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

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 (http://oceansofkansas.com/).

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.