых является количество клеток разных типов. Так вот, у человека и других высших позвоночных гораздо больше типов клеток, чем у головохордовых: у этих последних нет клеток, из которых у нас состоят хрящи, кости, голова и некоторые органы чувств. Это означает, что большее количество генов развития коррелирует с большим количеством клеточных типов и более сложной организацией тканей, поскольку большее количество генов позволяет генерировать большее количество инструкций в ходе эмбрионального развития.

Однако главной движущей силой последующей эволюции высших позвоночных было не увеличение количества генов. Важно помнить, что эволюция земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих происходила при наличии все тех же четырех кластеров Hox-генов. Лягушки и змеи, динозавры и страусы, жирафы и киты эволюционировали с одним и тем же набором Hox-генов. Таким образом, общее число Hox-генов ничего не говорит нам об эволюции форм животных. Разнообразное строение этих видов, как и в случае членистоногих, стало результатом изменения географии эмбрионов за счет сдвига зон экспрессии Hox-генов, а не результатом увеличения числа этих генов.

Например, у позвоночных переход от одного типа позвонков к другому — шейные/грудные, грудные/поясничные, поясничные/крестцовые, крестцовые/хвостовые — соответствует границам между зонами экспрессии определенных Hox-генов. Передняя граница экспрессии одного из генов, Hoxc6, совпадает с границей между шейным и грудным отделами у мыши, курицы и гуся, хотя у всех этих животных разное количество шейных позвонков. Таким образом, у этих животных произошло смещение зоны экспрессии гена Hoxc6 по отношению к номеру позвонка (рис. 6.9). У змей это смещение выражено еще сильнее. У них нет четкой границы между шейным и грудным отделами позвоночника, и экспрессия Hoxc6 продолжается до самой головы. Ко всем этим позвонкам присоединены ребра, а это означает, что все эти позвонки грудного типа, однако при этом у них есть еще и признаки шейных позвонков. Отсюда следует, что удлинение тела змеи произошло за счет потери шеи и удлинения грудного отдела в результате сдвига зон экспрессии Hox-генов.

Рис. 6.9. Сдвиг зон экспрессии Hox-генов также способствует эволюции позвоночных. Разные группы позвоночных животных отличаются друг от друга количеством шейных позвонков: у мыши шея короткая, у гуся длинная, а у питонов шеи практически нет, а есть просто длинное туловище. Граница между шейными и грудными позвонками у всех позвоночных совпадает с границей экспрессии гена Hoxc9, однако у разных животных это положение относительно всего тела различается. На этом уровне у всех четвероногих позвоночных возникают передние конечности, а у змей эта граница сдвинута вперед к основанию черепа и конечности не развиваются. Рисунок Лианн Олдс.

Одновременно удивительно и логично, что эволюция формы тела представителей двух наиболее успешных и разнообразных групп животных — членистоногих и позвоночных — происходила по одному и тому же сценарию, связанному со сдвигом зон экспрессии генов Hox вдоль основной оси эмбриона. Самое главное здесь — что мы ухватили суть крупномасштабных изменений в строении животных. Теперь мы можем рассматривать отдельные группы животных — насекомых, пауков и многоножек или птиц, млекопитающих и пресмыкающихся, а также их давно вымерших предков — не как нечто уникальное, а как вариации на общую тему. Лучше всего эту мысль сумел выразить блестящий писатель и философ второй половины восемнадцатого века Дени Дидро (см. цитату в начале главы), и ее же почти сто лет назад сформулировал в своем законе Сэмюель Уиллистон. Теперь мы знаем общий механизм и, следовательно, очень точное объяснение одной из важнейших тенденций в эволюции животных.

Переключатели и сдвиг зон экспрессии

Давайте чуть подробнее исследуем эту эволюционную тенденцию и посмотрим, что же стоит за Hox-генами и географией эмбриона и почему происходит сдвиг зон экспрессии Hox-генов и изменение анатомии.

Все дело в переключателях. Именно генетические переключатели Hox-генов контролируют координаты экспрессии этих генов у эмбриона. Эволюционные сдвиги зон экспрессии Hox-генов происходят из-за изменений нуклеотидных последовательностей переключателей.

Например, позвоночник мыши состоит из семи шейных и тринадцати грудных позвонков, тогда как позвоночник курицы — из четырнадцати шейных и семи грудных позвонков. Передняя граница зоны экспрессии гена Hoxc8 в эмбрионе курицы расположена гораздо дальше от головы, чем в эмбрионе мыши. Положение границы зоны экспрессии гена Hoxc8 в ранних эмбрионах мыши и курицы контролируется специфическим переключателем. Различия в последовательности ДНК этого переключателя у мыши и курицы как раз и отвечают за разницу в относительном расположении зоны экспрессии гена Hoxc8 у этих животных.

Эволюция переключателя гена Hoxc8 в этих двух группах позвоночных иллюстрирует важнейшую роль переключателей в эволюции животных. Изменение нуклеотидной последовательности переключателя приводит к изменению географии эмбриона без нарушения функциональной целостности белкового продукта гена развития. В данном случае изменение переключателя гена Hoxc8 приводит к изменению числа позвонков определенного типа. Белок Hoxc8 играет ключевую роль и в других тканях, поэтому мутации кодирующей последовательности гена могли бы нарушить все его функции. Изменение специфического переключателя позволяет изменять специфические модули, не влияя на другие части тела.

Та же самая стратегия лежит в основе изменений плана строения ракообразных и других членистоногих, о которых я говорил раньше. Сдвиг зоны экспрессии Hox-гена на один, два или три сегмента происходит в результате того, что переключатели начинают активировать экспрессию Hox-генов в немножко других координатах, но это не приводит к нарушению функции Hox- белка.

Возвращаемся к кембрийскому взрыву: генетический потенциал и экологические возможности

Новые данные о ранней эволюции животных, полученные методами эво-дево, содержат в себе три важных элемента. Во-первых, несмотря на практически полное отсутствие палеонтологических данных, относящихся к докембрийскому периоду, можно сказать, что последним общим предком двух основных ветвей древа животных было существо с довольно сложным генетическим и анатомическим строением. Во-вторых, нам точно известно, что это существо обладало полным набором генов развития, необходимых для построения тела, но этот потенциал не использовался на протяжении довольно долгого времени. В-третьих, этот потенциал генов развития в значительной степени реализовался в кембрийском периоде и несколько позднее в результате эволюции переключателей и генетических сетей, а также в результате сдвига зон экспрессии Hox-генов.

Если кембрийский взрыв не был спровоцирован появлением набора генов развития, то что же стало его причиной? Все более широкое распространение получает идея о том, что кембрийский взрыв был экологическим явлением. Начавшаяся эволюция более крупных и более сложных животных повлекла за собой эволюцию еще более крупных и еще более сложных животных и т.д. По мере развертывания "взрывной волны" давление экологических взаимодействий и конкуренции между все более разнообразными видами животных стимулировало эволюцию более сложных структур, таких как фасеточные и камерные глаза, членистые конечности для ходьбы, плавания и ловли добычи, сердца для обеспечения циркуляции крови в более крупных телах, а также лучше дифференцированные головной, грудной и хвостовой отделы тела для большей подвижности и лучшей защиты. Генам развития в этом сценарии отводилась очень важная роль, однако сами по себе эти гены были лишь инструментом, а не движущим фактором эволюции. События кембрийского периода определялись глобальной экологической ситуацией.

За кембрийский период многие поначалу небольшие группы животных достигли невероятного разнообразия. После этого произошло еще множество "малых взрывов", которые можно связать с использованием новых экологических возможностей. После выхода позвоночных и членистоногих животных (а также растений) на сушу началось ее стремительное освоение. Во многих случаях освоение суши стало возможно благодаря структурным инновациям и изменениям в строении отдельных частей тела, позволившим изменить образ жизни и способствовавшим дальнейшей экспансии. В следующей главе мы поговорим о некоторых важнейших новшествах, которые фактически создали новые таксоны животных.

Эволюция конечностей сыграла важнейшую роль в возникновении изображенных здесь групп животных и освоении ими новых территорий. Рисунок Джейми Кэрролл.

Глава 7. Малые взрывы. Крылья и другие революционные изобретения

Я учусь летать, Но крыльев у меня нет Труднее всего Падать с небес

Том Петти и Джефф Линн Learning to Fly (1991)

В тех редких случаях, когда я оказываюсь в очень приличном ресторане, я прихожу в полное замешательство при виде столовых приборов... и я в этом не одинок. Какая вилка для салата, а какая для основного блюда? О боже, неужели я ел картошку-фри десертной вилкой? Ножи для масла, мяса и сыра, чайные ложки, столовые и суповые — как мы дошли до подобной суперспециализации?

В средние века обеденный этикет был куда проще, но постепенно он эволюционировал. В какой-то момент люди стали есть двумя ножами: одним ножом разрезали пищу, а другим отправляли ее в рот. Потом появились двузубые вилки, подхватывать куски которыми было гораздо удобнее, чем ножом с одним лезвием. Никто точно не знает, когда вилка начала заменять второй нож за обеденным столом, и одному богу известно, какой извращенный ум придумал все остальные столовые приборы, но именно этот маленький фрагмент из истории столового этикета имеет прямую аналогию в биологической эволюции. Дело в том, что структуры (такие как вилки), предназначенные для определенной функции (для накалывания еды), часто возникают на основе уже существующих структур (ножей), прежде выполнявших несколько задач (разрезание и накалывание). Удвоение исходной структуры (использование двух ножей) позволяет произвести разделение труда между двумя различными структурами. Более того, структура, выбранная для решения новых задач, может подвергаться дальнейшей модификации и специализации.

А еще можно привести пример с канцелярской скрепкой. Сначала скрепку придумали в качестве альтернативы булавке для скрепления фрагментов ткани, и лишь позднее ее основной функцией стало скрепление листов бумаги. На пути от исходного варианта к теперешней форме скрепка прошла множество промежуточных стадий. На одной она использовалась для скрепления газетных листов, на другой — для скрепления более толстых пачек бумаги (рис. 7.1). Эволюция канцелярской скрепки является примером того, как структура, изобретенная для одной цели, может приобретать новые формы и адаптироваться к новым функциям.

Рис. 7.1. Эволюция канцелярской скрепки. Пример адаптации формы к выполнению определенной задачи. Рисунок Лианн Олдс.

Истории вилки и канцелярской скрепки аналогичны эволюции конечностей животных. Группа конечностей, освобожденных от некоторых функций, приобретала новую форму и новые функции, что позволяло виду выжить в мире жесткой конкуренции. Сначала в море, потом на суше, а затем и в воздухе разыгрывалась эволюционная драма, настоящая гонка вооружений (точнее, гонка конечностей), в поисках более быстрых, легких, сильных или гибких конечностей, позволяющих лучше плавать, ходить, бегать, прыгать и рыть, или летать, или хватать, глотать, жевать, фильтровать и засасывать пищу.

Зачастую эти новшества открывали путь к совершенно новому образу жизни, что приводило к быстрому увеличению биоразнообразия — маленьким взрывам в эволюции животных. По мере появления новых возможностей некоторые нововведения подвергались дополнительным модификациям. Позвоночные животные выползли на сушу, пользуясь брюшными и грудными плавниками своих рыбообразных предков. У них были всего две пары конечностей, но они не менее трех раз поднимались в воздух и давали начало трем новым группам животных (птерозаврам, птицам и летучим мышам), много раз возвращались в воду (киты, дельфины, тюлени и др.) и значительно разнообразили вид своих конечностей, чтобы проворнее передвигаться по земле. Несколько миллионов лет назад, когда предки человека перестали ходить на четвереньках и встали на две ноги, для их передних конечностей открылись новые возможности. Когда руки перестали нести на себе тело, они освободились для самой разной работы — изготовления орудий, охоты, общения и даже для изображения окружающего мира. Эта активность сопровождалась и подкреплялась развитием более крупного и быстро действующего мозга, а также дальнейшей эволюцией скелета для вынашивания потомства и развитием семейных отношений для его воспитания.

Важная роль повторяющихся структур тела заключалась в том, что некоторые задачи можно было переложить с одной или нескольких пар этих структур на другие, а освободившиеся структуры занять чем-то новым. Позвоночные преуспели в этом направлении, но никто не может сравниться с изобретательностью членистоногих. Хотя все конечности членистоногих имеют одинаковый базовый дизайн, в ходе эволюции возник широчайший спектр вариаций на тему этого дизайна. В предыдущей главе я рассказывал об эволюции ногочелюстей у ракообразных животных. Так вот, эволюция этих ротовых структур освободила грудные конечности от обязанности фильтровать пищу и позволила им освоить новые способы передвижения, такие как ходьба, плавание или рытье. Это, в свою очередь, открыло новые возможности для эволюции ракообразных.

Открытие механизма диверсификации сериально повторяющихся структур, особенно конечностей, стало ключом к пониманию хода эволюционных преобразований. Биологи-эволюционисты долгое время пытались понять, каким образом совершались важнейшие изменения в далеком прошлом. Противники эволюционной теории утверждали, что промежуточные стадии эволюции тех или иных структур были бесполезны: "Зачем нужна половина ноги или половина глаза?" Следуя этой абсурдной логике, следовало признать, что все структуры были созданы единовременно и никакой эволюции не было и нет. Приверженцы этой точки зрения указывали на перечисленные самим Дарвином сложности в объяснении теории эволюции, однако отказывались воспринимать представлен-ное им же блестящее решение проблемы. Дарвин считал, что один и тот же орган в одно и то же время может выполнять разные функции, а два разных органа также одновременно могут работать над выполнением общей функции. Эта многофункциональность и избыточность создают возможности для специализации структур за счет разделения труда. Наличие повторяющихся структур позволяет животным "иметь ноги и при этом учиться ими есть".

В этой главе я сделаю акцент на преемственности у структур, адаптированных к совершенно разным функциям, особенно у членистоногих. Поскольку преемственность между различными структурами у разных групп животных (например, жабры водных ракообразных и конечности наземных членистоногих) часто скрыта за различиями формы, она не сразу стала очевидна для биологов. Однако благодаря новым методам и достижениям эво-дево удалось рассеять многие сомнения. Я расскажу о том, как простые ноги-трубочки кембрийских лопастеногих превратились в удобные приспособления для плавания, ходьбы и дыхания у ракообразных, жабры у водных насекомых, крылья у наземных насекомых, легкие и паутинные бородавки у пауков. Ни одна из этих структур не была создана с нуля — все они представляют собой вариации на тему примитивных древних конечностей.

Появление новой формы и новых функций конечностей происходило путем изменения географии конечностей в процессе развития эмбриона. Я покажу, каким образом изменение географии позволило насекомым научиться летать и найти новые способы полета, позвоночным — выйти на сушу, а змеям и другим группам адаптироваться к новым специфическим нишам.

Простое начало: двуветвистые конечности

В ходе эволюции членистоногих простые отростки на туловище превратились в конечности с разными функциями. Животные многих видов имеют одновременно несколько вариантов кочнечностей, которые служат своим хозяевам для различных движений и защиты. Взгляните на конечности скромного речного рака (рис. 7.2): в него встроено больше всяких полезных штучек, чем в знаменитый швейцарский армейский нож.

Рис. 7.2. Разнообразие конечностей одного из членистоногих — речного рака. На теле этого животного не менее четырнадцати различных конечностей, включая два набора антенн, четыре пары ходильных ног, три набора ногочелюстей и несколько пар брюшных плавательных ножек (плеопод). Все эти отростки представляют собой вариации примитивного базового дизайна. Рисунок Лианн Олдс выполнен на основе рисунков из книги R. E. Snodgrass, Arthropod Anatomy, Comstock Publishing Associates, 1952.

Морфология конечностей всегда фигурировала в дебатах на тему эволюции членистоногих. Новый взгляд на происхождение и эволюцию структур их тела возник в результате объединения информации, полученной из разных источников. Палеонтологи открыли и исследовали ранее неизвестные ископаемые, установление родства между различными таксонами животных позволило внести поправки в филогенетическое древо членистоногих, а эво-дево представила данные совершенно нового типа. Процесс эволюции конечностей членистоногих начался с модификации двуветвистых конечностей древнейших групп животных. Основные элементы этих древних конечностей, которые были у трилобитов и сохранились у современных ракообразных, схематически изображены на рис. 7.3. Две ветви каждой конечности отходят от общего основания. Внутренняя ветвь образует членистую ходильную ногу, а внешние ветви выполняют много разных функций. В процессе эволюции этот базовый чертеж по-разному видоизменялся у разных животных: из основания, а также из внутренней и внешней ветвей развивались более мелкие ответвления и выросты со специализированными функциями. Например, из основания получились структуры, необходимые для обработки пищи, а на внешней ветви расположились жабры, с помощью которых водные членистоногие получают кислород и выделяют углекислый газ.

Рис. 7.3. Строение двуветвистых конечностей. Поперечный срез (вид сзади) типичной двуветвистой конечности: верхняя ветвь с жабрами необходима для дыхания, а нижняя — для передвижения. Рисунок Лианн Олдс выполнен по рисунку из книги С. Гулда "Удивительная жизнь".

Наверное, лучше всего вам знакомы членистые неразветвленные конечности насекомых. Но какими бы замечательными они ни были, они относятся к разряду простейших структур среди чрезвычайного разнообразия конечностей членистоногих. Многие биологи долгое время ошибочно считали, что эти столь простые ноги насекомых, сороконожек, многоножек и онихофор объединяют эти группы между собой и отличают их от ракообразных, трилобитов, скорпионов и мечехвостов, имеющих более сложные раздвоенные ноги. Такая точка зрения была широко распространена еще в тот момент, когда Гулд писал книгу "Удивительная жизнь".

Однако это было ошибкой. Я рассказываю об этом не затем, чтобы забить вам головы неверными гипотезами, а чтобы показать, как опора исключительно на морфологические признаки может привести к неверной трактовке эволюционных событий. Некоторые известные, влиятельные биологи с энциклопедическими знаниями в области анатомии членистоногих пришли к выводу, что животные с неразветвленными (одноветвистыми) конечностями отличаются от животных с разветвленными (двуветвистыми) конечностями, что они приобрели свои конечности независимыми путями и принадлежат к разным типам, а не к общей группе членистоногих.

Однако появились доказательства, опровергающие независимое происхождение разветвленных и неразветвленных конечностей и указывающие на то, что разветвленные конечности образовались из простых, напоминающих трубочки лобоподий лопастеногих животных. По-видимому, у предков членистоногих появился целый ряд эволюционных новшеств, хотя начиналось все с простых лопастевидных конечностей, таких как у Aysheaia. Скорее всего, у животных с ножками, отходившими от нижней части туловища, появились новые конечности, расположенные выше (ближе к спине), которые стали использоваться для дыхания, как, например, у Opabinia. Позднее основания верхних и нижних отростков слились воедино, и у предшественников членистоногих появились сегментированные ходильные ноги (рис. 7.4). Одно из новейших подтверждений этой гипотезы было получено с помощью методов эво-дево. В лобоподиях онихофор и во всех ветвях конечностей членистоногих экспрессируется ген Distal-less, участвующий в построении конечностей. Это говорит о том, что все типы конечностей членистоногих — как разветвленные, так и неразветвленные — эволюционировали из древних лобоподии, а не возникли независимым образом из двух разных типов конечностей.

Рис. 7.4. Три этапа эволюции конечностей. Некоторые лопастеногие имели неразветвленные лобоподии, другие — двулопастные лобоподии, две части которых, по-видимому, слились в основании, образовав членистую двуветвистую конечность членистоногого. Рисунок Лианн Олдс.

Учимся летать: от множества жабр к паре крыльев

Многофункциональность разветвленных конечностей водных членистоногих является ключом к пониманию двух важнейших новых способностей, приобретенных членистоногими, — ходить по земле и летать по воздуху. У водных ракообразных жаберные придатки, расположенные на верхних ветвях конечностей, служат для выполнения дыхательной функции, тогда как нижние ветви нужны для ходьбы или плавания. У всех наземных членистоногих ходильные ноги неразветвленные. Это упрощенное строение появилось в результате редуцирования сложных разветвленных конечностей предков к единственной нижней ветви.

Таким образом, мы разобрались, как у насекомых появились ноги, но откуда взялись крылья? Происхождение крыльев насекомых долгое время оставалось загадкой. Некоторые биологи считали, что крылья появились как независимые выросты стенки грудного отдела бескрылых насекомых. Другая гипотеза заключалась в том, что крылья могли эволюционировать из ветвей конечностей, в частности, из жабр обитавших в воде предков. Специалисты в области сравнительной анатомии долгое время бились над этими двумя гипотезами и никак не могли прийти к единому мнению.

И опять новые данные были получены с помощью эво-дево. Изучение развития крыльев насекомых, особенно дрозофил, позволило идентифицировать белки, необходимые для построения крыла. Два таких белка, являющихся продуктами генов развития, получили названия Apterous ("бескрылый"; при мутации соответствующего гена крылья отсутствуют) и Nubbin ("комочек"; при мутации соответствующего гена вместо крыльев появляются лишь небольшие утолщения ткани). Чтобы проверить гипотезу о происхождении крыльев из жаберных придатков конечностей ракообразных, Михалис Авероф и Стивен Коэн занялись анализом экспрессии Apterous и Nubbin в конечностях других членистоногих, особенно ракообразных. К большому удивлению, они обнаружили, что гены apterous и nubbin избирательно экспрессируются в жаберном придатке верхней ветви конечностей ракообразных. Лучшее объяснение этого открытия заключается в том, что жаберный придаток ракообразных и крыло насекомых являются гомологами —т.е. вариантами одной и той же части тела у разных видов животных. Единственным альтернативным объяснением могло быть невероятное совпадение, в результате которого для создания жабр и крыльев насекомые и ракообразные из сотен генов развития выбрали именно эти два. Гораздо более вероятно, что Apterous и Nubbin использовались для создания дыхательного аппарата у водных ракообразных, являвшихся предками насекомых, и продолжали свою работу даже после того, как у насекомых эти конечности превратились в крылья (и, как мы увидим позднее, в другие структуры у других животных). Затем у насекомых верхние и нижние ветви конечностей разделились: часть верхней ветви поднялась на спину и превратилась в крыло, а нижняя часть превратилась в неразветвленную ходильную ногу.

У теории превращения жабр в крылья всегда были доказательства (но, вероятно, они были недостаточно весомы, чтобы раз и навсегда решить этот вопрос). Если крылья насекомых образовались из жабр ракообразных, означает ли это, что какие-то раки или креветки просто выползли на землю и взлетели? Нет, совсем не так. Животных, приобретших дыхательный аппарат, и насекомых с пригодными для полета крыльями разделяет множество эволюционных стадий. Лучше всего понять, как произошел этот переход, помогают ископаемые остатки давно исчезнувших насекомых и открытия эво-дево. Наша лаборатория участвовала в изучении этого вопроса, и это еще один пример того, как сочетание новых знаний об ископаемых животных, генах и эмбрионах позволяет выстроить цельную картину событий прошлого.

Ископаемые, ставшие важными источниками информации о структуре древних насекомых, не похожи ни на одно современное животное. Меня в свое время очень удивил рисунок нимфы[8] примитивного водного насекомого" (рис. 7.5. слева). Это существо, жившее более 300 млн лет назад, независимо изучали палеонтологи Робин Вуттон и Ярмила Кукалова-Пек. Важнейшая особенность этого животного — наличие на всех грудных и брюшных сегментах структур, напоминающих крылья. Сходство с крыльями им придают канальцы, похожие на жилки на крыльях насекомых. Однако это существо было водным животным, и эти структуры — не крылья, а жабры, напоминающие жабры нимф стрекоз и поденок.

Рис. 7.5. Эволюция числа и формы крыльев. В соответствии с законом Уилли-стона, крылья возникли из ряда жаброподобных конечностей на всех сегментах нимфы вымершего членистоногого. Число этих выростов постепенно уменьшалось (нимфа поденки), и в какой-то момент они превратились в две пары крыльев, как у большинства современных крылатых насекомых. Постепенное сокращение числа крыльев связано с постепенным увеличением числа участков для связывания Hox-белков в переключателях генов, способствующих развитию крыла. Рисунок Лианн Олдс.

Скорее всего, крылья появились у тех наземных насекомых, которые на личиночной стадии имели жабры. В таком случае крыльями могли стать структуры взрослого животного, модифицированные из жабр, но это не означало отсутствия жабр у личинок. Поденки и стрекозы, самые примитивные из всех крылатых насекомых, проходят в своем жизненном цикле стадию водной нимфы с жабрами на брюшке. Наличие в жизненном цикле животных дискретных стадий открывает большие возможности для эволюции. Подумайте, ведь взрослая стрекоза или взрослая поденка имеют мало общего со своей водной молодью, обитающей в совершенно других условиях. Адаптация к этим разным условиям существования произошла одновременно, на базе одного генома, только за счет разделения программы развития нимфы и программы развития взрослого животного. Эволюция совершенно разной морфологии личиночной и взрослой формы — очень распространенная тенденция в мире животных (гусеницы и бабочки, билатерально симметричные личинки иглокожих и радиально симметричные взрослые формы).

Этот сценарий помогает объяснить превращение жабр в крылья, но не объясняет, почему изменилось число крыльев. Аэродинамические исследования показывают, что две пары крыльев, расположенные на втором и третьем грудных сегментах, обеспечивают наилучшие летные характеристики. Как насекомые пришли к этому оптимальному решению?

Возвращаемся к закону Уиллистона, Hox-генам и переключателям. Специализация часто сопровождается сокращением числа сериально гомологичных структур, помните? Именно это и произошло в процессе эволюции крыльев насекомых. В палеонтологической летописи присутствуют вымершие формы с меньшим количеством или меньшими по размеру крыльями на брюшке и на первом грудном сегменте (T1). Эти формы являются промежуточными между примитивными водными формами и современными крылатыми насекомыми (рис. 7.5). В процессе развития формирование крыльев на всех участках, кроме второго и третьего грудных сегментов, сокращалось, что привело к уменьшению количества крыльев.

За счет чего подавление развития крыльев осуществлялось столь избирательно? Сегменты, на которых крылья исчезли, у всех насекомых совпадают с зонами экспрессии определенных Hox-белков. Более того, Скотт Уэзерби и Джим Ленжленд из нашей лаборатории показали, что в этих сегментах у дрозофилы образование крыла подавляется за счет экспрессии соответствующих Hox-генов. Это говорит о том, что современные насекомые с двумя парами крыльев получились в результате подавления развития крыла Hox-белками, действующими в первом грудном и во всех брюшных сегментах. Этот механизм должен был эволюционировать постепенно в разных группах древних насекомых, поскольку палеонтологическая летопись содержит такие виды, у которых формирование "лишних" крыльев подавлено не полностью. Первопричина подавления формирования крыльев заключается в том, что в переключателях генов, вовлеченных в формирование крыльев, появились сигнатурные последовательности для Hox-белков, которые привели к отключению этих генов в соответствующих сегментах.

Паучьи сказки: еще больше превращений жабр членистоногих

Насекомые, безусловно, представляют собой очень успешную группу членистоногих, но есть и другие, которые также процветают на суше. Пауки произошли от другой филогенетической ветви членистоногих, называемых хелицеровыми, и тоже неплохо приспособились к земной жизни. Это ближайшие родственники скорпионов, клещей и мечехвостов.

Как и насекомым, паукам для перехода к сухопутному образу жизни тоже пришлось изменить способы дыхания, перемещения, размножения и добычи пищи по сравнению с водными предками. У пауков появились так называемые легочные мешки и трахеи для дыхания, а также паутинные бородавки для производства паутины, чтобы ловить добычу (рис. 7.6). При развитии всех этих органов в них экспрессируется ген Distal-less, а это означает, что все они — модифицированные конечности. Но какие именно?

Рис. 7.6. Пауки и их изобретения. Для адаптации к жизни на суше у пауков появились легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки, которые образовались из жаберных ветвей конечностей их водных предков. Все эти структуры являются сериальными гомологами педипальп (ротовых придатков) и ходильных ног Рисунок Лианн Олдс.

И вновь эво-дево занялась вопросом, который не могли решить на протяжении сотни лет. Уим Дамен, Теодора Саридаки и Михалис Авероф обнаружили, что в каждой из этих структур экспрессируются белки Apterous и Nubbin — два белковых продукта генов развития, которые также экспрессируются в жабрах водных ракообразных и в крыльях насекомых. Это открытие является строгим доказательством того, что легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки произошли из жаберных ветвей конечностей древних членистоногих. Кроме того, ученые обнаружили, что жаберные книжки мечехвоста тоже синтезируют эту пару белков, так что эти структуры также произошли от жаберных ветвей конечностей. Учитывая родственную связь между мечехвостами и пауками, следует заключить, что в ходе эволюции пауков и их адаптации к жизни на суше жаберные книжки превратились в легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки. Вкупе с доказательствами того, что крылья насекомых произошли от жаберных ветвей конечностей ракообразных, все это складывается в поразительную картину. Все новшества, "изобретенные" наземными животными, на самом деле являются продуктом модификации предковой модели двуветвистых конечностей (рис. 7.7). А эта модель, в свою очередь, произошла от нечленистых лобоподий и латеральных жаберных придатков лопастеногих животных. Таким образом, все приспособления членистоногих — клешни, ходильные и плавательные ноги, максиллы, ногочелюсти, жабры, легочные мешки, трахеи, паутинные бородавки и крылья — являются продуктами модификации конечностей более древних предшественников.

Рис. 7.7. Многочисленные превращения жаберных ветвей конечностей членистоногих. Из жаберных придатков на конечностях древних водных форм членистоногих эволюционировали крылья насекомых, жаберные книжки мечехвостов и разные структуры пауков. Это удивительное разнообразие специализированных структур иллюстрирует преимущества обладания сериально повторяющимися элементами, которые могут быть модифицированы для решения различных задач. Рисунок предоставлен Михалисом Аверофом (адаптировано из статьи Damen et. al., Current Biology 12, 2002:1711).

Возможно, вы уже начинаете улавливать основное направление эволюции. Природа нечасто изобретает что-то с нуля, скорее, она перестраивает существующие структуры с помощью набора генов развития, которые уже доступны для использования.

Из множества многофункциональных конечностей, которые использовались для питания, плавания, дыхания и передвижения, у водных членистоногих образовались специализированные структуры, позволившие их потомкам освоить новые экосистемы и полностью изменить строение тела.

Эволюция конечностей

Хотя все конечности членистоногих, о которых я рассказывал, произошли от одной и той же структуры, по форме они неодинаковы. Например, сериально гомологичные структуры паука, такие как паутинные бородавки, трахеи и легочные мешки, хотя и находятся в теле одного и того же животного, имеют разное строение. Крылья, которые также произошли от конечностей древнего предка насекомых, очень сильно различаются у животных разных видов. Итак, мы должны понять, каким образом регулируется форма сериально гомологичных структур в организме животных, а также каким образом происходит эволюция гомологичных структур у разных видов животных.

И вновь ключевую роль в этих процессах играют Hox-гены. В частности, нам известно, что у паука сегменты тела, несущие легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки, относятся к зонам экспрессии разных Hox-генов. Это еще одно проявление закона Уиллистона. У водных предков жаберные книжки были сериально повторяющимися элементами, но у пауков соседние сегменты приобрели собственную специализацию. Легочные мешки формируются в зоне экспрессии гена Hox7, трахеи — в зоне экспрессии генов Hox7 и 8, а паутинные бородавки — в зонах экспрессии генов Hox7, 8 и 9. Различие между этими структурами объясняется действием разных комбинаций Hox-белков на переключатели генов, участвующих в построении соответствующих органов.

Эволюция формы одних и тех же органов у разных видов тоже определяется экспрессией Hox-генов. Однако эволюция формы конечностей каждого конкретного вида происходит при участии одного и того же Hox-белка. Хороший пример — эволюция задних крыльев насекомых.

Эволюция крыльев у насекомых не закончилась с формированием четырехкрылого насекомого. У первых крылатых насекомых, а также у самых примитивных современных насекомых (таких как поденки и стрекозы) две пары крыльев выглядят почти одинаково. У более поздних видов передние и задние крылья стали заметно различаться по размеру, форме, текстуре, окраске и функциям. Например, у жуков задние крылья перепончатые и используются для полета, тогда как жесткие передние крылья нужны для защиты хрупких задних крыльев. У бабочек, например у парусника, форма и цвет передних и задних крыльев заметно различаются. Задние крылья мух и комаров называют балансирами, поскольку они служат в качестве гироскопа. Задние крылья этих насекомых имеют округлую форму, гораздо меньше передних и нужны для выравнивания положения тела в полете (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Эволюция задних крыльев насекомых. Форма задних крыльев насекомых эволюционировала путем изменений в наборах генов, контролируемых специфичным для задних крыльев белком Ubx. Рисунок Лианн Олдс.

Столь широкое разнообразие формы задних крыльев связано с избирательным изменением географии этой части тела в процессе эмбрионального развития. Такая избирательность оказалось возможной по той причине, что развитие задних крыльев контролируется специфическим Hox-белком, называемым Ultrabithorax (Ubx), тогда как развитие передних крыльев происходит без участия Hox-белков. Зависимость развития задних крыльев от белка Ubx была продемонстрирована с помощью мутаций, нарушающих функцию Ubx в задних крыльях жуков, бабочек и мух; во всех случаях в результате мутации задние крылья вырастали такими же, как передние. Таким образом, все различия между передними и задними крыльями насекомых связаны с функционированием белка Ubx.

Белок Ubx модифицирует механизмы регуляции развития задних крыльев жуков, бабочек, мух и других насекомых специфическим образом для каждого вида животных. Белок связывается с переключателями генов, участвующих в построении крыла, и влияет на их активность. Это означает, что в ходе эволюции различных видов насекомых в переключателях некоторых генов появились сигнатурные последовательности для связывания Ubx. Причем у разных насекомых этот белок влияет на активность разных генов, участвующих в построении крыльев. Для предотвращения образования жилок в задних крыльях мух выключаются одни гены, для формирования длинных "хвостов" на задних крыльях бабочки парусника включаются совсем другие. Эволюция формы задних крыльев происходит за счет изменения переключателей, которыми управляет белок Ubx (рис. 7.8).

Аналогичным образом, специфическая форма других приспособлений членистоногих также возникала за счет модификации переключателей, регулируемых отдельными Hox-белками. Длинные хоботки бабочек, которыми они пользуются для питья нектара, острые хоботки комаров, сильные ноги кузнечиков и сверчков, а также клешни раков, крабов и омаров — все это продукты избирательной эволюции отдельных конечностей, контролируемых специфическими Hox-белками.

Более того, превращение одинаковых "базовых" конечностей в конечности разной формы и с разными функциями является важным элементом эволюции позвоночных, к которым относимся и мы с вами.

От пальцев рыб к крыльям летучих мышей

Хотя позвоночные обходятся меньшим количеством ног, чем членистоногие, они оказались не менее изобретательными в приспособлении к жизни на земле, в воде и в воздухе и преуспели в создании мощных, красивых и ловких конечностей. Причем все их достижения были основаны на "базовой модели" с двумя парами конечностей, обычно снабженных не более чем пятью пальцами.

