Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

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.

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.

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.