Book: Эмбрионы, гены и эволюция



Эмбрионы, гены и эволюция

Рудольф А. Рэфф, Томас К. Кофмен

Эмбрионы, гены и эволюция

Посвящается Рихарду Гольдшмидту (1878-1958)

Редакция литературы по биологии


под редакцией д-ра биол. наук

А. А. Нейфаха


Department of Biology

Indiana University

Bloomington, Indiana


Illustrated by

Elizabeth C. Raff


Macmillan Publishing Co., Inc.

New York

Collier Macmillan Publishers

London

Предисловие редактора перевода

В отечественной литературе, посвященной проблемам эволюции, создалась своеобразная двойственность. С одной стороны, в учебниках и руководствах изложение дарвинизма, как правило, следует канонической схеме с многословными доказательствами самого факта эволюции и с традиционными рисунками пород голубей. По этим книгам создается впечатление, что в теории эволюции нет нерешенных или спорных проблем, что на все вопросы ответы дал либо Дарвин, либо уж во всяком случае синтетическая теория эволюции, возникшая в результате слияния дарвинизма и генетики популяций. С другой стороны, в научных статьях и книгах, а особенно в научно-популярных изданиях стало почти «хорошим тоном» говорить о кризисе дарвинизма, о том, что он «не объясняет», «не согласуется», или что «путем несложных арифметических расчетов можно доказать», что эволюция по Дарвину никак невозможна. И тогда в противовес классическим точковым мутациям и естественному отбору в качестве альтернативных теорий выдвигаются сальтации (внезапное появление сильно измененных, но тем не менее хорошо приспособленных особей), горизонтальный перенос (обмен полезными генами между генотипами разных видов, в основном при посредстве вирусов) и даже откровенный ламаркизм. Поэтому перевод книги американских ученых - эмбриолога Рэффа и генетика Кофмена, - в которой современные проблемы эволюции рассматриваются в ином аспекте, представляется очень актуальным.

Авторы видят свою задачу в синтезе трех наук - эволюционного учения, генетики и эмбриологии, подчеркивая, что до сих пор в эволюционных представлениях самым слабым было последнее звено. Это утверждение не вполне справедливо. В истории эволюционного учения и особенно в работах отечественных эволюционистов эмбриология всегда занимала видное место. Сходство зародышей разных видов (закон Бэра) рассматривалось еще самим Дарвином как прямое доказательство дивергентной эволюции и служило инструментом для выяснения филогенетического родства. Уже давно понимали, что эволюционные изменения-это изменения онтогенеза. Но Рэфф и Кофмен правы в том, что до сих пор это утверждение носило чисто декларативный характер и сводилось к описанию того, на какой стадии развития происходит то или иное отклонение от пути развития предков и в чем оно морфологически выражается. Только в наши дни (и появление предлагаемой книги тому пример) появилась возможность начать разговор о синтезе эмбриологии и генетики в изучении механизмов эволюции.

Почему этот синтез так необходим? Не вызывает сомнений, что эволюционные изменения всегда начинаются с изменений генетических, которые, изменяя ход развития, реализуются в фенотипе. Только после этого, уже на уровне фенотипов, может вступить в действие естественный отбор. Однако путь от гена к признаку - основная проблема биологии развития - нам пока далеко не ясен. Мы можем точно установить, в чем заключалась мутация данного гена, видеть, к каким изменениям в фенотипе она привела, но, как правило, мы не знаем, как это осуществляется. Может показаться, что эта проблема относится не к механизму эволюции, а к феногенетике и биологии развития. Однако это не так. Дело в том, что, плохо понимая механизмы развития, мы обычно не знаем, каким путем достигаются те реальные морфологические изменения, которыми сопровождается эволюция. Ведь одно дело строить модели микроэволюции, рассматриваемой как одна мутация в одном гене. Теоретически можно представить себе вероятную судьбу этой мутации в популяции или даже подсчитать скорость ее распространения в гетерозиготном состоянии, частоту появления гомозигот, эффективность отбора и т.д. Но совсем другое, когда рассматривается реальное видообразование с возникновением больших или меньших морфологических различий.

Классическим примером образования новых видов и даже родов может служить дивергентная эволюция, которая разделила человека и шимпанзе - по старым - морфологическим - данным около 15, а по новым-молекулярным, только 5 млн лет назад. По различиям в ДНК или в белках эти два рода (Pan и Homo) отличаются всего на 1%. Тем не менее этого оказалось достаточно, чтобы создать кардинальные отличия в морфологии, поведении и интеллекте. Сколько генов было при этом затронуто, какие их изменения сыграли решающую роль и в чем она заключалась? Ответ на эти вопросы позволил бы решить многие проблемы эволюции, вызывающие сейчас серьезные дискуссии.

Мы имеем в виду не примитивные возражения противников дарвинизма, которые мало изменились за прошедшие 130 лет. Речь идет о вполне серьезных научных проблемах, таких как соотношение нейтральной эволюции Кимуры и дарвиновской эволюции, возможность оценить действительные скорости микроэволюции на уровне генов, выяснить механизмы, определяющие значительные различия этих скоростей и их изменения во времени, и т.д. Для решения этих проблем, т.е. для понимания механизмов эволюции, и необходим следующий этап - объединение синтетической теории эволюции с биологией развития. Поэтому-то задача, которую авторы книги попытались решить, представляется вполне оправданной и интересной для эволюциониста, для генетика и для эмбриолога.

При поверхностном знакомстве с книгой может показаться, что взгляды авторов по ряду вопросов расходятся с представлениями современного дарвинизма. Прежде всего обращает на себя внимание то, что книга посвящена Рихарду Гольдшмидту - противнику синтетической теории эволюции, автору гипотезы «перспективных монстров». Однако при внимательном чтении очевидно, что авторов привлекает в Гольдшмидте лишь его стремление объединить эмбриологию и генетику, что созвучно их собственным представлениям. Но они неоднократно и недвусмысленно подчеркивают, что «монстры» Гольдшмидта (а ныне гомеозисные мутации), хотя и могут в определенных случаях быть использованы в эволюционном процессе, ими вряд ли можно объяснить появление каких-либо новых морфологических структур, так как по своей природе они регулируют лишь местоположение того, что уже существует.

Отношение Рэффа и Кофмена к дарвиновской теории видно на примере того, как они излагают представления Элдриджа и Гулда о прерывистой эволюции. Действительно, во многих случаях палеонтологическая летопись как бы прерывается, а затем в вышележащем (более позднем) слое обнаруживаются уже сильно измененные формы, нередко новый вид. Отсутствие переходных форм смущало еще Дарвина, а сейчас иногда выдвигается как довод против дарвинизма, в защиту сальтации и т. п. В действительности же все обстоит совсем не так. Было бы просто невероятно, если бы вся популяция данного вида, по всему его ареалу, начала эволюционировать в одном направлении. Только в этом случае везде, где находят остатки вымерших предковых форм, можно было бы найти и ископаемые переходные формы к ныне живущим видам. На самом деле условия, благоприятствующие быстрому видообразованию, возникают случайно и для какой-либо одной пространственно ограниченной популяции. Эволюционный процесс и здесь занимает многие тысячи поколений и соответственно десятки тысяч лет. Но по отношению к остальным популяциям того же вида, которые в это время эволюционно инертны, этот процесс происходит во много раз быстрее. Далее новый вид (или разновидность), получивший заметные адаптивные преимущества, быстро, за несколько тысячелетий, распространяется по всему ареалу исходного вида и вытесняет его. Неудивительно, что в палеонтологической летописи, где точность датировки редко превышает 5-10 тысяч лет, это выглядит как прерывистая эволюция, когда один вид резко сменяет другой. Естественно, что такой ход эволюции, подтвержденный сейчас и прямыми находками, никак не противоречит современному дарвинизму или, точнее, синтетической теории.

Несколько слов надо сказать еще об одном типичном ошибочном доводе, неизменно повторяемом всеми противниками дарвинизма. Он может быть кратко сформулирован словами: «Недостает времени для эволюции». Иногда к этому еще добавляют: «Физики подсчитали ...». Удивительно, но это так. Действительно, физики подсчитали, что для эволюции не должно хватить времени существования Солнечной системы. Но когда это было? Так например, считал современник Дарвина - лорд Кельвин, который, не подозревая в то время об энергии ядерного синтеза, рассчитал, что возраст Солнца не превышает тридцати миллионов лет, а возраст Земли близок к 24 миллионам лет. Дарвиновская эволюция действительно никак не укладывается в эти сроки. Сейчас мы знаем, что Земля существует более чем в 200 раз дольше. Кроме того, наших знаний недостаточно для того, чтобы теоретически рассчитать, с какой скоростью должна происходить эволюция, хотя мы хорошо знаем, с какой скоростью она действительно происходила. В предлагаемой книге показано, что для множества эволюционных преобразований требуется гораздо меньшее число мутаций, чем это полагали до сих пор, и что их фактическая частота намного выше, чем это нужно для эволюции. Очевидно, что не частота мутаций является фактором, определяющим реальную скорость эволюции. На примере происхождения домашних животных мы видим, что достаточно существенного повышения эффективности отбора, чтобы скорость «эволюции» возросла во много тысяч раз.

Итак, внимательное знакомство с книгой убеждает, что ее авторы придерживаются вполне ортодоксальных, в хорошем смысле этого слова, дарвиновских представлений об эволюции, но, разумеется, в их современной синтетической интерпретации, которую разделяют серьезные исследователи на Западе и в нашей стране.

Главная задача книги состоит в том, чтобы показать, какие генетические изменения могут и какие не могут служить материалом для морфологической эволюции. Этот упор на морфологию в ущерб таким признакам, как характер метаболизма, физиологии или поведения, кажется оправданным. Хотя физиологические, и особенно метаболические, процессы и изменяются в ходе эволюции, но обычно значительно медленнее, чем морфологические, а генетическую регуляцию их у многоклеточных изучать гораздо труднее. Еще менее доступны исследованию механизмы генетического контроля поведения, и только в отдельных случаях их можно свести к сравнительно простым явлениям, доступным для генетического анализа. Авторы показывают, что во многих случаях значительные изменения строения органа или даже всего организма достигаются в эволюции за счет мутационных изменений в очень немногих локусах. Так, например, существенные различия в строении головы у двух близких видов гавайских дрозофил (дают плодовитых гибридов) возникли за счет изменений менее чем в 10 генах.

Центральная идея, которая проходит через всю книгу, состоит в том, что гены, мутационные изменения которых ответственны за морфологическую эволюцию, в большинстве своем не структурные, а регуляторные. Эта мысль не оригинальна, хотя отчетливо она стала высказываться только в последнее десятилетие. Рэффу и Кофмену удалось собрать воедино большой материал, включающий палеонтологические, эмбриологические, генетические и молекулярно-биологические данные, для того чтобы, если не доказать это важное утверждение, то хотя бы показать высокую вероятность его справедливости во многих конкретных случаях.

Авторы идут в этом направлении дальше. Если в эволюции ведущую роль играют изменения в регуляторных генах, то эволюционная роль структурных генов, кодирующих белки, оказывается существенно меньшей. Этот вывод хорошо сочетается с развиваемой Кимурой концепцией нейтральности эволюции, согласно которой большинство аминокислотных замен, происходящих в белках и сохраняющихся в процессе эволюции, не имеют селективной ценности и, следовательно, не могут служить основой для дарвиновской эволюции. Но концепция эта как раз и основана на изучении эволюции «структурных» белков, в число которых входит хорошо исследованный, но не очень большой набор из глобинов, цитохрома с, фибринопептидов, гистонов и некоторых других. Отсюда следует, что «молекулярные часы» - скорость эволюционных аминокислотных замен в этих белках, которую обычно рассматривали как показатель скорости эволюции вообще, имеет к собственно эволюции, прежде всего морфологической, очень отдаленное отношение.

Тем не менее, отстаивая эту интересную, конструктивную и, вероятно, справедливую мысль, авторы иногда чересчур категоричны или, вернее, не очень строги в формулировках. В нескольких местах они пишут, что морфологическая эволюция происходит в результате изменений в регуляторных генах, а не путем аминокислотных замен. Дело, однако, в том, что «регуляторный ген» - понятие достаточно широкое, а потому не слишком точное. Так называют, в частности, отдельные небольшие участки ДНК, примыкающие к кодирующей части гена или расположенные вблизи него и ответственные за регуляцию транскрипции этого гена. Такие промоторы не кодируют белки, и изменения их нуклеотидной последовательности могут изменять характер транскрипции, но не приводят к аминокислотным заменам. Это, однако, не единственный способ регуляции. Включение или выключение гена через промотор осуществляется, как показано в ряде случаев, регуляторным белком, который кодируется своим геном. Очевидно, что нуклеотидные замены в этом гене также могут иметь большое эволюционное значение, но они реализуются через аминокислотные замены в регуляторном белке. Понятие регуляторного белка не ограничивается, однако, белками, взаимодействующими с ДНК. Каким белком, например, следует считать второй фактор инициации (IF-2), играющий ведущую роль в регуляции синтеза белка? «Структурными» или регуляторными надо называть множество белков-рецепторов на поверхности клетки и внутри нее, ответственных за ее взаимодействие с гормонами, факторами роста, соседними клетками и т.д.? И наконец, явно регуляторную роль играют многочисленные белки, участвующие в определении формы клеток, их движении и других процессах, непосредственно определяющих формообразование. Можно, очевидно, заключить, что большинство генетических изменений, ответственных за эволюционные изменения морфологии, реализуются все же через аминокислотные замены, хотя в ряде случаев изменение регуляции работы генов и может происходить только на уровне ДНК.

Чрезмерно категоричны авторы и тогда, когда они бескомпромиссно отрицают биогенетический закон Мюллера-Геккеля. Поскольку Геккель предполагал, что эволюция происходит только путем добавления новых этапов развития (надставок) и это же следует из ламаркизма, то авторы книги отрицают всякое значение первого на основании явной неверности второго. В действительности же связь эта отнюдь не очевидна. Эволюция путем добавления к последним стадиям развития или их изменения реально существует, хотя далеко не исчерпывает всех возможностей изменения хода онтогенеза. И то, что онтогенез, со всеми поправками, исключениями и изменениями все же отражает некоторые процессы филогенеза, - тоже реальный факт. В том, что такое отражение существует нет никакой мистики. Просто ранние стадии развития эволюционно более консервативны, так как их изменения ведут к слишком серьезным последствиям, которые редко выдерживают испытание естественным отбором. Сейчас явление рекапитуляции никто уже не связывает с ламаркизмом. Да и раньше это было вовсе необязательным - неслучайно же один из авторов закона - Ф. Мюллер - назвал свою книгу: «За Дарвина».

Книга Рэффа и Кофмена имеет целый ряд достоинств. Прежде всего она высокоинформативна и особенно полезна тем, кто хочет получить общее представление о предмете, а не занимается специально всеми рассматриваемыми в ней проблемами. Кроме того, она действительно представляет собой попытку синтеза современной эмбриологии и генетики в специальном эволюционном аспекте. Сегодня, как это видно из книги, здесь может быть сделан только первый шаг. Но без первого невозможен второй. И наконец (что, быть может, самое главное), эта книга развенчивает миф о кризисе современного дарвинизма, показывая, в каких направлениях происходит его развитие в наши дни.

А. Нейфах



Предисловие

В течение нескольких последних лет авторы этой книги читали в Университете штата Индиана курс лекций по эмбриогенетическим механизмам, порождающим в процессе эволюции морфологические изменения. По материалам этих лекций и была написана книга. В ее основе лежит мысль о том, что эволюцию нельзя понять, не поняв процессы развития, приводящие к становлению формы в онтогенезе. Эта мысль не нова; в конце XIX в. она составляла, в сущности, важнейшую часть эволюционной теории. Однако на протяжении большей части XX в. очевидной связи между филогенетическими преобразованиями формы организмов и вызывающими их изменениями генетических систем, регулирующих онтогенез, уделяли чрезвычайно мало внимания. Исключение составляли несколько ученых, стоящих в стороне от неодарвинистской синтетической теории эволюции, которая строилась из других элементов. Синтез этот был неполным.

Что касается авторов книги, то нас эти проблемы увлекли еще в далекие дни студенчества, когда нам впервые пришлось столкнуться с невероятным разнообразием планов строения морских беспозвоночных и с элегантной функциональной анатомией позвоночных. Столь же важно, что мы оба в своей научной работе пытались, хотя и несколько различными путями, установить, как гены направляют те процессы, из которых слагается развитие зародыша. Таким образом, в нашем подходе и к эволюции, и к развитию существует определенная направленность, и это повлияло на выбор тем, рассматриваемых в книге. Наш основной тезис заключается в том, что существует некая генетическая программа, управляющая онтогенезом, и что в процессе развития важные решения принимаются относительно небольшим числом генов, несущих функции переключателей между альтернативными состояниями или путями. Подобная точка зрения, если она верна, означает, что эволюционные изменения в морфологии происходят как бы механически как результат изменений в системе генетических переключателей. Если верно наше предсказание о том, что число таких генетических переключателей относительно невелико, то тем самым возникает возможность для быстрых (в геологическом смысле) и резких эволюционных изменений. Возникновение новых групп организмов, по-видимому, связано с такими макроэволюционными событиями.