Четвероногие позвоночные, или тетраподы (формальный термин для обозначения всех земноводных, пресмыкающихся, динозавров, птиц и млекопитающих), впервые вышли на сушу при помощи модифицированных парных грудных и брюшных плавников во время девонского периода (около 365 млн лет назад). Поскольку этот переход был одним из ярчайших примеров смены среды обитания в истории животных и совершили его достаточно крупные животные с крепким скелетом, хорошо сохранившимся в виде окаменелостей, то данный период хорошо изучен палеонтологами. В частности, об этом рассказывает книга Карла Циммера "Линия прибоя" (At the Water's Edge), которую я очень советую прочесть.

Нас с вами прежде всего интересует, каким образом плавники превратились в конечности, а конечности приобрели то разнообразие форм, которое мы наблюдаем сегодня у четвероногих животных. Эту большую историю можно разделить на четыре этапа. Во-первых, мы должны понять, каким было строение рыб до появления тетрапод. Во-вторых, какие структуры появились у животных при выходе на сушу. В-третьих, мы должны проследить за ходом превращения базовой модели конечности в различные специализированные структуры, такие как крылья. А в-четвертых, при адаптации к определенным условиям обитания многие позвоночные вообще избавились от конечностей, и мы с вами исследуем это превращение на примере рыб и змей. На каждом этапе эволюция формы связана с эволюцией развития, и я покажу, что происходило с географией конечностей позвоночных.

Чтобы понять, как плавники превратились в конечности, следует обратиться к палеонтологической летописи позднего девона (примерно 362-375 млн лет назад). Эволюция рыб к тому времени продолжалась уже около 150 млн лет, и, как показывает анализ ископаемых, существовало довольно большое количество видов рыб с самыми разнообразными плавниками. У одних плавники были длиной во все тело, у других был одиночный спинной плавник, а у третьих — два набора парных плавников, которые начинались сразу за головным щитом. Принципиальным различием между парными плавниками этих рыб и конечностями полноценных четвероногих животных является наличие у последних кистей, стоп и пальцев. В примитивных плавниках рыб существуют гомологи плеча и предплечья, бедра и голени, но только в конце девонского периода у позвоночных появляется важнейший дистальный элемент конечности, называемый автоподией.

Поэтому происхождение автоподий вызывает чрезвычайно большой интерес. Больше всего о переходе от плавников, состоящих из двух элементов, к конечностям из трех элементов рассказали ископаемые остатки таких животных, как Sauripterus и Acanthostega (рис. 7.9). Оба вида имели автоподии. Анатомическое строение грудного плавника рыбы Sauripterus очень напоминает строение конечности примитивной тетраподы. В этом плавнике восемь радиально расходящихся костей, количество и расположение которых такое же, как у примитивных тетрапод. Это своеобразные "пальцы", которые эволюционировали внутри плавника. Кроме того, существует определенное сходство в расположении и сочленении других костей плавника со структурой конечности тетрапод. Обнаружение "рыб с пальцами" подтверждает, что в ископаемой летописи существуют переходные формы, но чтобы найти истинные жемчужины, необходимо сочетание профессионализма, терпения и удачи (лучший образец конечности Sauripterus был найден только в середине 1990-х гг. при прокладке дороги в Пенсильвании).

У акантостеги, появившейся чуть позже зауриптеруса, было четыре ноги, но они не могли поддерживать тело, и, кроме того, многие признаки конечностей и всего тела у нее были ближе всего к рыбьим. На передних ногах было по восемь пальцев, а на задних — по семь. Это раннее четвероногое животное является связующим звеном между зауриптерусом с радиальной структурой восьмипалой кисти и более поздними формами. Восьмипалая кисть акантостеги состояла из сериально повторяющихся структур не более чем пяти видов. Позднее количество пальцев у тетрапод сократилось. Примитивное земноводное тулерпетон было шестипалым (рис. 7.9), однако у еще более поздних видов количество пальцев не превышало пяти, и этот верхний предел сохраняется с тех пор уже 300 млн лет.

Рис. 7.9. От плавников к пальцам. Ранняя эволюция кистей рук и стоп четвероногих животных, как демонстрируют представленные здесь изображения ископаемых девонского периода, состояла в сокращении числа и усилении специализации пальцев. Рисунок предоставлен Нилом Шубином и Майклом Коутсом, Университет Чикаго.

Следует сказать, что ни зауриптерус, ни акантостега не считаются непосредственными предками тетрапод. Скорее, эти ископаемые животные представляют собой варианты эволюционного развития нескольких линий пресноводных рыб, живших в конце девонского периода. Сходство строения их плавников и конечностей тетрапод, по-видимому, отражает параллельную эволюцию разных групп животных в одинаковых экологических условиях (параллельная эволюция — важное и достаточно распространенное явление, о котором я кратко расскажу позднее).

Новые структуры с помощью новых переключателей

Как возникли автоподии? Обратимся вновь к данным эво-дево и к анализу генов и эмбрионов современных животных, чтобы понять, как происходит сдвиг в географии конечностей. Сравним развитие плавников рыб и конечностей тетрапод. В конечностях тетрапод три основных элемента обычно создаются в направлении от проксимального к дистальному отделу (в первую очередь бедра или плечи, в последнюю очередь пальцы). У рыб два первых этапа развития конечности совпадают с таковыми у тетрапод, а третий этап отсутствует.

У тетрапод все три этапа развития конечности происходят с участием двух специфических наборов /Vox-генов, относящихся к двум из четырех /Vox-кластеров. Использование /Vox-генов при построении проксимально-дистальной оси конечности позвоночных не имеет ничего общего с их использованием у членистоногих (где они обычно служат для создания разных типов конечностей). На каждом этапе происходит смена трехмерной картины экспрессии /Vox-генов, что коррелирует со спецификой каждого элемента конечности. Известно, что при мутации /Vox-генов у мышей и у людей нарушается нормальный процесс формирования конечностей. Так, мутации /Vox-генов, задействованных на третьем этапе развития конечностей, влияют на количество и размер пальцев.

Эволюция третьего этапа экспрессии /Vox-генов при создании автоподий — изобретение тетрапод. Этот третий этап контролируют особые переключатели, отличные от тех, которые контролируют два первых этапа. Очевидно, новые структуры появились по той причине, что несколько Hox-генов у позвоночных животных приобрели новый переключатель или группу переключателей, способных активировать эти гены в новом дистальном отделе конечности эмбриона.

Это не единственное изменение, произошедшее в ходе эволюции автоподий. Для формирования этого дистального отдела конечностей нужны были и другие изменения в развитии и генетическом багаже эмбриона. Другие гены, такие как члены семейства BMP, задействованные в формировании костей, и семейства GDF, участвующие в образовании суставов, приобрели специфические переключатели для создания пальцев. Кроме того, эволюционировали гены, участвующие в формировании всех видов мягких тканей конечностей — сухожилий, связок и мышц.

Летаем и ползаем: эволюция конечностей для нового образа жизни

За последующие 350 млн лет строение и функции конечностей четвероногих животных менялись множество раз во многих направлениях — от удивительного превращения лап в крылья у летающих животных до различной степени редукции конечностей у обитателей воды и суши. Все эти модификации происходили за счет эволюционных изменений развития конечностей, и в некоторых случаях ученым, работающим в области эво-дево, удавалось зафиксировать некоторые важные сдвиги в географии развивающихся конечностей.

Три раза в ходе эволюции животных — у птерозавров, птиц и летучих мышей — передние конечности тетрапод превращались в крылья. Чтобы животное могло летать, крыло должно двигаться вверх и вниз, вперед и назад, а также складываться вдоль тела, когда животное находится на земле. Интересно, что дизайн крыльев каждой из трех групп летающих животных отличается важными деталями. Пэт Шипман в книге "Расправляя крылья" (Taking Wing) назвала крылья птерозавров "крыльями пальцев", крылья птиц "крыльями предплечий", а крылья летучих мышей "крыльями кистей" (рис. 7.10). Давайте рассмотрим эти три изобретения в порядке их появления, начиная с птерозавров.

Рис. 7.10. Эволюция крыльев позвоночных животных. Крылья птиц — это "крылья предплечий", на которых перья растут вдоль всей длины конечности. Крылья птерозавров — "крылья пальцев": большая часть перепонки крыла связана с длинным пальцем. Крыло летучей мыши — "крыло кисти", поскольку поверхность крыла соединена со многими пальцами передней конечности и простирается до задней конечности. Рисунок Лианн Олдс.

Птерозавры поднялись в воздух примерно 227 млн лет назад — за 70 млн лет до того, как появились птицы (птицы берут свое начало от оперенных динозавров, а не от птерозавров). Самой яркой отличительной чертой крыльев птерозавров был очень длинный четвертый палец, составлявший основу внешней части крыла. Эта конечность имела все основные элементы структуры, включая три первых пальца, а кости кисти были слиты воедино. Три первых пальца не были связаны с перепонкой крыла. Перепонка распространялась на всю длину конечности, но основной размах крыла создавался за счет вытянутого четвертого пальца.

У птиц крыло не имеет перепонки, а состоит из перьев, которые представляют собой выросты кожи по всей длине конечности. Основная часть поверхности крыла приходится на предплечье, тогда как вклад плечевой кости и кисти с пальцами значительно меньше. На самом деле все четыре пальца птиц очень короткие.

Крыло летучей мыши представляет собой кожистую мембрану, опирающуюся на предплечье и сильно вытянутые пальцы, со 2-го по 5-й, так что такое крыло можно назвать "крылом кисти". Задний край крыла достает до задней конечности и прикрепляется на уровне пятки; это придает животному дополнительную устойчивость при полете.

Различия в архитектуре крыльев отражают модификации развития на основе базовой структуры передней конечности тетрапод. Нам многое известно о сходстве в формировании передних конечностей птиц и млекопитающих, однако некоторые детали, определяющие различия крыльев птиц и летучих мышей, пока неясны и активно изучаются биологами-эволюционистами.

О некоторых сдвигах мы знаем больше из модификации развития конечностей у змей и некоторых видов рыб. У змей произошло удлинение всего тела, а развитие конечностей оказалось полностью подавленным. У питонов и удавов по-прежнему образуются рудименты задних конечностей, но передние отсутствуют полностью. В принципе, подавление развития конечностей может происходить на нескольких этапах — от стадий, предшествующих образованию почки конечности, до более поздних стадий ее формирования.

Изучение развития конечностей у эмбриона питона позволило обнаружить эволюционные изменения ранних этапов формирования почки конечности, ответственные за безногость. В частности, распространение зон экспрессии некоторых Hox-генов на всю длину туловища животного до самой головы привело к исчезновению участков инициации формирования почек передних конечностей. Зачатки задних конечностей по-прежнему образуются, но их рост прерывается. Прекращение развития задних конечностей коррелирует с отсутствием экспрессии ключевых сигнальных белков, включая белок Sonic hedgehog, в регионе-организаторе почки задней конечности. Около анального отверстия на туловище питонов и удавов действительно образуются рудименты задних конечностей (анальные шпоры), но у представителей более молодых семейств змей нет даже этих рудиментов. По-видимому, полное отсутствие конечностей у этих змей является результатом нарушения развития конечностей на еще более раннем этапе.

Эволюция конечностей ни в коем случае не сводится к этим давнишним событиям в истории основных групп позвоночных животных. Адаптация и эволюция конечностей продолжаются до сих пор, и у некоторых молодых видов (в частности, у саламандр и ящериц) такие параметры, как число пальцев, варьируют в достаточно широких пределах. Эволюция плавников рыб также является очень динамичным процессом. Недавняя модификация скелета трехиглой колюшки способствовала тому, что этот вид рыб стал одной из излюбленных моделей для изучения эволюции скелета позвоночных животных. Во многих озерах северной части Северной Америки обитают две формы колюшки, относительно недавно произошедшие от общего морского предка. Когда в конце последнего ледникового периода, примерно 15 000 лет назад, ледники начали отступать, популяции колюшек остались жить в ледяных озерах. Затем на протяжении короткого (в геологическом плане) промежутка времени эти популяции дали начало двум формам: первая обитает в придонных слоях шельфовой зоны и имеет короткие шипы, а вторая живет на больших глубинах и отличается значительно большей длиной шипов на спине и на животе (рис. 7.11).

7.11. Эволюция скелета трехиглой колюшки. Длинные шипы защищают колюшку, обитающую на большой глубине, от нападения хищников, поскольку увеличивают общий диаметр туловища. Однако для колюшки, обитающей на мелководье, эти шипы становятся недостатком, так как за них хватаются хищные личинки стрекоз, поэтому сокращение длины этого плавника позволяет ускользнуть от хищников. Рисунок предоставлен Дэвидом Кингсли, Медицинский институт Говарда Хьюза и Стэнфордский университет.

Эти две формы в особенности различаются средствами защиты, состоящими из жестких костных пластинок по бокам и шипов, торчащих из верхней и нижней части тела. Количество и длина этих шипов коррелируют с активностью хищников в водоеме. В открытых водоемах более длинные шипы защищают колюшку от пасти хищника. Однако на дне длинный брюшной плавник становится недостатком. Как это ни парадоксально, серьезная угроза для колюшки — личинка стрекозы, которая хватает молоденьких рыб за плавники. В условиях такого сильного давления хищников в естественных популяциях несколько раз быстро эволюционировала форма, лишенная шипов.

Брюшной плавник является задней конечностью рыбы, так что его укорочение происходит за счет изменений в процессе развития задних конечностей. Специалистам в области биологии развития удалось многое узнать о генах, вовлеченных в развитие и дифференцировку передних и задних конечностей. Один из этих генов, Pitxi, участвует в формировании задних конечностей у тетрапод и брюшного плавника у рыб. Анализ экспрессии Pitxi у не имеющей шипов колюшки из озер Британской Колумбии показал, что экспрессия этого гена в зачатках брюшных плавников специфическим образом отсутствует. Это эволюционное изменение регуляции гена Pitx1, как вы уже могли догадаться, связано с изменением переключателя этого гена, предотвращающим его экспрессию в задних конечностях. Эволюционные изменения переключателя позволили изменить функцию гена Pitxi в брюшном плавнике, но не повлияли на функции этого гена в других областях эмбриона.

Кроме того, анализ генов колюшки с редуцированными шипами, на этот раз из Исландии, говорит о том, что у этих рыб независимым образом произошло такое же изменение экспрессии гена Pitxi. Уменьшение размера шипов также хорошо документировано у ископаемых видов, причем отнюдь не близкородственных. Это говорит о том, что сокращение размера брюшного шипа — достаточно распространенное явление, связанное с многократными эволюционными изменениями переключателей гена Pitxi. Эти наблюдения, а также приведенный в предыдущей главе пример эволюции ногочелюстей показывают, что некоторые эволюционные изменения не являются редкими единичными событиями, но происходят в различных популяциях и у различных видов при одинаковом давлении отбора. В этом смысле можно сказать, что эволюция "воспроизводима".

Действительно, редукция плавника или конечности — совсем не редкое явление. У двух далеких групп млекопитающих — китообразных (киты и дельфины) и ламантинов — произошло значительное сокращение размеров задних конечностей в ходе их независимой эволюции от сухопутных предков к полностью водному образу жизни. Эволюция безногих ящериц также происходила многократно. Таким образом, колюшка — не какое-то странное исключение, но хорошая модель для изучения достаточно распространенного и важного эволюционного процесса. Кроме того, эти рыбы прекрасно сохранились в виде окаменелостей, возраст которых превышает много тысячелетий. Анализ этих окаменелостей показывает, что сокращение размеров плавников может происходить менее чем за 10 000 поколений, или меньше чем за 10 000 лет. Конечно, это не одно мгновение, но на геологической шкале это очень короткий интервал. Подробная палеонтологическая летопись и хорошо изученная генетика современных популяций колюшки, а также повторяющиеся независимые примеры одинаковых эволюционных изменений делают колюшку одним из наиболее выразительных примеров эволюции.

Четыре секрета эволюционных инноваций

Животные и отдельные структуры, описанные в данной главе, раскрывают несколько важнейших секретов эволюции новых форм. Я перечислю четыре таких секрета и расскажу о них подробнее. Первый секрет эволюционных инноваций заключается в том, что природа предпочитает работать с уже существующим материалом. Давайте задумаемся, чего не происходило с рассмотренными нами животными. Паутинные бородавки пауков не образовались de novo, а крылья у позвоночных не вырастали на спине или боках четвероногого животного. Эти и многие другие структуры являются модификациями уже существовавших конечностей. Более четверти века назад Франсуа Жакоб отразил эту важную особенность эволюции в статье "Эволюция и ремесло" (Evolution and Tinkering). Жакоб отметил, что природа больше похожа на ремесленника, подгоняющего доступные детали и беспрерывно переделывающего и перекраивающего структуры на протяжении целых эпох, а не на инженера, который следует определенному плану и использует инструменты специального назначения. Этот принцип работает и на генетическом уровне: одни и те же "старые" гены используются для разных нужд. Чаще всего эволюция следует зигзагом от А до В, а вовсе не от нуля напрямую к В.

Второй и третий секреты — многофункциональность и избыточность — были впервые отмечены Дарвином. Я уже говорил о тех возможностях, которые открываются при выполнении этих двух условий. Любой элемент многофункциональной структуры, который хотя бы отчасти является избыточным, может стать более специализированным за счет разделения функций между элементами.

Четвертый секрет эволюционных инноваций заключается в модульном строении тела. Я уже говорил о том, что считаю модульное строение членистоногих и позвоночных причиной их эволюционного успеха. Что модульное строение дало членистоногим животным? Возможность одновременно создавать множество полезных приспособлений на базе одного организма, а также массу эволюционных новшеств, благодаря которым членистоногие стали одной из самых разнообразных групп на Земле. А если говорить о позвоночных, один длинный четвертый палец птерозавров или много длинных пальцев летучих мышей, на которых натянута перепонка крыла, удлинение тела змеи за счет увеличения числа позвонков до нескольких сотен или избирательная редукция скелета брюшных плавников (т.е. задних конечностей) колюшки — всем этим они обязаны модульному строению. Модульное строение позволяет модифицировать и специализировать отдельные части тела, иногда кардинальным образом, не затрагивая остальных частей тела.

В основе модульного строения взрослых животных лежит модульная география эмбрионов и модульная логика генетических переключателей. Эти переключатели позволяют изменяться одним частям тела, не затрагивая других. В переключателях заключается секрет модульного строения, а в модульном строении заключается секрет эволюционного успеха членистоногих и позвоночных животных.

Последствия для развития биоразнообразия очевидны: новшества позволяют осваивать новые экологические ниши, а заселение новых территорий приводит к расширению биоразнообразия.

До сих пор я рассказывал почти исключительно о серьезных сдвигах в строении тела и конечностей — об изменениях, которые определяют границы между крупными таксонами членистоногих и позвоночных. Я говорил о "птицах", "летучих мышах" и "жуках" вообще, однако не следует забывать, что к этим широким категориям относится множество различных видов животных — сотни видов летучих мышей, тысячи видов птиц и сотни тысяч видов жуков. Эволюционный успех каждой группы отчасти связан с теми крупными новшествами, о которых мы уже говорили, но он также зависит от способности этой группы занимать особые ниши, а зачастую от дополнительных новшеств (например, локаторы летучих мышей, плавательные перепонки водоплавающих птиц, звуковое общение). В следующих главах мы ближе познакомимся всего с одной группой животных — с бабочками, и посмотрим, каким образом одно новшество, а именно крылья, обеспечило основу для появления целой серии последующих новшеств и для взрывной диверсификации группы.

Рисунки и заметки в блокноте путешественника и натуралиста Генри Уолтера Бейтса. Композиция Джоша Клейса.

Глава 8. Откуда у бабочки на крыльях пятна

Эволюция — это случайность, пойманная за крыло.

Стюарт Кауффман "Во Вселенной как дома" (At Home in the Universe), перефразированное высказывание Жака Моно из книги "Случайность и необходимость".

После одиннадцатилетнего путешествия по долине Амазонки, собрав 14 712 видов животных (8000 из которых ранее не были известны науке), измученный тропическими болезнями, плохим питанием, жарким солнцем и нещадной жарой, брошенный слугами и переживший другие испытания, Генри Уолтер Бейтс покинул джунгли и в июне 1859 г. вернулся в Англию. Время было выбрано удачно — всего через несколько месяцев вышла книга Дарвина "О происхождении видов".

Вскоре два путешественника стали близкими друзьями. Бейтс сразу воспринял идеи Дарвина, и между ними началась переписка, продолжавшаяся более двадцати лет до самой смерти Дарвина. Бейтс был очень этому рад и верил, что его наблюдения и коллекции послужат доказательством теории Дарвина. В одном из своих первых писем к Дарвину он писал: "Я думаю, что мне удалось заглянуть в лабораторию, в которой Природа создает новые виды".

Самым главным достижением Бейтса было открытие явления, которое он назвал "аналогичным сходством", а мы называем мимикрией. Он изучил множество насекомых, особенно бабочек, у которых одни виды защищаются, используя окраску другого вида. Он обратил внимание, что одних бабочек птицы едят, а других нет, причем очень быстро обучаются различать их. Бейтс заметил, что некоторые съедобные бабочки имитируют окраску несъедобных, и тогда птицы их не трогают. Такая иллюстрация естественного отбора восхитила Дарвина, который сообщил Бейтсу, что его статья о мимикрии была "одной из самых выдающихся и увлекательных статей, которые он когда-либо читал". Этот вид мимикрии до сих пор называют мимикрией Бейтса (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Мимикрия Бейтса. Все бабочки, изображенные в верхнем ряду, несъедобны для птиц. В нижнем ряду изображены варианты бабочки парусника, имитирующие окраску бабочек из верхнего ряда. Обратите внимание на отчетливое сходство в парах совершенно неродственных видов. Фотографии предоставлены Полом Брейкфилдом, Университет Лейдена.

Обширные познания Бейтса в области естественной истории, полученные опытным путем, не раз становились источником прозрений Дарвина, в особенности в процессе создания ныне знаменитого труда о половых различиях и половом отборе. А поддержка Дарвина вдохновила Бейтса на написание и публикацию отчета о его путешествиях. Дарвин отрецензировал и издал единственную книгу, ставшую результатом всей научной карьеры Бейтса: "Натуралист на Амазонке" (Naturalist on the River Amazons, 1863) и дал ей высокую оценку. Дарвин предрек книге большой успех и оказался прав: Бейтс превзошел и самого Дарвина, и своего компаньона в путешествии по Амазонке Альфреда Рассела Уоллеса. Книгу Бейтса и по сей день невероятно интересно читать.

Среди собранных Бейтсом 14 000 видов животных было множество бабочек: только в районе города Эги он обнаружил свыше 550 видов. Значение своих сокровищ Бейтс оценивал через призму дарвиновской теории: "ни одно описание не может дать достаточного представления о красоте и разнообразии форм и красок у этих насекомых в окрестностях Эги. Я уделил им особенное внимание, так как убедился, что это подразделение, пожалуй, больше всякой другой группы животных или растений способно доставить факты, иллюстрирующие те изменения, которые претерпевают в природе все виды при перемене местных условий".

Дальше следует мой любимый пассаж: "Можно поэтому сказать, что на этих расширенных перепонках природа пишет, как на листе бумаги, историю модификаций вида — до того точно отмечаются на них все изменения в организации".

Он заключает: "Более того, одинаковые цветовые узоры крыльев обычно довольно точно показывают степень кровного родства видов. Поскольку законы природы должны быть одинаковы для всех живых существ, выводы, доставляемые этой группой насекомых, должны оказаться применимыми ко всему органическому миру; поэтому изучение бабочек — существ, считающихся символом легкости и беспечности, — занятие отнюдь не презренное: наступит день, когда его оценят как одну из самых важных ветвей биологической науки".

С тех пор как 140 лет назад Бейтс написал эти строки, многие натуралисты — как любители, так и профессионалы — разделили его страстное увлечение бабочками и убежденность в их ценности для науки. История, записанная на широких перепонках крыльев бабочек, восхищала не только Дарвина. В своей знаменитой книге об особях с нетипичными признаками Уильям Бэтсон также уделил бабочкам особое внимание. С тех пор биологи обнаружили и другие типы мимикрии у бабочек (воспроизведение рисунка крыльев других бабочек, имитация совиного глаза, сухого листа и даже птичьего помета), и эта группа животных вдохновила множество эволюционных и экологических исследований. Конечно, бабочками интересуются не только ученые. Писатель Владимир Набоков всю жизнь был одержим бабочками. Пока его сочинения не завоевали широкого признания, он зарабатывал на хлеб, работая куратором в отделе чешуекрылых в Гарвардском музее сравнительной зоологии.

В этой главе мы с вами исследуем удивительный мир, отраженный на крыльях бабочек. У этих насекомых крылья служили канвой для эволюции тысяч цветных узоров. Я подробно расскажу об изобретении системы цветного узора и о том, откуда взялось такое разнообразие рисунков. На примере бабочек мы увидим, что новые рисунки появляются тогда, когда очень старые гены учатся новым трюкам.

Учимся понимать рисунок на крыльях

Чтобы заинтересоваться бабочками, мне не пришлось пройти и половину пути, пройденного Бейтсом, или преодолеть хотя бы часть выпавших на его долю трудностей. Мое путешествие началось на автомобильной стоянке в Университете Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина. Это было много лет назад. Я приехал, чтобы провести семинар на тему генетической регуляции числа и расположения щетинок на теле дрозофилы, которой в то время занималась наша лаборатория. Как всегда в таких поездках, мне предстояло встретиться с несколькими сотрудниками биологического факультета университета. Один из них, профессор Фред Нийхут, сильно опоздал, потому что у него дома лопнула труба. Я практически потерял надежду встретиться с ним, а между тем, если бы я с ним не встретился, не было бы не только этой главы, но и ряда неповторимых эпизодов в моей лабораторной практике.

Расположение щетинок на теле дрозофилы — хорошая модель для изучения некоторых загадок развития, таких как механизм точной локализации структур в организме. И пока мы бегом пересекали автостоянку, чтобы успеть на мою следующую встречу, Фред спросил, не могут ли найденные нами закономерности образования щетинок на теле дрозофилы объяснить то, что волновало его, — рисунок на крыльях бабочек. Честно говоря, я не имел об этом ни малейшего представления.

Когда я, привыкший к бледным крыльям дрозофил, разглядывал крылья бабочек, я видел лишь хаос. Психоделический рисунок и разбегающиеся во всех направлениях цвета. Линии, пятна, волны и кляксы — я не мог найти в них никакой закономерности (у меня такие же проблемы с современным искусством). Но вопрос Фреда преследовал меня несколько месяцев. Я знал о способности бабочек к мимикрии, об их умении обманывать хищников и о половом отборе. Если бы в этих рисунках удалось найти какую-то закономерность и нащупать генетические механизмы их создания, это была бы золотая жила.

К счастью, Фред вскоре опубликовал книгу, которая стала азбукой любых исследований развития бабочек. Я понял, что в хаосе можно найти определенный порядок. В 1920-1930-х гг. некоторые ученые, занимавшиеся сравнительной биологией, обнаружили в узорах на крыльях бабочек некий общий план. Этот общий план представлял собой идеализированную картину, от которой каждый вид в той или иной степени отклонялся. Общий план рисунка состоит из нескольких элементов в основании крыла, в центральной его части и вдоль кромки, и эти элементы повторяются в каждом секторе крыла, отграниченном от соседних секторов жилками. К элементам рисунка относятся полосы разной ширины, а также пятна-глазки (рис. 8.2). Отдельные секторы крыла — это сериальные гомологи, а рисунок каждого сектора, таким образом, имеет модульную структуру.

Рис. 8.2. Общий план узора на крыле бабочки. Здесь представлен идеализированный спектр всех возможных элементов узора крыла бабочек из семейства нимфалид. Обратите внимание на повторение рисунка в соседних секторах. Рисунок Фреда Нийхута из его книги "Развитие и эволюция рисунка на крыльях бабочек".

Узор на крыльях бабочек обычно составляется из нескольких основных элементов; у некоторых бабочек, таких как Stichophthalma camadeva, этих элементов много, а у других лишь несколько (рис. 8.3). Анализ узора на крыльях тысяч современных бабочек показывает, что разнообразие выражается главным образом в потере определенных элементов или в их модификации и перестановке. Рисунок, который кажется особенно беспорядочным, объясняется смещением и несовпадением полос между соседними сегментами крыла.

Рис. 8.3. Вариации основного набора элементов узора. У представленных на рисунке трех видов бабочек — Stichophthalma camadeva (A), Fauris menado (В) и Taenaris macrops (С) — разное количество базовых элементов: от почти полного набора до единичных элементов. Фотография предоставлена Фредом Нийхутом.

Самое важное наблюдение заключается в том, что каждая отдельная полоса или пятно в ходе эволюции могут менять форму, цвет или размер независимо от остальных элементов узора. Это означает, что развитие отдельных элементов не связано с развитием остальных.

Что придумали бабочки?

Изумительная красота и разнообразие крыльев бабочек являются результатом как минимум трех изобретений, появившихся после отделения этой филогенетической ветви от других насекомых. Изобретения эти такие: чешуйчатые крылья, цвет и геометрическая система разметки узора крыла.

Чешуйки — основные структурные единицы крыльев бабочек и мотыльков. Название отряда Lepidoptera (чешуекрылые), к которым принадлежат эти насекомые, происходит от греческих слов λεπίς (чешуйка) и πτερόν (крыло). Чешуйки были изобретены раньше окраски и, вероятно, уже тогда были очень полезны. Если вы когда-нибудь держали в руке мотылька, вы видели на пальцах следы "пыли" — это и есть чешуйки. Легкое отделение чешуек помогает этим животным с крупными крыльями высвобождаться из таких липких ловушек, как паутина.

Крылья бабочек и мотыльков целиком покрыты чешуйками, каждая из которых является выростом отдельной клетки (рис. 8.4). Долгое время энтомологи считали, что чешуйки появились в результате эволюции сенсорных щетинок, превратившихся из тонких и длинных в плоские и широкие и потерявших свою сенсорную функцию. Эво-дево подтвердила эту гипотезу. Сотрудник нашей лаборатории Рон Гэлант обнаружил, что в развитии чешуйки участвует один из генов развития, необходимых для образования щетинок у дрозофилы, что подтверждает, что чешуйки — это модифицированные щетинки.

Рис. 8.4. Чешуйки на крыльях бабочек. Фотография Стива Пэддока.

Не многие насекомые могут соперничать с бабочками по разнообразию окраски. Каждая чешуйка имеет особый цвет, что можно увидеть при большом увеличении, причем цвет отдельной чешуйки может быть совсем иным, чем у ее соседей (цветная вкладка 8a). Ощущение смешанных или промежуточных цветов — это зрительный эффект, создающийся за счет пространственного расположения чешуек разных цветов. Окраска крыльев обеспечивается как химическими веществами — пигментами, так и особенностями микроструктуры чешуек. Переливы синего и зеленого цветов, а также белые мучнистые пятна образуются в результате поглощения, отражения и рассеяния света чешуйками. Разные цвета являются результатом тончайших различий в микроструктуре чешуек, а также совместного эффекта структуры чешуек и химических пигментов.

Геометрический узор на крыльях создается в процессе развития при помощи специфических механизмов. Лучше всего нам известен механизм возникновения одного элемента рисунка — пятна-глазка. Такие пятна образованы концентрическими рядами чешуек разного цвета (вкладка 8b). Многие исследователи занимались изучением роли этих глазков в защите бабочек от хищников. Считается, что эти глазки переключают внимание нападающих хищников (обычно птиц или ящериц) на внешнюю часть крыла — подальше от уязвимой центральной части тела. Бабочки могут летать даже при потере значительного фрагмента крыла (рис. 8.5), но удар по туловищу может оказаться смертельным. Пятна-глазки привлекают внимание хищника, поскольку заметно выделяются на основном фоне крыла, а их сходство с глазом, вероятно, заставляет хищника инстинктивно наносить удар именно в это место.

Рис. 8.5. Крыло бабочки, поврежденное хищником. На эту бабочку Bicyclus anynana было совершено нападение, но поскольку удар был нанесен в край крыла, она по-прежнему может летать и размножаться. Фотография, сделанная в Кении, предоставлена Полом Брейкфилдом, Университет Лейдена.

Важная защитная функция пятен-глазков, а также их невероятное разнообразие заставили нас заняться изучением возникновения и эволюции этого элемента узора.

8a Чешуйки на крыльях бабочки при большом увеличении. Каждая чешуйка образуется из одной клетки.

8b При большом увеличении видно, что пятно-глазок на крыле бабочки образовано рядами чешуек. Обратите внимание, что каждая чешуйка может быть только одного цвета.. но на участках с той или иной окраской встречаются единичные чешуйки другого цвета.

Пятна-глазки: обучение старых генов новым приемам

Узор на крыльях бабочки начинает формироваться еще на стадии гусеницы. Каждое крыло создается из группы клеток, имеющей форму плоского диска, которая разрастается с невероятной скоростью на протяжении нескольких стадий развития личинки (личинки большинства бабочек проходят пять стадий развития). Затем гусеница превращается в куколку, и именно на стадии куколки, уже перед самым появлением бабочки, крыло приобретает окончательный цветной узор. Невооруженным глазом этого увидеть нельзя, но некоторые элементы узора начинают формироваться в теле гусеницы, когда крыло еще представляет собой крошечный клеточный диск, размером лишь с малую часть крыла взрослой бабочки. Это происходит примерно за неделю до появления взрослой бабочки из куколки. Во второй главе я описал один из наиболее наглядных экспериментов, позволивших изучить ранние события в развитии крыла бабочки. Это эксперимент Фреда Нийхута по трансплантации центральной части глазка. Эксперимент показал, что положение будущего глазка определено уже на стадии гусеницы. Формирование концентрического рисунка глазка индуцируется регионом-организатором, так называемым фокусом, расположенным в центре будущего глазка.

Поскольку эксперименты Нийхута по трансплантации позволили обнаружить в развивающемся крыле бабочки новый регион-организатор, сотрудники моей лаборатории решили попытаться идентифицировать гены, участвующие в формировании глазка. Основные вопросы были такие: какая генетическая система создает каждый конкретный узор? Как эволюционировала эта система? С помощью каких генов развития фиксируются описанные Бейтсом эволюционные изменения? Изобрели ли бабочки новые гены для создания глазков или использовали те, что были уже доступны?

Некоторые интуитивные предчувствия у нас были. В нескольких лабораториях, в том числе и в нашей, уже были идентифицированы некоторые белковые продукты генов развития, участвующие в формировании крыльев дрозофилы. Мы полагались на эволюционные связи между разными насекомыми. Поскольку крылья у насекомых возникли в ходе эволюции всего один раз, в принципе, основные закономерности формирования крыльев дрозофилы должны были быть справедливы и для бабочек. Мы надеялись, что при некотором везении изучение "копий" генов развития дрозофилы, имеющихся у бабочек, позволит нам разобраться в уникальных особенностях крыльев бабочек.

И нам повезло.

Сотрудники моей лаборатории обнаружили у бабочки юнонии несколько генов развития, гомологи которых, как уже было известно, участвуют в формировании и разметке крыльев дрозофилы. Наличие этих генов у бабочки не было для нас сюрпризом, но и не доказывало их участие в формировании узора на крыльях. Вопрос заключался в том, сможем ли мы определить функцию этих генов в процессе формирования узора. Нам нужно было установить, в каком участке микроскопических зачатков крыльев у гусеницы экспрессируются эти гены, когда, по данным трансплантационных экспериментов, разметка крыльев уже произведена. Мы хотели увидеть с помощью микроскопа, как возникает прекрасный узор, который позднее появится на крыльях взрослой бабочки.

