Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл Страница 3

Современный синтез в значительной степени заложил основы эволюционной биологии на последующие шестьдесят лет. Однако, несмотря на многообещающие слова "современный" и "синтез", эта теория была неполной. С момента ее возникновения до недавнего времени мы могли сказать, что формы изменяются и что движущей силой этого процесса является естественный отбор, но мы ничего не могли сказать о том, как изменяются формы, объяснить видимые проявления эволюции, запечатленные, например, в окаменелостях. С точки зрения современного синтеза эмбриология была своего рода "черным ящиком", который каким-то образом трансформирует генетическую информацию в трехмерный функциональный организм.

Эта патовая ситуация длилась несколько десятилетий. Эмбриологи были поглощены проблемами, которые можно было решить, работая с яйцеклетками и эмбрионами всего нескольких модельных видов животных, и проблема эволюционных изменений развития выходила за рамки их научных интересов. Эволюционисты изучали генетическую изменчивость в популяциях, игнорируя связь между генами и формой. Хуже того: в некоторых кругах к эволюционной биологии относились так, будто ее место — среди музейных древностей.

Это продолжалось до 1970-х гг., когда наконец были услышаны голоса, призывавшие к объединению эмбриологии и эволюционной биологии. Громче других звучал голос Стивена Джея Гулда, чья книга "Онтогенез и филогенез" оживила дискуссию о том, каким образом изменения развития могут влиять на эволюцию. Кроме того, Гулд встряхнул эволюционную биологию, когда вместе с Нильсом Элдриджем по-новому взглянул на палеонтологическую летопись и выдвинул идею прерывистого равновесия, согласно которой эволюция характеризуется длительными периодами стабильности (равновесие), прерывающимися короткими промежутками активных изменений (прерывистость). Книга Гулда и многие его последующие работы заставили пересмотреть "общую картину" эволюционной биологии и расставили акценты над оставшимися неразрешенными вопросами. Посеянные им зерна проросли в душе многих молодых ученых, к числу которых относился и я.

Для меня и многих других, кто рос в период расцвета молекулярной биологии, объяснившей механизм работы генов, ситуация в эмбриологии и эволюционной биологии казалась удручающей, однако обе науки обладали невероятным потенциалом. Отсутствие знаний в области эмбриологии приводило к тому, что дискуссия по поводу эволюции формы в эволюционной биологии практически полностью сводилась к беспредметным спекуляциям. Как можно достичь прогресса в понимании эволюции формы без научного представления о том, как вообще создается форма? Популяционным генетикам удалось установить, что эволюция происходит благодаря изменениям генов, но это положение не было подкреплено примерами. Не был охарактеризован ни один ген, изменение которого повлияло бы на форму тела и эволюцию какого-либо животного. Чтобы перейти на новый уровень понимания эволюции, был необходим прорыв в эмбриологии.

Всем было понятно, что в центре загадочных процессов развития и эволюции находятся гены. Зебры выглядят, как зебры, бабочки — как бабочки, а люди — как люди только по той причине, что обладают соответствующими генами. Проблема заключалась в том, что практически ничего не было известно о том, какие гены имеют значение для развития животных.

Длительный застой в эмбриологии, наконец, был прерван усилиями нескольких блестящих генетиков, которые, работая с плодовой мушкой дрозофилой, рабочей лошадкой генетики в последние восемьдесят лет, предложили способ поиска генов, контролирующих развитие. Открытие этих генов и их исследование в 1980-х гг. позволили совершенно по-новому взглянуть на развитие животных и выявить логику и механизмы процессов, на которых основано создание формы.

Практически сразу после того, как были охарактеризованы первые наборы генов дрозофилы, произошел взрыв, способствовавший началу новой революции в биологии. На протяжении более ста лет биологи были уверены, что разные животные и на генетическом уровне устроены совершенно по-разному. Чем сильнее различается форма двух животных, тем меньше общего их развитие имеет на уровне генов (если у них вообще есть что-то общее). Один из создателей направления современного синтеза Эрнст Майр писал, что "поиск гомологичных генов имеет смысл лишь в случае самых близкородственных организмов". Но, вопреки ожиданиям всех биологов, очень многие гены, которые сначала были охарактеризованы как гены, ответственные за формирование плана строения дрозофилы, имеют точные аналоги, которые отвечают ровно за то же самое у большинства других животных, включая нас с вами. Далее выяснилось, что развитие различных частей тела, таких как глаза, конечности и сердце, строение которых кардинально различается у разных видов животных и которые, как долгое время считалось, эволюционировали совершенно разными путями, контролируется одними и теми же генами у разных животных. Сравнительный анализ генов развития у разных видов животных превратился в новую дисциплину, находящуюся на границе между эмбриологией и эволюционной биологией. Эту дисциплину стали называть эволюционной биологией развития, или сокращенно эво-дево.

Уже на первых этапах развития этой новой науки выяснилось, что при всех видимых различиях формы и физиологии сложных животных — мух и птиц-мухоловок, динозавров и трилобитов, бабочек, зебр и людей — их объединяет общий "инструментальный набор" генов, которые контролируют формирование и разметку тела животных и всех его частей. Подробнее я расскажу об открытии этого набора и о замечательных свойствах входящих в него генов в третьей главе. Сейчас важно понять, что обнаружение этих генов перевернуло прежние представления о родственных связях между животными и о том, что делает животных такими разными, а также позволило по-новому взглянуть на эволюцию.

В результате секвенирования полной последовательности ДНК разных видов животных (их геномов) стало известно, что у дрозофилы и человека имеется большой набор общих генов развития; более того: у человека и мыши 29 000 идентичных генов, а человек и шимпанзе на генетическом уровне идентичны почти на 99%. Эти цифры и факты, возможно, унижают тех, кто хочет видеть человека стоящим выше всего животного мира, а не его эволюционировавшей частью. Но я бы хотел, чтобы гораздо больше людей разделяли мнение, которое выразил комик Льюис Блэк. Он сказал, что нет смысла дискутировать с теми, кто нападает на теорию эволюции, поскольку "у нас есть ископаемые. Мы выиграли". Отлично сказано, господин Блэк, хотя у нас есть нечто большее, чем просто ископаемые.

Действительно, новые факты и открытия эмбриологии и эво-дево отметают последние избитые аргументы противников эволюции об отсутствии промежуточных форм и низкой вероятности эволюции сложных структур. Теперь мы понимаем, каким образом полноценный сложный организм строится из единственной клетки. При помощи новейшего набора эффективных методов мы можем наблюдать, каким образом модификации развития приводят к возрастанию сложности и разнообразия. Открытие древнего набора генов развития однозначно доказало происхождение животных, включая человека, от примитивного общего предка. Эво-дево позволяет проследить изменения структур на длительных временных промежутках и увидеть, как плавники рыб превратились в конечности наземных позвоночных, как в результате последовательных преобразований из примитивной трубчатой ноги возникли элементы ротового аппарата, ядовитые когти, плавательные и питающие конечности, жабры и крылья и как самые разные варианты глаз были построены на основе группы светочувствительных клеток. Обилие новых данных, полученных эво-дево, позволяет воссоздать живую картину того, как создается и эволюционирует форма животных.