Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

Изучая подобные мутации, биологи смогли понять, как работают нормальные HOX гены. Эти гены активируются в самом начале развития зародыша мухи, пока он имеет неопределенную дынеобразную форму. Затем зародыш начинает делиться на сегменты, и хотя все они выглядят одинаково, каждый из них уже имеет свое предназначение — из каждого со временем разовьется определенная часть тела мухи. Работа HOX генов в том и состоит, чтобы сообщить клеткам каждого сегмента, во что именно им суждено превратиться — станут ли они частью брюшка или ног, крылышка или усика.

HOX гены выполняют среди генов роль главного управляющего выключателя. Единичный HOX ген может запустить цепную реакцию множества других генов, которые затем вместе сформируют определенную часть тела. Если HOX ген мутирует, он теряет способность отдавать остальным генам правильные команды. В результате такой ошибки из сегмента может вырасти совершенно не та часть тела. В этом и заключался секрет четырехкрылых мушек Калвина Бриджеса.

HOX гены устроены удивительно целесообразно. Биологи могут определить, в каких клетках мушиной личинки имеются активные HOX гены, сделав их светящимися. Они впрыскивают в личинку специальные светящиеся белки, способные связываться с белками HOX генов. Свечение каждого отдельного HOX гена указывает на вполне определенную группу сегментов. Одни HOX гены действуют возле головы мухи, другие включаются в сегментах, расположенных ближе к хвосту. Интересно отметить, что сами HOX гены тоже отражают этот порядок: в хромосоме они выстроены в том же порядке, в каком проявляются в личинке плодовой мушки, головные гены располагаются ближе к началу, хвостовые — ближе к концу.

В 1980-е гг., когда HOX гены плодовых мушек были только открыты, биологи практически ничего не знали о том, как именно эти гены управляют развитием зародыша. Они просто радовались тому, что могут изучать этот процесс вплотную хотя бы на одном отдельно взятом виде. При этом они полагали, что гены, отвечающие за строительство тела плодовой мушки, специфичны для насекомых и других членистоногих. У других животных нет сегментированного экзоскелета, как у членистоногих, поэтому ученые были уверены: раз их тела так сильно отличаются от тел других животных, то и строить их должны совершенно особенные гены.

Радость новых открытий сменилась шоком, когда HOX гены начали обнаруживаться и в других животных — в лягушках, мышах и даже людях; в червях-онихофорах, рачках и морских звездах. В каждом случае части HOX генов оказывались почти идентичными, независимо от того, о каком животном шла речь. Мало того, они располагались в хромосомах в том же порядке, что у плодовых мушек: от головы к хвосту.

Биологи обнаружили, что во всех этих животных HOX гены выполняют одну и ту же работу: определяют назначение различных секций тела зародыша вдоль продольной оси, точно как у насекомых. HOX гены различных животных так похожи, что можно заменить дефектный HOX ген плодовой мушки соответствующим HOX геном мыши, и при этом у мушки на положенных местах вырастут соответствующие части тела. Несмотря на то что последний общий предок мыши и плодовой мухи жил более 600 млн лет назад, этот ген и по сей день сохраняет функциональность.

Регуляторные гены

За последние 20 лет XX в. ученые открыли в личинках животных немало и других регуляторных генов, не менее мощных, чем HOX гены. Если HOX гены определяют деление тела вдоль продольной оси, то другие гены отмечают левую и правую стороны тела, а третьи задают верх и низ. Конечности, к примеру, лапки плодовой мухи, также структурируются регуляторными генами в трех измерениях. Регуляторные гены помогают строить и отдельные органы. Так, без гена Pax-6 муха родится безглазой. Без гена tinman[7] в теле мухи будет отсутствовать сердце.

Как и в случае с HOX генами, каждый из этих регуляторных генов существует и в нашей ДНК, выполняя часто ту же работу, которую он выполняет в геноме мухи. К примеру, мышиная версия гена Pax-6 может покрыть тело мухи дополнительными глазами. Исследуя геномы других животных — будь то кишечнодышащие черви или морские ежи, кальмары или пауки, — биологи обнаруживают, что в них тоже присутствуют эти регуляторные гены.

Регуляторные гены способны при помощи одних и тех же инструкций сооружать очень разные тела. Ноги краба, к примеру, представляют собой полые цилиндры, внутри которых проходят мышцы. Наши собственные ноги формируются вокруг прочной опоры — костей, и мышцы проходят по их наружной части. Тем не менее у крабов и людей много общих регуляторных генов, отвечающих за строение конечностей. То же можно сказать о глазах, хотя глаз человека — единичный элемент желеобразной структуры с регулируемым зрачком, а глаз мухи состоит из сотен крохотных ячеек, которые вместе формируют изображение. Человеческое сердце — это несколько камер, которые посылают кровь в легкие, а затем по всему телу, а сердце мухи — цилиндрический сосуд играющий роль насоса. Но во всех перечисленных случаях в строительстве аналогичных органов совершенно непохожих животных участвуют одни и те же регуляторные гены.

Этот общий генетический инструментарий настолько сложен, что развиться независимо у каждого из животных, которые им пользуются, он просто не мог. Напрашивается естественный вывод: он развился у общего предка всех этих животных. И только после того, как общий предок дал начало разным линиям животных, регуляторные гены начали управлять строительством непохожих, хотя и одинаковых по назначению частей тела. И хотя эти животные стали совершенно разными, их строительный инструментарий за сотни миллионов лет почти не изменился. Вот почему регуляторные гены мыши могут построить глаз мухи.

Гены кембрийского взрыва

После открытия генетического инструментария биологи поняли, что именно он, возможно, стал причиной кембрийского взрыва 535 млн лет назад. Одними из первых в палеонтологической летописи появились примитивные двухслойные животные вроде медуз и губок, чьи зародыши формируются всего из двух слоев. Биологи пытались искать регуляторные гены и у этих животных, но были разочарованы. У кишечнополостных таких генов очень мало, да и используются они совсем не так организованно, как у более совершенных трехслойных животных.

Это совсем неудивительно, если вспомнить, насколько просто тело медузы. У медузы нет правой и левой сторон; для ее тела характерна радиальная симметрия, как для колокола или сферы. Ее рот выполняет одновременно и функции ануса. Ее нервная система представляет собой децентрализованную сеть, а не дерево с центральным стволом и ветвями. Вообще, у нее, в отличие от рака или меч-рыбы, отсутствует сложная организация.

Вывод ясен: лишь после того как примитивные двухслойные самоопределились, у общих предков остальных животных возник генетический инструментарий, о котором идет речь. Именно он сделал возможным появление у этих животных более сложных тел: теперь можно было ориентировать развивающийся зародыш по трехмерной координатной сетке и делить его тело на большее количество частей, строить больше сенсорных органов, выделять больше клеток на переваривание пищи или изготовление гормонов, создавать больше мышечных тканей для передвижения по океану.