Всю книгу можно было бы разделить на четыре части. В первых главах излагается история проблемы, рассматриваются скорости эволюции и несогласованность между морфологической и молекулярной эволюцией. Главы второй части посвящены эволюционной роли процессов развития, организации яиц и ранних зародышей, взаимодействиям между разными частями зародышей и сроками наступления различных событий в ходе их развития. Изменение сроков наступления различных процессов развития представляет собой один из наиболее хорошо документированных механизмов для достижения эволюционных изменений формы. В сущности, в большинстве прежних работ, посвященных роли процессов развития в эволюции, особенно в книгах де Бера (de Beer) и Гулда (Gould), главное внимание уделялось этим срокам (явление гетерохронии). Другие способы диссоциации - отделения одних процессов развития от других - обсуждались не так часто, но они могут иметь не менее важное значение. В третьей части книги рассматривается генетика развития. Здесь показано, что гены регулируют онтогенез весьма специфическими способами и что генетически детерминированная программа развития в самом деле существует. И наконец, хотя онтогенез можно анализировать методами классической генетики, при анализе экспрессии генов мы не ограничиваемся этими методами. Успехи, достигнутые в разработке методов клонирования генов и методов, позволяющих проводить чрезвычайно тонкие исследования ДНК и РНК, дают возможность непосредственно изучать гены и их экспрессию в процессе развития. Результаты таких исследований рассмотрены в последних главах книги. В заключительной главе мы пытаемся создать некую единую эмбриогенетическую основу для морфологической эволюции.

Следует также упомянуть и о другой структурной особенности книги. Чтобы не нарушать плавности изложения ссылками на литературу или примечаниями, мы в большинстве случаев ограничиваемся лишь упоминанием фамилий авторов оригинальных исследований, не указывая годы; этого достаточно для того, чтобы найти цитируемую работу в приложенной к книге библиографии.

Как и в любом начинании такого рода, советы и поддержка многих лиц имели для нас важнейшее значение. Мы выражаем благодарность многим нашим коллегам, которые терпеливо отвечали на наши бесчисленные вопросы и предоставляли нам результаты своих исследований, подборки данных, оттиски, препринты, наброски и фотографии. Мы хотим поблагодарить также студентов, которые, слушая наши лекции, изучали эту проблему вместе с нами, за их проницательные вопросы и проявленную интуицию. Особую благодарность мы хотим выразить нашей коллеге Элизабет Рэфф, которая так прекрасно иллюстрировала книгу и так безжалостно подчеркивала красным карандашом неудачные места в первых вариантах текста.

Поскольку многие затрагиваемые здесь темы выходят далеко за рамки нашей узкой специальности, нам было чрезвычайно важно, чтобы соответствующие главы были критически прочитаны специалистами. Эти читатели великодушно затратили на свои рецензии немало времени, усилий и размышлений, сделали бесценные критические замечания и предложения, а также оказали нам поддержку, в которой мы очень нуждались. Мы глубоко благодарны John Tyler Bonner, Peter Bryant, Hampton Carson, Robert Edgar, Gary Freeman, Stephen J. Gould, Donna Harraway, Vernon Ingram, Burke Judd, Raymond Keller, William Klein, Jane Maienschein, Elizabeth Raff, Steven Stanley, Alan Templeton, Robert Tompkins, David Wake и J. R. Whittaker. Конечно, подобно всем добропорядочным ученым, мы не последовали всем полученным советам и, несомненно, наделали ошибок, ответственность за которые несем только мы сами.

Нам посчастливилось иметь таких помощников, как Ann Martin, которая искусно перепечатала рукопись книги, и Monica Bonner, которая с необыкновенным терпением, весело и разумно справлялась с организационными проблемами, не давая нам увязнуть в них. Мы многим обязаны также сотрудникам библиотек Университета штата Индиана и Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе, штат Массачусетс, за их помощь в поисках материалов и терпимость к нам как к злостным нарушителям сроков сдачи книг.

Р. Рэфф, Т. Кофмен

Глава 1

Зародыши и предки

Вероятно, мне следует пояснить, — добавил барсук, нервно опуская свои бумаги и глядя поверх них на бородавку, — что все зародыши выглядят в общем одинаково. Зародыш - это то, что вы есть прежде, чем вы родитесь на свет. И станете ли вы в будущем лягушкой или павлином, жирафом или человеком, пока вы остаетесь зародышем, вы похожи всего лишь на омерзительное и беспомощное человеческое существо. Итак, я продолжаю:

Зародыши стояли перед Господом, вежливо сложив свои слабые ручонки на животах и почтительно свесив вниз тяжелые головы, и Господь обратился к ним. Он сказал: «Ну так вот, зародыши, все вы пока выглядите совершенно одинаково. Но Мы дадим вам возможность самим решать, кем вы хотите быть. Когда вы станете взрослыми, вы так или иначе вырастите, но Нам приятно наделить вас еще одной способностью. Вы можете заменять любые свои части такими, какие, по вашему мнению, окажутся вам полезными в будущей жизни».

Т. Уайт «Бывший и будущий король»

Проблема морфологии

Для всех организмов характерно то или иное строение, и все они обладают определенными типами поведения и физиологических адаптации. В перспективе долгих эр геологического времени эти характеристики проявляют способность к видоизменению, почти достойную Протея: лопастной плавник кистеперых становится конечностью амфибии, крылом птицы, рукой и кистью человека. Это зримое достижение эволюции. Каковы же механизмы, при помощи которых совершаются эволюционные изменения морфологии?

Ответ на этот вопрос нам, в сущности, уже известен, во всяком случае в формальном смысле. Гарстанг (Garstang) дал его еще в 1922 г., обратив внимание на то, что эволюционный ряд, или филогения, это не просто последовательность взрослых форм. Каждое поколение взрослых особей возникало в результате последовательных процессов развития - онтогенеза - от, казалось бы, лишенного структуры яйца до сложной морфологии взрослого организма. Таким образом, для того чтобы некое эволюционное изменение проявилось в виде изменения структуры взрослого организма, некая новая морфология, некое измерение должно возникнуть в онтогенезе.

Можно было бы ожидать, что роль процессов развития в эволюции составляет один из главных компонентов современных эволюционных исследований; однако это не так. Эмбриональное развитие, составлявшее столь важную часть эволюционной теории в конце XIX в., в XX в. стало рассматриваться как не очень существенное. Позже в этой главе мы обсудим причины такого странного отчуждения. Конечно, значение зависимости между развитием и эволюцией никогда не было целиком предано забвению. Гарстанг, Гексли, де Бер и Гольдшмидт (Goldschmidt) определенно уделяли серьезное внимание этой зависимости в период 1920-1950-х годов. А сравнительно недавний выход книги Гулда (Gould) «Онтогенез и филогенез» показывает, что интерес к этой теме остается не только живым, но и острым.

Наше собственное увлечение этой проблемой разгорелось некоторое время назад под влиянием книги де Бера (de Beer) «Зародыши и предки», в которой так убедительно доказывается, что изменения сроков наступления различных процессов развития могут иметь глубочайшие эволюционные последствия. К сожалению, де Бер (de Beer) ограничился лишь кратким общим рассмотрением генов, регулирующих скорости процессов развития, уделив мало внимания роли генетической регуляции в развитии или эволюции. В то время когда де Бер (de Beer) писал свою книгу, первое издание которой вышло в 1930 г., о генетике развития было просто слишком мало известно, чтобы он мог излагать ее достаточно глубоко. К 1958 г., когда вышло третье и последнее издание «Зародышей и предков», о ней стало известно гораздо больше, но де Бер привел очень немногие из результатов, достигнутых генетикой развития после 30-х годов. Его основные интересы лежали в другой плоскости.

Фактически эмбриогенетические основы эволюционных изменений никогда подробно не разбирались. Именно ими мы и хотим заняться в этой книге. Наша исходная позиция состоит в том, что процессы развития находятся под генетическим контролем и что эволюцию следует рассматривать как результат изменений в генах, регулирующих онтогенез.

Интересно напомнить, что эту точку зрения впервые выдвинул в 1940 г. Гольдшмидт в своих «Материальных основах эволюции», хотя в то время о генах и об их функциях в развитии было известно слишком мало, чтобы получить успешный синтез эмбриологических и генетических данных. Идеи Гольдшмидта на протяжении последних 35 лет игнорировались из-за его своеобразного (и ошибочного) взгляда на природу генов, но сформулированное им определение эволюции дает совершенно ясное представление о теме этой книги:

«Эволюция означает переход одной достаточно стабильной органической системы в другую, но также стабильную систему. Генетическая основа этого процесса - изменение некой стабильной генетической конституции и превращение ее в другую — лишь одна сторона проблемы. Никакая эволюция невозможна без первичного изменения в зародышевой плазме, т.е. преимущественно в хромосомах, приводящего к новой стабильной структуре. Однако у этой проблемы есть и другая сторона. Зародышевая плазма держит под контролем тип данного вида, регулируя процесс развития индивидуума ... специфичность зародышевой плазмы - это ее способность обеспечивать протекание системы реакций, составляющих процесс индивидуального развития, в соответствии с некой постоянной программой, которая повторяется, ceteris paribus, с целенаправленностью и упорядоченностью автомата. Эволюция, следовательно, означает создание измененного процесса развития, регулируемого измененной зародышевой плазмой». Термин «зародышевая плазма», используемый Гольдшмидтом, означает генетический материал, т.е., пользуясь современной терминологией, ДНК генома.

Какого рода гены управляют онтогенезом и каким путем они участвуют в эволюции?

В настоящее время наиболее хорошо изучены гены, кодирующие различные специализированные виды РНК, или белки, жизненно важные для общей структуры и функции клеток; это рибосомные РНК, различные ферменты, структурные белки, как, например, тубулин или коллаген, или такие белки, как гемоглобин, служащие переносчиками других веществ. Оценки роли таких структурных генов для регуляции развития и морфогенеза колеблются в очень широких пределах. По нашему мнению, регуляторные функции структурных генов в процессах развития очень ограничены, однако высказывалась и прямо противоположная точка зрения. Примером морфогенетической гипотезы, приписывающей структурным генам и их продуктам весьма существенную роль, служит гипотеза, выдвинутая Моно (Monod) в его книге «Случайность и необходимость». По мнению Моно, структурная сложность возникает в результате того, что он назвал молекулярным эпигенезом белков. Под этим термином он понимал хорошо известную особенность белков, а именно, что аминокислотная последовательность данного белка определяет трехмерную конформацию, которую он принимает в среде данной клетки. Далее белки могут специфическим образом взаимодействовать с другими белками, образуя надмолекулярные структуры. Моно пишет: «Упорядоченность, структурная дифференцировка, приобретение функций - все это возникает из случайной смеси молекул, каждая из которых, взятая в отдельности, лишена какой бы то ни было активности или функциональной способности, за исключением способности узнавать партнеров, с которыми ей предстоит образовать определенную структуру». Далее он высказывает предположение, что этот процесс лежит в основе и служит парадигмой ряда автономных эпигенетических событий, объединяющихся и завершающихся развитием целостного организма. Доведенная до крайности эта идея вызывает в памяти эпигенетическую фантазию о том, что из смеси соответствующих макромолекул можно получить целую мышь.

Гипотеза Моно, даже не доведенная до крайности, неприемлема в качестве модели развития. И эволюцией структурных генов нельзя объяснить морфологическую эволюцию. Исследования Вилсона (Wilson А. С.) и его сотрудников показывают, что - во всяком случае применительно к таким ныне живущим группам организмов, как лягушки и млекопитающие, - эволюция структурных генов, кодирующих белки, имеет мало отношения к морфологической эволюции. Человек и шимпанзе быстро дивергировали морфологически, однако аминокислотные последовательности их белков на 99% одинаковы. В отличие от них у такой более древней группы, как лягушки, морфологическая эволюция протекает довольно медленно, но скорость эволюции их аминокислотных последовательностей сравнима с аналогичными скоростями у других организмов. На основании этих фактов Кинг (King) и Вилсон высказали предположение, что в основе морфологической эволюции, по всей вероятности, лежат изменения не структурных, а регуляторных генов.

Поскольку существует целая иерархия взаимодействующих контрольных механизмов, управляющих экспрессией генов и онтогенезом, регуляторные гены распадаются на ряд категорий, и дать им общее определение, как некой единой группе, труднее, чем определить структурные гены. Можно сказать, что в основном структурные гены обеспечивают поставку материалов, необходимых для развития, а регуляторные гены поставляют и расшифровывают рабочие чертежи. Структурные гены относительно легко исследовать, так как продукты, синтез которых они кодируют, нетрудно выделить, исследовать и определить их функции. Не удивительно, что найти подход к изучению регуляторных генов оказалось сложнее. Некоторые регуляторные гены или элементы не образуют никаких продуктов; другие образуют их, но лишь в чрезвычайно малых количествах. Наиболее хорошо известный пример - белок lac-репрессора (Е. coli); этот продукт одного из регуляторных генов контролирует экспрессию генов, определяющих метаболизм лактозы. В одной бактериальной клетке содержится всего 10 молекул репрессора.

Регуляторные гены функционируют на протяжении всего процесса развития, управляя онтогенезом тремя различными способами: во-первых, регулируя время наступления тех или иных событий; во-вторых, делая выбор из двух возможностей и тем самым определяя судьбу клеток или частей зародыша; в-третьих, интегрируя экспрессию структурных генов, с тем чтобы обеспечить создание стабильных дифференцированных тканей. Все эти три способа регуляции играют большую роль в эволюции.



Роль изменений в сроках наступления различных событий в процессе развития как важного и гибкого механизма для достижения существенной морфологической эволюции рассматривали де Бер (de Beer) в своем ценном труде «Зародыши и предки», а позднее Гулд (Gould) в книге «Онтогенез и филогенез». Эти авторы уделяли внимание не столько механизмам, осуществляющим генетическую регуляцию процессов развития, сколько определению типов возможных изменений в сроках событий, происходящих в онтогенезе, и демонстрации их эволюционных последствий. Различные эволюционные изменения рассматривались ими как последствия изменения этих сроков. Чаще всего в качестве таких примеров приводятся случаи неотении - возникновение новых планов строения взрослого организма в результате достижения личиночными стадиями половозрелости и утраты предковой взрослой стадии. Проблему изменения сроков различных событий в развитии как одного из способов регуляторной эволюции мы рассматриваем в гл. 6 этой книги.

Генетическая регуляция онтогенеза не ограничена, однако, воздействием на продолжительность процессов развития. Недавними работами, в особенности на плодовой мушке Drosophila melanogaster, ставшей для исследователей структуры и функции генов за это десятилетие чем-то вроде эукариотической Е. coli, установлено, что организация развивающегося зародыша контролируется целой иерархией регуляторных генов. Эти гены действуют как переключатели, от которых зависит, по какому из двух альтернативных путей развития пойдет данная клетка или группа клеток. После того как решение принято, возможности клеток в смысле дальнейшего выбора оказываются ограниченными, и их судьба в процессе развития становится все более и более определенной. Регуляторные гены такого типа доступны изучению благодаря очень ярко выраженным эффектам, которыми сопровождаются мутации этих генов, лишающие их функции двоичных переключателей или изменяющие эту функцию. У дрозофилы эти так называемые гомеозисные мутации вызывают трансформации, которые изменяют характер морфогенеза и приводят к замене одной структуры другой, например к возникновению ног вместо антенн или добавочных крыльев вместо жужжалец. Изменение наборов регуляторных генов этого класса или возникновение новых таких наборов создает значительные потенциальные возможности для радикальных эволюционных модификаций или возникновения новых морфологических структур. Ясно, что такой способ эволюции действительно имел место и сыграл решающую роль в эволюции насекомых и других организмов; в дальнейшем, в гл. 8 и 9, мы остановимся на нем гораздо подробнее.

Подобно изменениям регуляторных генов, влияющих на сроки или структурную интеграцию, изменения регуляторных генов, контролирующих тканевую дифференцировку, также обладают большим эволюционным потенциалом. Если изменения регуляторных генов двух первых типов вызывают изменения формы органов, то изменения генов этого третьего типа приводят к образованию новых тканей. Одним примером (подробнее см. гл. 12) служит млечная железа, возникновение которой сопровождалось появлением новой ткани, новых белков, новых регуляторных генов и целым набором поведенческих комплексов. Все это сыграло чрезвычайно важную роль в эволюции размножения млекопитающих и заботы о потомстве. Три способа регуляции развития, которые мы здесь бегло рассмотрели, неотделимы друг от друга. Все они участвовали в морфологической эволюции отдельных групп организмов.