Мы обнаружили, что все гены бабочки экспрессируются в тех же географических участках зачатка крыла, что и у дрозофилы. Это означало, что география развивающегося крыла у этих насекомых одинаковая. У обоих видов верхняя и нижняя поверхности крыла, передние и задние крылья, а также края каждого крыла определяются одними и теми же генами. Это свидетельствует о том, что у них сохранился общий древний план крыла. Однако гораздо интереснее и удивительнее обстояло дело с такой картиной экспрессии генов в крыльях бабочки, аналогов которой в крыльях дрозофилы не существует. Я никогда не забуду тот момент, когда моя лаборантка Джулия Гейтс позвала меня к микроскопу, чтобы показать поразительный узор, состоящий из пятен, на дисках — зачатках крыльев — у гусеницы. Мы увидели по две пары пятен на каждом диске точно в том месте, где примерно через неделю должно было образоваться пятно-глазок. Именно эту область Фред Нийхут назвал фокусом глазка (вкладка 8c). Фантастика!

В образовании пятен участвовал лишь один из дюжины изученных нами генов. Вы уже многое знаете об этом гене — это Distal-less. Это было чрезвычайно интересно, поскольку означало, что ген, участвующий в формировании конечностей у дрозофилы и вообще у всех членистоногих, у бабочки выполняет еще и другую работу. Distal-less был по-прежнему занят привычным делом — экспрессировался в дистальных частях развивающихся конечностей, как и у всех насекомых и других членистоногих. Однако пятна экспрессии Distal-less на крыльях бабочки — это новый прием, "освоенный" гораздо позже, чем участие в формировании конечностей (рис. 8.6). Вспомните, что работа генов развития полностью зависит от конкретной ситуации (т.е. от контекста). Distal-less выполняет свою работу по формированию конечностей в определенное время и в определенном месте. Его работа по разрисовыванию крыльев осуществляется в другом месте, в другое время и в рамках другого процесса.

Рис. 8.6. В гене Distal-less у бабочек эволюционировал новый переключатель, дающий возможность экспрессироваться в области пятен-глазков. Переключатели гена Distal-less контролируют его экспрессию в ногах и крыльях личинок и у дрозофил, и у бабочек, однако у гена бабочек появился новый переключатель, контролирующий его экспрессию в пятнах-глазках. Рисунок Лианн Олдс.

Как ген Distal-less научился новому виду деятельности? Он приобрел новый переключатель, реагирующий на специфические координаты эмбриона, в которых находятся клетки будущего глазка. Пятна экспрессии гена всегда образуются точно между двумя жилками у внешнего края крыла. Точность и воспроизводимость координат пятен говорит о том, что в этих точках активны белковые продукты генов развития, связывающиеся с переключателем гена. Обнаружение экспрессии Distal-less в развивающихся пятнах-глазках юнонии показало, что мы идем по верному пути. И, возможно, отыщем ключ к тому, как возникает замысловатый узор на крыльях бабочек. Первым делом нужно было понять, является ли сделанное нами открытие общим правилом или касается лишь одного конкретного вида бабочек. Поэтому мы стали изучать экспрессию гена Distal-less у других бабочек — как с пятнами, так и без них. Корреляция была полной. Мы увидели изумительные пятна экспрессии Distal-less у всех видов бабочек с пятнами, а на крыльях бабочек без пятен экспрессии Distal-less не обнаружили (вкладка 8d).

Ободренные таким везением, мы стали искать другие белки — продукты генов развития, которые могли бы экспрессироваться в развивающихся пятнах-глазках. Мы подозревали, что такие белки должны обнаружиться, поскольку глазки представляют собой концентрические окружности по-разному пигментированных чешуек, а значит, чешуйки каждой окружности должны получать разные инструкции. Из экспериментов Фреда Нийхута следовало, что сигналы из фокуса индуцировали образование концентрических кругов клеток, цвет которых определялся их расстоянием от центра. Distal-less экспрессировался в клетках центральной зоны, но внешние кольца тоже должны были быть чем-то помечены.

Нам вновь провезло. Крейг Брюнетти, один из сотрудников моей лаборатории, занялся поиском других продуктов мастер-генов в пятнах-глазках на крыльях бабочек и обнаружил еще две интересные закономерности. Он стал исследовать два важных белка, Spalt и Engrailed, и обнаружил, что на крыльях африканской бабочки Bicyclus anynana они экспрессируются в виде пятна и кольца соответственно (вкладка 8е). У этих бабочек белый центр глазка окружен широким черным ободком, который, в свою очередь, окружен золотистым ободком. Зона экспрессии Spalt точно соответствует будущему черному кольцу, а зона экспрессии Engrailed — будущему золотому кольцу. Точное соответствие между кольцами экспрессии белка в развивающихся чешуйках и будущими кольцами глазков продемонстрировано на цветных вкладках.

Engrailed и Spalt — тоже очень старые гены, выполняющие другую работу, так что объяснить их новую функцию в создании пятен-глазков можно таким же образом, как и в случае Distal-less: это результат эволюции новых переключателей, контролирующих эти гены и позволяющих им освоить новую функцию.

8с Белок Distal-less у гусеницы синтезируется в тех клетках зачатка крыла, которые у бабочки будут находиться в середине пятен-глазков. Белок Distal-less (показан зеленым цветом) на большом увеличении виден в виде мелких пятнышек (нижняя правая фотография на верхнем рисунке). Эти пятнышки маркируют положение белых центров пятен-глазков взрослой бабочки (внизу), которые появятся не раньше чем через неделю.

8d Экспрессия гена Distal-less коррелирует с наличием или отсутствием пятен на крыльях бабочек разных видов.

В колонке слева показана локализация белка этого гена в зачатках крыльев у гусениц четырех видов бабочек, а справа — крылья соответствующих взрослых особей.

8е Расположение разноцветных колец, образующих пятно-глазок на крыле взрослой бабочки, намечается еще на стадии куколки за счет экспрессии двух генов развития (на верхней фотографии области, где локализованы белки этих генов, показаны зеленым и лиловым цветом; в центре они перекрываются). Эти области маркируют расположение белого центра, а также черного и золотого колец на крыле взрослой бабочки которые появятся более чем через неделю. Крейг Брюнетти.

Пятнадцать минут славы

Позвольте мне немного отвлечься от науки и рассказать вам историю о непредвиденных последствиях наших неожиданных открытий. Эта история показала мне, насколько красота способствует пробуждению интереса к науке.

Когда волна ликования после обнаружения гена Distall-less в глазках на крыльях бабочек слегка утихла, мы подготовили результаты к публикации. Однако мы быстро обнаружили, что далеко не все разделяют наш восторг. Журнал Nature отклонил нашу статью без дальнейшего рецензирования. Ну ладно, в первый раз не повезло. Мы отправили статью в журнал Science. Там редакторы отнеслись к нам с большим вниманием и решили опубликовать статью и даже напечатать изображение крыла бабочки на обложке. Это было здорово — наша миссия выполнена!

Однако это только начало истории.

Обычно принятая к публикации статья выходит как минимум через пару месяцев, поэтому я и не думал о ней, когда отправился на очередную научную конференцию. Я жил в студенческом общежитии на территории университетского кампуса, питался в столовой и всецело отдавался обаянию академической науки. В перерыве между выступлениями коллег я получил сообщение о том, что со мной хочет связаться Николас Уэйд — научный обозреватель газеты The New York Times.

В недоумении я позвонил Уэйду и выяснил, что он готовит очерк на тему нашей статьи, которая вот-вот должна выйти в Science. Я подумал, что будет хорошо, если мама и мои соседи прочтут этот очерк и поймут, на что я потратил все годы учебы и чем занимался по ночам в лаборатории. Мы подробно все обсудили, и я вернулся к докладам и дискуссиям.

Но внимание прессы к нашей работе не ослабевало. После статьи в Times появилось несколько новых публикаций. Дело было летом, и одна известная газета попросила у меня какой-нибудь интересный материал для первой страницы, чтобы вытеснить оттуда историю разбирательства отвратительного дела О. Дж. Симпсона, связанного с убийством. И в нескольких газетах появились статьи об открытии "секрета красоты", как было сказано в одной из них.

Потом подключилось телевидение. Я ужинал дома перед телевизором и вдруг по одной из национальных новостных программ увидел наши картинки. Я был потрясен: за этим последовало длинное видеоэссе Роджера Розенблата, вдохновленное нашей статьей, — о том, усиливается или ослабевает человеческое чувство прекрасного, если событие или явление получает научное объяснение (я думаю, мое мнение на этот счет вам понятно).

Через несколько месяцев журнал Time решил включить меня в группу выдающихся "молодых американцев". Я надел смокинг и отправился на торжественный ужин с президентом, представителями американской прессы, политическими деятелями и звездами кино (замечу, что многие звезды в жизни гораздо меньше ростом, чем выглядят на экране).

Но сумасшествие продолжалось. Мне вдруг позвонил продюсер из Голливуда, который прочел статью в Time и хотел побеседовать со мной лично. Конечно же, я отправился в Лос-Анджелес, и мы долго говорили о науке, кино — и бабочках.

Да, дело было именно в них! Бабочки действительно вызывают интерес у многих. И я благодарен им за это и за мои пятнадцать минут славы. Коллеги до сих пор с удовольствием подшучивают надо мной, вспоминая этот эпизод.

Конечно, критики встречаются везде, и я не могу не привести здесь фрагмент анонимного письма, которое я получил в краткий период моей популярности (рис. 8.7). Я жду не дождусь, когда этот парень услышит о выходе моей книги.

Рис. 8.7. Письмо "поклонника".

Текст письма: "Стыдно, что ваши мозги не могут заняться решением насущных проблем, а направляют ваш Богом данный талант и наши налоги на поиск генов, окрашивающих крылья бабочек — да кого это волнует?! Сделайте что-нибудь для окружающей среды, поймите, почему люди не могут жить в мире, ведь даже я это понял. Стоит только забыть о Боге, как и он забудет о нас, и это происходит СЕЙЧАС!!!"

Как бабочки меняют свои пятна

Когда леопард из сказки Киплинга получил свои пятна, он был очень доволен и ничего больше не хотел менять. Но с бабочками дело обстоит иначе, и в ходе эволюции пятна на их крыльях изменялись много-много раз. Это становится заметно, если посмотреть на бабочек разных видов, но я хочу начать с рассказа о бабочках из Малави, которые всякий раз меняют окраску при смене сезона.

Все, что мне было известно о бабочке Bicyclus anynana, мне рассказали Пол Брейкфилд и его студенты из университета города Лейден в Нидерландах, а также Верной Френч из Эдинбургского университета. Пол на протяжении многих лет изучал этих удивительных бабочек как в природе, в Малави, так и в гигантской популяции, которую он держит в своей лаборатории в Лейдене.

Дикие популяции В. anynana адаптировались к выраженным сезонным изменениям климата, научившись изменять рисунок на своих крыльях. В сезон дождей, когда вокруг много зеленой листвы, на крыльях бабочек появляются заметные пятна-глазки, которые помогают бабочкам избежать нападения птиц и ящериц (вкладка 8f слева). Но в сезон засухи, когда листья увядают и опавшая листва коричневого цвета, бабочки ведут менее активный образ жизни и крупные пятна-глазки на их крыльях становятся прекрасными мишенями на коричневом фоне, словно призывая: "Я здесь, съешь меня!". Поэтому, когда наступает похолодание и прекращаются дожди, гусеницы и куколки из последних кладок ощущают эти перемены, и новые бабочки появляются на свет почти без пятен, а лишь с маленькими крапинками на тех местах, где они должны были быть (вкладка 8f справа). Эти скучные коричневые бабочки прячутся в опавшей листве и ожидают окончания засухи и возвращения сезона дождей, когда они начнут спариваться. А у их потомства, подрастающего в теплом и влажном климате, на крыльях образуются яркие пятна, которые защищают их при более активном образе жизни.

Способность бабочек к адаптации — не сказка Киплинга. Пол и его студенты выпустили бабочек с крупными пятнами на крыльях на волю в период засухи и обнаружили, что их съедают гораздо чаще, чем их невзрачных коричневых родственников, так что в дикой природе работа отбора очевидна. В лабораторных условиях выращивание бабочек при разной температуре позволяет воспроизвести формы, наблюдающиеся в природе. Так, при температуре около 23°С развивается форма, характерная для влажного сезона, а при температуре около 17°С — форма засушливого сезона. Меняя температуру на разных стадиях развития бабочек, Пол и его сотрудники определили, что критическим периодом, определяющим размер пятен на крыльях, является стадия поздней гусеницы.

Когда мой студент Дэвид Кейс изучал экспрессию гена Distal-less у гусениц В. anynana при разной температуре, он обнаружил точное соответствие между температурой, количеством клеток, синтезирующих белок Distal-less, и размером пятен на крыльях взрослых бабочек. При низкой температуре белок Distal-less синтезировался в небольшом количестве клеток, тогда как при повышении температуры количество клеток, производящих белок Distal-less, значительно возрастало. У этого вида бабочек переключатель гена Distal-less, работающий в пятнах-глазках, функционирует по-разному при разной температуре. Мы не думаем, что переключатель способен напрямую воспринимать изменение температуры; скорее всего дело в том, что смена сезонов и температуры влияет на уровень образования в теле гусеницы некоторых гормонов. У насекомых, как и у нас с вами, гормоны регулируют стадии развития и дифференцировку многих тканей. Но в конечном итоге действие гормонов опосредовано генетическими переключателями. В переключателе гена Distal-less в крыльях В. anynana эволюционировала сигнатурная последовательность, реагирующая на присутствие гормона, что и позволило этому переключателю ощущать изменение внешних условий.

Способность контролировать появление пятен в ответ на изменение внешних условий — всего лишь один из множества примеров того, как развитие и форма изменяются под действием естественного отбора. В ходе эволюции бабочек возникли самые разные варианты окраски и узора крыльев. Например, только к одному роду Bicyclus принадлежат восемьдесят видов, различающихся по размеру, форме, расположению и иногда даже по количеству пятен-глазков. Это означает, что эволюция узора на крыльях бабочек происходит сравнительно "легко". В эволюции этого признака больше степеней свободы, чем в эволюции других структур. Причина этой гибкости, возможно, в том, что генетическая регуляция создания узора допускает мутации, которые затрагивают только этот узор и не влияют на другие структуры тела. Эволюцию бабочек и правда можно назвать "случайностью, пойманной за крыло".

Понять ход эволюции узора на крыльях нам поможет анализ его изменчивости у лабораторных и диких бабочек. Пол Брейкфилд и его коллеги обнаружили удивительных бабочек-мутантов с разными вариантами глазков на крыльях. У этих мутантов все остальные структуры тела остались без изменений. Поскольку данные мутации касаются только узора, но не затрагивают структуру крыла, они могут сохраняться в природе. Одна из таких мутаций, названная Spotty, приводит к появлению четырех пятен на передних крыльях вместо привычных двух (вкладка 8g справа). У родственного вида В. safitza, обитающего в дикой природе, часто встречается вариант с четырьмя пятнами на крыльях. Таким образом, можно легко себе представить эволюцию числа пятен на крыльях в этой группе бабочек. Кроме того, Пол обнаружил мутантов с изменениями цветовой схемы узора, размера и формы пятен (вкладка 8h). Интересно, что различия между бабочкой-мутантом и бабочкой дикого типа[9] в этих случаях напоминали различия между близкородственными видами.

Другой способ изучения эволюции узора на крыльях состоит в имитации естественного отбора в лабораторных экспериментах по селективному скрещиванию. В этих исследованиях Пол и его студенты, играя роль птиц или ящериц, определяли судьбу бабочек с пятнами разного размера. В любой популяции бабочек существует небольшая изменчивость размера пятен. Эта изменчивость может быть основой естественного отбора в дикой природе или искусственного отбора в лабораторном эксперименте. В лаборатории Пола начали работу по созданию двух линий бабочек. В первой линии, содержавшейся при низкой температуре, отбирали особей с самыми крупными пятнами и позволяли им скрещиваться между собой. Во второй линии, содержавшейся при более высокой температуре, отбирали бабочек с самыми маленькими пятнами. Примерно через двадцать поколений такого отбора были получены популяции бабочек, которые при любой температуре имели либо крупные, либо мелкие пятна (вкладка 8i).

Что же произошло в ходе эксперимента? Из исходной популяции, где изменчивость размера пятен была основана на генетической изменчивости, были отобраны бабочки с самыми крупными и с самыми мелкими пятнами. Это привело к образованию двух популяций, различающихся по морфологическим и генетическим признакам. По сути, в природе происходит тот же самый процесс, только продолжается он значительно дольше, чем в лабораторных условиях.

Эти исследования способности пятен на крыльях Bicyclus изменяться под действием отбора позволили обнаружить возможные пути эволюции окраски крыльев бабочек и оценить ту огромную работу, которую проделали бабочки. Другие виды бабочек также добились невероятного разнообразия размера, числа и цветовой схемы пятен. В основе этого разнообразия должно лежать разнообразие программ развития. Обнаружение экспрессии белков Distal-less, Engrailed и Spalt в пятнах-глазках позволило нам понять, как у разных видов эволюционировало такое количество вариантов пятен-глазков.

Наиболее очевидное различие между видами заключается в количестве глазков. Эволюция числа центров экспрессии гена Distal-less в крыловых дисках гусеницы в точности соответствует эволюции числа глазков на крыльях бабочки. Это говорит о том, что у разных видов произошли разные эволюционные изменения в регуляции этого гена, и показывает, как появление одного эволюционного новшества (пятен на крыльях) приводит к дальнейшему расширению разнообразия узора крыльев. В ходе эволюции появились бабочки с большим или меньшим количеством пятен, с пятнами разного размера или, как в случае В. anynana, с сезонным изменением рисунка. Скорее всего, эти изменения регуляции экспрессии Distal-less произошли в результате изменения сигнатурных последовательностей переключателя этого гена, работающего в пятнах-глазках (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Модификации переключателя гена Distal-less в пятнах на крыльях бабочек объясняют вариации числа и формы пятен. Эволюция числа (S' и S") и размера (S''') пятен-глазков связана с изменениями переключателей. Рисунок Лианн Олдс.

8f Сезонные формы африканской бабочки Bicyclus anynana: слева показано заднее крыло бабочки сезона дождей, а справа — крыло бабочки засушливого сезона (на крыле вместо пятен-глазков видны лишь мелкие крапинки).

8g Мутация Spotty приводит к формированию дополнительных пятен-глазков на передних крыльях бабочки.

8h Мутантные бабочки с более крупными, аномально расположенными или аномально окрашенными пятнами. Фотографии предоставлены Полом Брейкфилдом, Университет Лейдена.

8i Результаты отбора бабочек Bicyclus anynana на большие и маленькие пятна на крыльях: верхний ряд — бабочки сезона засухи и сезона дождей; средний ряд — бабочки из линии, отбиравшейся на маленькие пятна, выращенные при температурах сезона засухи и сезона дождей; нижний ряд — бабочки из линии, отбиравшейся на большие пятна, выращенные при температурах сезона засухи и сезона дождей. Фотография предоставлена Полом Брейкфилдом, Университет Лейдена.

Мимикрия и эволюция окраски

Эволюция большинства бабочек сопровождалась изменением окраски других элементов узора. Разница в том, как выглядят разные виды бабочек или особи одного и того же вида, связана с тем, что участки синтеза пигментов по-разному расположены, а чешуйки имеют разную структурную окраску. Эволюция каждого вида заслуживает отдельного рассказа, но я закончу эту главу рассказом об эволюции мимикрии, поскольку она сыграла важную роль в дискуссиях по поводу естественного отбора, а для эволюционной биологии развития пока еще остается неразрешенной загадкой.

Ярко выраженные различия внешних признаков часто имеют под собой достаточно простую генетическую основу. Например, самки тигрового парусника (Papilio glaucus), обитающего на востоке Северной Америки (включая Висконсин), имеют два варианта окраски: желтые с черными тигровыми полосками и полностью черные (вкладка 8j). Черная "меланистическая" форма является имитацией бабочки парусника (Battus philenor), которая обитает в тех же местах, что и тигровый парусник, но несъедобна для птиц. При столь разной внешности эти две формы парусника, по-видимому, имеют лишь одно генетическое различие, определяющее синтез желтого или черного пигмента в чешуйках центральной части крыла. Даже если различия в рисунке на крыльях отдельных особей кажутся достаточно сложными и затрагивают несколько элементов, генетических различий между формами относительно немного. По-видимому, то же самое можно сказать и о других случаях мимикрии.

Бабочки Heliconius, обитающие в Центральной и Южной Америке, имеют предупреждающую окраску (желтую или красную), которая сообщает хищникам о том, что они несъедобны. Мимикрия у этих бабочек встречается в различных географических районах. В конкретной местности бабочки разных видов могут иметь сходную окраску, но разные географические популяции одного и того же вида могут различаться. Так, бабочки Н. melpomene и Н. erato очень похожи друг на друга в каждом районе Бразилии, Эквадора и Перу, но популяции каждого вида, обитающие в разных географических зонах, имеют разный рисунок (вкладка 8k). Причина этого явления заключается в том, что в разных регионах на этих бабочек охотятся разные птицы и для адаптации к этим условиям каждый вид бабочек выбирает ту окраску, которая наилучшим образом защищает их от местных хищников. Ученые активно изучали генетические механизмы, объясняющие различия размера, формы и цвета полос и лучей на крыльях Heliconius, В целом, похоже, что очень небольшое число генетических различий отвечает за различия между популяциями.

Пока еще найдены не все гены, ответственные за окраску и мимикрию парусников или Heliconius. Но это лишь вопрос времени. Когда эти гены будут обнаружены, мы сможем установить связь между генами, рисунком на крыльях и приспособленностью этих удивительных существ.

Нам еще предстоит разгадать тайну эволюции разноцветных узоров на крыльях бабочек, зато сравнительно недавно ученые сделали несколько важных открытий относительно эволюции одного — базового — черного цвета у множества других животных. Эволюция черной, или меланической, окраски представляет собой одно из наиболее распространенных изменений цвета в царстве животных. В следующей главе я расскажу о том, как изучение черной окраски помогло ученым проследить за эволюцией "в действии".

8j Две формы тигрового парусника. Меланистическая форма самки этой бабочки

8k Мимикрия у бабочек рода Heliconius. У бабочек красная и оранжевая окраски являются предупредительными. В каждом ряду представлены фотографии особей вида Н. melpomene (слева) и Н. erato (справа), обнаруженные в одной и той же географической зоне. Обратите внимание на внутривидовые различия между особями, обитающими в разных географических зонах, и на удивительное межвидовое сходство между особями, обнаруженными в одной и той же зоне. Фотография Фредерика Нийхута из его книги "Развитие и эволюция рисунка на крыльях бабочек" (The Development and Evolution of Butterfly Wing Patterns); с разрешения издательства Smithsonian Institution Press.

Сцена из африканской жизни. Рисунок Джейми Кэрролл.

Глава 9. Выкрасим черным

Счастливы те, кто научился в примерах из дикой природы видеть то, что можно любить и глубоко уважать, чему можно удивляться, поскольку эти люди обретут неиссякаемый источник радости и обновления.

Хью Б. Котт "Приспособительная окраска животных" (Adaptive Colouration in Animals, 1940)

Ну, скажи, пожалуйста, зебра, что ты с собой сделала? Разве ты не знаешь, что там, в Высоком Фельдте, я мог видеть тебя за десять миль; теперь же ты расплываешься перед глазами и тебя нельзя разглядеть.

Да, — сказала зебра, — но ведь мы не в Высоком Фельдте, а в другом месте. Разве ты этого не видишь?

—Теперь-то вижу, — сказал леопард, — но вчера я ничего не видел. Скажи, почему это?

— Отпустите нас, вы оба, — сказала зебра, — и мы вам покажем, в чем дело.

Эфиоп и леопард отпустили зебру и жирафа; зебра побежала к большим кустам терновника и остановилась там, где от них падали полосы теней. Жираф же подошел к высоким деревьям, под которыми лежали узоры из теневых пятен. Теперь ни ту, ни другого нельзя было разглядеть в лесу.

— Хи-хи! — сказал эфиоп.

— Теперь смотрите, — сказали зебра и жираф, — вот как делается у нас. Раз, два, три! Где ваш завтрак?

—Леопард смотрел во все глаза; эфиоп тоже, но они видели только полоски да пятна теней в лесу; зебры и жирафа не было и следа. Они ушли и спрятались в чаще.

— Хи-хи! — сказал эфиоп. — Стоит поучиться их фокусу Это тебе урок, леопард.[10]

Хотя многие люди на свете были очарованы тем, как замаскировалась зебра в сказке Киплинга "Как леопард стал пятнистым", кажется, Тедди Рузвельт не оценил эту сказку по достоинству. Вскоре после окончания второго срока президентского правления в 1909 г. он отправился в Африку на сафари длительностью в целый год. В своем отчете об этом путешествии "Охотничьи тропы Африки" (African Game Trails, 1910) Рузвельт раскритиковал современные ему представления об окраске тела животных:

Многое из того, что обычно говорят о "покровительственной окраске", на самом деле не имеет под собой никакого основания. В частности, жирафов, леопардов и зебр считали примерами существ, окрашенных "покровительственно" и пользующихся этим. Жираф — это один из самых заметных объектов в природе... можно с уверенностью сказать, что ни при каких условиях его окраска не может ни в малейшей степени защитить его от врагов, полагающихся на свое зрение. То же относится и к леопарду; он, несомненно, менее заметен, чем если бы он был черного цвета, но даже черные леопарды-меланисты живут не хуже своих пятнистых сородичей... Окраска леопарда — его незначительный недостаток, а вовсе не достоинство; однако он живет в таких условиях, когда этот недостаток или достоинство совершенно несущественны. Это ночное животное, а ночью окраска его шкуры не имеет никакого значения.

Но с наибольшим цинизмом Рузвельт отнесся к зебре:

Все это в наибольшей степени относится к зебре, которую в последнее время часто приводят нам в качестве примера животного с "покровительственной" окраской. На самом деле окраска зебры совсем не покровительственная. Напротив, зебры очень хорошо заметны, и в тех условиях, в которых они живут, скорее всего эта окраска никогда не защищает их от врагов; иные ситуации возникают настолько редко, что их вовсе не стоит рассматривать.

Знаменитый охотник добавляет: "Правда заключается в том, что никакая дичь, живущая на равнинах, не защищена от хищников своей окраской и вовсе не пытается скрыться от его взгляда... На равнинах антилопы гну видны очень хорошо и с очень большого расстояния; затем идут зебры и коровьи антилопы, а потом газели". А дальше следует рекомендация: "Если кто-то на самом деле считает окраску зебры «покровительственной», дайте ему охотничий костюм, раскрашенный в цвета зебры, и он быстро прозреет".

Я не рекомендовал бы тем, кто оказался вблизи мест охоты Рузвельта, надевать костюм зебры. Среди 512 животных, убитых им и его сыном Кермитом за год сафари, было 29 зебр — больше, чем каких-либо других животных.

Зоолог Хью Б. Котт, проведший в Африке намного больше времени, чем Рузвельт, не согласен с бывшим президентом США. Его энциклопедический труд "Приспособительная окраска животных", ставший классическим, основан на обширных исследованиях. Котт был еще и талантливым художником, и его мастерство рисовальщика помогло ему глубже понять, каким образом окраска животных может прятать, предупреждать или обманывать. Его великолепная книга была написана накануне вступления Британии во Вторую мировую войну, во время которой Котт служил "камуфлером": он давал военным рекомендации по маскировке.

Как объяснял Котт, прерывистый рисунок на теле зебры делает контуры ее тела нечеткими (рис. 9.1):

...В сумерках, когда она может подвергнуться нападению, и на местности покрытой растительностью, она оказывается одним из наименее заметных объектов охоты. Уайт, хорошо знакомый с этими животными и утверждавший, что он видел "тысячи и тысячи" зебр на разных фонах, пишет: "Во всяком случае, на описанном выше фоне зебра заметна меньше всех других животных. Белые и черные полосы так сливаются с растительным покровом, что зебра абсолютно незаметна даже с самых близких расстояний".

Рис. 9.1. Прерывистый рисунок на теле зебры. Вертикальные полосы помогают скрыть контуры тела на фоне чередующегося света и тени. Рисунок из книги Хью Котта "Приспособительная окраска животных".

Кроме этой теории, существуют и другие объяснения полосатого рисунка на теле зебры. В полосатом стаде трудно выделить индивидуальное животное на фоне других движущихся полос. Возможно, это до какой-то степени сбивает с толку хищников. Другая гипотеза заключается в том, что полосатость ослабляет атаки насекомых, которые, как считают некоторые ученые, предпочитают полностью черных животных. Вероятно также, что такой рисунок помогает матери и детенышу идентифицировать друг друга, а отдельным зебрам — находить стадо (по некоторым наблюдениям, зебр привлекают черно-белые полосы, нарисованные на досках).

Эти гипотезы, а также противоположность мнений Котта и Рузвельта, говорят о том, что ответ на вопрос об адаптивном значении перечисленных здесь рисунков окраски не является "черно-белым". Наблюдения рождают гипотезы, но они не приводят к надежным заключениям. В Кении я дважды направлялся прямиком к деревьям, не замечая лежащих на них леопардов. Я также наблюдал за тем, как среди бела дня леопард спускался с дерева и под прикрытием ветвей кустарника крался за антилопой дик-дик (что противоречит идее Рузвельта о ночном образе жизни леопардов). Является ли пятнистая, полосатая, черная или белая шкура преимуществом или недостатком, можно судить только при наличии контроля, который, как вы понимаете, во многих ситуациях осуществить достаточно сложно.

Тем не менее нет сомнений в том, что окраска животных играет важнейшую роль в их взаимодействии с соплеменниками и с представителями других видов. Поэтому эволюция окраски животных занимает важное место в эволюционной биологии, особенно в части примеров естественного и полового отбора. Чего в этих исследованиях всегда не хватало, так это информации о генетических основах и механизмах развития признаков. Однако теперь, благодаря достижениям молекулярной биологии и эво-дево, стали известны многие механизмы, определяющие различия между видами; в некоторых случаях нам даже известны конкретные замены в ДНК — "дымящиеся пистолеты" эволюции.

В этой главе я расскажу об эволюции лишь одного цвета — черного. Эволюция черной окраски тела или частей тела относится к числу наиболее частых изменений в природе. Я приведу примеры того, как черная окраска эволюционировала у ягуаров, птиц, мешотчатых прыгунов и нескольких одомашненных видов животных. В некоторых случаях нам известны и факторы естественного отбора, и молекулярные механизмы эволюции признака. Эта связь между формой, приспособленностью и генами животного позволяет закрыть главный пробел, существовавший в синтетической теории эволюции. Эти примеры можно смело причислить к новым "иконам" эволюции, добавив их к классическим березовым пяденицам и галапагосским вьюркам.

Я также расскажу о том, как новый подход, предложенный наукой эво-дево, позволяет ответить на вопросы, к которым нельзя было подступиться ранее. Вот некоторые из наиболее интересных: повторяется ли эволюция? Происходят ли одни и те же генетические изменения у разных видов животных? Существуют ли разные пути достижения одинаковых эволюционных адаптации?

Меланизм в природе

Меланизм — состояние, при котором отдельные особи или виды в целом отличаются преобладанием черной или темной окраски над всеми остальными цветами. Пигмент меланин — это смесь химических полимеров, существующих в разной форме и имеющих разные оттенки — от базового черного до коричневого, красноватого или желто-коричневого.

Меланизм широко распространен в царстве животных и хорошо изучен у насекомых (особенно у мотыльков и божьих коровок), земляных улиток, млекопитающих и птиц. Меланистическая окраска выполняет разные задачи, в том числе защищает от ультрафиолетового излучения, способствует терморегуляции (она часто встречается на больших высотах и помогает животным быстрее согреваться), обеспечивает защиту от хищников, играет свою роль при выборе полового партнера и т.д. Ввиду столь широкого спектра функций в каждом конкретном случае бывает трудно сказать, зачем понадобился меланизм.

Биолог Майкл Мейджерус отмечал, что в Великобритании около половины всех видов мотыльков имеют меланистические формы. Наиболее известный пример меланизма и естественного отбора — эволюция окраски березовой пяденицы (Biston betularia) в промышленных районах Англии и США в последние 150 лет. Этот мотылек имеет две четко различимые формы: белую с черными крапинками форму typica и практически полностью черную форму carbonaria; кроме того, существуют промежуточные варианты (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Меланизм у березовой пяденицы. Светлого мотылька легко обнаружить на темном фоне (верхнее фото), а темного практически невозможно (фото посередине). Крапчатая форма незаметна на стволе, покрытом лишайником (нижнее фото). Фотографии предоставлены Тони Либертом и Полом Брейкфилдом, Университет Лейдена.

В загрязненных промышленных районах погибают лишайники, и стволы деревьев покрываются сажей. На темных стволах деревьев форма typica очень сильно выделяется, тогда как форма carbonaria практически не видна. Анализ распространения двух форм мотыльков, их поведения в природе и защищенности от птиц позволил сделать общий вывод о том, что соотношение двух форм в разное время и в разных регионах зависит от давления естественного отбора, осуществляемого насекомоядными птицами. Несмотря на некоторые критические замечания по поводу методологии исследования промышленного меланизма в прошлом, меланизм у березовой пяденицы считается классическим примером эволюции, которую можно наблюдать в реальном времени.

Генетические основы меланизма у формы carbonaria достаточно просты. Анализ двух форм показывает, что различие в пигментации определяется одним-единственным геном, а несколько дополнительных генов влияют на степень меланизма. Однако точно идентифицировать ген, вовлеченный в формирование промышленного меланизма, пока не удалось. Открытие данного гена было бы прекрасным завершением этой 150-летней истории, но по иронии судьбы в результате введения законов, направленных на защиту окружающей среды, форма carbonaria встречается все реже и может совсем исчезнуть в ближайшие двадцать лет, так что молекулярным генетикам следует поторопиться[11].

Однако у некоторых других видов гены, вовлеченные в формирование меланизма, выявлены, и я посвящу им оставшуюся часть главы.

Как ягуар прячет свои пятна

Меланистические формы больших кошек хорошо известны, и вы вполне могли увидеть черного леопарда в каком-нибудь зоопарке. В африканских саваннах черные леопарды встречаются крайне редко, но в джунглях Юго-Восточной Азии их значительно больше. Черная окраска шкуры делает хищника менее заметным для жертвы. Ягуаров, имеющих черную окраску, встречают в Центральной и Южной Америке на всем ареале данного вида. Хотя этих кошек называют "черными", на их теле все равно видны пятна (рис. 9.3). Черная окраска накладывается на пятнистый оранжево-черный рисунок, но не скрывает его.

Рис. 9.3. Оранжевая и черная формы ягуаров. Фотография печатается с разрешения Нэнси Вандерней.

