Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

Синтетическая теория эволюции не предусматривала эволюции через слияние. Это способ изменять виды без постепенного накопления мутаций в их ДНК: просто два вида соединяются в один и получается совершенно новый геном. Но и симбиотическая эволюция, как ни странно это звучит, тоже подчиняется основным Дарвиновым законам. После того как бактерии устроятся на новом месте, естественный отбор продолжает свою работу над их генами. Митохондриальная ДНК может мутировать, и если окажется, что мутация мешает митохондрии выполнять свою работу — вырабатывать энергию для клетки, — она будет отбракована естественным отбором. С другой стороны, если мутация поможет митохондрии лучше выполнять свою задачу и тем самым повысит приспособленность организма, естественный отбор, напротив, будет способствовать распространению нового гена. Вообще, митохондрии потеряли многие гены, которые помогали их предкам выжить во внешнем мире. В клетке хозяина эти гены оказались ненужными, и со временем эволюция от них избавилась.

Первые 3 млрд лет или около того микроорганизмы были единственными хозяевами и обитателями Земли. Это время вовсе не было скучным с точки зрения эволюции, что бы мы, люди, ни думали об этом, как бы ни тешили свой антропоцентризм. С точки зрения биохимии эра микроорганизмов была временем удивительных перемен, постоянного движения генов, в результате которого были изобретены бесчисленные способы превращения энергии в жизнь. Только после этого могли появиться на свет наши многоклеточные предки — первые животные.

Изменение и ограничения в эволюции животных

Из всех различий между нами и нашими амебоподобными предками, жившими миллиард лет назад, самое главное состоит в том, что у нас есть тело. Мы состоим не из одной, а из триллионов клеток. И этот громадный коллектив — не просто скопище идентичных копий, а целый зоопарк, где живут десятки различных типов клеток, объединенные в сотни органов — от селезенки и костей скелета до мозга и ресниц. И самое замечательное то, что любое из человеческих тел строится на основе одной-единственной первоначальной клетки. По мере того как клетка начинает делиться и превращается в зародыш, гены начинают производить белки, которые затем контролируют развитие этого зародыша. Некоторые из белков включают другие гены или, наоборот, блокируют их. Некоторые покидают клетку, где образовались, и распространяются дальше, передавая соседним клеткам какие-то сигналы; получив сигнал, клетка может взять на себя новую функцию или перебраться в другой конец зародыша, чтобы устроить там себе новый дом. Одни начинают бешено делиться, другие совершают самоубийство. К концу этого танца оказывается, что тело уже сформировано.

На Земле существуют миллионы самых разных тел; это и кальмары с их щупальцами, и дикобразы с их полыми иглами, и безротые ленточные черви. Это настоящие чудеса природы; их происхождение — великая загадка. Все животные происходят от общего одноклеточного предка, но ученые пока не могут сказать, почему из этого единственного предка получилось такое множество таких разных существ. Вероятно, ответ лежит как внутри самих животных, так и снаружи — в их генетической истории и одновременно в истории экосистем, в которых они жили.

Ученые лишь недавно начали выяснять, каким образом гены строят тело животного, но результаты уже впечатляют. Большинство животных, включая и нас, используют стандартный набор «инструментов» — строительных генов. В нем имеются инструменты для обозначения координат — перед и зад, правый и левый бок, голова и хвост. Есть и комплекты генов, контролирующие развитие целых органов, таких как глаза или конечности. Вообще, этот инструментарий почти не меняется от вида к виду — ген, отвечающий за рост глаз у мыши, может быть передан мухе и строить вместо этого ее глаза.

Судя по палеонтологической летописи, этот инструментарий сформировался постепенно за миллионы лет, предшествовавшие кембрийскому взрыву. Он дал животным необычайную гибкость в образовании новых форм. При помощи нескольких мелких коррекций — к примеру, изменив время включения гена или те места, где он будет действовать, — можно было создать принципиально новый тип. С другой стороны, как бы сильно ни различались животные, все они подчиняются определенным правилам. Не существует шестиглазых рыб или семиногих лошадей. Похоже, инструментарий перекрывает некоторые пути эволюции.

Кроме того, диверсификацию животных направляла среда, в которой они жили и развивались. Любой новый вид животных должен найти для себя подходящую нишу в экосистеме — только тогда он сможет выжить. Иначе, не успев появиться, он просто исчезнет. Судьба новоявленных животных всегда непредсказуема и часто зависит от случайностей и слепой удачи. Возьмем, к примеру, сухопутных позвоночных. Все они имеют по четыре конечности с пальцами (или, как змеи, происходят от предков, которые их имели). Но единообразие не означает, что именно такое устройство тела лучше всего годится для передвижения по суше. Более того, ноги и пальцы развились у рыб за миллионы лет до того, как они покинули водную среду. Лишь позже выяснилось, что они позволяют позвоночным передвигаться по суше. Все великие трансформации животного мира говорят об одном: эволюция может распоряжаться только тем, что уже возникло по ходу развития жизни.

Монстры эволюции

Стремясь познать законы эволюции животных, биологи создают монстров. Мух с ногами, растущими из головы, мышей с лишними пальцами и лягушек, у которых спинной мозг проходит вдоль брюшка.

Для этого биологам не нужны скальпель и прочие хирургические инструменты. Все, что для этого требуется в каждом случае, — изменить один-единственный ген, «выключить» его, либо изменить время или место производства белка по его инструкции. Эти гены, как выяснили биологи, отвечают за развитие органов животного.

Надо сказать, что попытки создания подобных монстров начались больше ста лет назад. В 1890-х гг. английский биолог по имени Уильям Бейтсон составил каталог всех известных науке наследственных вариаций. Особенно интересовали Бейтсона случаи появления животных, у которых одна из частей тела находилась не на своем месте. Лангуст с усиком на месте глаза. Мотылек с крылышками вместо лапок. Пилильщик с лапками на месте усиков. Среди подобных монстров оказывались даже люди. Иногда, очень редко, люди рождаются с небольшими ребрышками, растущими из шеи, или с лишней парой сосков на груди.

Каким-то таинственным образом подобные мутации приводили к созданию целых частей тела там, где их никогда не было и не должно было быть. Бейтсон назвал процесс, результатом которого были такие уродливые вариации, «гомеозисом». Первые указания на то, как работает гомеозис, были получены в 1915 г., когда Калвин Бриджес из Колумбийского университета сумел связать результат — уродство — с конкретной мутацией определенного гена. Он обнаружил плодовых мушек-мутантов, у которых была лишняя пара крылышек, и выяснил, что мушки с двумя парами крыльев передавали свой мутантный ген и производили такое же четырехкрылое потомство; с тех пор и по настоящее время потомки тех мух живут в биологических лабораториях.

И только в 1980-е гг. ученые придумали, как выделить и изолировать ген, ответственный за эту мутацию. Выяснилось, что это лишь один из целого семейства родственных генов, которые получили название HOX генов. Биологи обнаружили, что путем изменения других HOX генов можно создавать еще более гротескных мушек с ногами на голове или усиками на месте ног.