Быть может, главная трудность, с которой мы сталкиваемся в нашей попытке понять морфологическую эволюцию в контексте эмбриогенетических механизмов, заключается в том, что формообразование на молекулярном уровне изучено крайне плохо. Дело здесь не только в том, что у нас мало сведений о самих механизмах морфогенеза (перемещения клеток, их взаимодействия, возникновение структурной организации), но и в различных концептуальных подходах к оценке информации, содержащейся в морфологической структуре, и в оценке генетической информации. В качестве иллюстрации этого различия рассмотрим морфогенез не с точки зрения молекулярной генетики, а воспользуемся подходом Д'Арси Томпсона (D'Arcy Thompson), который в своей книге «О росте и форме» (ее первое издание вышло в 1917 г.) впервые применил математику к проблемам формы (рис. 1-1).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 1-1. Изменения общей формы тела у некоторых равноногих рачков. А. Вид изображен в прямоугольной системе координат. Б и В. Деформация соответствующих решеток для двух других видов иллюстрирует изменения пропорций в процессе эволюции (Thompson, 1961).


Его цель была проста: «Мы хотим понять, как можно объяснить, по крайней мере в некоторых случаях, форму живых существ и частей живых существ, исходя из физических представлений, и установить, что органических форм, которые противоречили бы физическим и математическим законам, не существует». Томпсон изложил свою точку зрения в книге, которая изучалась несколькими поколениями биологов, познакомившихся с ее помощью с математическими законами, лежащими в основе формы поверхностей раздела между клетками и строения радиолярий или спирально закрученных раковин и бараньих рогов; с тем, почему скелет позвоночных и мосты построены в соответствии с одними и теми же инженерными законами, и как, используя преобразования декартовых координат, можно изображать эволюционные изменения формы таких сложных объектов, как черепа, рыбы и изоподы (равноногие рачки). Томпсон снял покров непроницаемой тайны с биологической формы и очень изящно показал, что сложные биологические объекты подчиняются физическим и математическим правилам, поддающимся проверке. Однако он уделял мало внимания событиям, происходящим на генетическом или молекулярном уровне (вероятно, это было разумно, потому что эти события и сейчас еще не вполне поняты), а вместо этого сосредоточился на действующих на организм физических силах как непосредственных факторах, определяющих его морфологию.

С изменениями формы, происходящими в период роста, Томпсон справился менее успешно. Математический анализ относительного роста частей организма в течение его развития (аллометрии) был разработан Гексли (Huxley) в начале 30-х годов нашего века. В основном зависимости, наблюдаемые при таком росте, описываются простым уравнением у = bxα, где x и у - размеры двух сравниваемых структур. Аллометрия представляет значительный интерес в смысле понимания эволюционных изменений, однако и в этом случае изменения пропорций организма, сопровождающие рост, не поддаются оценке на генетическом или молекулярном уровне, и, конечно, зависимости здесь значительно сложнее, чем подразумевает простое уравнение аллометрического роста.

Подобным же образом моделирование формы раковин моллюсков на вычислительной машине, произведенное Раупом и Михельсоном (Raup и Michelson), показывает, что для создания объектов с очень изощренной морфологией может оказаться достаточным лишь небольшое число параметров (рис. 1-2). Раковины брюхоногих моллюсков-это сужающиеся к одному концу трубки, закрученные в спираль вокруг неподвижной оси. Для того чтобы создать на машине аналоговую модель настоящих раковин, требуются всего четыре параметра: 1) форма сечения образующей кривой; 2) скорость расширения образующей кривой относительно вращения; 3) расположение и ориентация образующей кривой относительно оси; 4) скорость движения образующей кривой вниз по оси. Эти простые параметры описывают форму создаваемого объекта, но они не имеют отношения к генетической программе или к тем действительным механизмам, при помощи которых организмы реализуют генетическую программу морфогенеза.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 1-2. Моделирование формы закрученных раковин на вычислительной машине. Скорость машинного переноса по оси возрастает справа налево, а скорость расширения образующей кривой - сверху вниз. Форма образующей кривой и расстояние между ней и осью закручивания одинаковы во всех случаях (Raup, Michelson, 1965).


Хотя организмы подчиняются законам химии и физики, существует дополнительный фактор, управляющий морфологией, - эволюционная история данного организма. По изящному выражению Жакоба (Jacob), эволюция действует путем «перелицовки» старого. Структуры не появляются de novo; эволюция предпочитает создавать новшества, видоизменяя уже существующие системы или структуры. Первые позвоночные, рыбообразные Agnatha, не имели челюстей. Возникновение челюстей - один из крупнейших шагов вперед в эволюции позвоночных - произошло путем превращения передней пары жаберных дуг в примитивные челюсти. Аналогичные переделки ранее существовавших структур имели место в эволюции специализированных конечностей, таких как крылья птеродактилей, птиц и летучих мышей, или при образовании слуховых косточек млекопитающих из остатков костей, при помощи которых у рептилий нижняя челюсть сочленяется с черепом.

Поскольку процессы онтогенеза высокоинтегрированы, они крайне консервативны и стабильны. Таким образом, онтогенез и морфогенез не только подчиняются физическим законам, не подчиняться которым они не могут, но и отражают эволюционную историю каждого процесса. Историческая случайность и необходимость поддержания интеграции явно налагают ограничения на типы эволюционных изменений, возможных в процессах развития, а тем самым и ограничивают морфологическую эволюцию.

Онтогенез, филогенез и рекапитуляция

В «Зазеркалье» Белая Королева сообщает Алисе, что в иные дни она успевала поверить в целых шесть невозможных вещей еще до завтрака. Для современного читателя история развития представлений о связи между онтогенезом и эволюцией носит примерно тот же оттенок, а между тем идеи, которые мы теперь можем считать абсурдными, оказали глубокое воздействие на наше понимание эволюционных механизмов. Каким живучим оказалось, несмотря ни на что, утверждение «онтогенез повторяет филогенез»! Трансценденталисты начала XIX в. верили, что жизнь в своей основе едина; это единство выражалось для них в параллелизме между эмбриональным развитием отдельного индивидуума и лестницей живых существ. Согласно концепции лестницы живых существ, ведущей начало от Аристотеля, все существующие в природе объекты - это звенья непрерывной цепи, соединяющей неорганические творения с рядом живых форм все возрастающей сложности. От неодушевленной природы совершается постепенный переход к растениям, затем к таким простым животным, как губки, к насекомым, рыбам, птицам, млекопитающим и, наконец, к человеку. Эта схема была статичной, и ее не следует истолковывать как эволюционную; она просто представляла план, по которому Господь сотворил мир. Согласно закону параллелизма, известного под названием закона Меккеля-Серре - по именам двух его создателей, J. F. Meckel в Германии и Etienne Serres во Франции, каждое живое существо в своем эмбриональном развитии повторяет взрослые формы животных, стоящих на более низких ступенях лестницы живых существ (В русской литературе его чаще называют «законом Мюллера-Геккеля».-Прим. ред.). И наоборот, низшие животные представляют собой перманентные личиночные стадии эволюционно более продвинутых форм. Меккель (Meckel), по словам Рассела (Russell), «робко верил в эволюцию», и в самом деле, его последняя (1828 г.) формулировка закона параллелизма была составлена в эволюционных терминах: «Развитие индивидуального организма подчиняется тем же законам, что и развитие всего ряда животных; это означает, что данное высшее животное в своем постепенном развитии (онтогенезе) проходит через перманентные стадии организмов, стоящих ниже него; это обстоятельство позволяет нам допустить, что различия, существующие между разными стадиями развития, весьма близки к различиям между разными классами животных».

Однако закон параллелизма, так же как и лестница живых существ, не содержал в себе ничего эволюционного. С равным успехом можно было бы рассматривать его как отражение божественного плана творения. Так считал Агассиц (Agassiz), ставший впоследствии одним из злейших противников Дарвина. Агассиц, выдвинувший гипотезу о ледниковом периоде и крупнейший в мире авторитет по ископаемым рыбам, распространил закон параллелизма на палеонтологические данные. К 1849 г. накопилось уже достаточное количество этих данных, чтобы Агассиц мог продемонстрировать, так сказать, тройной параллелизм, т.е. что данный высший организм проходит в своем развитии не только через стадии, сходные с взрослыми особями ряда ныне живущих низших родственных ему форм, но также через стадии, сходные с последовательным рядом ископаемых представителей его класса, обнаруженных в палеонтологической летописи. Конечно, Агассиц, в отличие от трансценденталистов, ясно понимал, что система классификации, созданная Кювье (Cuvier), перечеркнула единую лестницу живых существ. В системе Кювье (1812) животные делятся по типу строения на четыре глубоко различающихся класса: позвоночные, моллюски, членистые и радиально-симметричные; рекапитуляция и параллелизм возможны только в пределах одного класса.

Карл Бэр (Von Baer) проводил свои исследования, в значительной мере заложившие основы эмбриологии как науки, в атмосфере господства трансценденталистов, характерного для биологии 20-х годов прошлого века. Для того чтобы можно было оценить масштабы открытий Бэра в эмбриологии, напомним, что он впервые описал яйцеклетку млекопитающих и хорду и сформулировал теорию зародышевых листков. На основании результатов своих работ по сравнительной эмбриологии он сделал ряд обобщений, показавших полную бессмысленность идеи о том, что животные в своем развитии повторяют все ступени лестницы живых существ. Бэр, подобно Кювье, заметил, что существует не один последовательный ряд, а четыре основных плана строения животных. Эти четыре плана ясно отражаются в их развитии. Например, хорда и нервная трубка, характерные для позвоночных, возникают на ранних стадиях развития, и таким образом «зародыш позвоночного животного с самого начала представляет собой позвоночное животное и ни в какой период не соответствует животному беспозвоночному». Зародыши позвоночных похожи только на другие зародыши позвоночных; Бэр отрицает их сходство со взрослыми особями каких-либо других животных: «...зародыши Vertebrata не проходят в процессе своего развития через перманентные формы каких-либо (известных) животных».

Бэр опубликовал в 1828 г. следующие основные обобщения - свои знаменитые законы.

1. Более общие признаки, характерные для данной крупной группы животных, выявляются у их зародышей раньше, чем более специальные признаки.

2. Из самых общих форм развиваются менее общие и так до тех пор, пока наконец не возникнет наиболее специализированная форма.

3. Каждый зародыш данной формы животных не проходит через другие формы, а, напротив, постепенно обособляется от них.

4. В целом, следовательно, зародыш какого-либо высшего животного никогда не бывает сходен ни с каким другим животным, но сходен только с его эмбрионом.

Эти эмпирические законы сохраняют свое значение до сих пор, и их действие проявляется в развитии любого позвоночного животного, и в частности излюбленного объекта исследований Бэра - куриного эмбриона. На ранних стадиях развития куриного эмбриона можно лишь увидеть, что он относится к позвоночным, потому что ранние зародыши позвоночных всех классов выглядят почти одинаково; несколько позднее в нем можно опознать птицу, и лишь еще позднее становится очевидно, что это будущая курица.

Законы Бэра сделали неприемлемой идею о рекапитуляции всей цепи живых существ, однако, как указывают Осповат (Ospovat) и Гулд (Gould), эти законы на самом деле не были несовместимы с рекапитуляцией в несколько модифицированной форме, и в конечном счете Геккель включил их в свою концепцию эволюционной рекапитуляции. Причину этого понять нетрудно. Концепция Бэра была прогрессивной. Зародыши переходят от общего и простого к частному и сложному. Сходство между зародышами высших форм и взрослыми стадиями низших форм существует и представляет собой, по мнению Бэра, неизбежное следствие двух факторов. Бэр отметил, что степень морфологической сложности и дифференциации, характерная для высших форм в отличие от низших, совпадает с возрастанием гистологической и морфологической сложности в процессе индивидуального развития. Таким образом, хотя Бэр установил, что зародыши высших животных не повторяют взрослые стадии низших форм, он признавал, что они сходны с ними по степени сложности. Современному читателю может показаться, что это противоречит четвертому закону Бэра, однако сам он объяснял, что «только потому, что наименее развитые формы животных недалеко ушли от зародышевого состояния, они сохраняют некоторое сходство с зародышами высших форм животных». С этим связан второй его закон. Бэр считал, что примитивные формы более сходны с гипотетическим архетипом, или идеализированной исходной формой, данного плана строения. Так, взрослые рыбы ближе к исходному типу, чем взрослые млекопитающие. На ранних стадиях онтогенеза как те, так и другие сходны с архетипом позвоночных, но млекопитающие в своем развитии отклоняются от него дальше, чем рыбы (рис. 1-3).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 1-3. Зародыши рыбы, курицы, коровы и человека на разных стадиях развития. Ранние стадии (верхний ряд) более сходны друг с другом, чем более поздние стадии (нижний ряд) (Haeckel, 1879).


Несмотря на то что концепция архетипа, составляющая часть трансценденталистского подхода к биологии, вряд ли могла привлекать Дарвина и его последователей, она в известной мере продолжала оказывать значительное влияние на интерпретацию эмбриологических данных. Для эволюционистов конца XIX в. ценность эмбриологических данных заключалась в их филогенетическом содержании. Тройной параллелизм Агассица и обобщения Бэра были сформулированы заново в эволюционных терминах.

В первом издании «Происхождения видов», вышедшем в 1859 г., Дарвин писал: «...В глазах большинства натуралистов строение зародыша имеет для классификации даже большее значение, чем строение взрослого животного. Зародыш - это животное в его менее измененном состоянии; и тем самым он указывает нам на строение своего прародителя». Существование архетипа здесь так же ясно Дарвину, как оно было ясно Бэру, но, конечно, Дарвин использовал эту идею иначе, чем это делал Бэр, скептически относившийся к эволюции до самой своей смерти (1876).

Согласно Дарвину: «Если две или более группы животных, как бы сильно они не различались в настоящее время по строению и образу жизни, проходят через одни и те же или сходные стадии эмбрионального развития, мы можем быть уверены, что они происходят от одной и той же прародительской формы или от почти одинаковых форм и, следовательно, находятся в близком родстве. Таким образом, общность строения зародыша указывает на общность происхождения». Дарвин считал также, что существует рациональное эволюционное объяснение и для тройного параллелизма: «Так как зародыши данного вида или группы видов частично указывают нам на строение их менее измененных отдаленных прародителей, то мы можем понять, почему древние и вымершие формы жизни должны походить на зародышей своих потомков - ныне живущих видов».

В полезности такого принципа для выяснения эволюционных взаимоотношений можно убедиться на примере любопытного цикла развития морского желудя. Морские желуди - сидячие формы, заключенные в панцирь и добывающие пищу путем фильтрации воды. Кювье (Cuvier) считал их моллюсками, но после изучения их эмбриологии стало ясно, что морские желуди вовсе не моллюски, а ракообразные. Как и у креветок, у морских желудей первой личиночной стадией служит науплиус. Но этот науплиус, вместо того чтобы, пройдя через дальнейшие личиночные стадии, превратиться в креветкообразную взрослую форму, превращается в циприсовидную личинку, напоминающую остракоду, которая оседает на подходящем субстрате и прикрепляется к нему при помощи цементных желез, расположенных у основания первой пары антенн. Осевшая личинка метаморфизирует, превращаясь в типичного морского желудя (рис. 1-4).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 1-4. Развитие двух ракообразных-морского желудя и креветки. А. Науплиус морского желудя (Balanus). Б. Циприсовидная личинка морского желудя в разрезе. В. Взрослая особь морского желудя (в разрезе). Г. Науплиус креветки Penaeus. Д. Протозоэа. Е. Первая послеличиночная стадия. У морского желудя и креветки одинаковые личинки-науплиусы, но в последующем развитии они дивергируют (Bassindale, 1936; Rees, 1970; Dobkin, 1961).


Первую попытку найти механизм, связывающий онтогенез с эволюцией, сделал Фриц Мюллер (Fritz Muller), выпустивший в 1864 г. небольшую книжку под названием «За Дарвина». Мюллер на основе изучения развития ракообразных с позиций Дарвина выдвинул несколько важных идей. Он писал: «Таким образом потомки для достижения новых конечных результатов либо рано или поздно отклоняются в развитии, все еще направленном на повторение формы своих родителей, либо развиваются в этом направлении без отклонений, но затем, вместо того чтобы остановиться, идут дальше». Здесь рассматриваются два способа эволюции. В первом случае потомки проходят только начальный отрезок пути развития своих предков, а затем отклоняются от него, и их дальнейшее развитие протекает по новому пути. Например, можно представить себе, что именно таким образом развитие морских желудей отклонилось от развития других ракообразных. «Во втором случае потомки проходят весь путь развития предков, а поэтому в той мере, в какой возникновение нового вида зависит от этого второго способа продвижения вперед, история развития данного вида будет отражена в индивидуальном развитии его отдельных представителей». В этом случае эволюционный механизм состоит не в замещении прежней взрослой стадии новой, а в добавлении новой стадии. Прежняя взрослая стадия сохраняется, но теперь она представляет собой одну из ступеней индивидуального развития. В результате, в смысле характера развития потомка, - это рекапитуляция.