У млекопитающих пигментные клетки кожи и волосяных фолликулов синтезируют два типа меланина — эумеланин и феомеланин, которые отвечают соответственно за черно-коричневую и красновато-оранжевую (или желтую) окраску меха. Количество каждого из пигментов контролируется несколькими белками. Один из важнейших белков — рецептор меланокортина-1, или MC1R. Этот белок заякоривается в мембране пигментных клеток, причем одна его часть находится снаружи, а другая — внутри клетки. Так называемый альфа-меланоцитстимулмрующий гормон (MSH) связывается с белком MC1R, что запускает каскад событий в пигментных клетках и в конечном итоге приводит к производству ферментов, синтезирующих эумеланин. Еще один белок, названный Agouti, блокирует рецептор, и в такой ситуации синтезируется феомеланин. Таким образом, тип синтезируемого пигмента зависит от активности белка MC1R (рис. 9.4). Сравнительный анализ генов, кодирующих MC1R у нормального оранжевого ягуара и ягуара-меланиста, выявил специфическую мутацию у всех черных ягуаров. Эта мутация приводит к отсутствию в белке MC1R пяти и замене еще одного аминокислотного остатка. У кошек с одной копией мутантного и одной копией нормального гена MC1R развивается черная окраска; таким образом, меланизм является доминантным признаком. Это означает, что мутантная форма белка делает незаметным присутствие его нормальной формы. Мутантная форма белка MC1R перманентно активна и заставляет клетку синтезировать эумеланин вне зависимости от присутствия гормонов или ингибиторов.

Рис. 9.4. Меланизм у млекопитающих и птиц связан с изменениями рецептора меланокортина-1. Рецептор MC1R пронизывает мембрану меланоцитов. При его активации альфа-меланоцитстимулирующим гормоном меланоцит синтезирует эумеланин, а при его ингибировании белком Agouti происходит переключение клетки на синтез феомеланина. Черными кружками обозначены положения тех аминокислот, изменения которых связаны с меланизмом у разных видов животных. Изменения в хвостовой части молекулы связаны с белой окраской у кермодского медведя и некоторых видов собак. Рисунок Лианн Олдс; модификация рисунка из статьи М. Majerus and N. Mundy, Trends in Genetics 19 (2003): 585; печатается с разрешения издательства.

Сейчас я впервые в этой книге описал изменение аминокислотной последовательности белка (а не нуклеотидной последовательности генетического переключателя), которое совершенно точно обуславливает различия между фенотипами животных. Белок MC1R может изменяться по той причине, что его активность влияет в основном на регуляцию синтеза пигмента, но не влияет на другие функции организма. Рецептор меланокор-тина-1 является членом семейства белков, состоящего из пяти рецепторов, которые выполняют специфические функции во многих физиологических процессах у млекопитающих и реагируют на сигналы определенного семейства гормонов. Эволюция пигментации без влияния на другие функции организма связана с эволюцией регуляции гена MC1R (то есть с его экспрессией в пигментных клетках), а также со структурой белка MC1R.

Мутации гена MC1R отвечают за меланизм и у других животных. У ягуарунди — более мелкого представителя семейства кошачьих, обитающего от юго-западных районов США до Южной Америки, — меланизм также связан с изменением белка MC1R, но в другом положении. Таким образом, у этих двух кошек драматические изменения окраски произошли в результате аминокислотных замен в одном и том же белке.

С мутациями гена MC1R связано и изменение окраски птиц. Например, на Карибских островах часто варе чается птица под названием банановый певун. У большинства певунов ярко-желтое оперение на грудке и белые полосы над глазами. Однако на островах Святого Винсента и на Гренаде обнаружены почти полностью черные певуны-меланисты (рис. 9.5). Это изменение окраски связано с заменой одной-единственной аминокислоты в последовательности белка MC1R. Интересно, что та же самая аминокислотная замена встречается у кур и домовых мышей. Таким образом, у диких кошек и у птиц независимые мутации одного и того же белка ответственны за сходные эволюционные изменения, а некоторые из этих изменений произошли также у одомашненных видов. Это означает, что эволюция может повторять саму себя на уровне изменений конкретных генов или даже конкретных аминокислот белковой последовательности.

Рис. 9.5. Меланизм у банановых певунов. Фотографии предоставлены Эндрю Макколом.

Несколько способов сделать мешотчатого прыгуна черным

Жизнь в пустынных областях юго-запада США требует от растений и животных, обитающих в этом регионе, умения приспосабливаться к разнообразным местным условиям. А значит, эта обширная зона может служить прекрасной лабораторией для изучения эволюционных адаптации.

В пустыне Пинакате на юго-западе Аризоны есть участки черной каменистои земли, покрытой застывшей лавой, возраст которой приближается к миллиону лет. Здесь, а также в других областях на юго-западе США обитает вид грызунов, называемых мешотчатыми прыгунами (Chaetodipus intermedius). В 1930-х годах натуралисты заметили, что мешотчатые прыгуны, обнаруженные на этих черных камнях, обычно меланисты, а те, что живут на светлом песке, имеют светлую окраску (рис. 9.6). Таким образом, корреляция между условиями обитания и окраской меха, по-видимому, является адаптацией, позволяющей скрыться от хищников, особенно сов. Хорошо документирован тот факт, что совы питаются этими мышами, и эксперименты показали, что они умеют различать светлых и темных мышей даже ночью (ясное небо в пустыне пропускает достаточное количество лунного света). Дополнительным подтверждением адаптивного значения окраски является одинаковое распределение темных и светлых мышей во многих участках этого региона.

Рис. 9.6. Связь между средой обитания и окраской меха мешотчатых прыгунов. Светлоокрашенные мыши обычно живут на светлой почве, а темные — на окаменевшей лаве, что позволяет им скрываться от хищников. Фотография предоставлена Майклом Нахманом; из статьи М. Nachman et al., PNAS100 (2003): 5268.

Для изучения генетических основ меланизма у мешотчатых прыгунов Майкл Нахман и его коллеги из Университета Аризоны проанализировали последовательности генов MC1R у светлых и темных мышей. В гене MC1R темных мышей они обнаружили наличие четырех мутаций, которые приводят к замене четырех аминокислот в белке MC1R. Этими аминокислотными заменами белок MC1R темных мышей отличается от белка MC1R светлых мышей. Эти различия белковой последовательности указывают на то, что в данной популяции, как и в популяциях ягуаров, ягуарунди и банановых певунов, присутствует постоянно активная форма белка MC1R, обеспечивающая темную окраску меха и оперения носителям соответствующей мутации. Генетические доказательства, корреляция между окраской мышей и их местообитанием, а также данные некоторых дополнительных полевых и лабораторных экспериментов позволяют нам нарисовать убедительную картину эволюции окраски животных в естественных условиях под действием отбора.

Однако эта замечательная история еще не окончена. Нахман с коллегами исследовали также светлых и темных мешотчатых прыгунов из другого района, расположенного в шестистах километрах от мест обитания аризонской популяции. Вторая популяция обитает на участках покрытой лавой земли в штате Нью-Мексико. С экологической точки зрения ситуация здесь точно такая же, а вот с генетической — совсем другая. Темные мыши из Нью-Мексико вовсе не имеют мутаций в гене MC1R. У них нет мутаций и в гене Agouti, которые также Могли бы привести к появлению темной окраски (поскольку Agouti ингибирует MC1R, мутация ингибитора позволяет белку MC1R быть постоянно активным). Это означает, что мутации каких-то других генов, кроме MC1R и Agouti, также могут вызывать меланизм. Таким образом, у двух черных популяций одного и того же вида, живущих в похожих условиях на покрытой лавой поверхности, разными способами развивался меланизм. Эволюция одного признака не всегда идет одним путем, даже у одного и того же вида.

Черные леопарды, белые медведи и рыжие люди

У леопардов и других диких кошек меланизм также может быть следствием мутаций не только генов MC1R и Agouti. Исследования животных разных видов показывают, что окраска меха зависит и от других генов, а также от сочетания генов, вовлеченных в пигментацию. Например, окраска палевых лабрадоров, золотистых ретриверов и ирландских сеттеров, по-видимому, связана с мутацией, отключающей функцию гена MC1R, так что палевую, золотистую или рыжую окраску меха определяют другие гены. Биологи пытаются идентифицировать гены, вовлеченные в формирование как меланистического, так и других типов окраски шерсти, и уверены, что найдут специфические изменения, обеспечивающие различия между видами и породами.

В то время как меланизм часто связан с мутациями, активирующими ген MC1R, другие типы мутаций этого гена вызывают появление другой характерной окраски. Белого медведя Кермода[12], живущего на северо-западном побережье Северной Америки, когда-то считали отдельным видом, но на самом деле это просто цветовая вариация американского черного медведя (рис. 9.7). Медведь Кермода имеет в гене MC1R мутацию, отключающую функцию рецептора. Поскольку ген MC1R испорчен, черный пигмент не образуется, и шкура медведя имеет белый цвет.

Рис. 9.7. Медведь Кермода и обычный черный медведь. Фотография предоставлена Чарли Расселом.

Наконец, мутациями гена MC1R объясняется рыжий цвет волос у людей. Эти мутации также ответственны за появление веснушек, светлую кожу и повышенную чувствительность к солнечному свету. Загар у человека объясняется синтезом эумеланина в ответ на облучение кожи ультрафиолетом и регулируется активацией MC1R альфа-меланоцитстимулирующим гормоном. Мутации гена MС1R, с которыми связан рыжий цвет волос, по-видимому, снижают способность MC1R реагировать на альфа-MSH.

Эволюция рисунков окраски млекопитающих: полосы и пятна

До сих пор я приводил примеры эволюции основной "фоновой" окраски шерсти или оперения животных. Мы увидели, что появление в эволюции полностью черной, белой, рыжей или желтой окраски связано с мутациями генов, вовлеченных в синтез пигментов, чаще всего с мутациями гена MC1R. Однако мех и перья в природных популяциях зверей и птиц часто окрашены двумя или сразу несколькими цветами, которые складываются в характерный узор. Это означает, что "гены пигментации" экспрессируются по-разному в участках тела, окрашенных в разные цвета. Для избирательной экспрессии генов в конкретных участках тела необходимы переключатели, контролирующие экспрессию "генов пигментации" и определяющие пространственную структуру окрашивания.

Мы пока еще мало знаем о работе таких переключателей в организме млекопитающих. Очень часто бывает, что спина и бока животного окрашены в бурый, черный или коричневый цвет, а грудь и живот светлые. Именно такую схему окраски имеют, к примеру, домовые мыши. Ген Agouti играет центральную роль в создании различий окраски спины и брюха. У этого гена есть особый переключатель, который регулирует его экспрессию в волосяных фолликулах на груди и животе. Поскольку белок Agouti ингибирует активность MC1R, окраска шерсти на животе оказывается более светлой.

Итак, мы кое-что знаем о формировании одноцветной и двухцветной окраски шерсти млекопитающих, но что мы можем сказать о более сложном цветовом рисунке, таком как полосы на теле зебры? В одном из моих самых любимых очерков Стивен Гулд задался вопросом: "Зебра — это белое животное с черными полосками или черное животное с белыми полосками?". Многие пытались решить эту задачку из естественной истории. Теперь большинство специалистов склоняется к версии, что зебра — это черное животное с белыми полосками. Но прежде чем встать на чью-либо сторону, давайте попробуем ответить на другой вопрос: откуда у зебры взялись полоски?

Честно говоря, в отличие от всех других вопросов, на этот вопрос прямого ответа у меня нет. Насколько я знаю, никто не занимался эмбриологией зебры. Но мы можем попытаться сложить целостную картину, используя фрагменты информации, полученной при изучении развития других животных. Это данные о том, как развиваются у эмбрионов клетки, синтезирующие меланин, о мутантных вариантах окраски у мышей, лошадей и других млекопитающих, о том, как выглядят гибриды от скрещивания зебры и лошади, а также о межвидовой и внутривидовой изменчивости полосатого рисунка у разных видов зебр.

Чтобы понять, как образуются полосы, очень важно понимать, как дифференцируются пигментные клетки — меланоциты, которые окрашивают эти полосы. Меланоциты развиваются из клеток-предшественников, дифференцирующихся в так называемом нервном гребне, расположенном вблизи нервной трубки эмбриона. Эти предшественники, меланобласты, покидают нервный гребень и мигрируют по определенным траекториям, которые ориентированы более-менее перпендикулярно по отношению к спинному мозгу. Траектории мигрирующих клеток, по-видимому, задаются специфическими направляющими сигналами. Поскольку эти траектории начинаются в верхней части спины, то груди и живота клетки достигают уже в конце своего пути. Очевидно, что при мутациях, замедляющих или останавливающих миграцию клеток, эти области остаются белыми. Именно с этим связано появление белых пятен на теле лошадей, белого воротничка у собак и белого живота у кошек.

Таким образом, черные полосы зебры соответствуют участкам, которых достигли меланобласты. Однако вопрос о происхождении белых полос остается открытым: либо в них нет меланоцитов (меланобласты сюда не дошли или дошли, но потом погибли), либо меланоциты есть, но в них нарушен процесс синтеза пигмента. Но в чем бы ни заключалась разница между черными и белыми полосами (нарушение миграции меланобластов, гибель клеток или ингибирование синтеза меланина), любой из этих механизмов формирования полос должен регулироваться с помощью специфического процесса. Например, нам известно множество сигнальных молекул, экспрессирующихся полосами в нервной трубке и сомитах позвоночных животных. Если миграция меланобластов направляется или задерживается какими-то из этих молекул, получается полосатый рисунок. Аналогичным образом, если ингибитор синтеза меланина экспрессируется в коже или волосяных фолликулах полосами, это тоже может приводить к образованию белых полос. Поскольку живот у зебр обычно белый, мне кажется более вероятным, что белые полосы на теле зебры соответствуют участкам, где нет меланоцитов. Но даже если моя догадка верна, причин отсутствия меланоцитов может быть несколько, так что точный механизм появления полос у зебры остается неизвестным.

И все же как разрисована зебра — черным по белому или белым по черному? Есть еще одна любопытная деталь, которая может подсказать ответ. Очень редко встречаются зебры, у которых вместо белых полос на теле белые пятна. Именно этого можно было бы ожидать, если бы цвет зебры "по умолчанию" был черным. Но лично мне не кажется, что у зебры должна обязательно существовать какая-то окраска "по умолчанию". Более того, в марте 2004 г. кенийский Центр изучения дикой природы сообщил о рождении совершенно белого детеныша зебры. Если говорить о процессе развития, то и черные, и белые полосы активно "рисуются" на теле зебры. Я предпочитаю воспринимать зебру как животное с черными и белыми полосками.

Миграция меланобластов из нервного гребня в направлении от спинного мозга говорит о том, что потенциальная возможность формирования полосатого рисунка изначально заложена в механизме развития. У животных, обычно имеющих однотонную окраску, таких как лошади или мыши, мутации могут приводить к появлению полос. Более того, при разведении лошадей и ослов нередко появляются особи с частично полосатым (тигровым) рисунком. Еще Дарвин в "Происхождении видов" обращал внимание на полосатых лошадей, ослов и их гибриды. Гибрид лошади и зебры можно получить путем спаривания жеребца зебры с кобылой. Потомство обычно бывает полосатым, однако если кобыла была светлой, черные полосы проступают только на темноокрашенных участках тела детенышей. Это возможно в том случае, если ген, обуславливающий белую окраску, воздействует на миграцию меланобластов таким образом, что полосы появляются лишь там, куда меланобласты все-таки попали. Возможно, еще более удивительным является тот факт, что гибрид лошади и зебры обычно имеет больше полос, чем зебра-родитель.

Джонатан Бард обратил внимание на эту особенность, а также на различия в числе полос у трех ныне живущих видов зебр, и предложил интересную модель развития окраски зебры. Он отметил, что у зебр Греви около восьмидесяти полос, у горных зебр — около сорока трех, а у обычных — от двадцати пяти до тридцати. Бард предположил, что это различие связано с тем, что миграция меланоцитов в ходе развития эмбриона начинается у этих видов в разное время. У зебр с меньшим числом полос эти полосы шире, а у зебр с большим числом полос — уже. По мнению Барда, такое соотношение можно объяснить тем, что образование полос происходит в определенных точках эмбриона, разделенных равными интервалами (около 0,4 мм), но в разное время у разных видов (рис. 9.8). Чем раньше начинают формироваться полосы, тем они шире и тем их меньше. Напротив, чем позднее начинают возникать полосы, тем они уже и тем большее число полос помещается на теле животного. Таким образом, большее число полос у гибридов лошади и зебры может быть связано с более поздним началом образования полос у гибрида по сравнению с чистокровными зебрами (это вполне резонное предположение, поскольку гибриды действительно часто развиваются чуть медленнее, чем чистые виды).

Рис. 9.8. Модель Джонатана Барда, описывающая образование разного количества полос у разных видов зебр. Бард предположил, что разное число и разная ширина полос у обычной зебры, горной зебры и зебры Греви (А В и С соответственно) объясняются тем, что полосы образуются через одинаковые интервалы (примерно через 20 клеток), но в разное время. Рисунок Лианн Олдс, из J. В. Bard, Journal of Zoology 83 (1977): 527. с изм.

В модели Барда крайне важно, что полосы начинают формироваться еще на стадии раннего эмбриона, за шесть месяцев до того, как начинается пигментация меха. Это очень важный момент в формировании рисунка у крупных животных. Процесс разметки будущего рисунка может осуществляться только на небольших расстояниях, позволяющих клеткам обмениваться информацией. Расстояния между полосами на теле взрослого и даже новорожденного животного слишком велики, чтобы клетки могли передавать сигнал от одной полосы к другой. Общая схема рисунка на теле животного закладывается очень рано; пока эмбрион растет, все эти до поры невидимые элементы рисунка уже находятся на своих местах.

Если различия в количестве полос действительно связаны с тем, что у разных видов они закладываются в разное время, это, в свою очередь, должно объясняться временным сдвигом активации генов, регулирующих миграцию меланобластов. Сдвиг во времени — это результат регуляторных изменений, так что различие в количестве полос должно быть связано с эволюционными изменениями генетических переключателей, контролирующих временные и пространственные закономерности миграции меланобластов.

А что можно сказать об образовании пятен? Как бы я ни хотел •рассказать вам о том, откуда взялись пятна у леопарда, надежных данных об этом еще меньше, чем об образовании полос (я говорю о млекопитающих).

Больше известно о том, как сложный узор, состоящий из черных пятен и полос, формируется у насекомых. Эта тема была особенно интересна сотрудникам моей лаборатории. Например, тела и части тел различных видов дрозофил имеют множество вариантов темной окраски. Черный пигмент у насекомых — это тот же меланин. У Drosophila melanogaster брюшко и грудь окрашены темным, щетинки на теле очень темные, а крылья обычно светлые.

У других видов черный пигмент может быть распределен по всему телу или сосредоточен в отдельных участках. У самцов вида D. biarmipes на концах крыльев имеются хорошо заметные темные пятна (рис. 9.9). Эти пятна играют важную роль в процессе ухаживания: самец прогуливается перед самкой, расправляя крылья так, чтобы она разглядела пятна, — и, судя по всему, это работает. Что ж, на вкус и цвет, как говорится…

Рис. 9.9. Пятна на крыльях дрозофил. У видов, обладающих пятнами, они играют важную роль в процессе ухаживания. Различие между видами определяется характером экспрессии генов пигментации. Фотография Николаса Гомпела.

У видов, не имеющих пятен, во всех клетках крыльев образуется небольшое количества белка, обеспечивающего черное окрашивание. Однако в тех клетках на крыльях D. biarmipes, которые позднее образуют пятна, этого белка вырабатывается намного больше. Мы считаем, что это различие связано с эволюционными изменениями переключателя, контролирующего экспрессию данного белка в крыльях дрозофилы. Гены пигментации имеют переключатели, которые контролируют их экспрессию в разных частях тела. Независимость этих переключателей позволяет изменять рисунок одной части тела, не затрагивая другие. На основании тех данных, которые мы получили при изучении дрозофил, я готов предположить, что у птиц, млекопитающих, рыб, змей и других животных также эволюционировали переключатели, контролирующие их "гены окраски", и что разнообразие рисунков и окраски этих животных в значительной степени объясняется эволюционными изменениями этих переключателей.

Отбор, гены и приспособленность: каким должно быть преимущество?

В двух последних главах я привел аргументы и свидетельства в пользу того, что пятна-глазки на крыльях бабочек, а также окраска кошек-меланистов, темных и светлых мешотчатых прыгунов и полосатых зебр эволюционировали под действием естественного отбора, а пятна на крыльях дрозофил сформировались в ходе полового отбора. В некоторых случаях очевидно, что те или иные признаки дают своим носителям определенные преимущества. Однако насколько велико должно быть преимущество, чтобы отбор благоприятствовал носителю того или иного признака? В 1910 году Тедди Рузвельт не увидел, чтобы пятна леопарда или полоски зебры давали своим хозяевам какие-либо преимущества. Я подозреваю, что Рузвельт, как и многие другие люди, считал, что преимущество должно быть очевидным или измеряемым и что лишь тогда оно приводит к отбору соответствующего признака. Итак, вопрос звучит следующим образом: насколько велико должно быть различие, чтобы оно имело значение?

Здесь мы внедряемся в сферу популяционной генетики — раздела генетики, который исследует изменчивость особей в популяции, генетические основы такой изменчивости и изменения частоты, с какой те или иные фенотипические формы и гены встречаются в ходе эволюции. Коротко ответить на вопрос, насколько велико должно быть различие, можно так: для того, чтобы заработал естественный отбор, достаточно на удивление малого различия в успешности двух форм. Это различие часто невозможно увидеть или измерить в полевых условиях, но его достаточно, чтобы в ходе эволюции одна из форм получила преимущество над другой.

Популяционные генетики вывели несколько формул, которые выявляют основные связи между преимуществами или недостатками определенной мутации и судьбой этой мутации внутри популяции или вида. С помощью этих формул можно рассчитать, насколько одна фенотипическая форма должна быть "лучше" другой, чтобы распространиться в популяции. И — как много времени это займет.

Тут нужно иметь в виду несколько факторов и понятий. Когда мы говорим "лучше", что мы на самом деле имеем в виду? Существует понятие "приспособленность": для животных приспособленность складывается из выживаемости (продолжительности жизни отдельной особи) и плодовитости (количества потомков). Чтобы естественный отбор сработал и новая мутация закрепилась в популяции, она должна давать относительное преимущество в приспособленности. Допустим, что особи с новой мутацией (например, меланизм у мотыльков или мешотчатых прыгунов) оставляют в среднем по 101 потомку, тогда как особи без этой мутации оставляют лишь по 100 потомков. В этом случае различие в относительной приспособленности составляет 1%. Для использования в нашей формуле мы преобразуем это значение в коэффициент отбора (s), который в данном случае составляет 0,01.

Имеет ли значение столь слабое различие? Если преимущество в 1% сохранится, то да. Частота встречаемости данной мутации в популяции будет возрастать со скоростью, которая зависит от размера популяции и значения коэффициента отбора. Для расчета времени распространения мутации в популяции, измеряемого в числе поколений, пользуются следующей формулой:

Время = 2 / s x ln(2N)

Здесь N — число особей в популяции, a In — натуральный логарифм.

В нашем примере, если N = 10 000, что является достаточно большим и вполне реалистичным числом, a s = 0,01, для распространения мутации в популяции потребуется (2/0,01) In (2 х 10 000) = 1980 поколений. Для мышей или мотыльков это соответствует примерно 2000 годам или менее. Если s = 0,001, т. е. преимущество составляет лишь 0,1%, мутация все-таки закрепится в популяции, но только через 20 000 поколений. Эти расчеты показывают, что даже очень небольшое преимущество позволяет мутации распространиться в популяции за достаточно короткий срок (по геологической шкале). Однако коэффициент отбора вовсе не обязательно низкий. Быстрое повышение частоты встречаемости мотыльков-меланистов в промышленных районах Англии или насекомых, устойчивых к инсектицидам, происходило за считаные годы, а не за тысячелетия. В этих случаях коэффициенты отбора находятся в интервале от 0,2 до 0,5, то есть являются довольно высокими и отражают огромные селективные преимущества.

Обсуждая возможности естественного отбора, нельзя не учитывать и обратный процесс — удаление из популяции неблагоприятных мутаций. Я не буду углубляться в арифметику, лишь замечу, что мутации, которые вызывают даже очень незначительный недостаток, почти не имеют шанса распространиться в большой популяции. Обсуждая преимущества и недостатки темного и светлого меха у мешотчатых прыгунов, стоит задуматься о том, что каких-то вариантов рисунка мы в природе не встречаем — например, не существует пятнистых мешотчатых прыгунов. Может быть, такая мутация в принципе невозможна? Я думаю иначе. Если такие животные появляются, они вынуждены жить либо на темной, либо на светлой почве, и в любом случае их окраска является настолько невыгодной, что в дикой природе они не могут достичь значительной численности.

В конце этой главы л предлагаю вернуться к спору о зебре, используя ту же логику, с помощью которой я только что объяснил отсутствие пятнистых мышей. Подумайте, ведь все зебры на свете полосатые. Если бы полосы не давали преимущества, разве мы не встречали бы множество зебр без полосок? Конечно, встречали бы. Мутации окраски у млекопитающих происходят достаточно часто, так что в дикой природе с очень небольшой частотой встречаются и белые тигры, и пятнистые зебры. Заводчики, занимающиеся разведением домашних животных, на протяжении многих веков отбирали редкие спонтанно возникавшие варианты, например, разнообразные варианты окраски лошадей — родственников зебр. Я думаю, что лаборатория африканской саванны доказывает нам, что полоски действительно имеют значение.

Мы просто не знаем, для какой цели они нужны. Вспомните теорию: минимальное преимущество перед теми, у кого полос нет, — это все, что нужно, чтобы полосы сохранялись. Базовый принцип действия естественного отбора (включая половой отбор) по созданию или сохранению какого-либо признака распространяется на эволюцию всех видов, включая нас с вами. То же самое относится к основным закономерностям эво-дево, касающимся модульного строения, генетических переключателей и эволюции формы. В следующей главе мы, наконец, поговорим о том, как появился Homo sapiens и его специфические признаки.

Эволюция формы и размера черепа гоминид. Рисунок Деборы Майзелс, Zoobotanica.

Глава 10. что делает Homo sapiens человеком

Как ни велико различие душевных способностей человека и высших животных, это различие — лишь по степени, а не по роду.

Чарльз Дарвин "Происхождение человека и половой отбор" (1871)

Вскоре после возвращения из кругосветного плавания Дарвин посетил Дженни — первого орангутана лондонского зоопарка и одного из первых высших приматов, привезенных в Великобританию. Это животное произвело на ученого очень сильное впечатление. Он был потрясен тем, как Дженни общалась со смотрителем зоопарка, и восхищался ее игривостью и разумностью. Ее эмоции напоминали эмоции ребенка, и после этого знакомства Дарвин стал воспринимать детей, в том числе и своих, с позиций сравнительной приматологии.

Близкое знакомство с человекообразными обезьянами кого-то восхищает, а кого-то неприятно поражает. Королева Виктория, увидевшая другого орангутана (тоже Дженни), писала, что обезьяна была "отвратительной и до боли похожей на человека".

В мимике шимпанзе, орангутанов и горилл, в их манерах, в движениях их изумительно ловких рук мы видим собственное отражение. Это наблюдение всегда вызывало провокационный и для некоторых неприятный вопрос о разнице между людьми и животными. Что видят человекообразные обезьяны, когда смотрят на своих безволосых двуногих посетителей? Что скрывается за долгим пристальным взглядом гориллы? Какие генетические и экологические факторы способствовали тому, что это мы приходим в зоопарк посмотреть на них, а не наоборот?

Моя четырнадцатилетняя племянница Кейти, потрясенная видом человекообразной обезьяны в зоопарке Тампы во Флориде, повернулась к отцу и спросила: "Ты всегда говорил, что мы и шимпанзе идентичны на 99% - Хорошо, но чем мы от них отличаемся?"

Прекрасный вопрос.

Кейти назвала цифру, которую довольно часто упоминают и которая означает почти полную идентичность нашей ДНК и ДНК шимпанзе. В этой главе я начну отвечать на ее вопрос. Я вынужден сказать "начну" по двум причинам. Во-первых, потому что биология только недавно смогла подступиться к вопросу о специфических генетических различиях между человеком и высшими приматами. Осталось узнать гораздо больше, чем мы уже знаем. Во-вторых, по той причине, что некоторого рода данные, полученные, например, с помощью визуализации экспрессии генов и так много рассказавшие нам об эволюции формы животных, для человеческих эмбрионов практически отсутствуют.

Психолог Эрих Фромм однажды заметил: "Человек — единственное животное, для которого собственное существование составляет проблему, какую он должен разрешить и какой он не может избежать". Понятно, что решение требует знаний из многих областей науки — традиционных, таких как палеонтология и сравнительная нейроанатомия, которые уже давно изучают историю человечества и биологические основы нашего мышления, и новых дисциплин, таких как только что вышедшие на авансцену сравнительная геномика, медицинская генетика и эво-дево.

Изменения формы и функций человеческого организма, произошедшие после того, как шесть миллионов лет назад человек и шимпанзе отделились от последнего общего предка, являются результатом эволюции как развития, так и генов человека. Понять, как эволюционировали самые интересные признаки человека — его скелет (двуногость, длина конечностей, кисти и стопы, таз и череп), жизненный цикл (продолжительность беременности, позднее наступление половой зрелости и долгожительство) и, в особенности, крупный мозг, речь и язык, — это одна из самых трудных головоломок в биологии, и для эво-дево в особенности.

В этой главе мы рассмотрим эволюцию формы человека с нескольких точек зрения — палеонтологии, сравнительной нейробиологии, эмбриологии и генетики — и ответим на четыре основных вопроса:

1. Что представляет собой эволюция человека, если рассматривать ее как ряд изменений в цепочке видов, ведущих к формированию современного человека?

2. Есть ли в эволюции человека что-то нетипичное для эволюции других млекопитающих?

3. В каких отделах нашего мозга кроются специфические человеческие способности?

4. Где в нашей ДНК находятся участки, отличающие нас от других высших приматов?

Основная идея этой главы заключается в том, что все, что мы узнали до сих пор об эволюции формы разных животных — бабочек и зебр, дрозофил и зябликов, пауков и змей, — полностью применимо к эволюции формы человека. Мы эволюционировали точно так же, как другие виды. Эволюция отличительных особенностей человека, включая двуногость, крупный мозг, отставленный большой палец и связную речь, определялась изменениями процессов развития, которые модифицировали существовавшие структуры приматов или человекообразных обезьян и накапливались несколько миллионов лет в ходе длинного ряда видообразований. Сейчас мы начинаем узнавать о некоторых специфических генетических различиях между нами и современными человекообразными обезьянами.

Разыскиваем предков

Чтобы понять происхождение признаков любого уровня, характерных для человека, нужно отчетливо представлять себе нашу историю и ее главные отличительные черты. Мы не можем просто сфотографировать человека, шимпанзе и других современных человекообразных обезьян и на основании получившихся снимков сделать вывод о том, как формировались различия между этими видами. У каждого из этих видов есть собственная родословная, которой шесть миллионов лет, а то и больше. Для анализа масштабов, скорости и последовательности изменений, происходивших внутри видов и отделявших один вид от другого, мы долгое время опирались исключительно на данные палеонтологии. Начиная со времен Дарвина, палеонтологи из поколения в поколение пытались раскрыть тайну происхождения человека.

Первые данные о древнейшей истории человека появились в 1856 году. При расчистке пещеры в долине Неандерталь в Германии рабочие обнаружили череп, несколько ребер, плечевые кости и часть тазовой кости. Сначала рабочие подумали, что это скелет медведя, но наличие у черепа надбровных дуг и ряда других признаков заставили учителя из местной школы задуматься, не принадлежат ли кости кому-то другому. Но кому? На поиски правильного ответа ушло несколько лет.

Анатом Герман Шаффхаузен заключил, что это кости представителя древней расы варваров, населявших территорию Европы. Один ведущий немецкий патолог заявил, что необычное строение костей — всего лишь результат перенесенного рахита. Другой анатом заявил, что кости ног искривились от верховой езды и что это останки казака, который был смертельно ранен в войне с Наполеоном, укрылся в пещере и там умер.

Ни одно из этих объяснений не удовлетворило Томаса Гексли, известного как "бульдог Дарвина". Он не мог себе представить, как и зачем умирающий человек взбирается вверх на семьдесят футов внутри пещеры и оказывается похороненным там без вещей и одежды. Гексли считал, что скелет необычный и скорее напоминает скелет человекообразной обезьяны. Да, это был представитель нашего рода Homo, но другой. Великий геолог Чарльз Лайель обнаружил, что найденные по соседству с этими костями кости животных принадлежали вымершему мамонту и шерстистому носорогу; следовательно, "неандертальский" череп очень древний (рис. 10.1) сравните черепа Н. neanderthalensis и Н. Sapiens).

Рис. 10.1. Сравнение черепов неандертальца и современного человека. Обозначены основные различия. Фотографии предоставлены Даниэлем Либерманом, антропологический факультет Гарвардского университета.

Понимание того, что эти кости представляют собой окаменевшие остатки древнего человека, пришло чрезвычайно вовремя — на гребне волны интереса, вызванного книгой "О происхождении видов" (1859). Хотя Дарвин в своей книге очень старательно обходил вопрос о происхождении человека и заметил только, что в свое время "много света будет пролито на происхождение человека и на его историю", конечно же, именно эволюция человека и тогда, и сейчас вызывала наибольший интерес.

Объяснение происхождения человека взял на себя Гексли. Его блестящий труд "О положении человека в ряду органических существ" (1863) демонстрировал связь человека с другими животными, а на фронтисписе этой книги были изображены скелеты человекообразных обезьян и самого человека (рис. 10.2). Журнал "Атенеум"[13] обвинил Гексли и его сторонников в том, что они принижают достоинство человека, утверждая, что ему всего "сто тысяч лет". Забавно, но эта догадка оказалась поразительно близка к истине, поскольку самым старым из известных ныне ископаемых остатков Н. sapiens около 160 000 лет.

Рис. 10.2. Эволюция формы скелета человека и человекообразных обезьян. Слева направо: скелеты Гиббона, орангутана, шимпанзе, гориллы, человека. Рисунок с фронтисписа книги Т. Гексли "О положении человека в ряду органических существ" (1863).

С тех пор, как палеоантропология пережила свой первый золотой век, многое изменилось. Палеонтологическая летопись продолжает расширять наши представления о мире, причем некоторые из важнейших открытий были сделаны совсем недавно. Окаменелости, которыми мы располагаем на сегодняшний день, позволяют ответить на три наиболее важных вопроса, касающихся эволюции гоминид (гоминидами называют и человека, и африканских человекообразных обезьян, а гомининами — только человека и его предков, отделившихся от ветви других обезьян). Во-первых, что отличает ветвь гоминин от человекообразных обезьян? Во-вторых, что отличает современного человека (Homo sapiens) от более ранних гоминин? В-третьих, каким был последний общий предок гоминин и шимпанзе?

