Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

В первой части книги мы с вами выстроили сцену, используя четыре основных составляющих развития животных: модульную архитектуру, набор генов развития, географию эмбриона и генетические переключатели, координирующие работу генов развития в эмбрионе.

Во второй части книги начнет разворачиваться действие — эволюция формы животных как следствие изменения географии эмбриона. Мы узнаем о том, как география и форма эволюционируют за счет того, что гены развития начинают использоваться по-новому. Эволюция формы происходит благодаря тому, что очень старые гены обучаются новым приемам.

В следующих главах мы узнаем о том, что эво-дево способна помочь нам заглянуть в далекое прошлое и воссоздать облик давно вымерших животных, а также пролить свет на наиболее драматические события в истории животных. Мы исследуем ход эволюции, начиная с древнейших корней царства животных, возникшего в первобытных морях более 500 млн лет назад, проследим за возникновением новых структур, позволивших животным освоить сушу и воздушное пространство, а также поговорим о самых новых ветвях филогенетического древа животных, из которых складывается невероятное разнообразие современных форм. Это исследование поможет нам понять, каким образом мы с вами произошли от четвероногого гоминидного предка с небольшим мозгом.

Я приведу примеры, которые помогут создать живую картину эволюционного процесса. Эво-дево предлагает абсолютно новый подход и беспрецедентное качество доказательств. Некоторые из этих новых доказательств позволяют окончательно поставить точку в давних научных дискуссиях, другие поднимают новые вопросы, а третьи открывают путь к "Чаше Грааля" эволюционной биологии, т.е. безошибочно указывают на те генетические изменения, которые стали причиной эволюции конкретных видов животных.

Поскольку современная эмбриология посредством эво-дево стала полноправным участником объединенного эволюционного синтеза, пришло время отразить эти революционные изменения в учебниках по биологии. Я думаю, что методы эво-дево позволяют гораздо лучше объяснить процесс эволюции форм животных, чем абстрактные экстраполяции эпохи современного синтеза. К классическим примерам действия естественного отбора, таким как истории о галапагосских вьюрках и березовой пяденице, эво-дево добавляет истории об омарах и креветках, пауках и змеях, пятнистых бабочках, мешотчатых прыгунах и ягуарах. Эта наука лучше других позволяет объяснить происхождение "бесконечного числа прекрасных форм".

Трилобиты Olenoides serratus сланцев Берджес в Канаде. Фотография Чипа Кларка, печатается с разрешения Смитсоновского института.

В Смитсоновском музее естественной истории в Вашингтоне, сразу за входом в зал ископаемых, располагается ряд обыкновенных зеленых ящиков с экспонатами. Большинство посетителей равнодушно минуют их и устремляются в галерею с динозаврами и прочими чудовищами. А между тем в этих ничем не примечательных ящиках в виде небольших каменных брусков хранятся самые выдающиеся окаменелые остатки животных из всех, когда-либо найденных учеными.

Здесь представлены окаменелости из сланцев Берджес. Эти окаменелости, относящиеся к середине кембрийского периода (около 505 млн лет назад), были обнаружены палеонтологом Чарльзом Уолкоттом в 1909 году во время экспедиции в Британскую Колумбию. Эти странные, удивительные формы, запечатленные в темном серо-черном сланце, долгое время завораживали палеонтологов. Эти животные, сохранившиеся целиком, с антеннами, конечностями, хвостами и глазами, относятся к самым древним сложным животным, и среди них есть представители современных групп, таких как членистоногие, кольчатые черви, хордовые и моллюски. По-видимому, все эти животные возникли за относительно короткое время — всего 15-20 млн лет. Примеры животных, сохранившиеся в палеонтологической летописи до этого, крайне скудны. Этот эпизод быстрого (в геологическом масштабе) возникновения сложных форм запечатлен в породах, обнаруженных по всему свету, возраст которых оценивается в 525_505 млн лет. Это так называемый кембрийский взрыв — начало нового большого этапа в эволюции животных.

Впервые внимание широкой публики к кембрийскому взрыву привлек Стивен Джей Гулд в своей изумительной книге "Удивительная жизнь" (Wonderful Life, 1989). Одной из проблем, вставших перед учеными в связи с изучением кембрийских отложений, была классификация. Их "странная" (с современной точки зрения) анатомия вызывала множество споров о том, куда отнести каждое конкретное животное — к моллюскам или к червям, к членистоногим или нет... или же оно вообще не имеет отношения ни к одной из известных групп.

Связь кембрийских животных с современными группами — лишь одна из загадок. Есть и другие: что стало причиной взрыва? Почему крупные и сложные животные возникли именно в это время? Почему какие-то из них оказались успешными? Относительно причин взрыва высказывалось множество гипотез. Одни теории объясняли взрыв влиянием внешних факторов, таких как глобальное изменение климата. Другие выдвигали внутренние причины, в частности, появление генов, участвующих в формировании тела. Как в случае многих теорий, пытающихся объяснить далекое прошлое, теорию возникновения кембрийского взрыва было легче сформулировать, чем проверить. Что можно сказать о генах животных, умерших свыше 500 млн лет назад? Ведь в кембрийских отложениях нет самих животных, а есть только их отпечатки, возникшие под давлением огромных геологических сил. Но благодаря новым достижениям эмбриологии нам удалось выяснить, какую роль играли гены в случае кембрийского взрыва — в том, что он произошел, и в том, каковы были его последствия. Наука эво-дево замечательна тем, что она позволяет в некотором смысле "воскресить" давно вымершие формы.

Удивительное открытие заключается в том, что все гены, необходимые для создания крупных и сложных животных, существовали задолго до их появления в период кембрийского взрыва. Этот генетический багаж возник за 50 млн лет до появления этих форм или даже раньше. Это означает, что быстрое появление и изменение различных животных было вызвано не изменением набора генов развития, а какой-то другой причиной.

Отличительная черта многих групп кембрийских животных — изменение числа и вида повторяющихся частей тела. Это яркое подтверждение закона Уиллистона объясняется изменением географии эмбрионов. Изменение формы тела происходит из-за изменения координат экспрессии генов развития, особенно Hox-генов. А это изменение, в свою очередь, вызвано работой переключателей — именно эволюция переключателей и стала причиной кембрийского взрыва и дальнейшей эволюции более поздних групп животных.