Мюллер понимал, что весь ряд предковых онтогенезов в их полном объеме и во всей их сложности не может рекапитулировать. Какие-то стадии должны уплотняться или выпадать. Таким образом, «летопись событий, происходивших в процессе эволюционного развития, сохранившаяся в истории индивидуального развития, постепенно стирается, по мере того как развитие открывает для себя все более прямой путь от яйца к совершенному животному, но, кроме того, она нередко изменяется в результате борьбы за существование, которую приходится претерпевать свободноживущим личинкам».

Идеи Мюллера о рекапитуляции подхватил и разработал Эрнст Геккель (Ernst Haeckel), которому было суждено слить воедино эмбриологию и эволюционное учение. По его представлениям, это должно было дать возможность не только построить надежные филогенетические истории видов, но и объяснить взаимоотношения процессов развития и эволюции. Геккель выдвинул свой знаменитый биогенетический закон в книге «Общая морфология организмов», опубликованной в 1866 г., и возвращался к нему вновь и вновь в своих последующих книгах. Биогенетическим законом Геккель назвал сделанное им обобщение, гласившее, что в онтогенезе данного организма повторяется его эволюционная история, или филогенез. Эта концепция была, в сущности, обновленной версией трансценденталистского закона Меккеля-Серре; она отличалась от своего предшественника, сформулированного проще, главным образом тем, что Геккель представлял себе эволюцию не как единичную цепь живых существ, а как множество дивергирующих линий. По иронии судьбы именно в таком выражении биогенетический закон обладает поверхностным сходством с теми самыми обобщениями, с помощью которых Бэр, как он считал, навсегда разделался с рекапитуляцией.

Геккель подвел итог своим представлениям в 1879 г. в книге «Эволюция человека»:

«Эти два раздела нашей науки - онтогенез, или история данного зародыша, и филогенез, или история данной трибы, - связаны самым тесным образом, и ни один из них не может быть понят без другого... Онтогенез - это рекапитуляция филогенеза; или, если говорить более определенно, ряд форм, через которые проходит отдельный организм в процессе своего развития от яйцеклетки до вполне сформированного состояния, - это краткое сжатое воспроизведение длинного ряда форм, через которые прошли животные предки этого организма... от самых ранних периодов так называемого сотворения органического мира до настоящего времени».

Хотя Геккель призывал к объяснению связи между эволюцией и развитием на основе законов физики и химии, он ни разу четко не выразил, что именно имеет в виду. Его высказывание относительно механических причин эволюции неопределенно, но тем не менее вызывает недоумение:

«Каузальный характер связи между историей зародыша (эмбриология или онтогенез) и историей трибы (филогенез) зависит от явлений наследственности и адаптации. Поняв сущность этих двух явлений и их важнейшую роль в определении форм организмов, мы можем сделать следующий шаг и сказать, что филогенез - это механическая причина онтогенеза».

В конце XIX в. эволюционисты оказались в затруднительном положении из-за того, что они не понимали механизма наследственности. Дарвин, так же как и другие, отступил назад, к теории Ламарка, согласно которой животные могут каким-то образом передавать своим потомкам полезные признаки, приобретенные в течение жизни. Эта теория выдвигала механизм прогрессивной эволюции и, кроме того, идеально соответствовала биогенетическому закону. Развитие носит характер рекапитуляции, потому что в процессе эволюции только взрослые стадии предковых форм жили достаточно долго, чтобы успеть приобрести и передать новые признаки. Эмбриональные стадии просто чересчур быстротечны. Как и можно было ожидать, Геккель от всего сердца принимал теорию эволюции Ламарка. Геккель считал, что в эволюции существуют три ключевых фактора: адаптация, наследственность и естественный отбор. По его мнению, истинным отцом эволюционной теории был Ламарк, открывший роль двух первых факторов - адаптации и наследственности. Под адаптацией Геккель понимал упражнение и образ жизни, которые, как считал Ламарк, вели к небольшим, но реальным усовершенствованиям, достигаемым индивидуумом. По представлениям Ламарка, наследственность заключается в передаче этих приобретенных свойств, что ведет к накоплению усовершенствований от поколения к поколению. Открытие третьего фактора - естественного отбора - принадлежит, конечно, Дарвину.

Геккеля не интересовала эмбриология как таковая; эмбриология поставляла данные для установления эволюционных историй - для построения филогенетического древа. Геккель обладал значительным влиянием, и сам он не сомневался в правильности своего подхода или в том, что предковые формы, воссоздаваемые им на основе биогенетического закона, действительно существовали в прошлом. Конечно, такое некритическое признание рекапитуляции неизбежно должно было привести к нелепостям; так, например, Дарвин в шестом издании «Происхождения видов» (1872) высказал предположение, что, поскольку самые разные ракообразные в своем личиночном развитии проходят через стадию науплиуса, это означает, что предковые ракообразные были сходны с науплиусом. Из такой интерпретации можно сделать гораздо более далеко идущие выводы, нежели простое отнесение морского желудя к ракообразным на основании характера его личинки. В действительности же тело самых древних и примитивных членистоногих состояло из многочисленных относительно недифференцированных сегментов и они совершенно не были похожи на несегментированного науплиуса (рис. 1-5).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 1-5. Два примитивных ракообразных - цефалокарида и щитень (Notostraca). Тела этих очень примитивных форм сильно сегментированы, и они мало похожи на несегментированного науплиуса (Waterman, Chace, 1960; Caiman, 1909).


Как и Мюллер, Геккель понимал, что построение филогенетической истории по эмбриологическим данным далеко от совершенства. Отдельные стадии могут выпадать, но, что более серьезно, в развитии возможны интерполяции или появление новых стадий, представляющих собой результат эмбриональных адаптаций, или, как их называл Геккель, ценогенезов. Они, как утверждал Геккель, не имеют эволюционного значения, но искажают картину исторического развития. Он обратил также внимание на два других явления. Одно из них он назвал гетеротопией - изменение места закладки структуры, возможно в результате какого-то изменения в участии зародышевых листков при образовании данного органа или ткани. Другое явление Геккель назвал гетерохронией; оно состоит в сдвиге сроков или последовательности развития органов по сравнению с тем, чего следовало бы ожидать на основании филогенетических данных. Геккель не мог понять, что такие явления представляют собой потенциальные механизмы для существенных эволюционных изменений. Для него это были просто помехи, затрудняющие выявление филогении при помощи сформулированного им биогенетического закона. Геккель использовал свой биогенетический закон для интерпретации не только личиночных стадий развития, но и самых ранних событий эмбриогенеза. Яйцо было для него рекапитуляцией исходного одноклеточного предка всех животных. Бластула соответствовала «бластее» - гипотетической древней форме, образованной одним слоем клеток, окружавших внутреннюю полость. Гаструла, образующаяся путем впячивания стенки бластулы, в результате чего получается мешок, состоящий из двух слоев клеток с отверстием на одном конце, соответствовала «гастрее» с ее первичным ртом и двуслойным строением. Геккель считал кишечнополостных современными представителями животных, находящихся на стадии гастреи.

Широкое признание биогенетического закона и интерпретации Геккеля порождало убеждение, что, поскольку даже самые ранние стадии эмбрионального развития являются прямым следствием филогении, вряд ли имеет смысл искать непосредственные причины развития. Вместо этого следует заниматься поисками филогенетических данных. Такая точка зрения тормозила развитие экспериментального направления в эмбриологии.

Механика развития и менделевская генетика

К концу XIX в. ощущалась все большая напряженность во взаимоотношениях между двумя главными философскими подходами к биологии - Аллен (Allen) называет это расхождением между натуралистами и экспериментаторами. Натуралистов традиционно интересовал организм как целое, его строение и его приспособленность. Их методом было наблюдение. Следуя за Дарвином, ученые этого направления собирали данные, подтверждающие эволюцию, и были глубоко погружены в распутывание эволюционной истории ныне живущих и вымерших организмов. Решающую роль в их исследованиях играли изучение морфологии и наблюдения за эмбриональным развитием.

Экспериментаторов меньше интересовал организм как целое или его морфология; они сосредоточили внимание на лабораторном изучении отдельных аспектов функций, поддающихся анализу. В основе экспериментального подхода к биологии лежат два главных допущения. Первое из них состоит в том, что функцию изолированного органа, клетки или фермента, наблюдаемую в лаборатории, можно экстраполировать на живой организм. Согласно второму допущению, экспериментально вызванные нарушения системы могут дать информацию о ее нормальной функции. Экспериментаторы стремились превратить биологию в точную науку по образу и подобию химии и физики. Физиология и биохимия, иллюстрирующие экспериментальное направление в биологии, в конце XIX в. добились грандиозных успехов и могли бы служить примером для эмбриологии. В этот период господства взглядов Геккеля и его биогенетического закона эмбриология, натуралистическая по своим традициям и бывшая верным солдатом службы филогении, оказалась готовой перейти в другой лагерь и превратиться в экспериментальную науку со своими собственными задачами и подходами. Первый настоящий методологический вызов представлениям Геккеля бросил в 1874 г. Вильгельм Гис (Wilhelm His), искавший непосредственные механические причины онтогенеза в физических свойствах протоплазмы оплодотворенного яйца и в условиях той среды, в которой оно развивается. Эти работы вызвали сильные нападки и насмешки со стороны Геккеля и его последователей; во всеобщем стремлении применять биогенетический закон многие их просто игнорировали. В 1888 г. доведенный до раздражения Гис писал:

«Это противодействие применению основных законов науки к вопросам эмбриологии едва ли было бы понятным, если бы оно не упиралось в догматизм. Единственным допустимым объяснением развития живых существ считается наследственность, а любое другое объяснение, имеющее иную основу, отвергается. Между тем считать, что наследственность способна создавать живые существа без участия механических факторов - всего лишь ненаучная мистика».

Другие эмбриологи также начинали проводить эксперименты с целью проверки механистических гипотез. В 1883 г. Пфлюгер (Pfluger) изучал роль силы тяжести в определении плоскости дробления оплодотворенного яйца. Его заключение, что плоскость дробления определяется силой тяжести, было неверным, однако здесь нас интересует не это. Значение его работ состоит в том, что он применил экспериментальный подход с тем, чтобы выделить и изучить один определенный механический аспект развития. Продвижение экспериментальных исследований ускорилось после того, как в 1887 г. Шабри (Chabry), работавший на оболочниках, а в 1888 г. Ру (Roux), работавший на лягушках, опубликовали результаты экспериментов, в которых они один из бластомеров двуклеточного зародыша разрушали уколом иглы и наблюдали за развитием оставшегося бластомера.

Бластомеры были не просто жертвами праздного любопытства. Целью экспериментов с их разрушением была проверка предположения, что прогрессивная и дивергентная специализация клеток развивающегося зародыша вызывается неравномерным распределением между ними хромосом, в результате чего разные клетки зародыша оказываются различными вследствие различий в тех наследственных частицах, которые они содержат. Ру полагал, что он продемонстрировал правильность гипотезы о строгой мозаичности развития, однако его взгляды подверг сомнению Дриш (Driesch), который в 1892 г. провел эксперименты, показавшие, что каждый из разделенных бластомеров дробящихся яиц морского ежа развивается в полноценного зародыша.

К 1894 г. целое поколение эмбриологов, осознавших успешность экспериментального подхода в физиологии и биохимии и огорченных отсутствием точности в филогенетических спекуляциях, было готово откликнуться на призыв Ру к созданию новой науки - механики развития. В 1894 г. Ру опубликовал очень подробный проспект о задачах этой науки во вводной статье к новому журналу «Archiv fur Entwicklungsmechanik der Organismen», который он основал для публикации сообщений об исследованиях в области механики развития. Под механикой Ру понимал причинность; он писал: «...задачей механики развития должно быть сведение формообразовательных процессов развития к лежащим в их основе законам природы». Ру имел в виду не только элементарную химию и физику изучаемой системы, но и лежащие в ее основе биологические механизмы. Он отмечал, что «...все крайне разнообразные структуры многоклеточных организмов можно свести к нескольким modi operandi - росту клеток, их исчезновению, делению, миграции, активному формированию, элиминации и качественному метаморфозу». Программа, созданная Ру, призывала к изучению роли этих процессов в событиях, составляющих развитие, и к детальному исследованию самих этих клеточных событий.

Но к истинной революции в эмбриологии привело настойчивое утверждение Ру, что, хотя некоторые представления о механизмах развития можно вывести из наблюдений, доказать их существование можно только экспериментальным путем. Отдельные компоненты развивающейся системы можно изучать путем их «выделения, перемещения, уничтожения, ослабления» и наблюдать затем, какое влияние это оказывает на нормальный процесс. Созданная Ру механика развития преобразовала эмбриологию и привела к тому, что вопросы филогении стали играть все меньшую и меньшую роль в деятельности эмбриологов, занимающихся функциональным анализом развития. Механистический и редукционистский подход сулил реальную возможность разрешить проблемы развития, дав им объяснение на молекулярном уровне. В 1890-х годах у многих биологов появилась склонность к редукционизму. Как раз в это время, в 1896 г., Эдуард Бухнер (Eduard Buchner) опубликовал эксперименты, показавшие, что брожение, которое считали биологическим процессом, неотделимым от живой дрожжевой клетки, можно получить и вне клетки, при помощи изолированных ферментов. Работа Бухнера была достаточно убедительной, а о значении, которое она имела в то время, можно судить по тому, что Бухнер получил за нее в 1907 г. Нобелевскую премию по химии. Ферменты послужили прекрасной моделью, позволившей представить жизнь как сложный химический процесс. Оппенгеймер и Митчел (Oppenheimer, Mitchel), например, в своей книге «Ферменты и их действие», опубликованной в 1901 г., пространно обсуждали химическую природу и действие ферментов, а также различные основные их классы. Они рассматривали, между прочим, и ферменты, обнаруженные в зародышах. Молекулярные механизмы в эмбриологии затрагивают в своих работах Дриш (Driesch, 1894) и Уилсон (E.B.Wilson, 1898, 1904).

От наследственности и рекапитуляции, занимавших центральное место в умах эмбриологов, внимание переключалось на процесс, посредством которого происходит индивидуальное развитие организма. Это новое отношение к проблеме удачно резюмировал Уитмэн (С. О. Whitman) - один из основателей американской эмбриологии и первый директор Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе; в 1895 г. он писал:

«...нам больше не нужна филогенетическая Ahnengallerie (портретная галерея предков)... Нам ничего не дает понимание того, что глаза у нас есть, потому что они имелись у наших предков. Если наши глаза похожи на их глаза, то это объясняется не генеалогическими связями, а тем, что развитие молекулярной основы зачатков этих глаз происходило в сходных условиях».

Триумф механики развития вызвал внезапный и полный разрыв между эмбриологией и эволюцией, и, как мы увидим, в нем уже содержались семена еще и второго разрыва - между эмбриологией и генетикой. Любопытно, что эмбриологи не доказали ошибочности биогенетического закона, и в период расцвета механики развития они, в сущности, и не пытались этого сделать: эмбриологи были увлечены новыми проблемами, не связанными с биогенетическим законом. Лишь по прошествии целого поколения Гарстанг (Garstang) и де Бер (de Beer) вернулись к геккелевской рекапитуляции и доказали на эмбриологической основе ее непригодность в качестве универсального механизма эволюции. Механика развития не отрицала основу биогенетического закона. В сущности, некоторые аспекты рекапитуляции нетрудно было бы объяснить в механистической манере в полном согласии с новым подходом. Наилучшим примером этого служит высказанная Клайненбергом (Kleinenberg, 1886) мысль, что такие, казалось бы, лишенные функции эмбриональные структуры, как хорда или трубчатая закладка сердца у позвоночных, считавшиеся простыми примерами рекапитуляции, возможно, имеют жизненно важное значение для развития зародыша, принимая участие в формировании более поздних структур. Он писал:

«С этой точки зрения многие рудиментарные органы предстают в ином свете. Их упорное появление вновь и вновь на протяжении длинных филогенетических рядов было бы трудно понять, будь они в самом деле всего лишь напоминаниями об ушедших в прошлое и забытых стадиях. Их значение в процессе индивидуального развития может в действительности оказаться гораздо большим, чем принято считать... Под влиянием этих органов, ныне ставших рудиментарными, или с их помощью возникают и развиваются постоянные части зародыша; когда эти части достигают определенной самостоятельности, промежуточный орган, выполнивший свою миссию, может уйти в отставку».

Мысль Клайненберга по существу своему верна. Такие процессы действительно существуют; они были подвергнуты экспериментальному изучению и позволили объяснить большую часть тех возникающих в ходе развития признаков, которые кажутся рекапитуляционными.

В конечном счете роковые слабости биогенетического закона заключались в его зависимости от ламарковской теории наследственности и в его непременном условии, что новая эволюционная ступень может быть достигнута только как добавление к взрослой стадии непосредственного предка. Вторичное открытие и развитие менделевской генетики на рубеже двух столетий покажет, что в сущности биогенетический закон - это всего лишь иллюзия.