За два последних десятилетия значительно выросло число как признанных, так и предполагаемых видов гоминин. В зависимости от особенностей интерпретации палеонтологических данных (например, от того, считаются ли какие-то ископаемые формы вариантами одного и того же вида или "хроновидами" — морфологически различимыми формами последовательной эволюции одной линии) нам известно от 15 до 20 видов гоминин, появившихся от шести до семи миллионов лет назад. Традиционная форма древа гоминид представлена на рис. 10.3 (я называю ее традиционной потому, что имеются и другие ископаемые остатки, которые могут относиться к дополнительным таксонам, но окончательно их статус еще не определен). Последним был открыт самый старый представитель ветви гоминин, Sahelonthropus tchadensis; его мозг был размером с мозг шимпанзе, но особенности зубов и лица — как у гоминин. По мере того, как это эволюционное древо гоминин становится все более полным и подводит нас к той точке в прошлом, где произошло разделение линий человека и шимпанзе, становится ясно, что у основания древа может находиться значительное число видов человекообразных обезьян, от одного из которых и произошла линия гоминин.

Рис. 10.3. Эволюционное древо гоминид. На схеме отражены родственные связи между различными человекообразными обезьянами и ископаемыми линиями человека. Это традиционное древо, которое не включает все предполагаемые виды. Длительность существования каждой линии показана в виде вертикального столбика определенной длины. Обратите внимание, что история Н. sapiens составляет лишь небольшой фрагмент общей истории гоминин, начавшейся около шести миллионов лет назад. Рисунок Лианн Олдс; благодарим Тима Уайта и Бернарда Вуда за советы и комментарии.

Остатки скелетов или черепа обнаружены только для небольшой выборки видов гоминин, так что мы не можем проанализировать эволюцию каждого интересующего нас анатомического признака. Однако у нас достаточно материала, чтобы выявить общие направления эволюции тех признаков, которые отличают человека от человекообразных обезьян. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют следующие морфологические характеристики и параметры развития:

— относительный объем мозга

— относительная длина конечностей

— размер и форма черепа

— форма тела и грудной клетки

— удлиненный большой палец и укороченные остальные

— маленькие клыки

— редуцированные элементы челюстей

— длинная беременность и большая продолжительность жизни

— прямое расположение черепа на позвоночнике

— редуцированный волосяной покров тела

— пропорции костей таза

— наличие подбородка

— S-образный позвоночник

— топология головного мозга.

Кроме того, артефакты, обнаруженные вместе с ископаемыми остатками, такие как орудия труда древних людей, отражают умения и особенности поведения отдельных видов, а также стадию эволюции когнитивных и моторных функций. Явные признаки использования орудий труда появились уже два с половиной миллиона лет назад у Homo habilis.

В общем, более поздние виды отличаются большим размером тела, большим относительным объемом мозга, большей длиной ног по отношению к длине туловища и более мелкими зубами, тогда как более ранние виды — телом и мозгом меньшего размера, относительно короткими ногами и более крупными зубами. Важно обратить внимание на то, в каких временных рамках и у какого числа видов происходили эти изменения, а также каков был их масштаб. Вне зависимости от того, какова точная картина ветвления у эволюционного древа гоминин, изменения происходили в течение долгого времени и у многих видов. Нельзя забывать, что время развития нашего с вами вида составляет лишь малую долю (около 3%) от общего периода эволюции гоминин. Эволюция интересующих нас физических признаков человека в основном закончилась еще до появления Н. Sapiens.

Некоторые из наших главных отличий представляют собой не отдельные изменения, а результат комплексной эволюции скелета и мускулатуры. Например, эволюция передвижения на двух ногах потребовала изменений позвоночника, таза, ступни и пропорций конечностей и освободила руки, благодаря чему они стали гораздо более умелыми. Если нужно, шимпанзе могут ходить на двух ногах, но у них совсем другая походка и они не могут распрямить коленный сустав и вытянуть ногу.

Доказательством двуногости первых гоминин является морфология их скелета. Самые удивительные доказательства были обнаружены в 1976 году при раскопках в Лаэтоли (Танзания). Палеоантрополог Эндрю Хилл, занятый обычным для приматов делом, а именно, кидавший в своего коллегу слоновьим навозом, вдруг наткнулся на цепочку человеческих следов протяженностью примерно в двадцать метров, впечатанную в застывший вулканический пепел (рис. 10.4). Эти удивительные следы были оставлены двумя существами — большим и маленьким, которые прогуливались по свежему пеплу 3,6 млн лет назад. Следы скрывались под слоем почвы, пока их не нашел Хилл, а группа Мэри Лики не начала на этом месте раскопки. Единственным известным видом гоминин, обитавшим в это время в этих местах, был Australopithecus afarensis — прямоходящее существо с небольшим мозгом, о котором впервые заговорили после открытия Дональдом Джохансоном в Эфиопии знаменитого скелета "Люси".

Рис. 10.4. Отпечатки ног древнего человека. Эти следы на пепле двухафарских астралопитеков, большого и маленького, были обнаружены в 1976 году в Литоли, Танзания. Фотографии предоставлены Питером Джонсом и Тимом Уайтом, Калифорнийский университет в Беркли.

Двуногость и связанные с ней особенности скелета эволюционировали в нашей линии достаточно рано, а вот размер мозга увеличился значительно позже. Мозг таких австралопитеков, как Аи. afarensis и Аи. africanus, имел объем около 400-500 см3, примерно как у шимпанзе (400 см3). Размеры туловища и мозга у рода Homo значительно увеличились за последние два миллиона лет (рис. 10.5), но эти изменения не были поступательными. Абсолютный размер мозга увеличился в два приема: сначала в начале плейстоцена (1,8 млн лет назад) и затем в середине плейстоцена (600 000-150 000 лет назад), а в промежутке на протяжении миллиона лет объем мозга практически не менялся.

Рис. 10.5. Общая тенденция увеличения размеров тела и головного мозга от более древних к более современным видам. Ископаемые остатки скелетов или полные черепа обнаружены не у всех видов (н/о).

Почему наш мозг так сильно увеличился за эти периоды времени? На этот счет существует множество гипотез. Я приведу лишь одну — об адаптации к изменениям климата, поскольку она отражает набирающую все большую популярность идею о зависимости эволюции от внешних условий. Примерно 2,3 млн лет назад температура и влажность на Земле начали постепенно снижаться. Африканские леса уступили место саваннам. Дождевые леса, где жили человекообразные обезьяны, пострадали меньше, а вот предкам человека пришлось адаптироваться к совсем иным условиям. После периода относительной стабильности, примерно 700 000 лет назад, температура на Земле упала ниже, чем когда-либо со времен исчезновения динозавров 65 млн лет назад. Резкие скачки температуры повторялись многократно, причем некоторые наиболее значительные изменения происходили всего за несколько лет. Изменение климата и его влияние на количество пищи и воды, а также на миграцию популяций могло стать тем фактором, который способствовал отбору более адаптированных к постоянным переменам гоминин. В этих условиях за миллион лет, на протяжении которых сменилось около 50 000 поколений гоминин, размер их мозга увеличился примерно вдвое. Это произошло действительно быстро, но не мгновенно.

Интересно, что тело и мозг неандертальцев были еще крупнее, чем у современного человека. Нет никакой очевидной причины, по которой мы преуспели, а наши родственники неандертальцы исчезли около 30 000 лет назад, не оставив потомков. Наши линии разошлись задолго до появления Н. sapiens — примерно 500 000 лет назад. Вид Н. neanderthalensis не был предшественником Н. sapiens. Это окончательно доказано в замечательном исследовании, ставшем одним из блестящих примеров вклада генетики в палеоантропологию. Сванте Паабо и его коллеги, работавшие в Университете Мюнхена, смогли секвенировать ДНК, выделенную из костей неандертальца, и анализ полученных данных доказал, что неандертальцы — мертвая ветвь на эволюционном древе человека.

Н. sapiens и неандертальцы действительно сосуществовали: раскопки показали, что в некоторых местах оба вида присутствовали в одно и то же время. Оба вида использовали орудия труда, добывали огонь, владели речью и обладали самосознанием, но сохранился лишь один из них. Каковы бы ни были интеллектуальные преимущества современных людей над неандертальцами, это, скорее всего, тончайшие различия в области нейроанатомии, выявить которые будет нелегко. Гораздо проще проследить более общую картину развития и эволюции головного мозга гоминин в сравнении с человекообразными обезьянами.

Создание удивительного мозга

Заметное увеличение размера головного мозга в поздней истории гоминин можно считать лишь приблизительным индикатором расширения когнитивных способностей. Абсолютный размер мозга не обязательно указывает на его мощь. Правильнее полагаться на увеличение объема мозга по отношению к массе всего тела. Головной мозг — очень расточительный орган, потребляющий до 25% энергии в организме взрослого человека (и 60% в организме ребенка). Увеличение относительного размера головного мозга гоминин в эпоху плейстоцена представляет собой серьезное отклонение от обычных соотношений, характерных для всех млекопитающих, включая приматов. Хотя мозг китов и слонов гораздо крупнее нашего, вес нашего мозга в процентном отношении к весу тела в 15-20 раз больше, чем у этих животных. Задача нейроанатомов состоит в том, чтобы определить, увеличение каких отделов мозга отвечает за расширение способностей человека.

Сложность этой задачи хорошо подметил Эмерсон Пуг, научный сотрудник компании IBM, который писал, что "если бы человеческий мозг был настолько прост, чтобы мы могли понять его, мы были бы настолько просты, что не смогли бы этого сделать". Понимание работы мозга и биологических основ поведения — две важнейшие высоты, еще не преодоленные биологами.

Ученые уделяют большое внимание роли различных отделов мозга в реализации моторных, зрительных и когнитивных функций у млекопитающих и приматов, включая человека. Большую часть поверхности нашего мозга покрывает слой нервной ткани, который называется корой мозга. Часть коры — шестислойная новая кора, или неокортекс, — обнаружена только у млекопитающих. Кору головного мозга человека принято условно разделять на несколько долей, ограниченных бороздами и буграми. Нейробиологам удалось определить функции всех долей (рис. 10.6). Лобная доля вовлечена в процессы мышления, планирования и эмоциональных реакций, теменная доля отвечает за восприятие боли, прикосновения, вкуса, температуры и давления, а также за математические и логические операции, височные доли в первую очередь отвечают за слух, а также за память и управление эмоциями, затылочная доля участвует в обработке зрительной информации, а лимбическая доля связана с эмоциональным и сексуальным поведением и с процессами запоминания.

Рис. 10.6. Физические границы долей головного мозга у человека и шимпанзе. Центры Брока и Вернике в участке височной доли, называемом planum temporale, связаны с речевой функцией. В головном мозге шимпанзе также найдены анатомические элементы, связанные с этими структурами. Рисунок Лианн Олдс.

Одной из первых удалось определить функцию лобной доли, и сделал это Поль Брока[14]. В1861 году он исследовал головной мозг человека, перенесшего инсульт, который мог выговорить лишь одно односложное слово "tan". Брока обнаружил повреждение в лобной доле мозга и решил, что эта область отвечает за речь. С тех пор его наблюдение было подтверждено множеством различных данных, в том числе изображениями мозга человека, полученными во время разговора. Со времен Брока специалисты в области сравнительной нейроанатомии пытаются идентифицировать области мозга, которые играют ключевую роль в эволюции человеческих способностей. Основной вывод, который можно сделать на основании данных по сравнительной анатомии головного мозга, очень напоминает то, что я рассказывал о пятнах на крыльях бабочек, паутинных бородавках пауков и крыльях насекомых. Вариант структуры, который мы видим сейчас, сформировался на основе многочисленных изобретений, появившихся гораздо раньше. Головной мозг млекопитающих отличался от мозга их предшественников, мозг ранних приматов усовершенствовал основу, доставшуюся им от млекопитающих, а эволюция мозга человекообразных обезьян и человека превзошла самый продвинутый вариант мозга приматов.

Важнейшим из ранних изобретений млекопитающих, без сомнения, стала новая кора. Это новшество не только повысило производительность мозга, но и открыло путь эволюционной специализации отдельных функциональных подсистем. Изменение объема мозга у млекопитающих не сводится к пропорциональному увеличению или сокращению объема его частей. Эволюция мозга происходила, скорее, "мозаично": какие-то части эволюционировали согласованно друг с другом, какие-то независимо от остальных. Например, головной мозг тенрека (небольшого насекомоядного млекопитающего) по объему превосходит мозг мармозетки (примата), однако неокортекс мармозетки почти в десять раз больше, чем у тенрека (рис. 10.7). У приматов неокортекс развит в такой степени, что по размеру превышает неокортекс неприматов такого же размера в среднем в 2,3 раза. У приматов обоняние было в определенной степени вытеснено зрительным восприятием, что сопровождалось относительным изменением размера соответствующих областей мозга.

Рис. 10.7. Эволюция отделов мозга у млекопитающих. У насекомоядного млекопитающего тенрека кора головного мозга гораздо менее развита, чем у примата мармозетки. Относительные изменения размера отдельных областей мозга являются характерным проявлением специализации. Фотографии предоставлены Кэролом Дизаком и Уолли Уокером, Сравнительная коллекция головного мозга млекопитающих, Университет Висконсина.

Кроме изменения пропорций, происходило образование новых мозговых центров. Один из таких новых центров, по-видимому, отвечает за координацию управляемой зрением моторной активности. Способность дотянуться до предмета, схватить его и манипулировать им имеет большое значение в жизни приматов. При выполнении визуально управляемых движений в головном мозге активируется так называемая вентральная премоторная область коры. Что интересно, эта область активируется даже тогда, когда обезьяны просто следят за тем, как подобную операцию выполняет кто-то другой. Это позволяет предположить, что моторная область коры у приматов может играть решающую роль в обучении путем наблюдения.

Поскольку язык и речь занимают такое важное место в нашей эволюции, происхождение этих способностей представляет огромный интерес. В мозге человека имеется центр Брока, расположенный в премоторной коре, и, вероятно, именно он отвечает за речь и язык. Возникает вопрос: являются ли структуры мозга, вовлеченные в выполнение этих функций, специфическими отделами мозга человека? Макроанатомической особенностью центра Брока является то, что данный участок мозга гораздо обширнее в левом полушарии, чем в правом. Мы знаем, что именно левое полушарие играет важную роль в осуществлении речевой функции, и поэтому асимметрию центра Брока связывают с речевой специализацией левого полушария. Кроме того, левое полушарие контролирует праворукость, а жестикуляция является элементом нашего общения. Вторая область, связанная с речевой функцией и называемая центром Вернике[15], расположена в височной доле (рис. 10.6). Один из участков этого центра, planum temporale, связан с речевым общением и жестикуляцией, а также со способностью к занятиям музыкой. Интересно, что и для этих способностей левое полушарие является доминирующим. У большинства людей имеется право-левая асимметрия этой области мозга, связанная с тем, что одна из ее борозд в левом полушарии заходит назад дальше, чем в правом.

Такая же анатомическая асимметрия обнаружена и у человекообразных обезьян. Это означает, что анатомические отделы мозга, которые стали высоко специализированными у человека, уже существовали у общего предка человека и высших приматов. Кроме того, исследования показывают, что у живущих в неволе человекообразных обезьян способность к общению определяется левым полушарием мозга. Эти данные могли бы подтвердить гипотезу о том, что анатомические структуры, ответственные за общение, появились задолго до возникновения человека. Однако последние исследования, проведенные на большей выборке обезьян, не подтверждают эту идею.

К настоящему моменту получены убедительные доказательства того, что данная анатомическая асимметрия у человека не является обязательным условием развития речевой функции или право- либо леворукости. Примерно у одного из 10 000 человек имеет место обращение нормальной право-левой асимметрии в расположении внутренних органов (так называемое состояние situs inversus), но эти люди совершенно нормально функционируют. Недавние исследования головного мозга таких людей показали, что у них также имеет место обращение право-левой асимметрии лобной доли и planum temporale. Но при этом за речевую функцию у них по-прежнему отвечает левое полушарие, и они в большинстве своем являются правшами. Таким образом, это наблюдение показывает, что давно известная анатомическая асимметрия головного мозга человека не обязательна для формирования речевой функции.

Было проведено много обширных и глубоких сравнительных исследований головного мозга человека и высших приматов, направленных на выявление других центров, которые могли бы объяснить различие наших функциональных возможностей. Существует давняя точка зрения, что области головного мозга, ответственные за планирование, организацию, самосознание и другие "высшие" мыслительные процессы, у человека и обезьян должны различаться. Эти способности связаны с отделами фронтальной коры, которая у человека развита сильнее, чем у шимпанзе, но эта разница не настолько велика, как разница в способностях. Означает ли это, что различия между нами более тонкие? Возможно. Следы нашей эволюции, скорее всего, можно обнаружить в "микроанатомии" мозга, которая включает взаимосвязи между отделами коры, структуру локальных сигнальных путей и расположение нейронов в кортексе. Например, размеры вертикальных колонн нейронов в области planum temporale у человека и шимпанзе действительно разные. Изменения в количестве, расположении и связности нейронов в ходе эволюции специализированных отделов мозга у наших предков, по всей видимости, проложили дорогу нашим способностям. Нейробиологи с помощью мощных новых технологий как раз и пытаются обнаружить такие тонкие различия между головным мозгом человека и высших приматов.

Мозаичная эволюция строения и развития человека

Морфологические отличия современного человека от первых представителей гоминин и высших приматов являются результатом эволюции развития. Чтобы понять суть произошедших изменений, ученые подробно изучили процессы роста и созревания человека и шимпанзе; некоторые выводы были сделаны на основе анализа окаменелостей.

Одно из давно признанных фундаментальных различий между человеком и шимпанзе заключается в относительной скорости роста и развития черепа. Если сравнить форму черепа у новорожденных человеческих детей и у детенышей шимпанзе, мы обнаружим, что у новорожденных шимпанзе череп гораздо лучше развит, тогда как череп и мозг новорожденных детей намного крупнее. У человека формирование черепа очень сильно замедлено по сравнению с шимпанзе. В конечном итоге черепа шимпанзе и человека достигают одинаковых размеров, но различаются по размеру лицевой части и объему мозга. Изменение относительной скорости созревания черепа говорит о том, что в ходе эволюции произошел сдвиг в "расписании" сходных процессов развития.

В результате анализа ископаемых остатков гоминин были обнаружены эволюционные сдвиги в расписании развития и других структур. На основании состояния эмали зубов австралопитеков и первых Homo sapiens палеонтологи утверждают, что процесс формирования зубов у них происходил быстрее, чем у современных людей. Стадии развития зубов являются индикаторами развития организма в детском возрасте и коррелируют с процессом полового созревания. Анализ палеонтологической летописи показывает, что эта особенность современных людей появилась позднее, чем изменение размера головного мозга и пропорций тела. Напротив, все изменения скелета, связанные с нашей двуногостью, сопровождались структурными изменениями костей и мышц и произошли раньше, независимо от замедления скорости созревания черепа. Таким образом, картина эволюции гоминин мозаична: различные признаки появились в разное время и эволюционировали с разной скоростью.

Мозаичность очень важна для интерпретации эволюции человека с точки зрения эво-дево: она свидетельствует о том, что развитие различных структур эволюционировало прерывистым нелинейным образом на протяжении длительного времени. Анализ окаменелостей не выявляет никаких признаков быстрого внезапного изменения формы тела человека. Скорее, наша история состоит из количественных сдвигов (объема мозга, пропорций тела, размера черепа, продолжительности беременности, длительности подросткового периода и др.), ассимилированных за десятки тысяч поколений. Более того, скорость изменения наших физических признаков вовсе не была исключительной, если посмотреть на то, что происходило в это время с другими млекопитающими. Например, анализ ископаемых лошадей выявил похожие скорости изменения размеров тела и других признаков.

Многие данные говорят о том, что эволюция человека не была чем-то особенным, нетипичным для других животных. Поэтому мы можем предположить, что все известные закономерности эволюции формы животных будут справедливы и для эволюции человека. На самом деле, наше очень близкое генетическое родство с шимпанзе, а также генетическое сходство приматов и других млекопитающих подводят нас к уже знакомой идее. Наборы генов, участвующих в развитии животных и человека, очень похожи, и все наблюдаемые морфологические различия (как малые, так и большие) должны определяться только способом использования этих генов (или, как мы увидим на одном примере, их не-использования).

Парадокс 98.8% и эволюция Homo sapiens

Глубинная причина изменений развития и физических признаков, которые сопровождали эволюцию человека, заключается в его геноме. Где-то в нашей ДНК кроется различие между нами и другими высшими приматами, а также между нами и первыми людьми. Возникают следующие ключевые вопросы:

— Сколько между нами принципиальных различий?

— Где их искать?

— Какой вклад они внесли в морфологические различия?

Хорошая новость заключается в том, что теперь мы знаем полную нуклеотидную последовательность геномов человека, шимпанзе и мыши.

Плохая новость становится очевидна, если совершить несколько арифметических действий.

ДНК человека содержит около трех миллиардов пар оснований. ДНК шимпанзе на 98,8% идентична ДНК человека. Это различие в 1,2%, и оно намного меньше, чем различие между нашей ДНК и ДНК каких-либо других обитателей планеты. Однако эти 1,2% включают в себя 36 миллионов пар оснований. Поскольку линии человека и шимпанзе отделились от общего предка примерно шесть миллионов лет назад, можно предположить, что половина из этих различий специфична для шимпанзе (изменения произошли в линии шимпанзе), а половина — для человека (изменения произошли в линии человека). Таким образом, нас от нашего общего с шимпанзе предка отделяют 18 миллионов отличий. Конечно, я слегка упрощаю цифры и не учитываю делеции (т. е. потери) или инсерции (т. е. вставки) отдельных нуклеотидов, а также приобретения или потери крупных фрагментов ДНК.

Все ли из этих изменений имеют значение? Или часть из них лишь фоновый шум? Как узнать, какие из этих 18 миллионов различий внесли вклад в эволюцию? Мы хорошо знаем, что не все мутации гена являются значимыми. Генетический код вырожден, и поэтому некоторые нуклеотиды могут заменяться другими без последствий для белковой последовательности. Эти "молчащие" замены со временем накапливаются в ДНК, так как отбор их не устраняет. Кроме того, поскольку в кодировании белков и выполнении регуляторных функций задействовано лишь около 5% нашей ДНК, мутации в других участках ДНК не приводят к каким-либо заметным последствиям. Также следует учесть, что два любых человека, не являющихся родственниками, в среднем различаются по трем миллионам позиций в геноме. Хотя с точки зрения абсолютных значений это число кажется большим, оно соответствует лишь 0,1% всех нуклеотидов, и, несмотря на эти различия, мы, совершенно очевидно, принадлежим к одному и тому же виду. Это означает, что миллионы различий не имеют практически никакого значения. Поэтому никто не знает, сколько изменений внесли вклад в эволюцию строения человека. Мне кажется, что таких изменений должно быть несколько тысяч. Проблема заключается в том, чтобы найти отличия, которые имеют значение.

Прежде чем продолжить разговор о том, чем человек отличается от шимпанзе, я попробую прояснить наблюдаемый парадокс, сравнивая человеческий геном с геномом другого млекопитающего — мыши. Мышь относится к грызунам, а линии грызунов и приматов разделились давно, примерно 75 млн лет назад. У мыши небольшой мозг; у нее есть новая кора, но она гораздо меньше, чем у приматов, и уж совсем микроскопическая по сравнению с нашей. Тем не менее, сравнительный анализ геномов мыши и человека показывает, что свыше 99% генов человека имеют "пару" в геноме мыши и наоборот. Более того, 96% всех человеческих генов располагаются на человеческих хромосомах в том же самом порядке, что и соответствующие гены мыши на мышиных хромосомах. Удивительно высокая степень сходства! Эти данные показывают, что за 75 млн лет эволюции млекопитающих и не менее 55 млн лет эволюции приматов наш геном и геном грызунов сохранили практически одинаковые гены в одинаковой последовательности. Изменение количества и организации генов не сыграло практически никакой роли в происхождении человека и приматов.

Но если не количество и не расположение генов, то что еще может объяснить невероятные различия между мышью и человеком? Да, последовательности белков, закодированных в мышиных и человеческих генах, различаются, и различаются в среднем на 30%. Но, с учетом всего сказанного выше, можно ли предполагать, что различия белков являются причиной основных изменений строения?

Вообще говоря, я в этом сомневаюсь. Мои выводы основаны на том, что мы знаем о других видах, а не на экспериментальных данных, полученных непосредственно для человека, но эти выводы подтверждаются доказательствами нескольких типов. Во-первых, большинство белков организма не влияют на форму — они играют в физиологии другую роль. Некоторые интересные различия в белках определяют физиологические особенности, такие как обоняние, иммунитет или репродукция, но они не влияют на внешний вид мыши или человека. Во-вторых, белковые продукты генов развития — это лишь малая часть всех белков организма, и поскольку каждый такой белок обычно выполняет в процессе развития несколько функций, значимые замены в его последовательности маловероятны (такая мутация влияла бы на все функции белка, а не на какую-то одну). Скорее, как мы видели в предыдущих главах, более важную роль в изменении формы животных играют генетические переключатели. Поскольку эволюция человека в значительной степени состояла в изменении размера, формы и тонких деталей строения различных структур, а также во временных сдвигах процессов развития, кажется вполне логичным, что эволюция переключателей могла сыграть решающую роль в нашей эволюции. Все структуры нашего тела представляют собой вариации структур тела млекопитающих или приматов. Я считаю, что молекулярно-генетические доказательства однозначно свидетельствуют: эволюция приматов, человекообразных обезьян и человека больше связана с изменениями механизма контроля работы генов, чем с изменениями кодируемых этими генами белков.

Я пришел к этому заключению не первым. В классической работе, опубликованной 30 лет назад, Мэри-Клер Кинг и Алан Уилсон показали, что последовательности белков человека и шимпанзе почти идентичны, и пришли к выводу, что все эволюционные различия связаны с изменениями регуляции работы генов. Многие знаменитые биологи 1960-х и 1970-х годов, включая Лайнуса Полинга, Эмиля Цукеркандла, Эрика Дэвидсона, Роя Бриттена и Франсуа Жакоба, думали так же. Однако в то время ученые ничего не знали не только о логике работы генетических переключателей, но и ни об одном гене, контролирующем развитие. Доказательства, полученные с помощью методов эво-дево и сравнительной геномики, подтвердили, что те ранние догадки были справедливы.

Однако, несмотря на важность генетических переключателей, изучать человеческие переключатели гораздо сложнее, чем переключатели других животных (поскольку мы не можем изучать их функции у живых человеческих эмбрионов). Это очень сильно затрудняет идентификацию эволюционных изменений генетических переключателей человека. Хотя предпринимается множество попыток решить эту проблему, пока гораздо проще идентифицировать различия в белок-кодирующих последовательностях, которые могут отвечать за различные аспекты эволюции человека или сопутствовать им. Я расскажу о двух генах, сыгравших свою роль в нашей эволюции. Эти примеры показывают, сколь сложную детективную работу нужно провести, чтобы связать конкретный ген с эволюцией того или иного человеческого признака. Вы увидите, как выявляются такие связи, первые звездочки, которые можно разглядеть в новые "генетические телескопы". Это не обязательно самые главные или единственные генетические причины эволюции рассматриваемых признаков, даже скорее всего это не так.

Эволюция челюстной мускулатуры человека

Среди признаков, отличающих нас от других высших приматов или более ранних представителей человеческой ветви, таких как австралопитеки, можно назвать уменьшение размера челюстных мышц. У современных приматов, таких как макаки и гориллы, челюстные мышцы широкие и мощные, способные эффективно измельчать пищу. Область прикрепления височной мышцы, поднимающей нижнюю челюсть, у приматов охватывает почти всю височную область черепа, а у человека площадь этой области значительно меньше (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Эволюция челюстных мышц у приматов, У макак и горилл височная область, к которой прикреплена височная мышца, занимает значительную часть площади черепа. Большая площадь области прикрепления позволяет височной мышце генерировать достаточную силу, необходимую для движений большой челюсти и для создания давления при пережевывании пищи. У человека височная мышца редуцирована, что коррелирует с наличием как минимум одной мутации белка мышечных волокон. Фотографии предоставлены Ханселлом Стедманом; Nature 428 (2004): 415.

Генетическое объяснение изменения размера челюстной мышцы нашли Ханселл Стедман и его коллеги из Университета Пенсильвании. Они обнаружили, что у человека ген, кодирующий так называемую тяжелую цепь миозина 16 (myosin heavy chain 16, или MYH16), содержит мутацию, которая практически полностью нарушает аминокислотную последовательность белка. Тяжелые цепи миозина играют важнейшую роль в формировании мышечных волокон, которые генерируют силу в ходе сокращения. Если эти белки отсутствуют или их структура нарушена, мышечные волокна и мышцы обычно уменьшаются в размере.

MYH16 — специализированная форма миозина, обнаруженная лишь в некоторых мышцах. У макак MYH16 синтезируется лишь в височной и в соседней с ней мышце, а больше нигде. У человека ген MYH16 экспрессируется в височной мышце, но мутация этого гена привела к функциональной инактивации белка. Мышечные волокна височной мышцы человека в восемь раз меньше мышечных волокон в мышце макаки. Все генетические и анатомические данные указывают на то, что инактивация белка MYH16 каким-то образом связана с редукцией височной мышцы, произошедшей на определенном этапе эволюции человека.

Когда это генетическое изменение могло произойти? Совершенно точно уже после расхождения линий человека и шимпанзе, поскольку шимпанзе (как и все другие обезьяны) имеют интактный ген MYH16, кодирующий полноразмерный белок MYH16. Основываясь на числе нуклеотидных замен, отличающих этот ген человека от таких же генов других видов, ученые из Пенсильвании пришли к выводу, что инактивирующая мутация произошла примерно 2,1-2,7 млн лет назад. Это настолько близко к моменту возникновения рода Homo, что наводит на размышления.

Значение редукции челюстных мышц в ходе эволюции состоит далеко не только в том, что она повлияла на способность гоминин пережевывать пищу. Особенности анатомии мышц сильно влияют на рост и формирование костей, и в экспериментальных исследованиях было показано, что развитие челюстных мышц в значительной степени влияет на размер и форму костей лица и черепа. Уменьшение размера челюстных мышц и, соответственно, силы, прикладываемой к нижней челюсти, снижает механическое напряжение, испытываемое костями черепа. В результате черепная коробка становится тоньше и вместительнее. Таким образом, увеличение объема мозга, произошедшее у ранних представителей рода Homo, отчасти могло быть связано с изменением челюстных мышц и сопровождавшими его изменениями черепа. Более того, уменьшение размера челюстных мышц могло облегчить последующую эволюцию точного контроля движений нижней челюсти, столь необходимого для развития речи.

Эти связи и ассоциации чрезвычайно интригуют, но нельзя приписывать все эти изменения в анатомии одной-единственной мутации. Хотя инактивация ранее функционального гена MYH16 совершенно определенно важное событие, мы не можем сказать, было ли оно первым генетическим изменением на пути к уменьшению размера височной мышцы, одним из последовательных или параллельных изменений или самым последним изменением, произошедшим тогда, когда белок MYH16 уже потерял свое значение для височной мышцы. По причинам, которые я кратко перечислю ниже, мы не можем утверждать, что это был единственный или первый катализатор эволюционных процессов. О генах, задействованных в эволюции человека, всегда будет трудно сказать это наверняка. Очередной пример — недавно открытый ген, связанный с эволюцией речи.

Эволюция гена, влияющего на речь

Одно преимущество, которым обладают исследователи, занимающиеся изучением роли генов в эволюции человека, заключается в том, что людей много, около шести миллиардов, и если у кого-то нарушены те или иные функции, об этом узнают врачи. Это позволяет выявлять даже очень редкие мутации, возникающие лишь у одного человека из миллиарда. Одна такая редчайшая и очень информативная мутация была обнаружена в небольшой семье, члены которой на протяжении трех поколений страдали серьезными нарушениями устной и письменной речи. Интереснее всего то, что эти нарушения были связаны не с мышцами, с помощью которых человек говорит, а с нарушением нервной деятельности, которое затрагивало речевую функцию. С помощью современных методов, позволяющих визуализировать мозговую деятельность, у этих людей были обнаружены некоторые аномалии нескольких отделов головного мозга. Было также проведено магнитно-резонансное исследование мозга этих людей в тот момент, когда они выполняли предложенные им задания — молча о чем-то думали или произносили свои мысли вслух. Оказалось, что активность центра Брока и некоторых других участков, связанных с речью, у них понижена. По-видимому, каждый из этих пациентов имел дефект нейронной сети, вовлеченной в обучение правильной структуре речи и/или в применение полученных знаний на практике (планирование речевых последовательностей, их проговаривание или написание).

В этой семье был идентифицирован мутантный ген, получивший название F0XP2. Белок F0XP2 представляет собой транскрипционный фактор, связывающийся с ДНК и регулирующий экспрессию других генов. Обнаруженная мутация приводит к замене в белке F0XP2 одной аминокислоты, и эта единственная замена является причиной функционального нокаута белковой молекулы. Поскольку у исследованных пациентов сохранялась одна нормальная копия гена F0XP2, белок F0XP2 у них все-таки функционировал. Нарушение речи было связано с недостаточным числом молекул функционального белка F0XP2, а не с его полным отсутствием. Возможно, первый вопрос, который приходит в голову, заключается в том, не является ли ген F0XP2 новым геном, имеющимся исключительно у человека.

Я очень надеюсь, что все, что я рассказывал вам до сих пор, подготовило вас к ответу на этот вопрос. Нет, ген F0XP2 не является уникальным человеческим геном. Он был обнаружен у многих приматов, грызунов и птиц. Это вполне характерно для человеческих генов развития: обычно (если не всегда) такие же гены обнаруживаются и у других видов. На самом деле человеческий белок F0XP2 лишь по четырем позициям из 716 отличается от белка F0XP2 мыши, по трем позициям от белка орангутана и всего по двум позициям от белков гориллы и шимпанзе. Такое небольшое, по сравнению с другими белками, число нуклеотидных замен говорит о том, что сохранение последовательности F0XP2 в ходе эволюции млекопитающих находилось под строгим контролем отбора.

Сыграла ли эволюция гена F0XP2 какую-то роль в происхождении и развитии языка и речи? На этот вопрос ответить сложнее. Изменения последовательности F0XP2 гораздо менее серьезные, чем инактивирующая мутация гена MYH16. Еще один способ узнать, играл ли ген какую-то роль в недавней эволюции, заключается в поиске признаков так называемого "выметания отбором". Естественный отбор может оставить после себя след в виде характерной картины изменчивости последовательности ДНК, какая возникает после отбора благоприятной мутации. В последовательности ДНК постепенно накапливаются изменения — до тех пор, пока в дело не вступит естественный отбор, благоприятствующий сохранению какого-то одного варианта. Отбор этого варианта приводит к "выметанию" всех других вариантов. На основании низкой изменчивости последовательности какого-то гена по сравнению с его соседями генетики могут судить о том, что этот ген пережил такую очистительную процедуру. Так вот, сигнал выметания отбором в области человеческого гена F0XP2 — один из сильнейших во всем геноме. Это означает, что в какой-то момент за последние 200 000 лет эволюции нашего вида какие-то мутации гена F0XP2 были отобраны и широко распространились в популяции Н. Sapiens.

