Шкатулка с секретами: как эмбриональное развитие помогает решать эволюционные загадки

LUCA (Last Universal Common Ancestor) — наш общий предок, и, чтобы разобраться, что же это за существо, биолог Максим Винарский предлагает пройти путь протяженностью более 4 млрд лет. В своей новой книге он знакомит читателей с историей возникновения и эволюцией многоклеточных животных и показывает, что люди — всего лишь одна из многих ветвей великого Древа жизни. Публикуем отрывок из книги, посвященный поиску причин, которые позволили организмам эволюционировать и адаптироваться к новой среде обитания.

Вдумчивый и внимательный читатель наверняка отметил, что почти все эволюционные истории, о которых шла речь раньше, построены примерно по одному и тому же плану: некое существо изменило свой образ жизни (или проникло в принципиально новую среду обитания), в результате чего стало из плавающего (бегающего, летающего) ползающим (сидячим, роющим), и поэтому форма и строение его тела (жабры, артерии, ложноножки, челюсти) преобразовались в определенном направлении. Так биологи рассуждали во времена Дарвина и Геккеля, возможно, не сильно задумываясь над очень простым вопросом: а как именно произошли эти изменения? Кардинальная смена образа жизни и поведения — это очень важное событие в истории любой группы животных, но если говорить о причинах эволюционных изменений, то это скорее внешний толчок или стимул, но не механизм преобразований.

Этот бытовой пример показывает, что понять причину не так просто, как может показаться на первый взгляд. Вот почему для решения эволюционных загадок недостаточно указать на конкретные изменения в образе жизни организмов, надо добраться до производящих причин, которые позволили им адаптироваться к новой среде обитания. Эти причины действуют в основном на молекулярно-генетическом или эмбриологическом уровнях, и для их изучения необходимо обратиться к экспериментальным методам. Стремление отыскать причины и механизмы наблюдаемых событий макромира на более элементарных уровнях, в микроскопической вселенной, населенной невидимыми простому глазу объектами (хромосомами, молекулами, генами, вплоть до отдельных атомов), свойственно не только биологам. Физики и химики упорно пытаются проникнуть все глубже и глубже в микромир, туда, где взаимодействуют между собой разнообразные элементарные частицы.

В то время, когда было опубликовано первое издание «Происхождения видов», генетики как науки еще не существовало, и таким понятиям, как «хромосома», «мутация», «кроссинговер», только предстояло обогатить профессиональный словарь биологов. А вот эмбриология в эпоху Дарвина уже была и двигалась вперед семимильными шагами. Благодаря накоплению сведений о зародышевом развитии различных организмов исследователи уже довольно давно стали догадываться, что на ход эволюционного процесса огромное влияние оказывают какие-то события и преобразования, происходящие с эмбрионами в яйце, икринке или материнском организме.

Вообще говоря, эмбриональное развитие — штука тонкая, оно происходит в соответствии со сложной и отлаженной на протяжении миллионов лет генетической программой, которая строго предопределяет время и место отдельных событий. Закладка и развитие всех органов зародыша происходят в определенном порядке, за соблюдением которого строго надзирают соответствующие гены. В результате выполнения этой программы в должное время на свет появляется новое живое существо, обладающее всеми признаками своего вида, и только в сказках возможны ситуации, подобные описанной Пушкиным:

Но нет совершенства на земле. В эмбриогенезе изредка случаются сбои и самые разные неожиданности. Обычно такие нарушения нормального хода программы оканчиваются гибелью эмбриона, но порой на белый свет появляется уродливое и плохо приспособленное к жизни существо, и неизвестно еще, какой исход лучше — погибнуть в стадии зародыша или влачить жалкое существование в негостеприимном и враждебном мире. Это, конечно, не «неведома зверюшка», поскольку даже самые невероятные уродцы, все эти двухголовые телята, гидроцефалы, анэнцефалы и прочие экспонаты Кунсткамеры, все же подобны своим родителям. Слониха не может родить носорога, а из яйца курицы не выведется страусенок. Людские «уроды» пугают нас именно своим искаженным человекоподобием, деформацией привычного человеческого обличья.

Но бывают ситуации, в которых нарушение нормального эмбриогенеза оказывается неожиданно полезным

Рождается «перспективное чудище», как называл такие создания немецкий палеонтолог Отто Шиндевольф. Подобный «гадкий утенок» может оказаться хорошо приспособленным к нетипичной для своих сородичей среде обитания, где его и ожидает большой эволюционный успех. Один в поле не воин, но если предположить, что данное нарушение эмбриогенеза случается в популяции с определенной, пусть и невысокой, частотой, то «уроды» вполне имеют шанс найти свою вторую половину, дать потомство, расплодиться и в итоге стать родоначальниками совершенно новой группы организмов. Теория этого не исключает, хотя о том, насколько реален такой сценарий в природе, до сих пор ведутся споры. Хорошие примеры дает искусственный отбор, которому человек подвергает сорта культурных растений и породы одомашненных животных. Таксы с их короткими конечностями оказались полезными в качестве норных охотничьих собак. Пропорции туловища позволяют им забраться в барсучью или лисью нору, чтобы разделаться с ее хозяином. Вот почему столь очевидное уродство, оказавшись востребованным человеком, положило начало популярной породе собак. Такая же логика применима и к естественному отбору, надо лишь только, чтобы новоявленный «урод» был действительно хорошо приспособлен к условиям обитания, успешно добывал корм, спасался от врагов и приносил потомство. Волк с короткими, как у таксы, лапами едва ли сумел бы выжить в природе, его судьба была бы плачевной.