Мендель проводил свои общеизвестные эксперименты по скрещиванию на горохе Pisum sativum и опубликовал их результаты в 1865 г. Научная среда того времени, однако, еще не была готова к тому, чтобы признать его теорию наследственности, и его работа не привлекла внимания. К началу 90-х годов широкое использование микроскопа и его применение для исследования строения клеток и их компонентов, а в особенности ядра и хромосом (W. S. Sutton, Nettie Stevens, Ε. Β. Wilson), подготовило почву для революции в биологии. Первым шагом этой революции было упомянутое выше вторичное открытие законов Менделя Гуго де Фризом (Н. de Vries), K. Корренсом (С. Correns) и Э. фон Чермаком (Е. von Tschermak), произошедшее в 1900 г. Все они провели эксперименты по скрещиванию, сходные с экспериментами Менделя, и полученные ими результаты соответствовали тем, о которых Мендель сообщил на 35 лет раньше. Используя разные виды растений, де Фриз, Корренс и Чермак подчеркнули правильность законов Менделя и их всеобщую применимость. Было установлено, что гены дискретны и, судя по их поведению, имеют корпускулярную природу. Они передаются из поколения в поколение вполне предсказуемым и повторяющимся образом, и, что самое главное, слияния признаков не происходит. Гены встречаются в доминантной и рецессивной формах и определяют различные и контрастирующие признаки, или фенотипы. На эти свойства генов, по-видимому, не оказывают влияния ни условия среды, ни объединение различных генов в гибридных индивидуумах. Скрытый рецессивный признак может вновь проявиться спустя несколько поколений у определенной доли потомков в совершенно таком же виде, в каком он существовал до гибридизации.

Вторым шагом в биологической революции были работы Саттона (W. S. Sutton) и Бовери (Т. Boveri), которые в 1903 г. независимо друг от друга опубликовали данные, указывающие на сходство в поведении генов и хромосом. Эта «хромосомная теория наследственности» нашла поборника в лице Моргана (Morgan), который сначала был ее противником, а затем стал ее самым влиятельным сторонником и основателем американской школы современной генетики. Морган, специализировавшийся в области экспериментальной эмбриологии, перенес присущий этой области механистический и экспериментальный подход на изучение наследственности. Кульминационной точки его исследования достигли в 1915 г., когда он опубликовал вместе со своими учениками книгу «Механизмы менделевской наследственности». Общее признание взглядов Менделя на наследственность было, конечно, несовместимо с ламаркизмом, а следовательно, серьезно противоречило биогенетическому закону.

Последовало еще одно событие, способствовавшее утрате веры в рекапитуляцию. В 1893 г. Август Вейсман (August Weismann) опубликовал свою «Теорию зародышевой плазмы». Он обратил внимание, что у зародышей многих животных на ранних стадиях развития обособляется группа клеток, которые у взрослого организма дают начало репродуктивным тканям. Эти репродуктивные, или зародышевые, клетки отделены поэтому от остального организма, или сомы, и именно одни лишь эти клетки передают следующему поколению детерминанты (гены). Поэтому, для того чтобы зародышевые клетки могли в соответствии со схемой получить признаки для передачи следующим поколениям, они должны каким-то образом общаться с сомой. В 1909 г. Кастл и Филлипс (W. Е. Castle и J. С. Phillips) поставили эксперимент с целью проверки такой возможности. Они скрещивали две линии морских свинок белую и черную. Это были чистые линии и при скрещивании давали потомков в соотношениях, соответствующих законам Менделя. Скрещивания показали также, что черная окраска доминирует над белой. Затем Кастл и Филлипс пересадили яичники от черных самок белым, а от белых - черным. По достижении зрелости этих самок скрещивали с чистопородными белыми самцами. Полученное потомство соответствовало типу яичников, имевшихся у самок: если яичники происходили от белой самки, то все потомки были белыми, несмотря на то что яичник находился в теле черной самки. Точно так же, если яичник был трансплантирован от черного донора, то все потомки были черными. Такая автономия клеток зародышевой линии в сочетании с чистотой и постоянством гена, определяющего данный признак, конечно, противоречит представлению о наследовании приобретенных признаков.

Последний удар биогенетическому закону был нанесен тогда, когда стало ясно, что морфология и морфологические адаптации имеют важное значение не только для взрослого организма, но и для всех стадий его онтогенеза. Работы де Бера (de Beer), Гарстанга (Garstang) и Гексли, проведенные в первой половине XX в., сыграли решающую роль в становлении этой идеи. Если морфология развивающегося организма имеет такое же важное, а может быть, и еще более важное значение, как его морфология во взрослом состоянии, то это трудно согласовать с геккелевской моделью эволюции. В совокупности менделевская генетика, обособленность клеток зародышевой линии и важность морфологических признаков на всем протяжении развития положили конец рекапитуляции sensu stricto.

В то время как экспериментальная эмбриология перестала заниматься эволюционными проблемами, генетика, напротив, оказалась в самой гуще распрей по проблемам эволюции. С развитием менделевской генетики появилась надежда дать новое объяснение дарвиновских принципов. Экспериментальная парадигма школы Моргана была привлечена к изучению эволюционных проблем, и начался расцвет основанной Фишером, Холдейном и Райтом (R. A. Fisher, J. В. S. Haldane и S. Wright) школы популяционной генетики. Эти ученые видели в законах и соотношениях, установленных Менделем, количественный и математический подход к эволюции. Новая научная школа оперировала группами или популяциями организмов в общем так же, как школа Моргана оперировала отдельными особями.

Генетика развития

Не вызывает сомнений, что генетика развития представляет собой сейчас одну из наиболее активных областей биологии в отношении как теоретических построений, так и эксперимента. Однако в течение трех первых десятилетий XX в., когда и генетика, и биология развития находились в центре внимания ученых, мало кто пытался объединить эти науки. Эмбриологи были поглощены механикой процесса онтогенеза, а генетики занимались выяснением законов, по которым происходит передача признаков. Эти две области биологии развивались в значительной степени разобщенно. Более того, хотя открытия генетиков играли важную роль в развитии неодарвинизма, об экспериментальной эмбриологии этого сказать нельзя.

Такое, казалось бы, странное отсутствие синтеза этих двух наук было вызвано двумя обстоятельствами. Первым, которое уже обсуждалось, было отрицание экспериментальными эмбриологами биогенетического закона, а вторым - отрыв эмбриологии от генетики. Созданная Ру механика развития представляла собой попытку более точно определить механизмы развития, т. е. выявить в онтогенезе причинно-следственные зависимости, которые можно определять экспериментально. Прямой параллелью этой экспериментальной механистической парадигме служила основанная Т. Г. Морганом и развивавшаяся американская школа генетики. Группа Моргана вобрала в себя многие методологические предпосылки эмбриологов, в частности предпочтение отдавалось экспериментальным методам. Однако слияние генетики с эмбриологией задерживалось из-за того, что эмбриологи отказывались признавать менделевскую генетику важным компонентом онтогенеза. Этот отказ был весьма категорично сформулирован в 1928 г. в статье Лилли (F. R. Lillie) «Ген и процесс онтогенеза»:

«В настоящее время генетика постулирует, что на протяжении всей жизни данного индивидуума его гены в любом месте и в любое время всегда одинаковы, если не считать возникновения мутаций или аномальных расхождений хромосом, которые в дальнейшем подчиняются все тем же законам. Важнейшая проблема развития - это именно та дифференцировка в пространстве и во времени на протяжении всей жизни данного индивидуума, которую генетика, по-видимому, явно игнорирует. Успехи генетики и физиологии развития могут привести лишь к более резкому разграничению этих двух областей науки, и все надежды на их объединение (в вейсмановском смысле), по моему мнению, тщетны. Тем, кто желает, чтобы генетика легла в основу физиологии развития, придется объяснить, каким образом некий неизменяющийся комплекс может направлять течение упорядоченного потока развития».

Такое категорическое отрицание было обусловлено тремя причинами. Во-первых, ранние менделисты представляли себе ген как некую частицу, передаваемую потомкам в сперматозоиде и яйце. Именно эти корпускулярные гены, или факторы, обеспечивают развитие индивидуума в процессе онтогенеза. Такое представление, по мнению экспериментальных эмбриологов, попахивало преформизмом - теорией, давно уже впавшей в немилость.

Во-вторых, менделевское направление молчаливо допускало, что при делении соматических клеток компоненты ядра-хромосомы, а следовательно, и гены, точно реплицируются и все клетки получают совершенно идентичные их наборы. Это бросало вызов результатам, полученным экспериментальной эмбриологией. Было хорошо известно, что процесс онтогенеза состоит в последовательном распределении цитоплазмы яйца между клетками, которое сопровождается постепенным сужением ее морфогенетических потенций. Эти два факта, с точки зрения эмбриологов, означали, что гены не могут управлять онтогенезом. Эмбриологи считали, что главная роль принадлежит не ядру, а цитоплазме, о чем свидетельствует приведенная выше цитата из статьи Лилли (Lillie).

И наконец, в-третьих, между менделистами и эмбриологами существовало глубокое изначальное расхождение: менделевскую генетику интересовала главным образом передача признаков из поколения в поколение, тогда как эмбриология занималась развитием признаков в пределах одного поколения. Те и другие исследования достигли быстрых успехов в начале XX в. Школа Моргана добивалась гигантских успехов в изучении передачи признаков; столь же успешно развивались исследования американской (Lillie, Ε. В. Wilson, Conklin, Harrison) и европейской (Spemann, Boveri, Hertwig) групп экспериментальных эмбриологов. Каждое из этих направлений оценивало по достоинству работы другого, но, к сожалению, перекинуть мост через разделявшую их пропасть было невозможно.

Хотя большинство экспериментальных эмбриологов не занимались проблемами эволюции и генетики, было несколько ученых, предпринимавших попытки к их синтезу с эмбриологией. Первым среди них был Дриш (Driesch), пытавшийся примирить расхождение, связанное с противопоставлением друг другу ядра и цитоплазмы. В 1894 г. он построил гипотезу, в которой постулировал, что развитие не обусловливается одним лишь ядром или одной лишь цитоплазмой, а представляет собой результат взаимодействия между ними. Эта гипотеза звучит вполне разумно даже сегодня, спустя почти 90 лет, однако современники Дриша, по-видимому, ее игнорировали.

Вторую попытку синтеза сделал спустя несколько лет, в 1932 г., Морган. Его книга «Эмбриология и генетика» была написана с этой целью. Одни ее главы посвящены эмбриологии, а другие - генетике, однако связь между ними, к сожалению, почти отсутствует.

Вероятно, самую значительную попытку полного синтеза предпринял Рихард Гольдшмидт (Richard Goldschmidt). Он начал свою научную деятельность как анатом; склонность к классической биологии он сохранил на всю жизнь, и этим, возможно, объясняются некоторые проблемы, с которыми столкнулись его идеи. Его интересовала не только передача признаков, но также и физиологические аспекты генетики: каким образом унаследованные факторы реализуются в фенотипе, т.е. как функционируют гены. Эти идеи суммированы в его книге «Физиологическая генетика», опубликованной в 1938 г. Главный вклад в науку этой и других его работ - концепция, согласно которой гены регулируют скорость процессов развития и могут таким образом оказывать сильное влияние на зависящие от них события в течение онтогенеза. Такое постулирование «генов скорости» близко идее Гексли о гетерогоническом росте при аллометрии. Если данный ген способен влиять на скорость роста какой-то определенной структуры, то он будет контролировать размеры этой структуры относительно размеров остального организма. Кроме того, можно представить себе, что гены скорости регулируют абсолютные сроки появления любой данной структуры. Онтогенез слагается из связанных между собой и взаимозависимых процессов; т.е. формирование каждой отдельной структуры зависит как во времени, так и в пространстве от формирования других структур. Таким образом изменения в сроках возникновения одного морфогенетического события могут иметь глубокие последствия, изменяя многие дальнейшие зависящие от него ступени онтогенеза. И Гольдшмидт, и Гексли понимали важность изменений в ходе эволюции сроков морфогенетических процессов, особенно если это касается неотении, наличия рудиментарных органов и формирования крупных специализированных структур. Несмотря на успех выдвинутых им концепций, с одной проблемой Гольдшмидт справиться не мог. Ему трудно было представить себе, как крупное морфологическое изменение, а в особенности эволюция новой структуры, может быть достигнуто путем отбора мутаций, возникающих в генах, которые контролируют мелкие структуры или короткие отрезки онтогенеза.

«Рассмотрим в качестве примера птицу... Возможно, что первоначальный вид был зерноядным, тогда как в наличии имелась свободная ниша для формы, питающейся нектаром. В результате адаптивной радиации возникает такая форма, которая может быть названа новым родом. Но каким же образом такое сложное генетическое изменение, ведущее путем накопления мелких мутационных изменений в строении клюва и языка к возникновению совершенного механизма для высасывания нектара, появляется именно в то время, когда имеются шансы на то, что оно будет подхвачено отбором? При попытке разработать эту проблему во всех деталях очень скоро становится ясно, что для объяснения такого макроэволюционного процесса необходимо помимо принципов неодарвинизма что-то еще».

Для того чтобы преодолеть эту проблему, Гольдшмидт постулировал два типа эволюционных изменений, которые он обсуждал в своей книге «Материальные основы эволюции». Изменения частот генов, наблюдаемые и изучаемые популяционной генетикой, он относил к микроэволюции, а возникновение крупных морфологических изменений, которые он любил называть «перспективными монстрами», - к макроэволюции. Гольдшмидт превосходно уловил самую суть этой основной проблемы эволюционной теории, однако предложенное им объяснение двух типов изменений было далеко не столь удачным. В сущности, его объяснение способствовало его изоляции от тех самых групп ученых, которых ему хотелось бы убедить. Он утверждал, что микроэволюция ведет лишь к повышению приспособленности и изменчивости в пределах вида. Но этими мелкими изменениями, возникающими в результате генных мутаций, нельзя объяснить морфологические изменения, наблюдаемые в процессе эволюции крупных групп растений и животных. На основе этого заключения работа всей школы популяционной генетики, например Холдейна (Haldane), Фишера (Fischer), Райта (Wrigt) и Добржанского, представлялась хотя и интересной, но не имеющей отношения к эволюции.

Поскольку Гольдшмидт не мог найти объяснения крупным морфологическим изменениям в рамках доктрины, принятой менделевской генетикой, он создал собственную теорию наследственности. Он воспользовался только что открытым явлением эффекта положения, т.е. обнаружением того, что в некоторых случаях положение данного гена в хромосоме сильно влияет на его экспрессию. Для того чтобы объяснить далеко идущие морфогенетические изменения в чрезвычайно сложной взаимодействующей системе - развивающемся зародыше, он допустил возможность столь же далеко идущих глобальных изменений в пределах ядра. Он предположил, что макроэволюция осуществляется путем макромутаций. Изменению подвергается «хромосома как целое», и изменение этого целого изменяет зародыш тоже в целом. Эта гипотеза, конечно, противоречила широко распространенному представлению о корпускулярной природе менделевского гена. Экспериментальные данные подтверждали это преобладающее мнение, и гипотеза Гольдшмидта приобрела мало сторонников. К сожалению, по причине выдвинутого Гольдшмидтом нетрадиционного объяснения механизма макроэволюции его убеждение о существовании различия между макро- и микроэволюцией оказалось неприемлемым для неодарвинистов.

Почему было так трудно произвести последовательный современный синтез эмбриологических и генетических представлений? Для того чтобы убедительно показать, что гены контролируют онтогенез и, что важнее, как они это делают, необходимо было сначала понять, как функционируют гены и как регулируется их функция. Данные об этом появились, в сущности, лишь после зарождения современной молекулярной биологии. Ограничимся перечислением лишь немногих из тех предпосылок, которые были абсолютно необходимы для подлинного понимания генетического контроля онтогенеза: гипотеза Бидла и Татума «один ген - один фермент» (Beadle, Tatum), расшифровка структуры ДНК Уотсоном и Криком (Watson, Crick), модель оперона Жакоба и Моно. После всего этого объединение эмбриологии и генетики стало не только возможным, но и весьма плодотворным. Наиболее четко это проявилось в недавнем расцвете школ, которые были основаны в 30-х и 40-х годах Уоддингтоном (С. Н. Waddington) в Англии, Куртом Штерном (Curt Stern) в США и Эрнстом Хадорном (Ernst Hadorn) в Германии. Генетика развития как экспериментальная наука разрабатывалась подобно тому, как это происходило с механикой развития Вильгельма Ру, с той разницей, что скальпелем ей служили не нарушения процесса онтогенеза путем физических воздействий, а мутации. Заключительный абзац книги Хадорна «Генетика развития и летальные факторы», вышедшей в 1955 г., свидетельствует о том, что единение генетики и эмбриологии действительно произошло:

«В хромосомном веществе любого организма имеются постоянные места для многих тысяч функциональных единиц, или генов, способных мутировать. Любое изменение или утрата того или иного гена угрожает жизни развивающегося организма. Самым убедительным доказательством значения этих хромосомных факторов служит установление того, что утрата одного-единственного гена может полностью нарушить развитие, а то обстоятельство, что ни один из многих тысяч остальных генов не может принять на себя роль этого недостающего фактора, свидетельствует о высокой индивидуальности структуры и функции отдельного гена. Кроме того, процесс развития, очевидно, предъявляет огромные требования к гармоничному сотрудничеству многочисленных отдельных процессов, берущих начало в генетической субстанции хромосом».