Какие изменения гена F0XP2 могли способствовать эволюции речи? Белок-кодирующие последовательности генов F0XP2 у человека и шимпанзе имеют всего два отличия. Возможно, они внесли свой вклад, однако в некодирующей последовательности ДНК вокруг генов F0XP2 обнаружены еще сотни нуклеотидных замен, расположенных в области переключателей и других участков, определяющих место и уровень экспрессии гена. Сегодняшние технологии пока не позволяют точно указать на те изменения, которые сыграли значимую роль в эволюции человека. Я ставлю на некодирующую область, поскольку игры с переключателями гена F0XP2 позволили бы осуществить тонкую настройку экспрессии F0XP2 при формировании сети нейронов. Известно, что F0XP2 экспрессируется во многих участках развивающегося головного мозга человека. Он также экспрессируется в соответствующих отделах головного мозга мыши, а это значит, что белок F0XP2 играет важную роль в развитии мозга всех млекопитающих. Пока неизвестно, какую именно роль он выполняет в процессе развития, но похоже, что он влияет на формирование подотделов мозга и связей между ними. Поскольку, как я уже говорил, трудно изменить белковый продукт гена развития таким образом, чтобы изменилась лишь одна из его многочисленных функций, я подозреваю, что именно эволюция переключателей, контролирующих ген F0XP2, способствовала эволюции тонких различий в строении отделов мозга.

Сложная и тонкая генетическая основа эволюции человека

Открытие генов F0XP2 и MYH16 вызвало волну энтузиазма в научных и медицинских кругах, а также в широкой прессе. Но можно ли только с их помощью восстановить ход эволюции челюстных мышц, формы лица и человеческой речи? Конечно, нет. Это лишь начало. Чтобы поместить эти открытия и роль этих генов в правильный контекст, нужно отказаться от идеи эволюции "в один скачок" за счет появления единственной ключевой мутации. Это представление прочно и широко укоренилось как среди ученых, так и в прессе. Таким образом пытались объяснить возникновение языка, речи и других сложных признаков человека, причем часто это сопровождалось идеей о том, что эволюция того или иного признака была "быстрой". Однако мы с вами видели, что объем мозга, анатомия скелета, развитие зубов, форма черепа и другие признаки эволюционировали на протяжении десятков тысяч поколений или даже дольше. Нет нужды искать какие-то отдельные ключевые мутации, которые могли привести к скачкообразным изменениям формы и функции или объяснить появление в эволюции признаков человека. Для этого нет никаких научных оснований.

Термин "генетическая архитектура" был введен для того, чтобы можно было описывать вклад сразу многих генов, а также относительный вклад каждого из этих генов, в эволюцию конкретного признака. Длившиеся десятилетиями исследования количественных признаков, таких как размер тела или количество каких-то определенных структур, показали, что внутривидовая изменчивость или различия между видами часто связаны с множеством генетических различий, каждое из которых в отдельности вносит лишь очень небольшой вклад в изменчивость. Это означает, что эволюционные изменения признаков происходят постепенно, в результате небольших сдвигов, обусловленных изменениями большого количества генов. Генетическая архитектура эволюции человеческих признаков должна быть устроена точно так же. И действительно, исследования изменчивости признаков человека подтвердили, что различия в весе, росте и по другим параметрам зависят от многих генов. Мы не знаем, была ли инактивация гена MYH16 ранним событием в эволюции височной мышцы или поздним событием, произошедшим уже после того, как необходимость в этом гене отпала. Вполне вероятно, что изменения каких-то других генов на протяжении большого отрезка времени также внесли свой вклад в уменьшение размера височной мышцы. Аналогичным образом, изменение гена F0XP2 — это, без сомнения, лишь часть сюжета об эволюции речи. Скорее всего эволюция этой человеческой способности связана с отбором эволюционных изменений и в других генах, а точнее, в их генетических переключателях. О функции гена F0XP2 мы узнали благодаря удивительному везению — поскольку мутация, встречающаяся в одном случае на миллиард, выявляется клинически, даже если присутствует только в одной из двух копий гена. О функции гена MYH16 мы узнали потому, что его инактивацию очень легко заметить. Чтобы воссоздать картину эволюции человеческих признаков, предстоит открыть и изучить еще множество генов. Влияние многих из них на организм человека, возможно, будет более тонким, а их история — менее заметной, чем у двух генов, о которых мы только что говорили.

Поскольку события, подобные открытию генов F0XP2 и MYH16, станут повторяться и в будущем, не стоит поддаваться естественному желанию воспринимать каждое новое открытие — окаменелости, структуры мозга или гена — как главный ключ к решению загадки человеческой эволюции. Большинство открытий — это, на самом деле, детали более обширной мозаики. Современная палеоантропология признает, что картина эволюции гоминин гораздо сложнее, чем считалось прежде: в ней участвовало больше видов, она дала начало множеству тупиковых ветвей и мало похожа на прямую линию, ведущую от далекого предка к современному человеку. Действительно, по мере обнаружения новых окаменелостей, чей возраст отсылает ко времени разделения ветвей человека и шимпанзе, мы все более осторожно воспринимаем любые заявления о том, что найден "тот самый" общий предок. Точно так же сравнительная нейробиология вынуждена искать все более тонкие объяснения человеческих способностей, поскольку макроанатомические особенности мозга человека имеют более древнее происхождение и впрямую ничего не объясняют. Также маловероятно, что эволюция человеческих признаков — двуногости, формы скелета, формы лица и черепа, размера мозга, речи — была результатом отбора лишь нескольких "главных" генов. Гены F0XP2 и MYH16 — первые идентифицированные фрагменты мозаики, но у нас нет никаких оснований считать эти фрагменты самыми важными или самыми крупными. Скорее всего эволюция гоминин происходила в результате отбора вариантов множества генов, каждый из которых отвечал за небольшой вклад в изменения размера, формы или структуры тела, произошедшие за тысячи поколений.

Я предостерегаю от упрощенного восприятия новых открытий не для того, чтобы ими не восхищались, а потому, что есть другие, более масштабные вопросы, с которыми связан поиск материальных основ человеческой эволюции. С самого начала эволюционная биология встречала сопротивление, и ее ключевые идеи, основанием для которых служили неоспоримые данные исследований на вьюрках, мотыльках или дрозофилах, с трудом пробивали себе дорогу. Некоторые тезисы эволюции человека без всякого сомнения должны быть пересмотрены ввиду появления новых данных, как это непрерывно происходило в палеоантропологии в последнем столетии. Оппоненты теории эволюции до сих пор при первой возможности хватаются даже за обоснованно осторожные высказывания ученых, чтобы доказать несостоятельность этой теории и добиться отмены ее преподавания в школах. Упрощение может пригодиться в новостной статье, но оно способно привести к искажению сути глубоких и тонких механизмов эволюции.

Открытия в области эво-дево пролили новый свет на механизмы эволюционного процесса и отдельных эволюционных событий. Эво-дево сделала основы эволюционной биологии более прочными, изменила наш образ мыслей и дала возможность по-новому говорить об эволюционной биологии, преподавать и обсуждать ее. В заключительной главе я расскажу о месте эво-дево в современном эволюционном синтезе и о той роли, которую она должна сыграть в преподавании эволюционной биологии и в бесконечной общественной дискуссии на тему эволюции.

Разнообразие форм и геометрическая красота морских раковин

Джейми Кэрролл.

Глава 11. Бесконечное число самых прекрасных форм

Созерцай непрестанно, как все становящееся становится в превращениях, и привыкай сознавать, что природа целого ничего не любит так, как превращать сущее, производя молодое, подобное старому.

Император Марк Аврелий

Первое издание книги "О происхождении видов" Дарвин закончил словами, которые стали, возможно, самой известной цитатой в биологии:

Есть величие в этом воззрении, по которому жизнь с ее различными проявлениями Творец первоначально вдохнул в одну или ограниченное число форм; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам тяготения, из такого простого начала возникло и продолжает возникать бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.

К этой фразе Дарвин шел двадцать лет. В более ранних набросках, составленных в 1842 и 1844 годах, но так никогда и не опубликованных, эта фраза была длиннее и звучала по-другому. В версии 1842 года читаем:

Есть простое величие в этом воззрении, по которому жизнь, с ее способностью к росту, ассимиляции и воспроизведению, была первоначально придана материи в одной или нескольких формах; и между тем как наша планета продолжает вращаться согласно неизменным законам, а земля и вода в циклическом процессе сменяют друг друга, из такой простой формы в результате постепенного отбора бесконечно малых изменений возникло бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм.

В 1844 году Дарвин заменил в этой фразе несколько слов, но основные изменения произошли при подготовке книги к публикации в 1859 году. Дарвин удалил выражение "в результате постепенного отбора бесконечно малых изменений" и сжал всю фразу таким образом, что она приобрела более простое и более поэтическое звучание.

Слова "бесконечное число самых прекрасных форм", оставшиеся неизменными на протяжении всех версий и изданий книги, я выбрал в качестве заглавия всей книги и темы заключительной главы. В этой фразе отражается суть новой науки эво-дево. Я хочу поговорить о том, как возможности эво-дево расширяют эволюционное видение мира, позволяют лучше понять, как происходила и происходит эволюция дарвиновских бесконечных форм, а также расширяют и углубляют основания эволюционной теории.

Мой издатель предупредил, что у меня нет двадцати лет на подбор нужных слов, да и сам я не надеялся определить суть новой дисциплины столь же безупречным слогом, как Дарвин. Тем не менее я попытаюсь сформулировать четыре основных тезиса, отражающих вклад эво-дево в биологию.

Во-первых, появление эво-дево ознаменовало третий важнейший этап в продолжающемся эволюционном синтезе. Эво-дево не только привнесла в синтетическую теорию эволюции важнейшую недостающую деталь — эмбриологию — и не только объединила ее с молекулярной генетикой и традиционными науками, такими как палеонтология. Совершенно неожиданная природа некоторых открытий эво-дево и беспрецедентное качество и глубина предоставляемых ею доказательств, которые помогают в решении прежде неразрешимых вопросов, позволяют назвать ее поистине революционной.

Во-вторых, эво-дево открывает новые возможности для более эффективного преподавания основных принципов эволюционной биологии. Когда мы фокусируемся на драматическом процессе эволюции формы и видим, как изменения в процессе развития и в отдельных генах обеспечивают эту эволюцию, нам становятся понятны глубокие закономерности, лежащие в основе единства и разнообразия жизни. Более того, наблюдаемые картины экспрессии генов у эмбрионов и неизменность списка генов развития у разных видов позволяют проиллюстрировать эволюционные концепции гораздо более наглядно, чем это делалось прежде, в рамках более абстрактного подхода.

В-третьих, поскольку эво-дево столь наглядным образом выявляет и демонстрирует эволюционные принципы и ход эволюционного процесса, она играет ключевую роль в борьбе за возможность преподавания эволюционной биологии.

Наконец, в-четвертых, эволюционная биология — это не просто философские рассуждения. Судьба бесконечных форм Природы, включая человека, зависит от более глубокого понимания влияния самого человека на эволюцию.

Эво-дево — краеугольный камень "самого современного" синтеза

По-моему, эмбриология предоставляет самый сильный набор фактов в пользу изменения формы, но ни один из моих критиков, я полагаю, не упомянул об этом.

Чарльз Дарвин

Из письма Азе Грею,

10 сентября 1860 года

Приведенная цитата показывает, что данные эмбриологии всегда составляли неотъемлемую часть доказательств в пользу эволюции и происхождения видов от общего предка. Задача ученых на протяжении 100 лет, прошедших со времен Дарвина, заключалась в том, чтобы объяснить, как меняется эмбрион (и, таким образом, развивающаяся из него взрослая форма). Теория современного синтеза (синтетическая теория эволюции, СТЭ) добавила в поддержку эволюции данные генетики, однако генетики того времени ограничивались изучением небольших внутривидовых вариаций и не знали химической природы гена (т.е. ДНК), не говоря уже о влиянии генов на форму. Важнейшее достижение синтетической теории эволюции состоит в том, что она связала между собой палеонтологические представления о так называемой макроэволюции, или эволюции на надвидовом уровне, с генетическими представлениями о микроэволюции, или внутривидовой изменчивости. СТЭ постулировала, что значительные изменения формы, которые мы наблюдаем в палеонтологической летописи, можно объяснить естественным отбором, действующим на протяжении длительного времени, а материалом для него служат небольшие генетические изменения, являющиеся источником внутривидовой изменчивости. Это была экстраполяция, по поводу которой в научной среде существовал консенсус, но на самом деле никто не знал, одинаковые ли генетические механизмы отвечают за крупномасштабные изменения и за небольшие внутривидовые вариации. Ничего не было известно о том, каким образом гены влияют на форму, какие гены определяют эволюцию формы и какого рода изменения генов отвечают за эволюцию. Более того, когда структура ДНК и белков была расшифрована, среди создателей и сторонников современного синтеза возобладала точка зрения, что случайные мутации и естественный отбор так сильно нарушают последовательности ДНК и белков, что гомологичные гены могут сохраняться лишь у близкородственных видов. Почти все, о чем я рассказал в предыдущих главах, было открыто за последние двадцать лет. Выводы, сделанные на основании этих открытий, не просто заполнили огромный пробел в нашем понимании эволюционного процесса, но заставили биологов совершенно иначе взглянуть на эволюцию формы. Вы смогли убедиться, что именно различия в способах использования древних генов развития задали основные направления эволюции формы у самых разных животных — от Urbilateria до Homo sapiens. В этой главе я расскажу о том, как эти новые данные повлияли на судьбу основных концепций эволюционной биологии: какие из этих концепций получили дальнейшее развитие и были приведены в более четкую и ясную форму, а какие были пересмотрены.

О происхождении и модификации

Царство животных создавалось с помощью древних инструментов

Первое и, пожалуй, самое неожиданное открытие эво-дево заключается в древнем происхождении генов, задействованных в формировании всех животных, независимо от их строения (главы 3 и 6). Никто не мог предположить, что совершенно разные животные создаются с помощью очень похожих наборов белков — продуктов генов развития. Результаты этого открытия очень важные и многоплановые.

Во-первых, это совершенно новое и мощное доказательство одной из важнейших идей Дарвина — о происхождении всех животных от одного или лишь нескольких общих предков. Наличие общего набора генов развития указывает на глубокую связь между разными таксономическими группами, которую нельзя было увидеть раньше из-за выраженных морфологических различий между ними.

Во-вторых, тот факт, что такие структуры как глаза, сердца или конечности (структуры, про которые считалось, что разные животные изобрели их независимо друг от друга) имеют общие генетические ингредиенты, контролирующие их развитие, заставил нас полностью пересмотреть наши представления о создании сложных структур. Оказывается, глаза, сердца и конечности не изобретались каждый раз заново, а эволюционировали за счет древних регуляторных сетей под управлением одних и тех же генов развития (глава 3). Отдельные фрагменты этих сетей можно проследить до общего предка всех билатерий (Urbilateria) и еще более ранних форм (глава 6).

В-третьих, уходящая далеко в прошлое история набора генов развития говорит о том, что появление этих генов не было пусковым механизмом эволюции. Набор генов развития билатерий сформировался еще до начала кембрия (глава 6), набор генов развития млекопитающих появился еще до начала быстрой диверсификации этой группы в четвертичном периоде, а гены развития человека существовали задолго до появления человекообразных обезьян и других приматов (глава 10). Очевидно, что сами по себе гены не являются двигателями эволюции. Их наличие только обеспечивает возможность эволюции, а реализуется эта возможность за счет экологических механизмов.

О сложности и разнообразии

Масштабные тенденции строения и эволюции формы животных основаны на одном и том же механизме и обязаны своим существованием "темной материи" генома

В книге я уделил много внимания модульному строению животных, состоящих из сериально повторяющихся элементов, а также эволюционной тенденции постепенной специализации этих элементов (глава 1). Модульность — ключ к созданию сложных структур и к разнообразию. Сложность строения животных выражается в наличии множества различных физических структур (клеток, органов, конечностей). Сложность возрастала со временем и в отдельных группах за счет специализации повторяющихся элементов и возникновения новых типов элементов. Усложнение строения членистоногих и позвоночных происходило сходным образом. Мы видели, что использование разных Hox-генов в сериально повторяющихся структурах привело к различиям формы и функции структур у членистоногих и позвоночных. Процветание этих групп животных — следствие гибкости систем, управляющих действием Hox-генов, что позволило одним структурам развиваться вне зависимости от других.

К пониманию того, каким образом достигается подобная независимость развития и, следовательно, сложность и разнообразие организмов, ученые пришли в результате изучения свойств генетических переключателей (глава 5). Поскольку гены управляются многими независимыми переключателями, в результате отбора сохраняются такие мутации переключателей, которые не влияют на другие переключатели и функционирование белка в других участках. Эволюционные изменения переключателей стали причиной сдвига зон экспрессии Hox-генов, с чем связаны различия в строении тела разных животных (глава 6), специфические различия одних и тех же структур у различных животных (главы 7 и 8), а также возникновение и модификация новых элементов (глава 8). Ключ к созданию "бесконечного числа" форм (т.е. биоразнообразия) заключается в невероятном количестве возможных комбинаций регуляторных сигналов и переключателей. Переключатели интегрируют сигналы из разных участков тела, от разных клеток и тканей в разные периоды развития. Любой из параметров может быть изменен путем добавления, изъятия или тонкой настройки поступающих к переключателю сигналов. Более того, в ходе эволюции количество переключателей может уменьшаться или увеличиваться. Даже при наличии ограниченного набора генов развития количество возможных комбинаций невероятно велико.

Реализуется этот потенциал, конечно же, под действием естественного отбора. Не все пути используются, не все возможные формы реализуются. Тем не менее до наших дней дошло около 17 000 вариантов узора на крыльях бабочек и не менее 300 000 видов жуков, нас окружают самые разнообразные по размеру, форме и окраске млекопитающие и множество морских животных с удивительными туловищами и раковинами. Миллионы видов животных, населяющих нашу планету сегодня, по некоторым оценкам составляют не более 1% всех видов, живших на Земле за последние 500 млн лет. Нам известно и о многих исчезнувших животных, таких как динозавры, трилобиты, причудливые создания кембрийского периода, а также больше десятка гоминин. Вся эта сложность и разнообразие появились благодаря невероятным комбинаторным возможностям генов развития и их специфических переключателей.

О новшествах

Существующие гены и структуры как средство и материал для усовершенствований

Мы видели, что насекомые, птерозавры, птицы и летучие мыши не изобретали "генов крыла" (глава 7), бабочки не изобретали "генов пятен" (глава 8), а люди не изобретали "генов двуногости" или "генов речи" (глава 10). Новшества, возникшие во всех этих группах животных, стали результатом модификации ранее существовавших структур и обучения старых генов новым приемам.

Генетическая основа новшеств — многофункциональность генов развития. Эта многофункциональность возникает оттого, что гены развития могут включаться в разное время и в разных местах при помощи генетических переключателей. Такие белки, как Distal-less, в одно время участвуют в формировании конечностей, а в другое — в формировании пятен-глазков на крыльях бабочки. Белок в обоих случаях один и тот же, а его функция меняется за счет того, что он действует на разные переключатели в разном контексте.

На уровне анатомии многофункциональность и избыточность — ключевые свойства структур, позволяющие понять механизм их эволюционных изменений. Это особенно хорошо видно на примере членистоногих, у которых передача какой-то функции (например, добычи пищи) одной паре из целого ряда идентичных конечностей привела к освобождению остальных конечностей для освоения других функций (ходьба, плавание и др.). Таким же образом, жаберные ветви конечностей водных предков членистоногих превратились в жаберные книжки, легочные мешки, трубчатые трахеи, паутинные бородавки и крылья.

Наука эво-дево позволила обнаружить непрерывный переход между формами, который был замаскирован или насчет которого мы не могли быть уверены, основываясь только на их внешнем виде. Демонстрируя сходства в развитии разных структур, эво-дево представляет новый класс более надежных доказательств, чем те, что основаны исключительно на морфологии. Это новое видение эволюции новшеств помогает понять самые сложные для восприятия идеи Дарвина.

История развития сложных структур также показывает, как происходила эволюция "бесконечного числа форм" за счет повторения цикла изобретение/распространение. Новые структуры открывают новые возможности для появления новых жизненных стратегий. Появление крыльев привело к эволюции стрекоз и поденок, бабочек и жуков, блох и мух и т.д. Распространению этих групп, в свою очередь, способствовали дальнейшие модификации крыльев и туловища: окраска чешуек на крыльях у мотыльков и бабочек, жесткие надкрылья жуков, сложные задние крылья мух.

Почему для инноваций чаще используются уже существующие структуры и гены? Все дело в вероятности. Вариации существующих структур и генов появляются чаще, чем новые структуры или гены, поэтому они более доступны для действия естественного отбора. По меткому замечанию Франсуа Жакоба, природа, подобно ремесленнику, работает с имеющимся материалом, а не изобретает, как инженер-проектировщик. Крылья возникли не с нуля, а стали результатом модификации жаберных ветвей конечностей (у насекомых) или передних конечностей (у трех групп животных). Эволюция следует наиболее доступным и, следовательно, наиболее часто повторяющимся путем.

Методы эво-дево позволили обнаружить, что эволюция может воспроизводить и воспроизводит саму себя на уровне структур и форм, а также на уровне индивидуальных генов. Если эволюция выбирает наиболее вероятный путь, основанный на уже существующих структурах и генах, то, сталкиваясь с давлением сходных векторов отбора, разные виды могут формировать сходные адаптации. Мы увидели это на примерах эволюции ротового аппарата ракообразных (глава 6), уменьшения брюшного шипа у трехиглой колюшки (глава 7) и в других случаях модификации конечностей у позвоночных. Мы убедились также, что меланистическая окраска шерсти или перьев у различных животных и птиц может возникать в результате мутации одного и того же гена и даже одного и того же нуклеотида этого гена (глава 9).

Повторяемость эволюционных событий помогает справиться с непониманием роли случайных мутаций в эволюции. Кому-то трудно представить, что новизна и сложность могут быть результатом "случайного процесса". Объяснение заключается в том, что, хотя генерация генетических вариаций за счет мутаций является совершенно случайным процессом, отсев неблагоприятных вариантов осуществляется при помощи мощного и совсем не случайного отбора. Все пары оснований из сотен миллионов или миллиардов, существующих в геноме животного, в одинаковой степени подвержены ошибкам копирования или физическим повреждениям, которые вызывают мутации. Но лишь небольшая часть мутаций может заметно изменить цвет меха млекопитающего или длину плавника рыбы, не приводя к катастрофическим последствиям для всего организма. В больших популяциях животных со временем такие мутации возникают просто в силу вероятности. Когда это происходит, положительный естественный отбор способствует их постепенному распространению.

Жак Моно отразил связь случайности мутаций и строгости отбора в заглавии своей знаменитой книги "Случайность и необходимость" (Моно использовал известные слова греческого философа Демокрита: "Все, что существует во Вселенной, является плодом случайности и необходимости"). Для эволюции нужна случайность, но в случайной лотерее мутаций некоторые варианты и их комбинации лучше соответствуют требованиям экологической необходимости, и поэтому они возникают и поддерживаются отбором неоднократно.

Однако в случае с мешотчатыми прыгунами мы видели, что один и тот же вид может решать проблему адаптации разными путями. Передние лапы птерозавров, птиц и летучих мышей превратились в крылья, но процесс превращения шел принципиально разными путями. Сходные экологические условия и возможности способствуют появлению одинаковых адаптаций, но пути развития этих адаптаций иногда различаются в деталях.

Выявляя механизмы изменений на уровнях развития и генетики, эво-дево позволяет сравнить между собой пути эволюции разных групп. Благодаря этому мы наконец можем подступиться к решению таких старинных загадок, как мимикрия Бейтса у бабочек, меланизм мотыльков и даже эволюция формы и размера клюва вьюрков. Вскоре мы получим полное представление о многих классических случаях действия отбора и поймем, как возникают вариации и как они отбираются.

О микроэволюции и макроэволюции

Что верно для вида, верно и для царства

Создатели теории современного синтеза объединили разные научные направления, утверждая, что с помощью механизмов, действующих на уровне популяций и видов, можно объяснить более значительные изменения, происходящие на временах геологической шкалы. Однако в прошлом столетии неоднократно высказывалась идея о том, что изменения формы могут быть связаны с редчайшими специфическими мутациями, которые, к примеру, строго определенным образом изменяют гомеозисные гены. Если эта идея верна, экстраполяция, предложенная современным синтезом, перестает работать. На протяжении полусотни лет с момента появления теории современного синтеза ученым не удавалось избавиться от призрака "перспективного монстра", и только доказательства, представленные эво-дево, полностью развеяли его.

Эволюция гомеозисных генов и контролируемых ими признаков имела очень большое значение, но она осуществлялась за счет тех же мутаций и изменчивости, которые обычно появляются в популяциях. Постоянство последовательностей Hox-генов и других генов развития на протяжении 500 млн лет говорит о том, что давление отбора, направленное на сохранение белковых продуктов этих генов, было не менее интенсивным, чем в случае каких-либо других классов молекул. Эволюция формы обычно основана не на изменениях самих генов, а на изменениях их переключателей — от переключателей Hox-генов до переключателей простых ферментов, участвующих в синтезе пигментов. Постоянство набора генов развития и ряда анатомических структур на протяжении длительного времени говорит о том, что для объяснения крупномасштабных изменений не нужно привлекать очень редкие или специальные механизмы. Экстраполяция от незначительных вариаций к значительным эволюционным изменениям вполне оправдана. Эво-дево доказывает, что макроэволюция является продуктом микроэволюции.

Эво-дево и преподавание теории эволюции

Мало что знаю об истории, Мало что знаю о биологии, Мало что знаю о научных книгах

Сэм Кук, Херб Элперт и Лу Эдлер Wonderful World (1960)

В преподавании теории эволюции есть две сложности. Первая заключается в том, что это обширный предмет, который постоянно меняется и включает в себя много других дисциплин. Вторая сложность связана с открытым противодействием некоторых (далеко не всех!) религиозных организаций, особенно в США. Сначала я расскажу о том, как эво-дево может помочь в освоении теории эволюции широкой публикой, а затем о том, что она может сообщить оппонентам теории эволюции.

Общий уровень понимания теории эволюции в США чрезвычайно низкий. В исследовании с участием жителей 21 страны по экологической и научной тематике американцы оказались на последнем месте в вопросе о происхождении человека. Участников спрашивали, верно ли, что люди произошли от древних животных. Для ответа нужно было использовать следующую шкалу: 1 — абсолютно верно, 2 — скорее всего, верно, 3 — скорее всего, неверно, 4 — абсолютно неверно. Результаты таковы:

Страна или регион Средний результат

Восточная Германия 1,86

Япония 1,89

Чехия 2,04

Западная Германия 2.08

Великобритания 2,18

Болгария 2,28

Норвегия 2,43

Канада 2,45

Испания 2,45

Венгрия 2,50

Италия 2,51

Словения 2,51

Новая Зеландия 2,54

Израиль 2,66

Голландия 2,67

Ирландия 2,70

Филиппины 2,75

Россия 2,80

Северная Ирландия 2,99

Польша 3,06

США 3,22

Будем оптимистами и скажем, что Америке есть к чему стремиться.

Другой опрос, проведенный Национальным советом по делам науки США в 1996 году, показал, что 32% американцев согласны с заявлением, что первые люди жили в одно время с динозаврами, а 20% не смогли ответить на этот вопрос.

В соревновании между Флинстоунами[16] с одной стороны и Дарвином, Гексли и системой образования самой процветающей, мощной и технологически развитой нации с дугой Флинстоуны одержали победу со счетом 2:0.

Это позорное невежество я бы приравнял к незнанию собственной истории и конституции или истоков западной цивилизации. Эти темы считаются азбучными, их преподают и повторяют из класса в класс. То же самое должно относиться к биологии и к наукам о жизни, основой которых является эволюция. Но статистика рисует пугающую картину.

Эта довольно неприятная ситуация отражается и в других цифрах, характеризующих научную и математическую грамотность американцев, так что ответственность, вероятно, лежит на многих. На эту тему написано множество книг, специальные организации занимаются изучением проблемы научной безграмотности и ее причинами, так что я не буду тыкать пальцем в виновников. Единственный выход из создавшегося положения — просвещение. Поэтому лучше поговорим о том, что биологи и их союзники среди преподавателей всех уровней могут сделать для исправления ситуации, особенно в отношении теории эволюции.

В первую очередь необходимо настойчиво разъяснять, что теория эволюции — не просто раздел биологии, а фундамент всей этой отрасли знания. Биологию без теории эволюции можно сравнить с физикой без теории гравитации. Как нельзя объяснить структуру Вселенной, движение планет и спутников или приливы и отливы исключительно с помощью измерений, так нельзя объяснить биологию человека или биоразнообразие на нашей планете путем соединения тысяч отдельных фактов. Эволюция должна стать центральной объединяющей темой всех общих курсов и учебников по биологии.

Эво-дево может дополнить научную основу новыми, реальными, убедительными примерами. С момента возникновения современного синтеза эволюционный процесс обычно объясняли с помощью механизмов микроэволюции. Миллионам изучающих биологию говорили, что "эволюция — это изменение частоты встречаемости генов" (это подход популяционной генетики). Вдохновляет, не правда ли? Такой подход подразумевает использование математического аппарата и абстрактного описания генов, но уводит от бабочек и зебр или австралопитеков и неандертальцев.

Эволюция формы — главная тема в истории жизни на Земле, и отражается она как в окаменелостях, так и в биоразнообразии современных видов. Так давайте рассказывать об этом. Вместо "изменение частоты встречаемости генов" давайте скажем "эволюция формы — это результат изменения развития". Это в какой-то степени возврат к временам Дарвина и Гексли, когда эмбриология играла ключевую роль в развитии эволюционной мысли. Эмбриологический уклон в преподавании теории эволюции имеет несколько преимуществ.

Во-первых, от понимания того, как формируются сложные структуры при превращении яйца во взрослый организм, легко перейти к пониманию того, как накопление небольших изменений на протяжении длительного времени приводит к появлению все более разнообразных форм.

Во-вторых, мы теперь хорошо понимаем, как осуществляется контроль развития. Мы можем объяснить, что белки генов развития контролируют форму тела, что набор генов развития одинаковый у всех животных и что различия в форме определяются способом использования этих генов. Принцип происхождения новых признаков путем модификаций (развития) стал абсолютно ясен.

В-третьих, следует отметить огромное практическое преимущество видимых доказательств, предлагаемых эво-дево. Китайская пословица "лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать", которую я уже цитировал, особенно справедлива для обучения. Можно научить гораздо большему, комбинируя изображение и текст. Покажите студентам эмбрионы, кластеры Hox-генов, полоски, пятна и всю красоту создания формы животного. Эволюционная концепция сформируется сама собой.

Четвертое преимущество такого подхода в том, что он гораздо ближе сводит генетику и палеонтологию. Для детей динозавры и трилобиты — визитная карточка эволюции, большинство при виде их приходит в восторг. Покажите детям место этих существ на эволюционном древе от кембрийского периода до настоящих дней, и история жизни станет намного наглядней. Мир и вправду станет удивительным, если каждый школьник сможет в классе не только услышать об окаменелостях, но не раз подержать их в руках.

Я хотел бы внести еще несколько предложений. Чаще всего естественный отбор преподносят как что-то вроде сказки Киплинга про адаптацию: клювы вьюрков изменились потому, что пища стала другой, мотыльки потемнели из-за загрязнения воздуха и т.д. Но мне не кажется, что все хорошо представляют себе силу отбора небольших изменений, происходящего на протяжении сотен или тысяч поколений. Часто повторяемое выражение "выживает сильнейший" лучше описывает бой гладиаторов, чем тонкую работу естественного отбора, различающего едва заметные преимущества в выживаемости и плодовитости. Распространение благоприятных мутаций легко смоделировать и проиллюстрировать, и это помогает оценить временные рамки эволюционного процесса.

Наконец, на университетском уровне эволюционная концепция развития жизни должна стать такой же обязательной дисциплиной, как начальный курс психологии или история западной цивилизации. Но вместо того чтобы заставлять студентов заучивать и переваривать горы фактов, лучше рассказать им об истории открытия эволюции, о ее основных идеях и доказательствах. Это принесет гораздо больше пользы в повышении общего уровня информированности населения и в подготовке будущих преподавателей, чем заучивание латинских названий таксонов. Обучение не должно навевать скуку. Красочная история эволюции жизни поможет привлечь внимание студентов.

Однако кроме содержания программы и методов обучения, преподавание теории эволюции сталкивается еще с одной проблемой, особенно в США. Сейчас я об этом расскажу. Но даже вне контекста этой проблемы мы можем и должны работать лучше.

Эво-дево и противостояние эволюционной теории и креационизма

Тот, кому дорого дело, должен уметь вступаться за него, иначе он недостоин проявлять себя ни в чем.

Иоганн Вольфганг Гете Введение в "Пропилеи" (1798)

За время, прошедшее между выходом первого и второго издания книги "О происхождении видов", Дарвин изменил уже процитированную мной заключительную фразу, включив в нее слово "Творец". Позднее в письме ботанику Дж. Д. Хукеру он писал, что сожалеет об этом: "Но я долго сожалел о том, что в угоду публике использовал понятие о творении из Пятикнижия, под которым я в действительности понимал «появление» в результате какого-то неизвестного нам процесса".

Дарвин внес это исправление, чтобы усмирить критиков и сделать эволюционную теорию более приемлемой для публики. Это, безусловно, стало источником дополнительных спекуляций относительно истинных религиозных взглядов Дарвина. Однако эта оливковая ветвь, протянутая Дарвиным, его сдержанность в высказывании своих истинных воззрений (которые на самом деле становятся понятны только из его частной переписки и неопубликованных записок) позволила примирить теорию эволюции с религией.

Многие ученые и религиозные организации сумели соединить одно с другим. Например, в 1996 году Папа Римский Иоанн Павел II высказал позицию католической церкви о том, что человеческое тело эволюционирует в ходе естественных процессов. Более того, он отметил рост числа доказательств эволюции и назвал ее "больше, чем гипотезой". Нужно сказать, что это высказывание папы, вообще говоря, является отражением давнишней позиции римской католической церкви. Меня в свое время познакомили с Дарвином и теорией эволюции облаченные саном учителя из школы Св. Франциска в Толидо. Заявление главы самой крупной христианской конфессии, для которой характерно чрезвычайно медленное признание научных достижений, может означать окончательный поворот в восприятии эволюционной теории. Но хотя некоторые конфессии ясно выразились в поддержку теории биологической эволюции, фундаменталисты, настаивающие на буквальном прочтении Библии (так называемые "креационисты"), продолжают опровергать эволюционное учение и рьяно настаивают на законодательном запрете преподавания теории эволюции в государственных школах.

Гете также принадлежит высказывание: "нет ничего страшнее деятельного невежества", и именно это относится к тем заблудшим душам, которых еще осталось переубедить. Я хочу обозначить свою позицию предельно четко. Я считаю, что просвещению в области эволюции и науки вообще гораздо больше способствует распространение научного подхода и знаний, чем нападки на религиозное мировоззрение. Последнее абсолютно бессмысленно. Более того, я уверен, и к этому выводу уже пришли представители многих конфессий, что для религии, в свою очередь, гораздо важнее развивать и распространять собственную теорию и теологию, чем нападать на науку. Последнее и в этом случае является проигрышной стратегией.

