Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

Трудно сказать, какое именно тело было у этих общих предков. Но палеонтологи, вероятно, не слишком удивились бы, наткнувшись на небольшое (несколько сантиметров длиной) существо, жившее незадолго до кембрийского взрыва. У этого существа, скорее всего, было червеобразное тело; были рот, кишка и анус; мышцы и сердце; нервная система, организованная вокруг нервного тяжа, и светочувствительный орган; и, наконец, выросты на теле — если не настоящие ножки или усики, то, возможно, какие-то придатки вокруг рта, которые помогали ему есть. Не исключено, что это было бы то самое существо, что оставило анонимные следы в эдиакарских холмах Австралии.

В настоящее время палеонтологи считают, что генетический инструментарий должен был полностью сформироваться еще до кембрийского взрыва — в противном случае сам взрыв просто не мог бы произойти Именно инструментарий сделал возможным возникновение десятков новых животных с совершенно новым, неожиданным строением тела. Эволюции не пришлось каждый раз создавать «с нуля» сеть строительных генов; она просто использовала уже имеющийся инструментарий для создания новых видов ног, глаз, сердец и других частей тела. Возникавшие животные обретали самый разный вид, но по существу придерживались одной фундаментальной программы строительства тела.

Один из ярчайших примеров невероятной гибкости этого процесса — происхождение нашей собственной нервной системы. Не секрет, что у всех позвоночных вдоль спины (с дорсальной стороны, как говорят биологи) проходит нервный тяж, тогда как сердце и пищеварительный тракт располагаются с передней (или вентральной) стороны. У насекомых и других членистоногих все наоборот: нервный тяж проходит с вентральной стороны, а кишки — с дорсальной.

Эта зеркальность в строении тела породила в 1830-х гг. горячие споры между Жоржем Кювье и Жоффруа Сент-Илером. Кювье считал, что анатомия позвоночных и членистоногих различается настолько фундаментально, что их следует относить к двум совершенно отдельным группам. А Жоффруа утверждал, что если схему, лежащую в основе тела членистоногих, кардинально переработать, то получится не что иное, как схема тела позвоночных. Выходит, Жоффруа был прав, но в таком смысле, какого сам он даже вообразить не мог. В самом деле, нервные системы позвоночных и членистоногих различаются разительно. Но управляют их развитием одни и те же гены.

Когда зародыш позвоночного только начинает формироваться, клетки и на дорсальной, и на вентральной его сторонах имеют потенциальную возможность стать нейронами. Тем не менее у нас на вентральной стороне нет нервного тяжа. Дело в том, что клетки на этой стороне зародыша производят белок под названием Bmp-4, который не позволяет клеткам, с которыми он встречается, превратиться в нейроны. Постепенно Bmp-4 распространяется от вентральной к дорсальной части тела зародыша, блокируя по пути образование нейронов.

Если Bmp-4 распространится по всему телу, до самой спинки, то в зародыше позвоночного вообще не сформируются нейроны. Но по мере развития эмбриона его дорсальные клетки начинают выделять белок, блокирующий действие Bmp-4. Этот белок, известный как хордин, защищает дорсальную часть зародыша от Bmp-4, оставляя здешним клеткам возможность превратиться в нейроны. В конечном итоге они продуцируют спинной мозг, который идет вдоль спины у позвоночных.

Сравним эту последовательность событий с тем, что происходит в зародыше дрозофилы. В самом начале, когда зародыш только формируется, он тоже способен образовывать нервы с обеих сторон — и на спинке, и на брюшке. Но затем на дорсальной стороне начинает производиться белок Dpp — вместо Bmp-4 на вентральной стороне у позвоночных. Dpp распространяется в сторону спинки, где его останавливает особый белок, sog. Вентральная сторона мухи, защищенная от действия Dpp, сохраняет способность образования нейронов и, соответственно, нервного тяжа.

Наборы генов, отвечающие за все эти события, не только выполняют аналогичную функцию в насекомых и позвоночных, но и устроены почти идентично. Гены, блокирующие формирование нейронов, — Dpp и Bmp-4 — аналоги, как и их антагонисты — sog и хордин. Более того, они настолько похожи, что если ген sog, взятый из дрозофилы, ввести в эмбрион лягушки, то у него в брюшке начнет формироваться второй нервный тяж. Получается, что одни и те же гены строят в насекомых и в лягушке одни и те же структуры, но как бы в зеркальном отражении.

Похожие гены, выполняющие одинаковую работу, должны быть связаны общим происхождением. Джон Герхарт из Калифорнийского университета в Беркли выдвинул предположение о том, как могла произойти такая трансформация. У первых животных с генетическим набором инструментов формировалось скорее несколько небольших нервных тяжей вдоль тела с разных его сторон, а не один. Эти животные-предки были носителями гена, из которого позже возникли другие гены — те, что отвечают за производство как хордина, так и sog; производимый им белок способствовал росту нейронов во всех местах, где в эмбрионе должен был сформироваться нервный тяж.

Именно от этого общего предка во время кембрийского взрыва взяли начало все наследственные линии. В линии, давшей начало членистоногим, все нервные тяжи соединились в один большой тяж, идущий по вентральной части тела. У позвоночных все нервные тяжи сместились к спине. Но первоначальные гены, ответственные за строительство этих тяжей, никуда не делись; изменилось лишь место, где они активизировались. Таким образом, со временем они стали зеркальным отражением друг друга, чем произвели на Жоффруа Сент-Илера сильное впечатление.

Дупликация генов и появление позвоночных

В ходе кембрийского взрыва позвоночные получили не только спинной мозг, проходящий вдоль спины. При помощи генетического инструментария им удалось обзавестись глазами, сложным мозгом и скелетом. Одновременно позвоночные стали мощными пловцами и прекрасными охотниками и с тех пор неизменно занимают нишу господствующих хищников моря и суши.

Древнейшие известные ученым останки позвоночных — обнаруженные в Китае существа, похожие на миногу, — относятся примерно к середине кембрийского взрыва и имеют возраст 530 млн лет. Чтобы понять, как появились первые позвоночные, ученые тщательно исследовали нашего ближайшего беспозвоночного родича[8]. Это животное — ланцетник — на первый взгляд не производит особого впечатления. Больше всего оно напоминает вытащенную из банки безголовую сардину. Ланцетник начинает жизнь в виде крошечной личинки; он дрейфует в теплых прибрежных водах и глотает кусочки пищи, которые ему попадутся. Вырастая до сантиметра длиной, взрослый ланцетник строит нору в песке, высовывает наружу голову и продолжает питаться, фильтруя воду.

Но каким бы непритязательным ни казался ланцетник, у него немало общих черт с позвоночными. В передней части тела у него имеются щели, соответствующие жабрам у рыб. Вдоль спины у него проходит нервный тяж, жесткость которому придает хорда, или спинная струна. Позвоночные тоже имеют хорду, но лишь на эмбриональной стадии. Со временем, по мере того как укрепляется позвоночный столб, хорда исчезает.