Мы полагаем, что настало время совершить последний шаг в современном синтезе - слить воедино эмбриологию, генетику и эволюцию.

Глава 2

Палеобиология и эволюционная теория. Время и изменение

...Слыша доносящийся издалека шум великих морей, омывающих берега, давным-давно ими же разрушенные, и крики морских птиц, что исчезли с лица земли.

Дж. Р. Р. Толкиен «Братство кольца»

Абсолютное и относительное время

С самого начала следует четко сказать, что наша попытка объяснить морфологическую эволюцию в терминах генетики развития будет постоянно тормозиться своеобразием предмета, доводящим порой до отчаяния. В отличие от очевидных физиологических или морфогенетических изменений, которые возникают в жизни отдельной особи и которые можно непосредственно наблюдать и изучать экспериментально, эволюционные изменения живых организмов ускользают от наблюдения и масштабы их ограничены. Вследствие этого большая часть наших сведений о морфологической эволюции получена путем изучения не организмов, а их ископаемых остатков, которые мы можем рассматривать как организмы, пользуясь всеми знаниями, почерпнутыми из биологии. Этим мы вовсе не хотим сказать, что единственным источником наших данных об эволюции служит палеонтологическая летопись; мы просто хотели привлечь внимание к тому, что сведения, получаемые при изучении ископаемых остатков, качественно иные, нежели результаты биохимических, эмбриологических и генетических исследований, составляющие большую часть этой книги. Лишь обратившись к палеонтологической летописи, мы можем воссоздать подлинную эволюционную историю не только ныне живущих организмов, но и давно вымерших линий. Столь же важное значение имеют геологические данные, позволяющие измерять абсолютное время, на основании которого можно вычислить скорости эволюционного процесса.

В действительности существуют две шкалы геологического времени - относительная и абсолютная. Относительная шкала была создана в XIX в.; в ее основе лежит открытие английского инженера и маркшейдера Уильяма Смита (William Smith), что некоторые характерные ископаемые остатки, когда бы и где бы он их ни находил, всегда бывают расположены в слоях породы в одной и той же последовательности по отношению друг к другу. Это открытие легло в основу большинства геологических методов. Метод относительного датирования исходит из двух простых допущений. Первое состоит в том, что более молодые слои лежат поверх более древних, а второе - в том, что для каждого определенного геологического слоя характерны, как это обнаружил Смит, свои определенные ископаемые остатки. Среди них встречаются виды, которые жили только короткое время, и поэтому их можно обнаружить лишь в небольшом интервале стратиграфической летописи. Они послужили руководящими ископаемыми, которые дали возможность коррелировать слои горных пород на обширных территориях и построить относительную шкалу времени.

Относительной шкалой времени пользовались задолго до того, как Дарвин опубликовал «Происхождение видов» (1859 г.), однако ее связь с абсолютным временем была в лучшем случае весьма слабой. В XVIII в. стали понимать, хотя и очень медленно, что описанная в Библии хронология событий, которую в общем принимали не только обычные люди, но и ученые, охватывает слишком короткий период времени, чтобы в него могли вместиться огромные изменения, произошедшие в истории Земли, даже если согласиться с теорией катастроф, гласившей, что жизнь многократно уничтожалась опустошительными стихийными бедствиями. Считалось, что Всемирный потоп был лишь последней из этих катастроф, раз за разом уничтожавших все, что было сотворено прежде.

Но историю Земли и жизни на ней можно было рассматривать и с иной точки зрения. Ее выдвинул в 1795 г. Дж. Хаттон (J. Hutton) в своей «Теории Земли». Хаттон утверждал, что происходящие сейчас процессы эрозии и воздыманий могли бы за достаточное время полностью изменить лицо Земли. Эту тему исчерпывающим образом разработал Чарлз Лайель (Charles Lyell) в своей книге «Основы геологии», впервые опубликованной в 1830 г. Она доминировала в геологии под названием доктрины униформизма. Ни в каких катастрофах или силах, не наблюдаемых на Земле в настоящее время, нет нужды: дожди и морозы и просто время могут сравнять горы с землей. Беспредельность времени - вот ключ к познанию истории Земли. Хаттон писал: «Мы не можем найти никаких следов начала и никаких наметок конца».

Дарвиновская эволюция, приводящая к постепенным изменениям путем отбора мелких вариаций, требовала очень продолжительного времени: теория униформизма обеспечила это время. Однако за этим последовал тяжелый удар. Физик Уильям Томсон (William Thomson), позднее лорд Кельвин, в работах, опубликованных в 1862 г. и позднее, показал, что принцип униформизма противоречит второму закону термодинамики. Неограниченное время невозможно, потому что, хотя суммарная энергия во Вселенной остается постоянной, количество энергии, доступной для использования, уменьшается. Таким образом Вселенная должна приближаться к своему концу. В этом Томсон был абсолютно прав. Только данная им оценка времени, остающегося до этого конца, была слишком занижена. Единственным известным в XIX в. механизмом, который мог бы нагревать Солнце, было гравитационное сжатие. Томсон показал, что такой механизм ограничивает жизнь Солнца, а тем самым и Земли сроком менее 100 млн. лет. Это очень сильно урезало время, имевшееся в распоряжении эволюции, так как лишь в последней пятой части истории Земли обнаружены следы многоклеточных организмов.

Такое несоответствие между продолжительностью времени, допускаемого лордом Кельвином, и временем, которое считали необходимым эволюционисты, было устранено только после открытия явления радиоактивного распада, а вместе с тем и нового источника тепла для Солнца - источника, который даст возможность Солнцу светить миллиарды лет. Радиоактивный распад некоторых тяжелых элементов, например урана, можно использовать в качестве геологических часов; это сделало возможным развитие методов радиометрического датирования и создания для Земли шкалы абсолютного времени. На рис. 2-1 показана принятая в настоящее время корреляция между шкалами относительного и абсолютного времени.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-1. Разнообразие иглокожих на протяжении геологического времени. Каждая группа представляет собой отдельный класс. Время жизни каждого класса показано длиной соответствующей линии. Пять крупных групп - Echinoidea (морские ежи), Holothuroidea (голотурии), Crinoidea (морские лилии), Asteroidea (морские звезды) и Ophiuroidea (змеехвостки) дожили до настоящего времени. Разнообразие группы в каждый данный период показано толщиной соответствующей линии. Предполагаемые родственные связи между классами изображены прерывистыми линиями. (Paul, 1977; с изменениями).


Изложение теории и практики метода радиоактивного датирования выходит за рамки этой книги, однако необходимо указать на один его недостаток: большую часть ископаемых остатков нельзя датировать непосредственно. Методы датирования применимы только к магматическим породам. Границы распространения ископаемых остатков во времени обычно определяют, отыскивая такие примеры, в которых слои осадочных пород, содержащие ископаемые остатки, заключены между слоями магматических пород, возраст которых поддается определению. При благоприятных обстоятельствах возраст ископаемых остатков удается определить довольно точно. Хорошим примером служит сделанная Гиллом (Gill) и Коббаном (Cobban) корреляция прекрасной серии руководящих ископаемых из позднемеловых сланцев Пьер (шт. Вайоминг) с определениями абсолютного возраста пластов вулканического пепла, переслаивающихся со сланцами. В этой работе была определена скорость эволюции для большой последовательности сменяющих друг друга видов аммонитов. Среднее время жизни вида, как показано в этой работе, составляет около 0,5· 106 лет.

Происхождение многоклеточных организмов

В своей книге «Феномен человека» Тейяр де Шарден (Teilhard de Chardin) пишет по поводу одной из самых трудных загадок палеонтологической летописи - внезапного появления новых организмов: «Начальные стадии обладают досадной, но неизбежной хрупкостью, которую необходимо иметь в виду всем, кто занимается историей». Хрупкость начальных стадий и трудность их выявления, несомненно, обусловлены отчасти разрушительными воздействиями времени, постепенно уничтожающими палеонтологическую летопись. Однако становится все более ясно, что дело не только в этом. Внезапные появления новых форм - не просто артефакты. Эволюции несвойственно плавное и безмятежное течение. Скорости эволюции подвержены резким изменениям, причем многие важные и даже революционизирующие изменения в морфологии возникли за сравнительно короткое время, а, кроме того, в эволюции происходили и качественные сдвиги.

Палеонтологическая летопись первых четырех пятых истории жизни резко отличается от последней пятой ее части, в которой в изобилии содержатся остатки многоклеточных организмов. Почти на всем протяжении бесконечно долгого докембрия эволюция происходила главным образом на клеточном и биохимическом уровнях. К сожалению, у нас нет данных о самых ранних событиях, связанных с возникновением жизни и появлением наиболее примитивных организмов. Прокариотические клетки, по-видимому, уже существовали 3,4-3,0 · 109 лет назад, поскольку в породах этого возраста найдены ясные следы жизни и древнейших ископаемых бактерий.

Прокариоты - клетки, не имеющие ограниченного мембраной ядра, - господствовали на протяжении большей части докембрия. Это была эра бактерий и сине-зеленых водорослей, метаболически активных, но однообразных. Тем не менее именно от некоторых прогрессировавших прокариот произошли первые ядерные клетки - эукариоты. Самые древние эукариоты возникли, по-видимому, примерно 1,3 · 109 лет назад и были представлены по большей части простыми шарообразными и нитевидными водорослями. Однако среди них были и удивительные макроскопические формы - лентовидные водоросли, описанные Уолтером (Walter) и его сотрудниками. Определение времени возникновения эукариот на основании палеонтологической летописи затруднительно, так как критериев, с помощью которых можно было бы отличать самых ранних эукариот от прокариот, немного и в некоторых случаях они вызывают возражения. Шопф (J. W. Schopf) составил список ряда критериев, основанных на величине, форме и морфологической сложности ископаемых клеток. Среди структур, интерпретируемых как эукариоты, есть ветвящиеся нити с внутренними поперечными перегородками, сложные (например, бутылеобразные) микроископаемые, крупные цисты водорослей, клетки, содержащие плотные тельца, напоминающие остатки органелл эукариотических клеток, и тетрады клеток или спор, вероятно представляющие собой продукты мейоза. По мнению Шопфа, эти тетрады служат указанием на возникновение у эукариот пола примерно 0,9 · 109 лет назад. К сожалению, принадлежность некоторых из этих структур эукариотическим клеткам вызывает сомнение, поскольку эксперименты, проведенные Ноллом и Баргхорном (Knoll, Barghoorn) на культурах ныне живущих сине-зеленых водорослей, показали, что в дегенерирующих клетках этих водорослей появляются образования, напоминающие органеллы. Браун (Brown) и Болд (Bold), а также Элер (Oehler) и его сотрудники нашли сине-зеленые водоросли, образующие тетрады, не имеющие отношения к мейозу. При интерпретации таких трудных объектов, как ископаемые клетки, известная доля скептицизма уместна, однако мы, вероятно, имеем основания признать, что формация Биттер-Спрингс возрастом 0,9-109 лет, описанная Шопфом, содержит скопление разнообразных эукариот и что общие черты организации эукариотических клеток к этому времени уже вполне определились.

Одна из выдающихся особенностей организации эукариотической клетки - это наличие в ней окруженных мембранами органелл - митохондрий и хлоропластов, содержащих небольшие собственные ДНК-геномы и синтезирующих ограниченное число собственных белков. Эти геномы, которые имеют жизненно важное значение для сборки и функционирования органелл и для выживания клетки в целом, возникли на ранних этапах истории эукариот. Рэф (Raff) и Малер (Mahler) предложили механизм, с помощью которого они могли развиться. Главные последствия эволюции геномов у органелл эукариот заключались в том, что наличие в пределах одной клетки нескольких геномов сделало необходимой эволюцию механизмов, регулирующих и координирующих их функциональные взаимодействия. Геномы органелл контролируются ядерным геномом, и их деятельность координирована с деятельностью ядерных генов. Ядерные геномы таким образом могут взаимодействовать с другими связанными с ними геномами. Это, возможно, оказалось одной из решающих преадаптаций к развитию многоклеточной организации, которая требует координации между геномами разных клеток данного организма.

Большая часть генетических и молекулярных механизмов, необходимых для развития и дифференцировки многоклеточных организмов, возникла в процессе эволюции одноклеточных эукариот. На существование такой преадаптаций указывают многочисленные независимые попытки перехода к многоклеточности в разных группах эукариот. В своей книге «Эволюция развития» Дж. Боннер (J. Bonner) перечисляет по крайней мере десять таких попыток, результаты которых до сих пор сохранились в виде живых организмов. Проблема многоклеточности решалась по-разному. У слизевиков скопления независимых амебоидных клеток образуют многоклеточную репродуктивную фазу. Вольвокс - зеленая водоросль, состоящая из нескольких тысяч клеток, - обладает единственным в своем роде планом строения, сложным типом развития, и линия соматических клеток обособлена у нее от зародышевой линии. В процессе эволюции независимо возникли координированные и высокодифференцированные многоклеточные формы - растения, грибы, губки и животные.

Радиация многоклеточных животных впервые произошла в конце докембрийской эры. Остатки первых мягкотелых Metazoa сохранились в породах возрастом 0,7-0,6 · 109 лет в Австралии, Канаде, Англии и Южной Африке. Эта фауна получила название эдиакарской по местности в Австралии, где были обнаружены ископаемые наилучшей сохранности. Причины, вызвавшие радиацию Metazoa, и время, когда она происходила, породили множество спекуляций, поскольку фактических данных, которые сдерживали бы воображение, очень мало. Эукариоты уже существовали в течение нескольких миллионов лет, прежде чем появились первые известные нам Metazoa. Этот промежуток времени, возможно, понадобился для эволюции механизмов, необходимых для возникновения многоклеточности. Но столь же вероятно, что эти механизмы уже существовали задолго до эволюции Metazoa и что радиация последних стала в конечном счете возможной благодаря экологическим изменениям, произошедшим в конце докембрийской эры.

Одна серьезная возможность, которую выдвинули Беркнер (Berkner) и Маршалл (Marshall), состоит в том, что только в позднем докембрии содержание свободного кислорода в среде достигло такого уровня, при котором могли существовать Metazoa. Обсуждению подверглись также некоторые биохимические следствия, вытекающие из этой гипотезы. Тауе (Towe) высказал мнение, что до тех пор, пока содержание кислорода в среде не достигло достаточно высокою уровня, животные вырабатывали слишком мало коллагена, для синтеза которого необходим молекулярный кислород; поэтому тело их оставалось мягким, а размеры небольшими. Рэф и Рэф (Raff, Raff) показали, что при низком напряжении кислорода примитивные Metazoa, у которых снабжение тканей кислородом происходило путем диффузии, должны были быть ограничены в отношении своей толщины и сложности строения, а Клауд (Claud) отмечает, что животные, составляющие эдиакарскую фауну, подтверждают эту гипотезу. У некоторых червей, относящихся к эдиакарской фауне, распластанное тело занимало довольно большую площадь, будучи при этом чрезвычайно тонким и мягким. Возникновение циркуляторных систем, способных переносить кислород к тканям, стало возможным только после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло такого уровня, при котором дыхательные белки с различным сродством к кислороду могли передавать его по цепи, такой как цепь гемоглобин-миоглобин-цитохром, найденная у многих животных. Лишь после этого могло произойти замещение эдиакарских «призраков» организмами с более массивными телом и наружным скелетом.

С другой стороны, Стенли (Stanley) указал на то, что в докембрии преобладали экосистемы с одним трофическим уровнем, отличавшиеся малым разнообразием и состоявшие главным образом из сине-зеленых водорослей. Разнообразие было ограничено, потому что несколько видов водорослей наилучшим образом использовали доступное пространство и ресурсы, исключая все другие виды. Возникновение в процессе эволюции первых растительноядных форм означало, что разнообразие уже не могло контролироваться конкурентным исключением, так что стало возможным большее разнообразие продуцентов. Это в свою очередь привело к увеличению числа ниш для растительноядных форм и создало возможность для появления плотоядных организмов, а тем самым и нескольких трофических уровней. По мнению Стенли, такими экологическими первопроходцами были простейшие, но затем появление новых экологических ниш вызвало «взрывные скорости эволюции», что привело к возникновению многоклеточности.