Чарльз Харпер, исполнительный директор фонда Джона Темплтона, который занимается связями между теологией и религией, недавно написал в ведущем научном журнале Nature: "По мере накопления научных знаний религиозные представления, заполняющие «пробелы» в научном мировоззрении, неизбежно исчезнут, поскольку эти пробелы закроются. Те христиане, которые сейчас противятся принятию эволюционной теории, будут вынуждены принять ее всерьез". Харпер прав. В наши дни, когда мы так далеко продвинулись в изучении эмбрионов, генов и геномов и получаем все новые и новые данные ископаемой летописи, эти пробелы стремительно исчезают.

Как пример неверия в возможность заполнения таких пробелов можно привести случай с Майклом Бехе, который в 1996 году опубликовал книгу "Черный ящик Дарвина: биохимические проблемы эволюции". Эта книга, написанная авторитетным ученым, была воспринята креационистами как дар небес. Но основное утверждение Бехе о том, что живая клетка представляет собой неделимую сложную единицу, — не имеет смысла. Бехе рассчитывал, что биология зайдет в тупик, пытаясь объяснить сложные явления через молекулярные процессы. И присоединился к длинной череде предсказателей, чьи пессимистические прогнозы были полностью опровергнуты революцией в науках о жизни.

Биолог Скотт Гилберт из Суортморского колледжа в Пенсильвании, составивший программу преподавания биологии развития в этом колледже, а также известный историк эмбриологии и эволюционной биологии, обобщил позицию Бехе и так объяснил ее несостоятельность: "С точки зрения креационистов синтез эволюции и генетики не объясняет, каким образом какие-то рыбы превратились в земноводных, какие-то пресмыкающиеся стали млекопитающими, а какие-то приматы стали людьми... Бехе называет эту неспособность генетики объяснить создание новой таксономической группы «черным ящиком Дарвина». Он рассчитывает, что когда ящик откроют, в нем найдут божественное начало. Однако в «черном ящике Дарвина» просто заключена генетика другого типа — генетика развития".

Генетика развития вот уже двадцать лет проливает свет на то, как формируются сложные структуры и эволюционирует биоразнообразие. Креационисты просто не хотят этого замечать. Вы спросите, как можно игнорировать или отрицать столь очевидные доказательства? Я не хочу сказать, что понимаю психологические механизмы, заставляющие людей отрицать реальность. Но я прекрасно понимаю, как устроены политическая тактика и риторика тех, кто проигрывает, но не хочет этого признать. Тезисы креационистов следующие.

1. Эволюция — лишь теория, но существуют и другие теории (творение или разумный замысел), которым, просто по справедливости, также следует уделить внимание;

или

2. Эволюция — научная мистификация либо просто ошибка. Например, комментируя выступление Папы Римского, директор Ассоциации "Библия и наука" Иан Тейлор заявил: "Заявление Папы — это еще один шаг римской католической церкви в ловушку одного из величайших обманов, когда-либо навязанных человечеству. Честные ученые, хорошо знающие свое дело, такие как... Майкл Бехе ... с очевидностью показали, что, например, нередуцируемая сложность живых клеток делает движимую случаем эволюцию абсолютно невозможной";

или

3. Поскольку ученые расходятся во мнениях или не знают в точности, как работают механизмы эволюции и каков относительный вклад в нее различных факторов, или не знают всех деталей истории жизни, эта неопределенность является доказательством сомнений, следовательно, эволюция — слабая теория, которую не следует преподавать.

Эволюция — обман, придуманный бесчестными учеными? В своем усердии креационисты, кажется, забыли одну из заповедей, гласящую: "Не клевещи на ближнего своего".

Какой бы безысходной и бесконечной ни казалась борьба с креационизмом, сейчас научное сообщество лучше организовано и подготовлено к этой борьбе, чем когда-либо. Но борьба с невежеством не закончена. И, как напоминает нам Генри Дэвид Торо[17], путь этот длинен:

Вряд ли за всю свою жизнь вы сможете доказать кому-то, что он не прав, но утешайтесь тем, что наука развивается медленно. Если не поверит он, может быть, поверит его внук. Геологи говорят, что для доказательства органической природы ископаемых остатков понадобилось сто лет и еще сто пятьдесят, чтобы доказать, что они не имеют отношения к Великому потопу.

Борьба за распространение эволюционного мировоззрения происходит не только в научной среде. Теолог Джон Хот из Университета Джорджтауна много писал о необходимости включения идеи эволюции в современную теологию. Хот, который видит многообразие научных доказательств эволюции, указывает, что, поскольку текст Библии "был составлен в донаучную эпоху, его исходное значение нельзя передать на языке двадцать первого века" (как того требуют креационисты). Он объясняет:

Многие теологи до сих пор не осознали тот факт, что мы живем после Дарвина, а не до него, и что эволюционирующий космос выглядит иначе, чем в те времена, когда рождалось и развивалось большинство религий. Таким образом, чтобы выжить в современной интеллектуальной атмосфере, нашей теологии нужна, выражаясь языком эволюционной теории, иная экспрессия. Когда мы думаем о Боге в эпоху постдарвинизма, мы не можем думать так же, как думали Блаженный Августин или Фома Аквинский, и [рассуждать] о тех же материях, что и наши деды. Сегодня мы должны пересмотреть всю теологию в свете эволюционного учения.

Хот задумался о роли эволюции в таких вопросах, как страдание, свобода и творение. Дарвин тоже обращался к этим вопросам. Хот считает, что творение без эволюции создало бы бесцветный и безжизненный мир, без всех тех "событий, разнообразия, открытий и невероятной красоты, которые создала эволюция. Возможно, в этом мире была бы какая-то безжизненная гармония, но в нем не было бы обновления, контрастов, опасностей, подъемов и величия, созданных эволюцией за миллиарды лет".

Конечно, это уже не традиционная теология. Но идея Хота логична: либо теология эволюционирует, либо изживет себя. Когда в воскресных школах начнут в положительном ключе обсуждать окаменелости, гены и эмбрионы, мы поймем, что революция свершилась.

Бесконечное число исчезающих форм

Распространение эволюционных идей — не только философская проблема. Знание истории жизни на Земле, как близкой, так и отдаленной, — ключ к мудрому управлению нашей планетой и сохранению ее богатств.

Эволюция Homo sapiens и нашей культуры и технологии оказала чрезвычайно сильное влияние на биоразнообразие. По некоторым оценкам, до начала развития сельского хозяйства на Земле жило около десяти миллионов человек. К началу нашей эры население Земли составляло уже 300 миллионов человек, но в период промышленной революции численность населения начала стремительно расти и в 18oo-x годах достигла одного миллиарда. Сейчас нас шесть миллиардов, а по прогнозам через 50 лет станет девять миллиардов. Таким образом, всего за 10 000 лет численность людей выросла в тысячу раз.

Но еще до последнего демографического взрыва человеческая цивилизация оказывала огромное влияние на окружающую среду. Для меня одним из самых выразительных примеров тому остаются древние рисунки в моем любимом месте на земле — в национальном парке Какаду на Северной территории Австралии. Какаду отличается не только удивительным разнообразием флоры и фауны — это еще и место самого длительного непрерывного пребывания человека за всю его историю. Наскальные рисунки австралийских аборигенов — одни из самых древних из сохранившихся на Земле. В подземных галереях пещеры Убирр в северной части парка на стенах видны и изображения, сделанные 20-40 тысяч лет назад, и совсем недавние. На высоком выступе западной стены главной галереи сохранилось изображение тилацина (рис. 11.1) — сумчатого плотоядного животного, иначе называемого сумчатым или тасманийским волком. Тасманийский волк давно покинул Северную территорию и другие части Австралии, а теперь исчез повсеместно: последний представитель вида умер в зоопарке в 1936 году. На основном континенте тасманийский волк, по-видимому, стал добычей динго, пришедших в Австралию вместе с аборигенами. Наскальная живопись в Какаду напоминает о тех, кого когда-то можно было встретить в этих замечательных местах, — и людях, и диких животных.

Рис. 11.1. Вымерший тасманийский волк. Вверху: фрагмент наскального рисунка аборигенов из пещер Северной территории Австралии с изображением тилацина — давно исчезнувшего в этих местах полосатого сумчатого хищника, Внизу: изображение тасманийского волка, все еще обитавшего в Тасмании в начале XX века. Фотографии предоставлены Кристофером Чиппендейлом, Кембриджский университет.

Похожие истории случались повсюду, где селился человек. Наскальные рисунки из пещер во Франции изображают исчезнувших бизонов и носорогов. От гигантских бескрылых птиц моа (рис. 11.2), некогда обитавших в Новой Зеландии и истребленных маори, остались только груды костей, а об истребленной моряками на Маврикии птице додо напоминают лишь рисунки (рис. 11.2). Последние гигантские наземные ленивцы и шерстистые мамонты были съедены палеоиндейцами. Зебры квагга (рис. 11.3), один из четырех видов зебр, живших во время рождения Дарвина, к моменту его смерти уже вымерли.

Рис. 11.2. Додо и моа. Эти птицы когда-то жили на острове Маврикий и в Новой Зеландии соответственно и были истреблены аборигенами.

Рис. 11.3. Зебра квагга. Этот вид или подвид зебр вымер в конце XIX века.

Однако утрата этих отдельных видов ничто по сравнению с тем, что происходит сегодня. Разрушение естественной среды обитания животных, передел территорий, ухудшение качества воды и почвы, загрязнение воздуха и исчезновение дождевых лесов и коралловых рифов наносят колоссальный ущерб биоразнообразию. Бабочки и попугаи в бассейне Амазонки уже не столь многочисленны и разнообразны, как во времена Бейтса. Если бы Дарвин вернулся на Галапагосские острова, он обнаружил бы, что их символ — галапагосская черепаха[18], равно как большой земляной вьюрок и остроклювый земляной вьюрок на некоторых островах уже исчезли. Под безжалостным натиском человека число природных форм перестало быть бесконечным, и даже самые прекрасные из них беззащитны.

Я не столь наивен, чтобы думать, будто наука может решить все мировые проблемы, но незнание науки и отрицание ее фактов — путь к погибели. Вспомним слова Гексли, с которыми он обратился к Королевскому обществу на рассвете первой революции в биологии. Он спросил присутствующих, какая роль отводится Англии в грядущей реформации:

Примет ли Англия участие в этом процессе? Это будет зависеть от того, насколько вы, публика, готовы воспринимать науку. Будем растить ее, благоговеть перед ней, идти ее методами и привлекать ее к решению всех проблем человечества, и тогда наше будущее будет лучше нашего прошлого. Послушаемся тех, кто утаивает и давит ее, и я боюсь, что наши дети увидят славу Англии в таком же тумане, какой поглотил короля Артура.

Теперь нас волнует не слава Англии или Америки, но судьба Природы. Горькая ирония заключается в том, что чем лучше мы знаем биологию, тем меньше у нас остается живой природы для изучения и наслаждения. Что же оставит в наследство новое столетие? Научимся ли мы беречь и защищать природу — или бабочки, зебры и множество других животных станут легендой, как тасманийский волк, моа и додо?

Литература, основная и дополнительная

Открытия и идеи, обсуждавшиеся в книге, являются плодом трудов многих ученых. Поскольку я писал книгу для широкой публики, я решил не указывать прямо в тексте всех, кто имел отношение к тому или иному открытию, и не делать сносок. В этом разделе я привожу общий список книг и статей, которыми я пользовался, а также предлагаю дополнительную литературу по основным вопросам, затронутым в книге. В большинстве случаев названия журнальных статей опущены, поскольку указанных данных вполне достаточно, чтобы заинтересованный читатель мог найти их самостоятельно.

Введение. Бабочки, зебры и эмбрионы

Описание путешествий Дарвина, Бейтса и Уоллеса можно найти как в автобиографических, так и во многих биографических источниках. Я использовал книгу Дарвина "Путешествие вокруг света на корабле «Бигль»" (впервые опубликована в 1839 году, затем многократно переиздавалась) и книгу Бейтса (Н. W. Bates, Naturalist on the River Amazons, London: John Murray, 1863; Г. У. Бейтс, Натуралист на Амазонке. М., 1958). В числе биографических исследований можно назвать введение к сборнику классических работ Бейтса, выпущенному в 1988 году издательством Penguin Nature Library (A. Shoumatoff, pp. vii-xviii). 'Богатым источником информации о жизни и трудах Дарвина является книга A. Desmond and J. Moore, Darwin: The Life of a Tormented Evolutionist, London: Michael Joseph, 1991. О дружбе между Бейтсом и Уоллесом и о том, какую роль она сыграла в их путешествиях по Амазонке, говорится практически в любой краткой биографии этих людей.

Многие авторы в своих трудах касаются эстетического аспекта науки. Я настоятельно рекомендую замечательную книгу Роберта Рут-Бернштейна: R. Root-Bernstein, Discovering: Inventing and Solving Problems at the Frontiers of Scientific Knowledge, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1989. Также я рекомендую его статью Thе Sciences and Arts Share a Common Creative Aesthetic, в книге The Elusive Synthesis: Aesthetics and Science, ed. A. Tauber, pp. 49-82, Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996. В том же сборнике напечатана статья специалистов в области биологии развития и истории науки Скотта Гилберта и Марион Тейбер: S. Gilbert, М. Taber, Looking at Embryos: The Visual and Conceptual Aesthetics of Emerging Form, ed. A. Tauber, The Elusive Synthesis, pp. 125-51. Среди работ, представленных в этой книге, особое место принадлежит работе P. Weiss, Beauty and the Beast: Life and the Rule of Order, Scientific Monthly 81 (1955): 286-99.

Роль эмбриологии в дарвиновской эволюционной теории отражена в его книге "О происхождении видов", а также в его переписке (The Life and Letters of Charles Darwin, F. Darwin, ed.). Томас Гексли также считал развитие эмбриона важным доказательством эволюции: Т. Н. Huxley, Evidence as to Man's Place in Nature (1863) (Г. Г. Гексли. О положении человека в ряду органических существ. М., 2012).

Основные элементы синтетической теории эволюции отражены в книгах по популяционной генетике: R. A. Fisher, The Genetical Theory of Natural Selection, Oxford: Clarendon Press, 1930; J. B. S. Haldane, The Causes of Evolution, London: Longman, Green, 1932; и Т. Dobzhansky, Genetics and the Origin of Species, New York: Columbia University Press, 1937; по систематике: Е. Mayr, Systematics and the Origin of Species, New York: Columbia University Press, 1942; и по палеонтологии: G. G. Simpson, Tempo and Mode in Evolution, New York: Columbia University Press, 1944. Книга J. Huxley, Evolution: The Modern Synthesis, London: Allen and Unwin, 1942, объединяет в себе элементы генетики, систематики, палеонтологии и ботаники.

Многие ученые, среди них Стивен Джей Гулд и Нильс Элдридж, проанализировали значение и недостатки синтетической теории эволюции. Среди сольных и совместных работ Гулда и Элдриджа можно назвать следующие: N. Eldredge and S. J. Gould, Punctuated Equilibria: An Alternative to Phyletic Gradualism, in: Models in Paleobiology, ed. T. J. M. Schopf, pp. 82-115, San Francisco: Freeman, Cooper, 1972; S. J. Gould and N. Eldredge, Punctuated Equilibrium Comes of Age, Nature 366 (1993): 223-27; N. Eldredge, Unfinished Synthesis: Biological Hierarchies and Modern Evolutionary Thought, Oxford: Oxford University Press, 1986, а также S. J. Gould, The Structure of Evolutionary Theory, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2002. Впервые о связи между эмбриологией и эволюцией Гулд высказался в книге S. J. Gould, Ontogeny and Phylogeny, Cambridge, Mass.: Belknap Press, 1977.

За сто лет до Гулда Редьярд Киплинг опубликовал свои "Сказки" (R. Kipling, Just So Stories) (первое издание New York: Doubleday, 1902; с тех пор многократно переиздавались, и их можно найти в открытом доступе в Интернете).

Появление эволюционной биологии развития отражено в серии книг для специалистов и студентов-биологов. Первой была книга R. A. Raff and Т. С. Kaufman, Embryos, Genes, and Evolution: The Developmental-Genetic Basis of Evolutionary Change, New York: Macmillan, 1983, где были сформулированы многие вопросы и направления исследований на последующие десятилетия. Среди более новых книг можно назвать следующие: R. A. Raff, The Shape of Life, Chicago: University of Chicago Press, 1996; J. Gerhart and M. Kirschner, Cells, Embryos, and Evolution, Medford, Mass.: Blackwell, Science, 1997; E. H. Davidson, Genomic Regulatory Systems: Development and Evolution, San Diego: Academic Press, 2001; A. Wilkins, The Evolution of Developmental Pathways, Sunderland, Mass.: Sinauer Associates, 2001; а также книгу, написанную мною в соавторстве с моими бывшими студентами Джин Гриниер и Скоттом Уэзерби: S. В. Carroll, J. Grenier and S. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2nd ed., Medford, Mass.: Blackwell Science, 2005.

1. Строение животных: современные формы, древние чертежи

Хорошее вступление к исследованию окаменелостей Флориды, куда входят и советы по их поиску: М. Renz, Fossiling in Florida: A Guide for Diggers and Divers, Gainesville: University Press of Florida, 1999. Автор книги Марк Ренц проводит экскурсии (с ним можно связаться по электронному адресу Fossilx@earthlink.net), и я благодарен ему за то, что он научил меня и членов моей семьи разыскивать окаменелости в реках Флориды и помогал идентифицировать наши находки.

Идею о модульности и сериальном повторении структур впервые сформулировал Бэтсон в книге W. Bateson, Materials for the Study of Variation, London: Macmillan, 1894. Закон Уилли-стона разъясняется в книге S. W. Williston, Water Reptiles of the Past and Present, Chicago: University of Chicago Press, 1914. Более свежие работы о роли модульности, гомологии и сериальной гомологии: G. P. Wagner, American Zoologist 36 (1996): 36-43, и G. P. Wagner, Evolution 43 (1989): 1157-71.

2. Монстры, мутанты и гены развития

Открытию циклопамина и связи лилейного растения Veratrum californicum с возникновением циклопии посвящена статья F. Keeler and W. Binns, Teratology 1 (1968): 5-10.

Описание классических экспериментов по изучению регионов-организаторов у эмбрионов тритонов, лягушек или кур можно найти во всех современных учебниках по биологии развития. Вот пример двух таких источников: Scott F. Gilbert, Developmental Biology, 7th ed., Sunderland, Mass.: Sinauer Associates, 2003, и L. Wolpert et al., Principles of Development, 2nd ed., Oxford: Oxford University Press, 2002. Эксперименты Ганса Шпемана и Хильды Мангольд описаны в книге Н. Spemann, Embryonic Development and Induction, New Haven: Yale University Press, 1938, а также в книге Epithelial Mesenchymal Interactions, R. Fleischmajer and R. E. Bilingham, eds., Baltimore: Williams and Wilkins, 1968, pp. 78-97. Изучение организующих центров в пятнах-глазках на крыльях бабочек впервые описано в статье Н. F. Nijhout, Developmental Biology 80 (1980): 267-74.

Термин "перспективные монстры" впервые был введен Ричардом Голдшмидтом в его книге R. Goldschmidt, The Material Basis of Evolution, New Haven: Yale University Press, 1940. Обсуждению этой темы посвящено написанное С. Гулдом вступление к новому изданию этой книги (1982), а также книга S. J. Gould, Hen's Teeth and Horse's Toes, New York: W. W. Norton, 1983, pp. 187-98).

Медицинское описание полидактилии и статистику ее распространения я взял из обзора W. F. Bakker et al. Electronic Journal of Hand Surgery, November 11, 1997 (доступна в Интернете), а также из статьи L. G. BiESECKER,,American Journal of Medical Genetics 112 (2002): 279-83. Истории о людях с дополнительными пальцами можно найти на сайте BaseballLibrary.com, информацию об Антонио Альфонсеке — в "Википедии", а о распространении полидактилии в Турции — на сайте melungeanhealth.org. Об удивительном лечении всевозможных человеческих дефектов развития можно прочесть в книге А. М. Leroi, Mutants: On Genetic Variety and the Human Body, New York: Viking Press, 2003.

Литература о гомеозисных мутантах чрезвычайно обширна. Краткое объяснение можно найти в учебниках по биологии развития, которые я перечислил выше, а также в уже названной книге Гулда Hen's Teeth and Horse's Toes. Более пространное описание в контексте развития дрозофилы можно найти в книге Питера Лоуренса: P. Lawrence, The Making of a Fly, Cambridge, Mass.: Black-well Science, 1992.

3. От E. coli до слона

Об истоках молекулярной биологии — от открытия структуры ДНК и расшифровки генетического кода до определения Жакобом и Моно механизма контроля метаболизма лактозы в клетках Е со/i — подробно рассказывается в замечательной книге Хораса Джадсона: Н. F. Judson, The Eighth Day of Creation: The Makers of the Revolution in Biology, New York: Simon and Schuster, 1979 (более позднее издание с предисловием: New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1996). Это одна из наиболее хорошо написанных и тщательно подготовленных книг в научно-популярной литературе.

Объяснение того, как генетическая информация кодируется и считывается, можно найти в большинстве школьных учебников по биологии, а поиск в Интернете по ключевым словам "ДНК, РНК, белок" позволит найти множество кратких иллюстрированных текстов. Механизм синтеза бета-галактозидазы подробно излагается во многих учебниках по генетике и молекулярной биологии, а также в сборнике статей The Operon, J. H. Miller and W. S. Reznikoff, eds., Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1978.

Я ссылался на следующие книги Жака Моно и Франсуа Жакоба: J. Monod, Chance and Necessity, New York: Alfred A. Knopf, 1971; F. Jacob, The Logic of Life, New York: Pantheon, 1974; и F. Jacob, The Statue Within: An Autobiography, New York: Basic Books, 1988. Относительно недавно Франсуа Жакоб написал книгу об успехах генетики и биологии развития, в которой также рассказано о гомеобоксах: F. Jacob, Of Flies, Mice, and Men: On the Revolution in Modern Biology by One of the Scientists Who Helped Make It, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1998.

Ключевые статьи по генетике комплексов Antennapedia и Bithorax: E. Lewis, Nature 276 (1978): 565-70, и В. Wakimoto and T. Kaufman, Developmental Biology 81 (1981): 51-64. Гомеобокс-гены были открыты одновременно в двух лабораториях — в лаборатории Тома Кауфмана в Университете Индианы и в лаборатории Вальтера Геринга в Университете Базеля. Об этом открытии можно прочесть у Питера Лоуренса в книге P. Lawrence, The Making of the Fly, Medford, Mass.: Blackwell Science, 1992, а также в книге W. Gehring, Master Control Genes in Development and Evolution: The Homeobox Story, New Haven: Yale University Press, 1999, и в статье W. McGinnis, Genetics 137 (1994): 607-11. Впервые этот материал был опубликован в статьях М. P. Scott and A. J. Weiner, Proceedings of the National Academy of Science, USA 81 (1984): 4115-19, и W. McGinnis et al., Nature 308 (1984): 428-33. Обнаружению сходства гомеодоменов и хорошо известных регуляторных белков бактерий и дрожжей посвящена статья A. S. Laughon and M. P. Scott, Nature 310 (1984): 25-31. Об открытии гомеобокс-генов у других животных рассказывается в работе W. McGinnis et al., Cell 37 (1984): 403-8. Джонатан Слэк сравнил открытие гомеобокса с Розеттским камнем в статье в журнале Nature Q. Slack, Nature 310 (1984): 364-65. Комментарии Стивена Гулда о значении гомеобокса были опубликованы в журнале Natural History (S. J. Gould, Natural History 94 (1985): 12-23).

О кластерной организации Hox-генов и последовательности зон их экспрессии относительно оси тела позвоночных впервые сообщалось в статьях D. Duboule and P. Dolle, EMBO Journal 8 (1989): 1497-1505, и A. Graham, N. Papalapov and R. Krumlauf, Cell 57

(1989): 367-78.

О гомологии между геном eyeless дрозофилы и генами Small eye и Aniridia мыши и человека соответственно сообщалось в работе R. Quiring et al., Science 265 (1994): 785-89, а о способности продуктов генов eyeless и Small eye индуцировать образование тканей глаза в других участках тела дрозофилы рассказывалось в статье G. Halder, P. Callaerts and W. Gehring, Science 267 (1994): 1788-92. Комментарии Стивена Гулда на эту тему были опубликованы в журнале Natural History 103 (1994): 12-20. Ричард Докинз дал потрясающее объяснение эволюции глаз (глава "The Forty-Fold Path to Enlightenment" в книге Climbing Mount Improbable, New York: W. W. Norton, 1996), pp. 138-97.

Об использовании гена Distal-less и его гомологов в формировании многих типов конечностей сообщалось в статье G. Panganiban et al., Proceedings of the National Academy of Science, USA 94 (1997): 5162-66. Обсуждению роли генов tinman и NK2 в формировании сердца дрозофилы и позвоночных животных посвящена статья R. Bodmer and T. V. Venkatregh, Developmental Genetics 22 (l998):181-86.

Взгляд Эрнста Майра на эволюционный процесс нашел отражение в его книге Е. Mayr, Animal Species and Evolution, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1963, p. 609, а комментарии Стивена Гулда по этому поводу — в книге The Structure of Evolutionary Theory, Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2002, p. 1065.

Первые отчеты о пионерских исследованиях по изучению генов, определяющих строение эмбриона дрозофилы, появились в публикации Nusslein-Volhard and Wieschaus, Nature 287 (1980): 795-801. Лишь через много лет был клонирован ген дрозофилы hedgehog, а вскоре после этого были открыты его гомологи у позвоночных. О способности белка Sonic hedgehog имитировать активность ЗПА в развивающихся конечностях цыпленка сообщалось в статье R. Riddle et al., Cell 75 (1993): 1401-16. О связи мутаций гена Sonic hedgehog с полидактилией у человека было сказано в статье L. Lettice et al., Proceedings of the National Academy of Science, USA, 99 (2002): 7548-53.

О развитии циклопии в результате мутации гена Sonic hedgehog рассказывалось в статье С. Chiang et al., Nature 383 (1996): 407-13. Это наблюдение в сочетании с тем фактом, что при некоторых видах рака происходят мутации других генов этого же пути, привело к исследованию циклопамина в качестве потенциального химиотерапевтического препарата; этому посвящены статьи J. Taipale et al., Nature 406 (2000): 1005-9, и A. Е. Bale, Nature 406 (2000): 944-45.

4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка

Шутка в названии этой главы позаимствована из статьи S. Gilbert and M. Taber, Looking at Embryos: The Visual and Conceptual Aesthetics of Emerging Forms в книге The Elusive Synthesis: Science and Aesthetics, ed. A. Tauberg, pp. 125-51, Netherlands: Kluwar Academic Publishers, 1996. Они писали о том, что в базе данных по геному мыши в 1992 году фигурировал баннер "Готовая мышь" с пометкой "требуется сборка" в скобках. Отсюда же я взял и анекдот про Пола Вейса и сборку цыпленка.

Аналогия между эмбриологией и картографией обсуждается в книге S. S. Hall, Mapping the Next Millennium: The Discovery of New Geographies, New York: Random House, 1992, pp. 193-214. Холл говорит об огромной важности картирования в науке, и для генетики, эмбриологии и геномики его замечание абсолютно справедливо.

Процесс эмбрионального развития прекрасно изложен и проиллюстрирован в двух книгах, написанных для широкой публики известными специалистами в области биологии развития. Книга Льюиса Уолперта (L. Wolpert, Triumph of the Embryo, New York: Oxford University Press, 1991) представляет собой краткое и очень понятное изложение основных этапов формирования структур эмбриона. Книга Энрико Коэна (Е. Coen, Art of the Genes: How Organisms Copy Themselves, Oxford: Oxford University Press, 1998) замечательна тем, что демонстрирует аналогию между эмбриологией и искусством: и то и другое кодирует, а затем проявляет элементы пространственной структуры и изображения.

Создание "карт судьбы" описано во всех учебниках по биологии развития, включая те, что я назвал в списке литературы ко второй главе. Рекомендую прекрасный новый обзор, посвященный задачам, стратегиям и новым методам создания "карт судьбы": J. D. W. Clarke and С. Tickle, Nature Cell Biology 1 (1999): E103-9. Рисунки 4.1 и 4.2 — упрощенные версии рисунков из разных источников, включая вышеуказанные работы, а также карт Уолкера Хартенштейна, опубликованных в виде дополнительного атласа в книге The Development of Drosophila melanogaster, M. Bate and A. Martinez-Arias, eds., Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1993.

Экспрессию генов развития я описал на основании данных, полученных в нашей лаборатории, фундаментальных научных трудов, изображений, предоставленных моими коллегами, а также из учебной литературы. Опять же, процитированные выше учебники по биологии развития содержат ту же информацию в гораздо более подробном виде. Об экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы можно узнать более подробно из книги P. Lawrence, The Making of the Fly, Cambridge, Mass.: Blackwell Science, 1992, а этапы формирования тела дрозофилы и позвоночных животных описаны в книге S. В. Carroll, J. Grenier and S. Weatherbee, From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, 2nd ed., Medford, Mass.: Blackwell Science, 2005. Несколько работ детально исследуют более узкие вопросы — среди них Е. М. De Robertis et al., Nature Reviews Genetics 1 (2000): 171-81 (о ранних эмбрионах позвоночных); О. Pourquie, Science 301 (2003): 328-30 (о формировании сегментов позвоночных); F. Moriani and G. R. Martin, Nature 423 (2003): 319-25 (о формировании конечностей позвоночных); С. В. Moens and V. Е. Prince, Developmental Dynamics 224 (2002): 1-17 (о формировании заднего мозга).

Латеральное ингибирование описано для многих систем, включая щетинки на крыльях дрозофил и зачатки перьев у птиц. Более подробно и с привлечением большого количества примеров этот вопрос обсуждается в статье Н. Meinhardt and A. Gierer, BioEssays 22 (2002): 753-60. На Интернет-сайте этих авторов вы найдете замечательные обучающие материалы и анимацию: www. eb.tuebingen.mpg.de/dept4/meinhardt/home.html.

Цитата из Жана Перрена фигурирует в статье Франсуа Жакоба Evolution and Tinkering, Science 196 (1977): 1161-66. Жан Перрен — физик, лауреат Нобелевской премии (1926), известный своими работами в области коллоидных систем и изучением броуновского движения. Цитата взята из его широко известной книги J. Perrin, Les Atomes (1913).

5. Темная материя генома: инструкции к набору генов развития

Впервые с понятием темной материи я столкнулся в увлекательной книге Брайана Грина (В. Greene, The Elegant Universe, New York: W. W. Norton, 1999), посвященной структуре Вселенной в самом мелком и в самом крупном масштабе, и в прекрасной книге Мартина Риза (М. Rees Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe, New York: Basic Books, 2001). Рекомендую также прочесть статью Денниса Овербая (D. Overbye, From Light to Darkness: Astronomy's New Universe, The New York Times, April 10, 2001) и статью Веры Рубин (V. Rubin, Scientific American Presents 9, no. 1 (1998), 106-10).

Детальное описание генетических переключателей можно найти в нескольких источниках. Классическая книга Марка Пташне (М. Ptashne, A Genetic Switch, 2nd ed., Cambridge, Mass.: Blackwell Science, 1992) — краткое, прекрасно иллюстрированное и подробное учебное пособие по генетическим переключателям, а первую очередь, в бактериофагах, но также с примерами из более сложных организмов. Книга Эрика Дэвидсона (Е. Н. Davidson, Genomic Regulatory Systems: Development and Evolution, San Diego: Academic Press, 2001) — более сложный текст, в котором объясняется логика действия более сложных переключателей генов животных.

Оценки количества "мусорной" и регуляторной ДНК в нашем геноме сделаны на основании анализа генома человека и его сравнении с геномами других животных, например мышей: Mouse Genome Sequencing Consortium, Nature 420 (2002): 520-62.

О роли генетических переключателей в формировании пространственной разметки — позиционировании полосок и кластеров клеток — можно узнать из следующих работ: D. Stanojevic, S. Small and M. Levine, Science 254 (1991): 1385-87; S. Small, A. Blair and M. Levine, EMBO Journal 11 (1992): 4047-57; G. Vachon et al., Cell 71 (1992): 437-50; J. Jiang and M. Levine, Cell 72 (1993): 741-52; S. Gray, P. Szymanski and M. Levine, Genes and Development 8 (1994): 1829-38; S. Gray and M. Levine, Genes and Development 10 (1996): 700-710; P. Szymanski and M. Levine, EMBO Journal 14 (1995): 2229-38; and J. Cowden and M. Levine, Developmental Biology 262 (2003): 335-49. Информацию о сигнатурных последовательностях конкретных генов развития я почерпнул из тех же источников, а также из: S. Jun et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 95 (1998): 13720-725; S. Knirr and M. Frasch, Developmental Biology 238 (2001): 13-26; and S. С Ekker et al., EMBO Journal 13 (1994): 3551-60.

Примеры тьюринговских моделей формирования пространственной структуры эмбриона приводятся в книгах S. Kauffman, The Origins of Order, Oxford: Oxford University Press, 1993, и Р. Ball, The Self-Made Tapestry: Pattern Formation in Nature, Oxford: Oxford University Press, 1999. Интересно сравнить анализ развития дрозофилы в этих двух книгах. У Кауффмана анализ более длинный и сложный и не учитывает роли переключателей в формировании полос (переключатели были открыты за пару лет до публикации книги). Расчеты Болла гораздо проще и яснее за счет того, что стала понятна функция переключателей в формировании четкого рисунка. Но до сих пор центральная роль генетических переключателей в формировании структур не всегда учитывается при моделировании; в этой связи посмотрите, например, книгу S. Wolfram, A New Kind of Science, Champaign, III.: Wolfram Media, 2002. Эта постоянная ошибка приводит к уверенности, что простые правила моделирования структур на экране компьютера соответствуют тому, что происходит в реальности.

Информацию о генетических переключателях гена ВМР5 я почерпнул из личной беседы с Дэвидом Кингсли из Стэндфордского университета и из статьи R. J. Di Leone et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 97 (2000): 1612-17. Логика действия Hox-белков и других продуктов генов развития в дифференцировке модулей тел животных обобщается в статье S. D. Weatherbee and S. В. Carroll, Cell 97 (1999): 283-86.

6. Большой взрыв в эволюции животных

Существует несколько прекрасных книг, предназначенных для широкой публики и посвященных полностью или отчасти кембрий-кому взрыву. Первой работой на эту тему для широкой аудитории оыла книга Стивена Гулда (S. J. Gould, Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History, New York: W. W. Norton, 1989). Книга Симона Конвея Морриса (S. С. Morris, The Crucible of Creation: The Burgess Shale and the Rise of Animals, New York: Oxford University Press, 1998), предлагает посмотреть на этот феномен глазами одного из ведущих палеонтологов; кроме того, это сравнительно новый материал, подкрепленный данными из других кембрийских отложений. Книга Эндрю Нолла (А. Н. Knoll, Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth, Princeton: Princeton University Press, 2003) охватывает всю историю жизни на Земле, включая кембрийский период, и представляет собой потрясающий синтез геологии, геохимии и палеонтологии. Прекрасный каталог окаменелостей, обнаруженных в сланцах Берджес — Derek Е. G. Briggs, Douglas H. Erwin and Frederick J. Collier, The Fossils of the Burgess Shale, Washington, D.C.: Smithsonian Institution Press, 1994.

