Зачем мы говорим - Тревор Кокс

Итак, как же изучение развития современного животного от эмбриона до взрослой особи помогает нам понимать эволюцию, которая происходила миллионы лет назад? Я беседовал с экспертом в области эволюционной биологии развития Верой Вайсбекер из Квинслендского университета. Она рассказала, что в ходе развития организма могут сохраняться наследственные характеристики. «Эволюция к старым процессам добавляет новые. Внешне мы не слишком отличаемся от обезьян, у нас общие прародители, и на многих стадиях развития мы представляли собой обезьяну лишь с незначительными изменениями». Это означает, что когда мы анализируем собственное развитие, то видим какую-то часть своего эволюционного прошлого. Вот почему наблюдения Рейхерта, описавшего развитие эмбриона свиньи, настолько важны: они показали, что у млекопитающих имеется зачаток челюсти рептилии, из которого затем формируются и развиваются кости среднего уха.

Сам Рейхерт этого не понял. Он был убежден: «То, что эмбрион высших животных в своем индивидуальном развитии проходит через стадии развития низших животных… не подтверждается данными современной науки». Это означает, что хотя Рейхерт, будучи студентом, сделал выдающиеся наблюдения, он остался на прежних позициях, когда теория эволюции трансформировала биологию. Один из его противников, Эрнст Геккель, жестко заметил: «Я ясно продемонстрировал совершенную несостоятельность утверждений Рейхерта и извращенность его ложных представлений… Читая Рейхерта, мы попадаем примерно на полвека назад» [11].

То, что Рейхерт увидел в наблюдениях за свиньями, – лишь одно из свидетельств того, как крупный сустав челюсти древнейших предков-рептилий в результате эволюции превратился в тоненькие косточки среднего уха. Эта эволюция начинается чуть меньше 300 миллионов лет назад с синапсид, группы существ, из которых позднее развились млекопитающие. Одним из ранних представителей этого класса был диметродон, который из-за располагавшегося на спине кожистого «паруса» был больше похож на динозавра, чем на млекопитающее. По мере того как в течение примерно 80 миллионов лет синапсиды эволюционировали в млекопитающих, сустав челюсти несколько раз менялся [12]. Эти изменения включали уменьшение двух костей челюстного сустава и их смещение в область уха, где они сформировали две слуховые косточки.

Ключевым свидетельством этого являются окаменелые останки яноконодона, крошечного млекопитающего длиной чуть больше 10 см, которые были обнаружены в Яншане, горной цепи в Китае [13]. Яноконодон, чьи останки датируются возрастом 125 миллионов лет (мезозойская эра, когда на Земле обитали динозавры), жил, вероятно, в подлеске и питался насекомыми и червями. Окаменелость является, по-видимому, переходной структурой, сформировавшейся до того, как слуховые косточки отделились от челюсти. Поэтому яноконодон уже должен был слышать передающиеся по воздуху звуки высокой частоты, но все еще обладал присущей рептилиям способностью ощущать вибрации почвы через кости челюсти.

Было бы замечательно, если бы яноконодон обладал промежуточной между органами слуха рептилий и млекопитающих структурой. Но его окаменелые останки настолько редко обнаруживаются, что такой вывод является чрезмерным упрощением эволюционного пути. Такое соединение костей могло быть специфической чертой яноконодона и не передавалось по наследству. Может быть, в ходе эволюционного развития существовало еще одно млекопитающее, окаменелые останки которого не были найдены? К сожалению, останки костей среднего уха редко обнаруживаются in situ[4]. В процессе разложения и фоссилизации (окаменения) скелеты часто подвергаются множеству негативных воздействий: их уносят реки, обгладывают падальщики, на них просто наступают и раздавливают [14]. Неудивительно, что мелкие кости часто утрачиваются.

Чтобы дополнить редкие ископаемые свидетельства, ученые обращаются к эволюционной биологии развития, которую для краткости называют evo-devo. В рамках этой науки для лучшего понимания эволюционного развития организма изучается развитие эмбриона. Именно поэтому я позвонил Вере Вайсбекер, которая недавно опубликовала статью о несостоятельности одной из распространенных теорий эволюционной биологии развития. Как объяснила Вера, произвольная интерпретация данных о развитии может повести эволюционную биологию по ложному пути. Однако, если интерпретировать данные правильно, evo-devo обладает огромным потенциалом. Вера изучала развитие сумчатых. У новорожденных детенышей происходит похожий переход от челюсти к уху, и это может объяснить ход эволюции млекопитающих. В первые недели после рождения сумчатые сосут молоко с помощью челюстного сустава, сформированного между косточками наковальни и молоточка. Однако в последующие недели челюстной сустав изменяет конфигурацию, эти косточки мигрируют и становятся частью среднего уха.

Вера и ее коллеги отобрали молодых особей сумчатых разного возраста[5]. Используя компьютерную томографию, которая позволяет получать серию рентгеновских снимков, они изучили, в какой момент косточки среднего уха отделяются от челюсти, а также определили размеры этих косточек. Маленькие косточки участвуют в создании слуховой чувствительности, поскольку высокочастотные звуковые волны не могут приводить в движение крупные кости. Если слух был одной из причин возникновения маленьких косточек, то, как предполагала Вера, уменьшение костей запустило бы процесс отделения молоточка и наковальни от челюсти. Однако на самом деле эти две косточки сначала отделяются от челюсти, а уже потом уменьшаются. Это означает, что здесь задействован другой эволюционный процесс, который не связан со слухом. Учитывая, что отделение происходит в определенный момент развития животного, вероятно, оно связано с появлением задних моляров.

Если эволюция млекопитающих шла по тому же пути, что и развитие сумчатых, это может означать, что две косточки в нашем среднем ухе сформировались в первую очередь ради питания, а не ради слуха. Согласно одной теории, толчком к этому явились изменения в рационе и необходимость разгрызать и перетирать семена. И только позднее отделившиеся кости уменьшились в размере, изменили функцию и стали использоваться для слуха. Это типичный пример экзаптации.

У человеческого слуха имеется одна необычная особенность: он охватывает более широкий диапазон частот, чем нужно для коммуникации. Молодой человек может слышать в диапазоне около 20 000 Гц, но на самом деле для понимания речи нужна только нижняя пятая часть. (Именно эту особенность используют телефонные компании, чтобы сократить диапазон частот телефонных звонков.) Какими условиями отбора можно объяснить нашу остроту слуха на высоких частотах? Миллионы лет назад млекопитающие были мелкими животными, снующими туда-сюда в траве в попытках скрыться от динозавров. Им нужны были высокие частоты, чтобы слышать писк сородичей. Но почему слуховой диапазон не изменился, когда млекопитающие стали крупнее и появились люди? По мнению Рики и Генри Хефнер с кафедры психологии Толедского университета в Огайо, высокие частоты необходимы для определения направления источника звука, и сохранение диапазона частот обеспечило избирательное эволюционное воздействие, сформировавшее слух.