События, происходившие на самом деле, затеряны в прошлом, но одно, по-видимому, ясно, и это отражается в гипотезах происхождения Metazoa. Радиация многоклеточных животных началась спустя значительное время после возникновения эукариот, однако, начавшись, она происходила быстро. Возникновение разнообразных и сложных морфологии, типов развития и всех основных тканей совершилось самое большее за те 200 млн. лет, которые разделяют одноклеточных эукариот формации Биттер-Спрингс, существовавшей 0,9 · 109 лет назад, и Metazoa эдиакарской фауны, возраст которой равен 0,7-109 лет.

Эдиакарскую фауну подробно изучал Глеснер (Glaessner); она целиком состоит из бесскелетных форм, среди которых преобладают кишечнополостные и кольчецы, но содержит также очень примитивных членистоногих и, возможно, одно иглокожее. В целом в ней представлены семь классов, принадлежащих к четырем типам. Среди других Metazoa одного возраста с эдиакарской фауной можно назвать маленькую коническую раковину, возможно принадлежащую моллюску из верхнего докембрия Калифорнии, описанному Тейлором (Taylor), и два других описанных Журавлевой организма из верхнего докембрия СССР, систематическое положение которых неясно. Хотя не менее пяти типов Metazoa впервые были найдены в верхнем докембрии, обильная фауна Metazoa появилась, в сущности, в нижнекембрийских отложениях, где стали часто встречаться животные с хорошо сохраняющимися твердыми частями. Симпсон (Simpson) описал из нижнего кембрия 12 классов, относящихся к 8 типам, а позднее Стенли (Stanley) выделил в этих же типах 18 классов. К середине кембрийского периода число типов, представленных и в современной фауне, по данным Валентайна (Valentine), достигло 12. Как полагают Конвей (Conway), Морис (Morris) и Уитингтон (Whittington), некоторые другие своеобразные животные, обнаруженные в среднекембрийских сланцах Берджес в Британской Колумбии, принадлежат к 10 типам, которые целиком вымерли, возможно, вследствие неудачного плана строения, возникшего в период бурной первоначальной радиации многоклеточных животных. В кембрии появилось много очень сложно организованных животных: иглокожие; трилобиты и другие членистоногие; замковые и беззамковые брахиоподы; несколько классов моллюсков, в том числе головоногие; все они были представлены довольно разнообразными формами, а их предки установлены не были.

О быстроте, с которой происходили глубокие эволюционные изменения в ранний период возникновения Metazoa, можно судить на примере эволюции иглокожих, богатая палеонтологическая летопись которых хорошо изучена и может служить моделью для обсуждения основных проблем эволюционной теории, порождаемых этой летописью. У ныне живущих иглокожих наблюдается несколько четко различающихся планов строения, причем все они подчинены пятилучевой симметрии. Среди современных иглокожих можно назвать хорошо известных морскую звезду и морских ежей, а также менее знакомых нам голотурий и морских лилий. В настоящее время существует пять классов иглокожих, однако древние иглокожие отличались большим разнообразием.

Пауль (Paul) перечисляет 15 классов, известных из кембрийских отложений, и 19 классов - из ордовика. На рис. 2-1 показано изменение разнообразия иглокожих с течением времени. В позднем докембрии существовал один возможный их представитель - Tribranchidium. В раннем кембрии было уже четыре класса иглокожих, а к ордовику разнообразие их быстро возрастало. Затем некоторые их классы стали вымирать, по мере того как они вытеснялись экспансией других более преуспевающих классов иглокожих.

В связи с историей иглокожих в том виде, в каком она нам известна, возникают три крупные эволюционные проблемы. Первая - это отсутствие каких-либо форм, которые можно было бы считать их предками. Иглокожие появляются в палеонтологической летописи, уже обладая всеми основными характерными для этого типа признаками, которые к тому же четко выражены. Вторая проблема - отсутствие переходных форм между классами. Родственные связи, показанные на рис. 2-1 прерывистыми линиями, весьма гипотетичны. Животные, изображенные на рис. 2-2, сходны по основным чертам строения, что и позволило отнести их к одному типу, однако во всем остальном даже самые древние классы иглокожих сильно отличаются друг от друга по своей морфологии.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-2. Четыре представителя иглокожих из нижнего палеозоя (Durham, Carter, 1963; Parsley, Mintz, 1975; Ubaghs, 1971; MacBride, Spencer, 1938). А. Геликоплакоидея. Б. Паракриноидея. В. Стилофора. Г. Примитивная эхиноидея. Все эти формы были построены из кальцитных пластинок и обладали амбулакральной системой. В остальном они сильно различались как по типу симметрии, так и по общему строению. У геликоплакоидеи имелся спирально закрученный амбулакральный канал; у паракриноидеи - два таких канала, снабженные ножками; у стилофоры - один канал, проходящий по ее «руке», а у эхиноидеи - пять каналов.


Среди ранних иглокожих были классы, отличавшиеся по плану строения тела от всех ныне живущих форм. Все они построены из характерных кальцитовых пластинок и, судя по наличию у них амбулакров, обладали чрезвычайно своеобразной системой наполненных водой сосудов, имеющейся у ныне живущих иглокожих. Амбулакры служили местами прикрепления поверхностных придатков, связанных с системой сосудов и служивших для захватывания пищи, передвижения и дыхания, подобно амбулакральным ножкам ныне живущих игло кожих. Однако на этом семейное сходство кончалось. Мы привыкли к тому, что для иглокожих характерна пятилучевая симметрия, потому что все современные и большинство ископаемых форм обладают этой симметрией, однако у некоторых древних форм, таких как геликоплакоидеи, ктеноцистоидеи и паракриноидеи, в остальном несходных между собой, обнаружено асимметричное расположение частей тела, наложенное на примитивную билатеральную симметрию. Геликоплакоидеи построены из пластинок, расположенных по спирали; предполагается, что они были погружены в плотный интегумент, образуя своего рода гибкую спиральную кольчугу. Единственный раздвоенный амбулакральный канал закручен вокруг тела. Другие очень древние иглокожие также не обладают радиальной симметрией, а в некоторых случаях совершенно асимметричны. Наиболее загадочные из них это, вероятно, стилофоры. Они покрыты прочным панцирем из крупных пластинок, расположенных без всякой симметрии, и снабжены шиловидным выростом, который был, по-видимому, подвижным и который Убагс (Ubaghs) назвал аулакофором; как считает Убагс, этот вырост находился на ротовом конце животного и был связан с питанием. В отличие от этого Джефрис (Jefferies) на основании ряда особенностей внешнего и внутреннего строения стилофор считает их одним из подклассов хордовых, которому он дал название Calcichordata; у стилофор имелся сложный мозг, но они были родственны иглокожим. По мнению Джефриса, их аулакофор и амбулакр превращаются у Calcichordata в хвост с заходящей в него хордой. Гомостелии и один или два других класса также не имеют ясно выраженной симметрии. Остальные известные классы обладают радиальной симметрией, чаще всего пятилучевой. Исключение составляет известный Tribrachidium с его трехлучевой симметрией вместо пятилучевой. Эта любопытная форма и роль, которую она сыграла в изучении эволюции симметрии у иглокожих, подробно рассматривается в гл. 5.

Третья проблема касается скоростей эволюции. Эволюция ныне живущих классов иглокожих была весьма консервативной. Морские лилии, голотурии, морские звезды и морские ежи, явно сходные с существующими в настоящее время, возникли в ордовике, который окончился 450 млн. лет назад. Согласно данным в «The Fossil Record», большая часть ныне живущих отрядов морских лилий появилась в триасе и юре, так же как и большинство современных семейств правильных морских ежей, т.е. все они существуют уже почти 200 млн. лет. Несколько семейств неправильных морских ежей возникли в юре, но большая их часть моложе и появилась в меловом или третичном периоде. В других классах иглокожих имеются даже еще более древние отряды и семейства, дожившие до наших дней. Грубо говоря, третья часть семейств голотурий (класс Holothuroidea) возникла в девоне или раннем карбоне (примерно 350-400 млн. лет назад), а остальные - в юре. Единственный сохранившийся отряд из Somasteroidea существует с раннего ордовика, т.е. почти 500 млн. лет. Некоторые отряды морских звезд (класс Asteroidea) появились в ордовике, а большинство других - в ранней юре. Среди офиур (класс Ophiuroidea) есть ныне живущие подотряды, появившиеся в ордовике, силуре, девоне и юре.

И все же мы видим перед собой классы, в корне различающиеся по планам строения и возникшие уже при первой радиации иглокожих. Быть может, иглокожие имеют чрезвычайно длительную историю, не запечатленную в палеонтологической летописи и начавшуюся сотни миллионов лет назад, еще в докембрии, так что они такие же древние, как и первые ископаемые одноклеточные эукариоты. Такое предположение представляется маловероятным. Скорее, можно предположить, что первые иглокожие в позднем докембрии эволюционировали очень быстро, выработав целый спектр более или менее удачных планов строения. Последующая эволюция состояла в закреплении отдельных планов строения и возникновении разнообразия в пределах каждого из них.

Разрывы, недостающие звенья и эволюционные механизмы

Отсутствие предковых форм или форм, промежуточных между отдельными ископаемыми видами, не является некой странной особенностью ранней истории Metazoa. Разрывы представляют собой общее явление и встречаются по всей палеонтологической летописи. Дарвина смущало отсутствие в палеонтологической летописи непрерывного ряда промежуточных в эволюционном отношении форм, поскольку, согласно его теории, наличия таких переходных форм следовало ожидать: «...в таком случае число существовавших когда-то промежуточных разновидностей должно быть поистине огромным. Почему же тогда каждая геологическая формация и каждый слой не переполнены такими промежуточными звеньями?» В «Происхождении видов» Дарвин затратил много усилий, пытаясь ответить на этот вопрос и дать ему рациональное объяснение. Он выдвинул три основные причины. Первая из них - неполнота палеонтологической летописи. Разрывы вызваны полным уничтожением ископаемых остатков в результате эрозии и других процессов или же несохранением когда-то существовавших промежуточных форм.

Вторая причина состоит в искажении летописи таксономическими артефактами, создаваемыми самими исследователями. Интерградирующим формам иногда присваивают видовые названия, затемняя таким образом их переходный характер. Современные статистические и стратиграфические методы позволяют избегать таксономических артефактов. Здесь уместно, однако, привести один важный пример. До недавнего времени покрытосеменные из меловых отложений относили к современным родам на основании формы листьев; в результате возникновение современных родов цветковых растений представлялось более внезапным, чем это было на самом деле, о чем свидетельствуют новые исследования морфологии ископаемых листьев и цветков, как это обсуждается в работах Дильхера (Dilcher).

Третья причина, по Дарвину, заключается в том, что разрывы могут быть следствием природы самого эволюционного процесса. Эволюционные превращения, согласно Дарвину, вероятно, обычно происходили в небольших географически ограниченных популяциях, после чего новая форма быстро распространялась по более обширному ареалу предкового вида, или «...период, в течение которого каждый вид претерпевал модификации, хотя он длителен, если измерять его в годах, был, возможно, невелик по сравнению с тем периодом, в течение которого он не претерпевал никаких изменений». Локальные или быстро эволюционирующие популяции лишь в редких случаях могут сохраниться в палеонтологической летописи.

Палеонтологическая летопись очень необъективна. В некоторых обстановках, таких как мелководные морские бассейны, образование отложений, содержащих ископаемые остатки, более вероятно, чем в других, таких как горные хребты. Некоторые организмы сохраняются лучше, чем другие. Например, моллюски, позвоночные и иглокожие очень хорошо представлены в палеонтологической летописи, насекомые представлены в ней довольно слабо, а от планарий и нематод, чрезвычайно широко распространенных в современных фаунах, практически не осталось следов. Однако разрывы существуют даже в палеонтологической летописи тех типов, история которых отражена в ней очень хорошо.

В 1959 г., в статье, посвященной столетию дарвиновского «Происхождения видов», Симпсон (G. G. Simpson) писал, что, несмотря на продолжавшееся все это время интенсивное изучение ископаемых форм и многочисленные их находки, известная нам часть палентологическои летописи дает лишь очень слабое и неадекватное представление о существовавшей в прошлом жизни. Симпсон привел результаты очень интересного «бумажного эксперимента», который он проделал, чтобы выяснить возможные последствия неполноты летописи. Эксперимент состоит в следующем: берут случайную выборку, содержащую 10% видов, относящихся к гипотетическому филогенетическому древу, которое состоит из нескольких семейств, делящихся на ряд родов, подразделяющихся в свою очередь на многочисленные виды. Виды, включенные в выборку, отображают неполноту палеонтологической летописи. Эти «найденные» виды распределяют по родам и семействам, как если бы они были настоящими ископаемыми остатками. Как и можно было ожидать для небольшой случайной выборки, большая часть попавших в нее видов никак не была связана друг с другом, так что лишь в нескольких случаях удалось построить непрерывный ряд видов, представляющих собой прямую последовательность от предков к потомкам. Средняя длина разрывов (число отсутствующих «неизвестных» видов между «найденными» видами) возрастает с повышением таксономического ранга, так что между всеми обнаруженными семействами получаются разрывы, соответствующие большому числу видов. Получилась картина, сходная с настоящей палеонтологической летописью, где разрывы между группами высших таксономических рангов наблюдаются всегда и обычно бывают велики.

Ввиду близкого соответствия характера разрывов, обнаруженных в этом эксперименте, и разрывов, действительно наблюдаемых в палеонтологической летописи, Симпсон пришел к заключению, что палеонтологическая летопись представляет собой небольшую случайную выборку из первоначально непрерывных филогенетических последовательностей. Исходя из этого постулата, Симпсон сделал ряд предсказаний.

1. Ископаемые остатки, относящиеся к крупному разрыву, должны обнаруживаться лишь в очень редких случаях. Наилучшим примером такого рода служит археоптерикс, так хорошо заполнивший разрыв между рептилиями и птицами.

2. Ряды последовательных родов должны встречаться чаще, чем ряды последовательных видов. Это объясняется тем, что в выборки попадают преимущественно представители крупных широко распространенных видов. Однако в отличие от «бумажного эксперимента», в котором вероятность попасть в выборку была одинакова для всех видов, в реальных родах частота мелких локализованных видов может оказаться выше. Но, хотя виды, образующие многочисленную популяцию, имеют больше шансов сохраниться в палеонтологической летописи, вероятность дать начало новому роду для них не выше, чем для видов с малочисленной популяцией. В таких случаях нам будут известны последовательные роды, но лишь по видам, которые сами не укладываются в прямую последовательность.

3. Некоторые крупные таксоны будут вновь обнаруживаться после долгого отсутствия. Наилучшим известным примером этого служит одна из ветвей кистеперых рыб - Coelacanthidae. Последние ископаемые целаканты относятся к меловому периоду, однако вблизи побережья Мадагаскара до сих пор процветают ныне живущие представители этой группы. Другие таинственные долгожители - это Neopilina - единственный современный представитель моллюсков класса Monoplacophora, последний раз обнаруженного в палеонтологической летописи в силурийских отложениях, и Platasterias - представитель подкласса Somasteroidea (иглокожие), последний раз найденного среди девонских ископаемых остатков. Появление этих классов после их отсутствия на протяжении 300 или 400 млн. лет свидетельствует о степени несовершенства палеонтологической летописи и, по-видимому, подтверждает справедливость точки зрения Симпсона о том, что разрывы могут быть результатом случайностей, связанных со сбором материала и его сохранностью.

В 1972 г. Элдридж и Гулд (Eldredge, Gould) высказали мнение, что нельзя относить за счет неполноты все разрывы палеонтологической летописи, потому что даже у тех видов, которые встречаются в ней в течение длительных периодов времени, обычно не наблюдается постепенных эволюционных изменений в одном направлении и они остаются, по существу, неизмененными на протяжении всей своей истории. Виды-потомки часто появляются внезапно, создавая ясно выраженную прерывистость. Эти авторы полагают: «Если новые виды возникают очень быстро как небольшие периферически изолированные локальные популяции, то в таком случае надежды обнаружить последовательные ряды незаметно переходящих друг в друга ископаемых остатков несбыточны. Новый вид развивается не в той области, где обитали его предки; он возникает не в результате медленного превращения всех своих предшественников. Многие разрывы палеонтологической летописи отражают то, что имело место в действительности». Таким образом, «большинство эволюционных изменений в морфологии происходит в течение времени, короткого по сравнению с общей продолжительностью существования видов». Если для Дарвина это было лишь одной из ряда возможных причин существования разрывов, то Элдридж и Гулд считали это главной его причиной. Процесс эволюции осуществляется не путем постепенного изменения всей видовой популяции. Сначала происходит быстрое изменение небольшой периферической популяции, отделенной от основной. Это эволюционное изменение сопровождается видообразованием. В дальнейшем в какой-то период этот новый вид может распространиться и заместить основную популяцию предкового вида по всему его ареалу. Исследователю, изучающему палеонтологическую летопись, такая последовательность событий покажется внезапным разрывом: виды-потомки возникают без всяких признаков эволюционного перехода от своих предковых видов. Это не означает, что переходных форм не существовало, что эволюция совершается скачками; это лишь значит, что переходные популяции имели низкую численность, что они существовали недолго и что их географическое распространение было ограничено небольшой областью на окраине ареала основной предковой популяции. Поэтому у них было мало шансов сохраниться в виде ископаемых остатков.

