Новая история происхождения жизни на Земле - Питер Уорд

Последний секрет — модульность конструкции. Животные типа членистоногих и даже, хотя и в меньшей степени, позвоночные уже состоят из сегментов-модулей. Конечности, растущие из сегментов членистоногих, удивительным образом модифицировались в соответствии с разными функциями: питание, спаривание, движение и др. Членистоногие, как швейцарский нож, в каждом сегменте имеют несколько элементов различного предназначения. Это правило верно и для позвоночных, таких как мы: у нас есть отростки, которые натренированы для различных целей — ходить, плавать, летать. Не так уж плохо для таких, казалось бы, примитивных пальцев на руках и ногах! Каким образом работает эво-дево? Оказывается, эти морфологические секреты являются тонкой шлифовкой для морфологических изменений, поскольку они основаны на системах генетических «включателей», которые расположены у развивающегося эмбриона в тех же местах, что и различные конечности у членистоногого (или позвоночного).

Включатели в данном случае — основной элемент, они сообщают различным частям тела, когда и где расти. То, что определенная последовательность отделов тела членистоногих, от головы до брюшка, заложена в хромосомах и проявляется в эмбрионе, стало одним из величайших открытий в науке. В основном это заслуга гомеозисных генов — драгоценных жемчужин среди прочих открытий направления эво-дево (они могут по — разному называться у разных таксономических групп, но присутствуют в том или ином виде у всех).

Многочисленные открытия эво-дево, безусловно, помогают ответить на многие вопросы истории развития жизни на Земле, в том числе раскрыть тайну кембрийского взрыва: когда и как появились разнообразные типы животных, известные сегодня, иными словами, их разнообразные морфологические типы.

Уже давно существуют два научных направления, в рамках которых изучается эта проблема. В русле первого полагается, что окаменелости дают нам истинную картину того, когда на самом деле возникла такая огромная дифференциация животных — около 550–600 млн лет назад. Сторонники второго предлагают рассматривать результаты сравнения генов — существующих и древних типов — и утверждают, что на протяжении более полумиллиарда лет животные существовали, но не оставляли окаменелостей, что на самом деле не было никакого эволюционного взрыва. Новейшие исследования показывают, что взрыв многообразия произошел где-то 700 млн лет назад или немного позже. Используя понятие «молекулярных часов», представители второго направления около двух десятилетий назад предположили, что более миллиарда лет назад в царстве животных произошло фундаментальное разграничение на два типа: первичноротые и вторичноротые. Эти две группы уже на уровне эмбрионов фундаментально различаются анатомически, а также принципами развития.

К первичноротым относятся членистоногие, моллюски, кольчатые черви и т. п. Этот тип характеризуется тем, что в период зародышевого развития на месте первичного рта, бластопора, образуется рот. У вторичноротых (иглокожие, позвоночные вроде нас с вами, а также другие типы) рот и бластопора разделены. Есть и третий тип очень примитивных существ, которые отделились от основной линии эволюции животных еще до разграничения между первичноротыми и вторичноротыми, к ним относятся стрекающие, губки и некоторые менее распространенные типы.

Первыми появились простые формы вроде стрекающих и губок, которые существовали, как мы убедились, в эдиакарии около 570 млн лет назад, то есть до кембрия, который начался 543 млн лет назад. Хорошо распознаваемое отличие между первичноротыми и вторичноротыми можно проследить не ранее кембрийского периода.

Каким же было живое существо, непосредственно предшествовавшее разграничению первичноротых и вторичноротых? Множество примеров указывают на то, что это животное было двусторонне симметричным и способным к самостоятельному передвижению. Многие исследователи животных того периода считают, что общий предок, с которого началось разграничение первичноротых и вторичноротых, был маленьким червячком, подобным, возможно, современной планарии (Planaria) или крошечным нематодам. Однако самые последние данные говорят о том, что еще до разграничения первичноротых и вторичноротых у их предшественников уже были генетические инструменты для начала этого радикального изменения, и инструменты эти существовали по крайней мере, за 500 млн лет до того, как такое разграничение произошло! У этого червячка был рот спереди и анальное отверстие сзади, а между ними — длинная трубкообразная пищеварительная система. Возможно, у него имелись короткие выросты по бокам — своего рода органы химической рецепции и осязания. Как бы то ни было, такое положение вещей могло привести — и привело! — к быстрой трансформации. Вот это действительно новый взгляд на вещи: все необходимое для кембрийского взрыва пылилось на полках эволюции целых 500 млн лет!