Urbilateria впервые была описана в статье Е. М. De Robertis and Y. Sasai, Nature 380 (1996): 37-40. Другие статьи на эту тему: De Robertis, Nature 387 (1997): 25-36; С. В. Kimmel, Trends in Genetics 12 (1996): 329-31; N. Shubin, С Tabin and S. Carroll, Nature 388 (1997): 639-48; D. Arendt and J. Wittbrodt, Philosophical Transactions of the Royal Society of London В 350 (2001): 1545-63; D. Arendt, U. Technau and J. Wittbrodt, Nature 409 (2001): 81-85; A. H. Knoll and S. B. Carroll, Science 284 (1999): 2129-37; D. H. Erwin and E. H. Davidson, Development 129 (2002): 3021-32; and A. Peel and M. Akam, Current Biology 18 (2003): R708-10.

Цитата из Дарвина о генеалогии человечества взята из его письма Чарльзу Лайелю от 10 января 1869 года, опубликованного в книге The Life and Letters of Charles Darwin, ed. F. Darwin, vol. 2, London: John Murray, 1887.

Основную информацию об эволюции лопастеногих я почерпнул из статьи G. E.Budd, Lethaia 29 (1996): 1-14, и из персонального сообщения Грэхема Бадда из Университета Упсалы, Швеция.

Гипотеза Льюиса о "новых генах" была высказана в статье Е. В. Lewis, Nature 276 (1978): 565-70. Hox-гены онихофор описаны в статье J. К. Grenier et al., Current Biology 7 (1997): 547-53. О сдвиге зон экспрессии Hox-генов теперь имеется достаточно много информации. В частности, советую посмотреть следующие статьи: М. Averof and M. Akam, Nature 376 (1995): 420-23; S. В. Carroll, Nature 376 (1995): 479-85; M. Averof and N. H. Patel, Nature 388 (1997): 682-87; С L. Hughes and Т. С Kaufman, Development 129 (2002): 1225-38; и N. С. Hughes, BioEssays 28 (2003): 386-95.

Подробно кембрийское животное Haikouichthys описано в статье D. G. Shu et al., Nature 421 (2003): 526-29. Анализ Hox-генов у головохордовых дан в статье J. Garcia-Fernandez and P. W. Holland, Nature 370 (1994): 563-66; у миног и миксин — в статье H. Ecriva et al., Molecular and Biological Evolution 19 (2002): 1440-50, и в статье С. Fried, S. J. Prohaska and P. F. Stadler, Journal of Experimental Zoology Part В Molecular and Developmental Evolution 299 (2003): 18-25; У акул — в статье С.-В. Kim et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 97 (2000): 1055-60. Эволюционные новшества позвоночных обсуждаются в работах S. M. Shimeld and P. W. Holland, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 97 (2000): 4449-52, и G. P. Wagner, С Amemiya and F. Ruddle, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 100 (2003): 14603-606. Экспрессия Hox-генов у разных позвоночных подробно проанализирована в статьях А. С. Burke et al., Development 121 (1995): 333-46, и M. J. Cohn and С. Tickle, Nature 399 (1999): 474-79. Об эволюции переключателей Hox-генов у позвоночных говорится в работе H.-G. Belting, С. Shashikant, and F. H. Ruddle, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 95 (1998): 2355-60.

Роль экологических факторов в событиях кембрийского периода обсуждается в книге Кнолла Life on a Young Planet

7. Малые взрывы: крылья и другие революционные изобретения

История изобретения ножа и вилки, а также эволюция скрепки для бумаг описаны в статье А. В. Duthie, Journal of Memetics — Evolutionary Models of Information Transmission 8 (2003), доступной на сайте http://jom-emit.cfpm.org/2004/vol8/duthie_ab.html, и в книге Н. Petroski, The Evolution of Useful Things, New York: Vintage Books, 1992. Идеи Дарвина о значении многофункциональности и избыточности структур изложены в шестой главе кни-7и "О происхождении видов".

Структура и функции двуветвистых конечностей подробно обсуждаются в книге Стивена Гулда (S. J. Gould, Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History, New York: W. W. Norton, 1989), а их возможное происхождение — в статьях G. E. Budd, Lethaia 29 (1996): 1-14. и N. Shubin, С. Tabin and S. Carroll, Nature 388 (1997): 639-48. Об экспрессии гена Distal-less в конечностях членистоногих и онихофор можно узнать из статей G. Panganiban et al., Science 270 (1995): 1363-66, и G. Panganiban et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 94 (1997): 5162-66.

Доказательства того, что крылья насекомых произошли из жаберных ветвей конечностей водных предков, представлены в работе М. Averof and S. M. Cohen, Nature 385 (1997): 627-30. Возможный сценарий эволюции числа крыльев у насекомых я изложил в соответствии со статьей S. В. Carroll, S. D. Weatherbee and J. A. Lang eland, Nature 375 (1995): 58-61, которая отчасти основана на палеонтологических доказательствах из работы J. Kukalova-Реск, Journal of Morphology 156 (1978): 53-126.

Доказательства эволюции паутинных бородавок пауков, легочных мешков и трубчатой трахеи из жаберных ветвей конечностей предков можно найти в статье W. G. M. Damen, T. Saridaki and М. Averof, Current Biology 12 (2002): 1711-16. Различные зоны экспрессии Hox-генов у пауков описаны в работе W. G. М. Damen et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 95 (1998): 10665-670, и A. Abzhanov, A. Popadic and Т. С Kaurman, Evolution and Development 1 (1999): 77-89. Доказательства эволюции задних крыльев насекомых под контролем белка Ultrabithorax представлены в статье S. D. Weatherbee et al., Current Biology 11 (1999): 109-15.

Подробное описание эволюции конечностей позвоночных животных при их адаптации к жизни на суше и при возвращении в море приводится в книге Карла Циммера (С. Zimmer,At the Water's Edge: Macroevolution and the Transformation of Life, New York: Free Press, 1998). Описание зауриптеруса, акантостеги, тулерпетона и других ископаемых животных я взял из статей Е. В. Daeschler and N. Shubin, Nature 391 (1998): 133, и М. I. Coates, J. E. Jeffrey and M. Rut, Evolution and Development 4 (2002): 390-401. Связь эволюции автоподий с характером экспрессии Hox-генов обсуждается в статьях P. Sardino, F. van der Hoeven and D. Duboule, Nature 375 (1995): 678-81; N. Shubin, C. Tabin and S. Carroll, Nature 388 (1997): 639-48; и M. Kmita et al., Nature 420 (2002): 145-50.

Эволюции формы крыльев позвоночных посвящена книга Пэт Шипман: P. Shipman, Taking Wing: Archeopteryx and the Evolution of Bird Flight, New York: Simon and Schuster, 1998. Изменения в развитии, приведшие к исчезновению конечностей у змей, обсуждаются в статье М. J. Cohn and С. Tickle, Nature 399 (1999): 474-79- Исчезновение шипа у трехиглой колюшки описано в работе М. D. Shapiro et al., Nature 428 (2004): 717-23, а удивительные окаменелости колюшки обсуждаются в статье М. A. Bell, J. V. Baumgartner and E. С. Olsen, Paleobiology 11 (1985): 258-71.

8. Откуда у бабочки на крыльях пятна

Цитату, приведенную в начале этой главы, вспоминают очень часто, но на самом деле Моно никогда так не говорил, и по этому поводу требуется некоторое разъяснение. В книге Le Hasard et la Necessite, Paris: Editions du Seuil, 1970, Моно писал следующее: "Hasard capte, conserve, reproduit par la machinerie de Tinvariance et ainsi converti en ordre, regie, necessite" (c. 128). Переводчик Острин Уэйнхаус перевел словосочетание "hasard capte" как "случайность, пойманную за крыло", хотя буквально следовало бы написать "пойманный шанс". Впервые эту цитату из Моно использовал Стюарт Кауффман в книге S. Kauffman, At Home in the Universe, New York: Oxford University Press, 1995, p. 71, а после превратил ее в тезис "эволюция — это случайность, пойманная за крыло" (с. 97)-' Прекрасная фраза, которую не зря цитируют, хотя ни Моно, ни его переводчик никогда этого не писали.

Описание коллекции Бейтса можно найти в книге Н. W. Bates, Naturalist on the River Amazons, London: John Murray, 1863. Письмо Бейтса Дарвину датируется 28 марта 1861 года. Воодушевленный отзыв Дарвина на статью Бейтса о мимикрии был написан 20 ноября 1862 года и опубликован в книге The Life and Letters of Charles Darwin, ed. F. Darwin, vol. 2, London: John Murray, 1887. Оценка Дарвином книги Бейтса опубликована в журнале Natural History Review (3 (1863)). Все процитированные фрагменты о бабочках взяты из книги Naturalist on the River Amazons. Подробнее о Набокове можно узнать из книги К. Johnson and S. Coates, Nabokov's Blues: The Scientific Odyssey of a Literacy Genius, Cambridge, Mass.: Zoland, 1999.

Наиболее полный анализ узора на крыльях бабочек вы найдете в книге Фредерика Нийхута (F. Nijhout, The Development and Evolution of Butterfly Wing Patterns, Washington, D.C.: Smithsonian Institution Press, 1991), где разъясняются многие принципы, лежащие в основе структуры и разнообразия крыльев этих насекомых. О генах развития, участвующих в формировании чешуек, можно прочесть в статье R. Galant et al., Current Biology 8 (1998): 807-13.

Открытие экспрессии гена Distal-less в пятнах на развивающихся крыльях описано в статье S. В. Carroll et al., Science 265 (1994): 109-14; см. также S. В. Carroll, Natural History, February 1997, pp. 28-37. Сравнение экспрессии гена Distal-less у различных видов проведено в работе P. M. Brakefield et al., Nature 384 (1996): 236-42. О белках генов развития, маркирующих внешний край пятна, говорится в статье С. R. Brunetti et al., Current Biology 11 (2001): 1578-85.

О том, что уменьшение размеров пятен-глазков помогает спрятаться на фоне опавшей листвы, говорится в статье A. Lytinen et al., Proceedings of the Royal Society of London В 271 (2004): 279-83. О характере экспрессии гена Distal-less у бабочек при разной температуре сообщалось в уже упомянутой работе P. M. Brakefield et al. Пятнистые мутанты описаны в статье P. M. Brakefield and V. French, Acta Biotheoretica 41 (1993): 447-68. Об искусственном отборе бабочек с разным размером пятен говорится в статье A. F. Monteiro, P. M. Brakefield and V. French, Evolution 48 (1994): 1147-57- Общий обзор работ по эволюции рисунка на крыльях бабочек: P. Beldade and P. М. Brakefield, Nature Reviews Genetics 3 (2002): 442-52.

Мимикрия тигрового парусника описана в статье J. М. Scriber, R. H. Hagen and R. С. Lederhouse, Evolution 50 (1996): 222-36. О мимикрии бабочек Heliconius написано достаточно много, см. например: J. Mallet and M. Joron, Annual Rev. Ecol. Syst. 30 (1999): 201-33.

9. Выкрасим черным

У Хью Котта можно также прочесть статью в The Royal Engineers Journal 52 (1938): 501-17 и книгу Looking at Animals: A Zoologist in Africa, New York: Charles Scribner Sons, 1975.

Проблема меланизма широко обсуждается в книге М. Majerus, Melanism: Evolution in Action, Oxford: Oxford University Press, 1988. Более новые работы о биологических основах промышленного меланизма: В. N. Grant, Evolution 53 (1999): 980-84, и J. Mallet, Genetics Society News 50 (2003): 34-38; последняя — ответ на книгу J. Hopper, Of Moths and Men: Intrigue, Tragedy, and the Peppered Moth, New York: Fourth Estate, 2002.

Отличный обзор, посвященный меланизму у млекопитающих: М. Е. N. Majerus and N. I. Mundy, Trends in Genetics 19 (2003): 585-88. О меланизме у конкретных видов животных: у ягуара и ягуарунди — Е. Eizirik et al., Current Biology 13 (2003): 448-53; у бананового певуна — Е. Theron et al., Current Biology 11 (2001): 550-57; у мешотчатого прыгуна — M. Nachman et al., Proceedings of the National Academy of Science, USA 100 (2003): 5268-73; у медведя Кермода — К. Ritland et al., Current Biology 11 (2001): 1468-72. Полевые исследования мешотчатых прыгунов в песчаных районах юго-запада США описаны в работе L. Dice and P. M. Blossom, Studies of Mammalian Ecology in Southwestern North American with Special Attention for the Colors of Desert Mammals, Washington, D.C.: Carnegie Institution of Washington, 1937, pub. n. 485, и L. R. Dice, Contributions from the Laboratory of Vertebrate Biology, University of Michigan 34 (1947): 1-20.

Очерки Гулда о зебрах: Hen's Teeth and Horse's Toes, New York: W. W. Norton, 1983, pp. 355-65 и 366-75. Исследование Барда опубликовано в статье J. L. Bard, Journal of Zoology (London) 183

(1977): 527-39.

Общие формулы для расчета времени, необходимого для распространения благоприятной мутации в популяции или вероятности исчезновения неблагоприятной мутации, можно найти в любом учебнике по генетике, например, в книге W.-H. Li, Molecular Evolution, Sunderland, Mass.: Sinauer Associates, 1997.

10. Что делает Homo sapiens человеком

Впечатления Дарвина от орангутанов приводятся в книге A. Desmond and J. Moore, Darwin: The Life of a Tormented Evolutionist, New York: Warner, 1997. Высказывание королевы Виктории я нашел в книге R. A. Keynes, Annie's Box, London: Fourth Estate, 2001. Цитата из Эрика Фромма взята из его книги (Е. Fromm, Man for Himself, New York: Rinehart, 1947).

Обширный обзор истории физической и генетической эволюции человека:]. Klein and N. Таканата, Where Do We Come From? The Molecular Evidence for Human Descent, Berlin: Springer-Verlag, 2002. Некоторые темы этой главы освещены в статье S. В. Car roll, Nature 422 (2003): 849-57.

История о том, как был обнаружен первый неандерталец, описана в книге R. McKie, Dawn of Man: The Story of Human Evolution, London: Dorling Kindersley, 2000, а первая серьезная интерпретация этого открытия сделана в книге Т. Н. Huxley, Evidence as to Man's Place in Nature (1863). Отзыв на книгу Гексли появился в журнале Athenaeum от 28 февраля 1863 года. Самый древний экземпляр Н. sapiens описан в статье Т. D. White et al., Nature 423 (2003): 742-47.

Данные, представленные на рис. 10.3 и 10.5, собраны из множества разных источников. Я консультировался с палеонтологами, имеющими разные точки зрения по поводу количества видов гоминин. Я привел не самую полную, а более традиционную картину. Познакомиться с другими мнениями можно в статьях В. Wood, Nature 418 (2002): 133-35. и Т. White, Science 299 (2003): 1994-96.

Подробнее о следах, обнаруженных в Лаэтоли, можно узнать из статьи N. Agnew, Scientific American 279 (1998): 51-54. Данные о размере мозга ископаемых людей приводятся в статьях R. В. Ruff, Е. Trinкнaus and Т. Ноlliday, Nature 387 (1997): 173-76; G. Con roy et al., American Journal of Physical Anthropology 13 (2000): 111-18; P. BRUNET et al, Nature 418 (2002): 145-51; и В. Wood, Science 284 (1999): 65-71. Книга J. M. Allman, Evolving Brains, New York: Scientific American Library, 1999, послужила источником разнообразной информации о структуре и эволюции головного мозга приматов и человека, а также об их поведении и климатических изменениях. Мозаичный характер эволюции головного мозга описан в статьях R. A. Barton and P. Harvey, Nature 408(2000): 1055-58; W. de Winter and С. Е. Oxnard, Nature 409 (2001): 710-14a; и D. A. Clark, P. P. Mitra and S. S. H. Wang, Nature 411 (2001): 189-93.

Первое исследование ДНК неандертальца описано в статье М. Krings et al., Cell 90 (1997): 19-30; см. также D. Serre et al., Public Library of Science/Biology 2 (2004): 0313-0317.

Цитата из Эмерсона Пуга взята из его книги (Е. Pugh, The Biological Origin of Human Values, New York: Basic Books, 1977).

Анатомическая асимметрия головного мозга высших приматов обсуждается в работе С. Cantalupo and W. D. Hopkins, Nature 414 (2001): 505, которой оппонирует статья С. С. Sherwood et al., The Anatomical Record Part A 271 (2003): 276-85. Об исследовании пациентов с situs invertus можно узнать из статей D. Kennedy et al., Neurology 53 (1999): 1260-65, и S. Tanaka et al., Neuropsychologia

37 (1999): 869-74.

Данные об эволюции человеческой ДНК следуют из анализа генома человека и соответствующих данных для шимпанзе; в качестве примера можете посмотреть статью S. В. Carroll, Nature 422 (2003): 849-57. Сравнение с мышью проведено на основании результатов секвенирования мышиного генома: Mouse Genome Sequence Consortium, Nature 420 (2002): 520-62, а также более свежих данных, представленных Эриком Лэндером.

Классическая статья о различиях человека и шимпанзе: М.-С. King and А. С. Wilson, Science 188 (1975): 107-16. Другие ранние работы: Е. Zuckerkandl and L. Pauling, Evolving Genes and Proteins, ed. V. Bryson and J. H. Vogel, pp. 97-166, New York: Academic Press, 1965, и R. J. Britten and E. H. Davidson, Quarterly Review of Biology 46 (1971): 111-38.

О связи мутации гена миозина с ослаблением челюстных мышц человека сообщается в статье Н. Stedman et al., Nature 428 (2004): 415-18.

О связи гена F0XP2 с речевыми нарушениями можно прочесть в статье С. S. L. Lai et al., Nature 413 (2001): 519-23; пациенты с такими нарушениями описаны в работе F. Liegeois et al., Nature Neuroscience 6 (2003): 1230-36; о молекулярной эволюции последовательности F0XP2 говорилось в работе W. Enard et al., Nature (2002) 418: 869-872; характер экспрессии гена F0XP2 в головном мозге человека описан в статье С. S. Lai et al., Brain 126 (2003): 2455-62; экспрессия F0XP2 у крыс и мышей обсуждается в статьях К. Takahashi et al., Journal of Neuroscience Research 73 (2003): 61-72, и R. J. Ferland et al., Journal of Comprehensive Neurology 460 (2003): 266-79.

Подробнее о генах, опыте и поведении человека можно узнать из книги М. Ridley, Nature via Nurture: Genes, Experience, and What Makes Us Human, New York: HarperCollins, 2003.

11. Бесконечное число самых прекрасных форм

Более ранние версии цитаты из "Происхождения видов" можно найти в издании The Foundations of the Origin of Species: Two Essays Written in 1842 and 1844 by Charles Darwin, ed. Francis Darwin, Cambridge: Cambridge University Press, 1909.

Подробнее о стремлении эволюции к воспроизведению самой себя на разных уровнях можно узнать из книги Симона Конвея Морриса (S. С. Morris, Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe, Cambridge: Cambridge University Press, 2003).

Результаты общественных опросов на тему эволюции представлены в обзоре G. Bishop, The Public Perspective 9 (1998): 39-44. Больше о состоянии образования в области эволюции можно найти на сайте Национального центра научного образования ().

Подробнее о работе Дарвина над разными изданиями книги "О происхождении видов" можно узнать из книги The Origin of Species by Charles Darwin: A Variorum Text, Morse Peckham, ed., Philadelphia: University of Pennsylvania Press, 1959. Заявление Папы Римского Иоанна Павла II и реакция разных людей на это заявление обсуждаются в статье Е. С. Scott, The Quarterly Review of Biology 72 (1997): 401-6. Комментарий Чарльза Харпера был опубликован в статье С. Harper, Nature 411 (2001): 239-40. Точка зрения Скотта Гилберта на преподавание теории эволюции с привлечением данных генетики развития, а также его критика книги М. Вене, Darwin's Black Box: The Biochemical Challenge to Evolution, New York: Free Press, 1996, отражены в статье S. Gilbert, Nature Reviews Genetics 4 (2003): 735-41.

Цитата из Генри Дэвида Торо взята из его книги A Week on the Concord and Merrimack Rivers (1849). Взгляды Джона Хота отразились в его работе Science and Religion: From Conflict to Conversation, New York: Paulist Press, 1995. Фрагменты его трудов можно найти на сайте . Статистические данные о росте численности населения можно найти на сайте Бюро по вопросам народонаселения ().

История тасманийского волка рассказана в книге D. Owen, Thylacine: The Tragic Tale of the Tasmanian Tiger, Crows Nest, NSW: Allen and Unwin, 2003. Другую информацию об исчезнувших видах животных я взял из книг Е. О. Wilson and F. M. Peter, eds., Biodiversity, Washington, D.C.: National Academy Press, 1988, и Е. 0. Wilson, The Diversity of Life, New York: Penguin, 1992.

Обращение Гексли к Королевскому обществу в феврале 1860 года приводится в книге A. Desmond and J. Moore, Darwin: The Life of a Tormented Evolutionist, New York: Warner, 1991, p. 489.

Благодарности

Эта книга, как и произведение любого автора, представляет собой плод любви. Однако мне совершенно точно повезло больше других, поскольку появлению на свет этой книги очень помогла моя жена Джейми Кэрролл. Ее критический взгляд и поддержка способствовали зарождению замысла книги, своим тяжким трудом и художественным талантом она вскормила эту книгу, терпеливо выдерживая бесконечные вопросы вроде: "Дорогая, что ты думаешь по поводу этого абзаца/цитаты/раздела/главы/ рисунка и т.д.?", а ее честные ответы на эти вопросы избавили читателя от сумбура и страданий. Мало кому достается такая щедрая помощь, такой теплый дом, где легко работать, такое чувство юмора, которые позволяют преодолеть все неизбежные перипетии писательства.

Вообще моя семья оказывала мне самую разнообразную помощь в сборе материала для книги и ее создании — во имя любви к естественной истории мы все вместе пробирались через джунгли, болота, мутные реки и бесчисленные музеи. Мои сыновья Уилл и Патрик помогали разыскивать окаменелости в природе, а нужных животных — в музеях, а мой пасынок Джош Клейс нарисовал несколько важных рисунков.

Я благодарен моей сестре Нэнси, вместе с которой на протяжении почти десяти лет мы изучали и обсуждали труды Дарвина, Гексли, Лайеля и их современников, моему брату Питеру за то, что он помог мне шире взглянуть на тему, и за наши бесконечные дискуссии об эволюции человека и моему брату Джиму за огромную поддержку.

Я также благодарен моим родителям, Джоан Кэрролл и покойному Дж. Роберту Кэрроллу, за то, что они поддерживали нас в наших увлечениях, даже если мы приносили в дом змей.

Оформление книги было делом непростым. Оригинальные рисунки создали Джейми, Джош и Лианн Олдс. Лианн, кроме того, адаптировала или перерисовала большинство рисунков, взятых из других источников. Стив Пэддок, давний сотрудник моей исследовательской группы, оформил все цветные рисунки. Я благодарен им за труд, который они вложили в каждый рисунок, и восхищен результатом.

Я получил много изображений от моих коллег со всего света — плоды их полевых и лабораторных исследований. По этому поводу Альберт Эйнштейн писал следующее:

Ежедневно, сто раз в день, я напоминаю себе, что в основе моей внутренней и внешней жизни лежит труд многих людей, живых и мертвых, и что я должен отдать той же мерой, что я получил и продолжаю получать.

Альберт Эйнштейн Мир, каким я его вижу (1954)

Моя благодарность и мои долги распространяются на гораздо более широкий круг людей, чем у Эйнштейна. Мне легко было писать эту книгу, поскольку она основана на результатах коллективного труда множества биологов, включая палеонтологов, генетиков, эмбриологов и эволюционных биологов. Хотя некоторые великие ученые жили до меня, большинство открытий, обсуждаемых в этой книге, сделано людьми нашего поколения. Я благодарен многим моим коллегам, которые предоставили для этой книги свои результаты и на протяжении многих лет делились со мной своим опытом и своими идеями.

Мы сделали хорошую работу. Я повсюду встречал талантливых и увлеченных людей, обладающих профессиональной этикой, которой могут позавидовать люди многих других специальностей. Я особенно благодарен тем, кто работал со мной на протяжении последних двадцати лет. Творческий подход и увлеченность многих студентов, аспирантов и сотрудников стали залогом успешности нашей лаборатории, и я гораздо большему научился от этих людей, чем смог дать им взамен. Большую свободу в выборе научного направления мне дала финансовая поддержка Медицинского института Говарда Хьюза, Национального научного фонда и программы Shaw Scholars штата Милуоки.

У меня были выдающиеся учителя, которые вдохновляли меня и давали мне свободу выбора, что способствовало моему росту как ученого, и именно они посеяли семена, расцветшие в этой книге. Я благодарю Саймона Сильвера, Оуэна Секстона и Джеймса Джонса (Вашингтонский университет в Сент-Луисе), Уильяма Девольфа (больница Бет-Израэл), Б. Дэвида Столлара (руководителя моей диссертации), Карлоса Зонненшейна и Ану Сото (все из Университета Тафтса), а также Мэтью Скотта (мой руководитель после защиты диссертации, теперь в Стэнфордском университете) за те исключительные возможности, которые они мне предоставили, и за их мудрое руководство.

Наконец, я благодарю двух моих новых наставников в издательской среде, без которых этот проект никогда бы не состоялся. Мой агент Рассел Гален (человек, умеющий убеждать) давал мне замечательные советы, высказывал справедливую критику и чрезвычайно меня ободрял. Мой издатель Джек Репчек встретил проект, посвященный эво-дево, с огромным энтузиазмом, счел, что эта история непременно должна быть рассказана, и направлял меня в процессе создания книги.

Примечания

1

Речь идет о 30-томной книге А. Гумбольдта "Путешествие в равноденственные области Нового Света в 1799-1804 гг." (Voyage aux regions equinoxiales du Nouveau Continent, fait en 1799, 1800, 1801, 1802, 1803 et 1804 por Alexander Humboldt et Aime Bonpland, red. A. Humboldt., Grand edition. Paris: F. Schoell, 1805). — Прим. перев.

(обратно)

2

Перевод Н. М. Демуровой. — Прим. перев.

(обратно)

3

Автор в юмористической форме описывает эксперименты эмбриологов, работавших в области т.н. "механики развития". Основной целью этого направления эмбриологии было выявление материальных (механистических) причин тех процессов, которые наблюдаются в онтогенезе животных. Создатели механики развития Вильгельм Ру (1850-1924) и, в особенности, Ханс Дриш (1867-1941) считали, что для описания процессов развития в терминах причинно-следственных связей необходимо свести морфогенетические процессы к уже известным законам физики. Сторонники механики развития проводили различие между самодифференцировкой (причины находятся внутри части эмбриона) и зависимой дифференцировкой (причины являются внешними по отношению к части эмбриона, в т. ч. это могут быть условия среды). Именно для изучения этих двух процессов разные части эмбриона, в т. ч. и отдельные клетки, разными способами изолировали друг от друга, уничтожали, пересаживали в нетипичное окружение, а затем следили за дифференцировкой этих частей и / или их соседей. — Прим. науч. ред.

(обратно)

4

Эксперименты по пересадке фрагмента дорсальной губы от одного эмбриона тритона другому под руководством Шпемана проводила его аспирантка Хильда Мангольд (1898-1924) По результатам этих экспериментов она в 1923 г. защитила диссертацию. Поскольку Хильда Мангольд погибла еще до публикации статьи, в которой был впервые введен термин "организатор" (H. Spemann and H. Mangold (1924) Roux Arch. f. Entw. mech. 100:599-638), ее имя раньше редко упоминалось. В настоящее время регион-организатор амфибий, ассоциированный с дорсальной губой бластопора, называют организатором Шпемана-Мангольд. — Прим. науч. ред.

(обратно)

5

Пол Вейс (1901-2002) — американский философ; известен работами в области метафизики и космологии. — Прим. перев.

(обратно)

6

Чарльз Лайель (1797-1875) — крупнейший шотландский ученый, основоположник современной геологии. — Прим. перев.

(обратно)

7

Коричневая змея — ядовитая австралийская змея, укус которой может быть смертелен. — Прим. перев.

(обратно)

8

Нимфа — личинка некоторых членистоногих с неполным превращением. — Прим. перев.

(обратно)

9

Дикий тип — фенотип, чаще всего встречающийся в природной популяции. — Прим. науч. ред.

(обратно)

10

Р Киплинг. Как леопард стал пятнистым. Перевод Е. М. Чистяковой-Вэр.

(обратно)

11

В 2011 году на одной из хромосом березовой пяденицы был выявлен регион, мутация которого связана с появлением формы carbonaria (Van't Hof et al., 2011). Однако молекулярные механизмы формирования меланистической окраски этой бабочки до сих пор остаются неизвестными. — Прим. науч. ред.

(обратно)

12

Медведь Кермода, подвид американского черного медведя (Ursus americanus), назван в честь зоолога Фрэнсиса Кермода, который первым описал это животное; местные индейцы называют его медведем-призраком (spirit bear). — Прим. перев.

(обратно)

13

Английский литературный и художественно-критический журнал, издававшийся в Лондоне с 1828 по 1921 год. — Прим. перев.

(обратно)

14

Поль Пьер Брока (1824-1880) — французский хирург, анатом и этнограф, основатель современной антропологии; его именем названо несколько отделов головного мозга. — Прим. перев.

(обратно)

15

Назван по имени открывшего его Карла Вернике (1848-1905) — немецкого психоневропатолога, создателя психиатрической школы, первооткрывателя многих психических и невропатических состояний. — Прим. перев.

(обратно)

16

Американский комедийный мультсериал о жизни семьи Флинстоунов и динозавров в каменном веке; вышел на экраны в 1960-1966 годах. — Прим. перев.

(обратно)

17

Генри Дэвид Торо (1817-1862) — американский писатель, мыслитель, натуралист и общественный деятель; одним из первых в США поддержал теорию Ч. Дарвина. — Прим. перев.

(обратно)

18

Последняя галапагосская черепаха умерла в заповеднике в 2012 году. — Прим. перев.

(обратно)

Оглавление

Предисловие. Революция N3

Введение. Бабочки, зебры и эмбрионы

  Эмбрионы и эволюция

  Революция в эво-дево

    Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

    Величие "самого современного синтеза": третье действие

Часть I. Создаем животных

  Глава 1. Строение животных: современные формы, древние чертежи

    Строим животных из кубиков

    Эволюция как изменение числа и типа элементов

    Гомология, сериальная гомология и закон Уиллистона

    Симметрия и полярность

    Как форма тела закодирована в геноме?

  Глава 2. Монстры, мутанты и гены развития

    Циклопы: мифы и реальность

    Губы тритона и крылья цыпленка

    Перспективные монстры

    Сколько пальцев? Вариации числа пальцев: от Анны Болейн до бейсбольных питчеров

    Монстры среди дрозофил

  Глава 3. От E. coli до слона

    Белки, ДНК и генетическая логика

    Гомеобокс

    Объединяя царство

    Еще несколько уроков смирения от плодовой мушки: набор генов развития

    Пересматриваем эволюцию животных

    Что такое набор генов развития?

    От "ежей" к полидактилии, циклопам и раку

    Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

  Глава 4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка

    Вернуть цыпленка

    Первые карты

    География эмбриона

    Форма будущих существ: гены развития рисуют полосы, линии, пятна, точки и загогулины

    Сборка мухи

      Меридианы, ось восток—запад

      Параллели, ось север — юг

      Миры в мире: гены развития намечают расположение будущих органов и конечностей

      Спецификация повторяющихся модулей

    Сборка позвоночных животных

      Образование осей и слоев тканей эмбриона

      Разметка отделов головного мозга

      Разметка сегментов эмбриона позвоночных. По одному сомиту за раз

      Собираем конечности: эта кость соединяется с...

      Завершающий этап: проработка деталей

    Сложное из простого: наблюдаем невидимое

  Глава 5. Темная материя генома: инструкции к набору генов развития

    Вглядываемся в темноту

    Переключатели в роли GPS-интеграторов

    Мощь комбинаторной логики

    Полоска за полоской, косточка за косточкой: целое — это сумма многих частей

    Изобилие переключателей

    Модульные переключатели для построения модульных организмов: как сделать повторяющиеся части разными

    "Монтаж" эмбриона: переключатели, цепи и сети

    Переключатели и разрешение парадокса набора генов развития

Часть II. Окаменелости и гены. Как сделать животных разнообразными

  Глава 6. Большой взрыв в эволюции животных

    Разгадываем загадки: животные до большого взрыва

    Кембрийский взрыв: так много членистоногих и так мало времени

    Новые гены для новых животных?

    Сдвиг зон экспрессии Hох-генов и закон Уиллистона

    Сборка позвоночных: больше Hox-генов и много сдвигов

    Переключатели и сдвиг зон экспрессии

    Возвращаемся к кембрийскому взрыву: генетический потенциал и экологические возможности

  Глава 7. Малые взрывы. Крылья и другие революционные изобретения

    Простое начало: двуветвистые конечности

    Учимся летать: от множества жабр к паре крыльев

    Паучьи сказки: еще больше превращений жабр членистоногих

    Эволюция конечностей

    От пальцев рыб к крыльям летучих мышей

    Новые структуры с помощью новых переключателей

    Летаем и ползаем: эволюция конечностей для нового образа жизни

    Четыре секрета эволюционных инноваций

  Глава 8. Откуда у бабочки на крыльях пятна

    Учимся понимать рисунок на крыльях

    Что придумали бабочки?

    Пятна-глазки: обучение старых генов новым приемам

    Пятнадцать минут славы

    Как бабочки меняют свои пятна

    Мимикрия и эволюция окраски

  Глава 9. Выкрасим черным

    Меланизм в природе

    Как ягуар прячет свои пятна

    Несколько способов сделать мешотчатого прыгуна черным

    Черные леопарды, белые медведи и рыжие люди

    Эволюция рисунков окраски млекопитающих: полосы и пятна

    Отбор, гены и приспособленность: каким должно быть преимущество?

  Глава 10. что делает Homo sapiens человеком

    Разыскиваем предков

    Создание удивительного мозга

    Мозаичная эволюция строения и развития человека

    Парадокс 98.8% и эволюция Homo sapiens

    Эволюция челюстной мускулатуры человека

    Эволюция гена, влияющего на речь

    Сложная и тонкая генетическая основа эволюции человека

  Глава 11. Бесконечное число самых прекрасных форм

    Эво-дево — краеугольный камень "самого современного" синтеза

      О происхождении и модификации

      О сложности и разнообразии

      О новшествах

      О микроэволюции и макроэволюции

    Эво-дево и преподавание теории эволюции

    Эво-дево и противостояние эволюционной теории и креационизма

    Бесконечное число исчезающих форм

Литература, основная и дополнительная

  Введение. Бабочки, зебры и эмбрионы

  1. Строение животных: современные формы, древние чертежи

  2. Монстры, мутанты и гены развития

  3. От E. coli до слона

  4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка

  5. Темная материя генома: инструкции к набору генов развития

  6. Большой взрыв в эволюции животных

  7. Малые взрывы: крылья и другие революционные изобретения

  8. Откуда у бабочки на крыльях пятна

  9. Выкрасим черным

  10. Что делает Homo sapiens человеком

  11. Бесконечное число самых прекрасных форм

Благодарности Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg