Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

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).

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.

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.