Как уже упоминалось ранее, нижний слой кембрия формировался 543 млн лет назад. Этот слой определяется по породам, в которых впервые появляются различимые следы передвижения живых организмов — следы жизнедеятельности, которые показывают, что тогда существовали подвижные животные. В течение последующих 15 млн лет, тем не менее, образования новых морфологических типов животных вроде бы не происходило. По крайней мере, среди окаменелостей их не обнаружить. Первые по-настоящему очевидные признаки большого разнообразия можно увидеть в недавно открытых отложениях в Китае[119], о которых упоминалось в предыдущих главах. Эти отложения имеют возраст 520–525 млн лет и являются более древними, по сравнению со сланцами Бёрджесс, сохранившимися ископаемыми мягких частей тел животных.

В фауне китайских отложений и в Бёрджесс преобладали членистоногие — великое множество членистоногих. Вскоре они стали самым разнообразным типом живых существ на планете и остаются таковыми по сей день. Одних только жесткокрылых, возможно, существует 30 млн видов!

Эво-дево объясняет это так. Никто не может так просто изменить общее строение организма, как членистоногие. Причины этого перечислены выше Кэрроллом: у членистоногих модульное строение, они обладают избыточной морфологией, что позволяет развивать новые функции, и у них есть серия гомеозисных генов, которые могут обеспечить трансформацию отдельных частей в сегментах целого тела.

Согласно старому подходу возникновение нового животного предполагает обязательное появление новых генов. В этом есть своя логика. Конечно, примитивная губка или медуза имеют меньшее количество генов, чем более развитые членистоногие. Были попытки доказать, что общий предок всех членистоногих как-то приобрел новые гены — новые гомеозисные гены, поскольку именно они являются теми генетическими «включателями», которые дают команду, когда и как формироваться отдельным частям тела. И все же случай здесь другой. Кэрролл и другие ученые продемонстрировали, что общий предок членистоногих не приобретал новых генов: они уже были у него, и благодаря им произошло последующее удивительное развитие всего многообразия существующих видов членистоногих. Как сказал Кэрролл, «эволюция форм заключается не в том, какие гены у вас есть, но в том, как вы их используете».

Всего десять различных гомеозисных генов понадобилось, чтобы совершенно изменить членистоногих и расширить их и без того богатое разнообразие. Их секрет был раскрыт, когда стали сравнивать последовательности белков, специфичных для работы каждого гомеозисного гена, и место каждого белка в развивающемся эмбрионе. Более ранняя мысль о том, что некоторые гены членистоногого кодируют построение конечности, оказалась ошибочной. Гомеозисные гены производят белки. Эти белки затем становятся средством для запуска и остановки роста определенных участков эмбриона. Некоторые из этих белков отвечают за образование определенных придатков. Если белки каким-то образом перемещаются к другим участкам развивающегося эмбриона, то и конечный продукт также перемещается. В таких случаях конечность, которая должна была образоваться в одном месте тела, может неожиданно появиться в совершенно другом, если, конечно, белок, образованный гомеозисным геном, переместился в эмбрионе задолго до формирования конечности. Новообразования в строении тела возникают от перемещения этих морфологических участков, или зон эмбриона, в котором тот или иной гомеозисный ген может находиться.

Перестановка зон гомеозисных генов в эмбрионе членистоногого привела к возникновению большого разнообразия их видов. Можно найти тысячи, возможно, даже миллионы различных вариантов строения их тел, и все это благодаря лишь десяти генам. Членистоногие представляют собой не что иное, как последовательность повторяющихся сегментов со своими особыми функциями, каждый сегмент и функция соответствуют отдельной зоне гомеозисного гена.