Одним из первых серьезное внимание на эволюционное значение нарушений эмбриогенеза обратил внимание все тот же Эрнст Геккель. Верный своим привычкам, он придумал два новых термина: гетеротопия и гетерохрония. Первый термин описывает ситуации, когда в зародышевом развитии определенный орган или часть тела формируется «не там, где нужно» (в переводе с греческого ἕτερος — другой, τόπος — место). Возможно, вы помните облетевшую в свое время весь мир фотографию лабораторной мыши, на спине которой «выросло» человеческое ухо. Эта проделка медиков-трансплантологов может послужить иллюстрацией гетеротопии. А вот что иногда происходит с лабораторными мушками дрозофилами: на том месте, где у нормальной особи находятся усики-антенны, у мухи-мутанта вырастают… ноги (рис. 8.1).

Конечно, в естественной среде обитания такие бессмыслицы не имеют шансов на то, чтобы дать начало новой эволюционной линии, их можно наблюдать только в лабораторных условиях. Но именно благодаря гетеротопии возникли некоторые очень важные части нашего собственного тела. Предполагается, что таким путем наши далекие предки обзавелись челюстями, и, как следствие этого, в древних морях появилась новая группа подвижных хищных животных, наводящих ужас на своих соседей-беспозвоночных.

Челюсти позвоночных — это хрящевые структуры, образовавшиеся не там, где им полагается

Зубы, которые появились на челюстях значительно позже, тоже своего рода «пришельцы»: их происхождение принято связывать с особыми зубовидными чешуйками (плакоидная чешуя), некогда покрывавшими поверхность тела древних рыб и мигрировавшими в ротовую полость.

Еще большее внимание эволюционные биологи уделяют гетерохрониям. Так Геккель назвал изменения в протекании эмбриогенеза во времени, когда, к примеру, развитие того или иного органа или части тела происходит медленнее или, наоборот, быстрее, чем обычно. Представьте, что аудиозапись речи человека будут воспроизводить в измененном темпе. В зависимости от выбранной скорости вы услышите писклявую ахинею или утробное мычание. Может утратиться не только интонация, но и сам смысл произнесенных слов. Во всех случаях, классифицируемых как гетерохрония, нарушается типичная для вида программа развития, а так как в эмбриогенезе все процессы тесно взаимосвязаны, то даже сравнительно небольшой сдвиг во времени может повлечь за собой очень серьезные последствия. В результате «на выходе» мы получаем совершенно необычно выглядящее существо, вроде бы и похожее на родительских особей, но странным образом видоизмененное, например с искаженными пропорциями. Это может быть вызвано тем, что в какой-то части тела эмбриона нарушился нормальный темп клеточного деления и соответствующий участок стал расти быстрее или медленнее, чем ему полагается.

Может статься, что темп всего эмбрионального развития у потомков изменится в ту или иную сторону по сравнению с их предками. В результате признаки, характерные для эмбрионов одного вида, могут стать нормой для взрослых особей другого. Это тоже будет проявлением гетерохронии. За примерами идти далеко не надо, достаточно посмотреть в зеркало или на рис. 8.2. Швейцарский зоолог Адольф Нэф, глядя на фотографию младенца шимпанзе, заметил: «Из всех изображений животных, которые я знаю, это — самое человеко-подобное». Голова взрослого шимпанзе выглядит совершенно по-обезьяньи, но голова его детеныша, как и черепа эмбрионов человекообразных обезьян, очень похожи на наши. Сопоставляя пропорции черепов, можно ясно видеть, что с возрастом череп шимпанзе меняется очень сильно, а у взрослого человека его пропорции остаются почти теми же, что у зародыша.

Однако рост животного не заканчивается в момент рождения, а продолжается обычно вплоть до наступления половозрелости, поэтому правильнее говорить о задержках или ускорениях не эмбриогенеза, а всего периода роста или даже всего индивидуального развития (онтогенеза).

Предположим, что скорость онтогенеза осталась постоянной, но увеличилась продолжительность роста всего тела или какой-либо его части. Это тоже одна из разновидностей гетерохронии. В результате могут возникнуть животные с необычайно увеличенными частями тела — сразу же вспоминаются жирафы и некоторые динозавры (диплодок) с их гипертрофированными шеями. Число шейных позвонков у жирафа то же самое, что и у всех других млекопитающих (семь), но растут они дольше, что и дает всем хорошо известный жирафий облик. Похоже, что именно при участии гетерохронии возникли самые крупные в истории Земли наземные позвоночные, все эти сейсмозавры, суперзавры, индрикотерии и иже с ними. В таких случаях и скорость, и продолжительность индивидуального развития должны были возрасти одновременно. Появление особо миниатюрных видов (их много, например, среди лягушек, самый мелкий вид которых не превышает в длину 8 мм) — тоже следствие гетерохронии, только «с обратным знаком».

В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели. Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках.
Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.