Рассуждая таким образом, Элдридж и Гулд смогли связать разрывы, столь многочисленные в палеонтологической летописи, с современными концепциями, согласно которым аллопатрическое видообразование, затрагивающее мелкие локальные популяции, представляет собой обычный способ видообразования и может происходить очень быстро. Скорости и способы видообразования будут рассмотрены в гл. 3 после более исчерпывающего рассмотрения всего спектра типов эволюционных скоростей и их механистических взаимоотношений.

Хотя модель Элдриджа и Гулда теоретически приемлема и согласуется с существованием разрывов, наличие в палеонтологической летописи разрывов или стабильных видов в промежутках между разрывами никоим образом не доказывает ее правильности. Прерывистая эволюция обладает известным сходством с детективным романом. Все интересные события скрыты от глаз, они происходят «за сценой», в ускользающих от наблюдения периферических популяциях. Необходимы реальные примеры прерывистой эволюции. Это тем более необходимо, что если даже модель Элдриджа и Гулда верна и соответствует преобладающему или даже обычному способу эволюции, то палеонтологическая летопись тем не менее остается несовершенной и последствия этого несовершенства, на которые указал Симпсон, сохраняют силу. Вероятный пример прерывистой эволюции описала Овчаренко (1969), изучавшая эволюцию двух обычных и широко распространенных видов юрских брахиопод - Kutchithyris acutiplicata и происходящего от него К. euryptycha. Стратиграфически К. euryptycha встречается выше К. acutiplicata. В одной ограниченной местности Овчаренко нашла пласт толщиной 1,0-1,5 м, в нижней части которого содержались только К. acutiplicata, а в верхней-только К. euryptycha. Однако между этими двумя частями была тонкая (толщиной 10 см) прослойка, в которой присутствовали оба вида, а также промежуточные формы. В статье, опубликованной в 1972 г., Элдридж и Гулд привели два примера из своих собственных исследований, подтверждающие их гипотезу. Эти примеры интересны не только потому, что они относятся к реальным линиям (последовательным рядам) ископаемых, интерпретируемых с точки зрения прерывистой эволюции, но также потому, что они позволяют обсудить возможные эмбриогенетические основы наблюдаемых эволюционных изменений.

Первый пример, изучавшийся Гулдом, это эволюция Poecilozonites bermudensis zonatus - наземной улитки, относящейся к последним 300 000 лет плейстоцена Бермудских островов. Ископаемый подвид превосходно сохранился, а кроме того, имеется ныне живущий подвид, с которым его можно сравнивать. Две длительно существовавшие восточная и западная популяции P. b. zonatus дали начало педоморфным ветвям. Педоморфозом называют сохранение у половозрелых животных признаков, характерных для ювенильных стадий их предковых форм. Раковины взрослой стадии ггедоморфного подвида сходны с раковинами юной стадии предкового подвида по типу окраски, общей форме спирали, толщине раковины и форме губы устья. На основе подробного изучения географических, стратиграфических и морфологических характеристик педоморфных подвидов Гулд считает, что они не относятся к одной непрерывной педоморфной линии. По его мнению, дело обстояло иначе: исходные популяции P. b. zonatus дали начало нескольким последовательным педоморфным линиям в ответ на периодически повторяющиеся изменения условий среды, приведшие к образованию почв, бедных известью, которые благоприятствовали тонким раковинам ввиду низкого содержания в них кальция. Такие линии возникали быстро, а наиболее доступным путем к тонким раковинам был педоморфоз.

Если Гулд правильно интерпретировал эти данные, то интересно отметить, что генетические изменения, необходимые для такой модификации развития какого-либо организма, которая бы привела к педоморфозу, по-видимому, минимальны. В наиболее хорошо изученном примере педоморфоза - у хвостатых амфибий рода Ambystoma - генетической основой для определения того, пойдет ли развитие данной особи по пути метаморфоза или педоморфоза, служит пара аллелей одного гена (см. гл. 6). Если допустить, что аналогичная регуляция имеет место в развитии брюхоногих моллюсков, то первоначальное генетическое изменение, направившее их эволюцию по пути педоморфоза, могло произойти в небольшой популяции очень быстро.

Вторым примером, представленным Элдриджем и Гулдом, была эволюция подвидов среднедевонскою трилобита Phacops rana (рис. 2-3), которую изучал Элдридж. Очень крупные глаза Phacops состоят из многочисленных крупных дискретных фасеток, расположенных рядами, тянущимися в дорсовентральном направлении. Главные эволюционные изменения, наблюдаемые у подвидов Р. rana, - это уменьшение числа таких дорсовентральных рядов от 18 у самого древнего подвида до 17, а в дальнейшем - до 15 у более молодых подвидов. В пределах отдельных подвидов число рядов обычно оставалось стабильным, хотя обнаружены популяции, у которых оно варьировало. Различия в числе рядов между разными подвидами носят характер внезапных разрывов, где прежнее число рядов сменяется новым стабильным их числом. Элдридж считает, что эти события происходили аллопатрически в периферических популяциях. Последующее распространение нового подвида с числом рядов, стабилизировавшимся на новом уровне, было внезапным, если иметь в виду характер его отражения в палеонтологической летописи.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-3. Девонский трилобит Phacops и организация фасеток в его глазу. У этого подвида, P. rana crassituberculata, имелось 18 дорсовентральных рядов фасеток (Levi-Setti, 1975).


При такой интерпретации не возникает никаких генетических проблем, потому что, хотя можно было бы думать, что генная регуляция такого сложного признака, как число рядов фасеток в глазу, должна быть также сложной, это на самом деле не так. Непосредственное изучение генетики трилобитов, к сожалению, исключено, но исследование регуляции таких меристических признаков, как число щетинок у дрозофилы или число пальцев у млекопитающих, показывает, что в их регуляции участвует лишь небольшое число генов (локусов) (см. гл. 5). Так, например, замещение нескольких аллелей у морских свинок вызывает у них скачкообразные изменения числа пальцев. Если число рядов фасеток у Phacops регулировалось аналогичным образом, то замещение аллелей, а тем самым изменение числа рядов фасеток могло произойти в результате эффекта основателя, возникшего в небольшой популяции. Необходимое для этого генетическое изменение очень невелико и (в геологическом масштабе времени) могло произойти мгновенно. Скромные размеры генетического изменения, которое, вероятно, потребовалось для того, чтобы произошли морфологические преобразования, отмеченные у Poecilozonites и Phacops, не означают, что подобные события незначительны. Напротив, «легкие» генные изменения могут послужить быстрым начальным стимулом для дальнейших генетических изменений в эволюционирующей популяции.

В 1977 г. Гулд и Элдридж пересмотрели гипотезу прерывистой эволюции в свете результатов палеонтологических исследований, проведенных после того, как в 1972 г. была опубликована созданная ими модель. Они смогли привести ряд случаев, относящихся к радиоляриям, аммонитам, трилобитам и даже гоминидам, для которых объяснение на основе прерывистой эволюции представляется наиболее вероятным. По их мнению, лишь одно исследование - работа Озавы по эволюции одной фораминиферы из перми - представляет собой несомненный пример постепенной эволюции целой популяции. Букштейн (Bookstein), Гингерих (Gingerich) и Клюге (Kluge) горячо оспаривали некоторые из примеров, приводимых Гулдом и Элдриджем: проделанный ими повторный анализ данных Гингериха об эволюции некоторых эоценовых млекопитающих привел их к выводу, что в 12 случаях эти данные свидетельствуют о постепенном изменении, в 4х - о прерывистости и в одном - о застое. Подобным же образом Кронин (Cronin) недавно проанализировал имеющиеся данные об эволюции гоминид и пришел к заключению, что эволюцию человека можно с большим основанием интерпретировать как постепенную, с периодами, когда развитие ускорялось, и периодами, когда оно замедлялось. Концепция прерывистости, возможно, остается пригодной для объяснения исходной дивергенции гоминид от человекообразных обезьян. Различия между человеком и шимпанзе, обнаруженные на молекулярном уровне, свидетельствуют в пользу быстрой дивергенции, однако в настоящее время соответственные палеонтологические данные отсутствуют.

Для того чтобы с уверенностью утверждать, что эволюция данной линии организмов была прерывистой, необходимо располагать непрерывными палеонтологическими данными за длительное время, которые позволили бы распознать как периоды застоя, так и периоды быстрой эволюции, причем необходимо иметь возможность точно датировать (по абсолютной шкале) короткие интервалы в пределах этой последовательности. Эти условия были соблюдены в недавнем подробном исследовании эволюционной истории кайнозойских пресноводных моллюсков из Турканского бассейна (Восточная Африка), проведенного Уильямсоном (P. G. Williamson). Уильямсон изучил тысячи ископаемых остатков, относящихся к 13 линиям брюхоногих и двустворчатых моллюсков из мощной толщи осадочных пород, прослоенных вулканическими туфами точно установленного возраста. Многие из этих видов оставались неизменными на протяжении нескольких миллионов лет, и ни в одной линии не наблюдалось постепенных морфологических изменений. Вместо этого в периоды стрессовых ситуаций, возникавших в результате усыхания озера, в котором они обитали, относительно быстро появлялись новые виды. В периоды таких стрессов эти моллюски были, возможно, изолированы от других представителей своего вида, населявших другие озера. Стратиграфические данные Уильямсона были достаточно точны, а его коллекции ископаемых экземпляров достаточно велики, так что он имел возможность документировать переходные моменты в тех линиях, которые изучал. Он обнаружил, что в промежуточных популяциях изменчивость морфологических признаков была выше, чем в уже сложившихся видах. По его мнению, эта изменчивость вызвана частичным разрушением морфогенетического гомеостаза, что ведет к большему фенотипическому разнообразию и быстрой морфологической эволюции.

Конечно, не возникает сомнений в том, что у моллюсков из Турканского бассейна налицо все признаки прерывистой эволюции - длительные периоды застоя с эпизодическими всплесками относительно быстрого развития. А с какой именно скоростью протекает относительно быстрая эволюция? Согласно Уильямсону, эпизодические всплески занимали от 5 до 50 тыс. лет. Учитывая точность, которая обычно достигается при изучении палеонтологической летописи, этот промежуток времени и в самом деле невелик. Как отметил Джонс (J. S. Jones), обсуждая наблюдения Уильямсона с точки зрения генетики, для самих организмов 5-50 тыс. лет - время немалое. У ныне живущих родичей этих моллюсков время генерации колеблется от шести месяцев до года, т. е. для наблюдавшихся морфологических изменений в среднем потребовалось 20000 поколений. Как указывает Джонс, это эквивалентно тысячелетнему эксперименту на дрозофиле, или селекционному эксперименту на мышах, продолжительностью в 6000 лет, или выведению в течение 40000 лет породы собак или других домашних животных. В обычных селекционных экспериментах резкие морфологические изменения и даже репродуктивная изоляция возникают иногда всего за 20-50 поколений. Моллюски, которых изучал Уильямсон, развивались не особенно быстро, но они хорошо иллюстрируют концепцию прерывистого равновесия.

Полемика, возникшая среди палеонтологов в связи с этой концепцией, занимательна, однако сама гипотеза прерывистости представляется правильной, по крайней мере в некоторых случаях. Как показал Харпер (Harper), прерывистая эволюция и филетический градуализм - это два крайних случая целого спектра возможностей; по-видимому, имели место и тот, и другой. Суть дела, конечно, не в том, исключают ли прерывистость и градуализм друг друга, а в том, приводит ли один из этих способов к количественно более значительной или качественно иной морфологической эволюции, чем другой, и что означают эти выявленные палеобиологами способы эволюции, если рассматривать их в аспекте эмбриогенетических процессов, лежащих в основе морфологической эволюции.

Аммониты - вымершие головоногие, раковины которых были разделены на камеры, подобно раковинам ныне живущих наутилусов, - служат примерами, подтверждающими обе гипотезы. Последовательный ряд аммонитов, показанный на рис. 2-4, эволюционировал на протяжении примерно 3 · 106 лет, и в нем выявляется несколько тенденций: постепенное увеличение, а затем постепенное уменьшение размеров; постепенное свертывание раковины, в результате чего жилая камера постепенно все плотнее прилегает к остальной части раковины; усложнение характера лопастной линии, сменяющееся уменьшением ее сложности и некоторыми качественными изменениями ее формы; и наконец, постепенное усиление, а затем ослабление ребристости. Эти тенденции привели лишь к мелким изменениям как в ту, так и в другую сторону, а многие из них даже ревертировали на протяжении времени существования этого ряда форм.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-4. Эволюционный ряд аммонитов, демонстрирующий изменения размеров раковины, ее формы, ребристости и характера лопастной линии, происходившие на протяжении примерно 3 млн. лет. Над каждой раковиной изображена форма лопастной линии, которая определяет прикрепление стенок газовых камер к внутренней поверхности раковины. Линия позднемеловых аммонитов тянется от самого древнего вида Scaphites preventricosus через S. ventricosus, S. depressus к Clioscaphites montanensis и С. novimexicanus. (Cobban, 1951.)


Совершенно иной набор эволюционных событий изображен на рис. 2-5, где представлено предполагаемое эволюционное происхождение гетероморфных аммонитов от предков с раковиной, закрученной обычным образом, за короткий промежуток времени в позднем триасе. Длительность всего норийского яруса равна примерно 5-10 · 106 лет. Глубокие изменения, показанные на рис. 2-5, занимали лишь ограниченный промежуток времени и происходили гораздо быстрее, чем мелкие постепенные изменения в ряду, показанном на рис. 2-4. Другие группы юрских и меловых аммонитов также дали начало гетероморфам. Эволюция гетероморф с их принципиально различающимися типами закручивания раковины требовала значительной модификации морфогенетических процессов, а между тем создается впечатление, что они были достигнуты довольно быстро.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-5. Быстрая эволюция гетероморфных аммонитов от предков с нормальной раковиной в течение позднего триаса. Длина столбиков соответствует временным границам для каждого рода. Аммониты, которые были свободно плавающими животными, изображены в соответствии с ориентацией их тела при жизни. Типичные аммониты были платиспиральными. Эволюция гетероморфов сопровождалась изменениями характера роста, которые были необходимы для возникновения незакрученных раковин, как у Rhabdoceras, или раковин со спиральными завитками, как у Cochloceras (Weidemann, 1969).


Скорости эволюции можно изучать безотносительно к определенным ее формам (филетическая трансформация всей популяции или же видообразование в результате отделения мелких периферических популяций). Такой подход может оказаться очень информативным, как это становится очевидным при рассмотрении различных скоростей эволюции, сделанном Симпсоном (Simpson) в его книге «Главные черты эволюции», написанной в 1953 г. Симпсон различает три крупные категории скоростей эволюции: горотелические, брадителические и тахителические. К горотелическим относятся скорости, более или менее близкие к средней для данной группы организмов. Горотелия может оказаться эквивалентной градуализму Элдриджа и Гулда. Однако это необязательно, поскольку горотелическая скорость может сложиться в результате усреднения прерывистых событий, происходивших на протяжении длительного времени.

Брадителическими называют скорости морфологической эволюции, близкие к нулю. Всем хорошо знакомо выражение «живое ископаемое» - так называют организм, у которого произошло очень мало явных морфологических изменений за многие миллионы лет, тогда как родственные ему формы претерпели существенную эволюцию. Например, среди ныне живущих приматов имеется несколько очень примитивных представителей полуобезьян (Prosimii), которые не слишком сильно отличаются от своих (и наших) эоценовых предков. Наряду с ними существуют также различные специализированные полуобезьяны; разнообразные формы низших обезьян, более или менее продвинувшихся в своем эволюционном развитии; человекообразные обезьяны; форма, наиболее сильно дивергировавшая от исходного типа, - человек. Ясно, что примитивные ныне живущие полуобезьяны эволюционировали гораздо медленнее как морфологически, так, вероятно, и в отношении поведения, чем та линия гоминид, нынешней гордостью и украшением которой служит Homo sapiens.

Скорости эволюции могут резко изменяться в пределах одной линии. Превосходный пример содержится в работе Уэстола (Westoll) о скорости эволюции двоякодышащих рыб. По данным Уэстола (из книги Симпсона), построены графики, представленные на рис. 2-6. Ископаемым двоякодышащим рыбам были даны оценки, отражающие их близость к ныне живущим двоякодышащим, в зависимости от степени «модернизации» их морфологических признаков. Оценка 100 дана современным признакам, а 0 - самым примитивным. Относительная скорость эволюции определяется как изменение оценки за миллион лет. Эволюция двоякодышащих протекала относительно быстро (для двоякодышащих) в первые 50 · 106 лет истории этой группы, а в дальнейшем шла крайне медленно - так медленно, по сравнению с другими рыбами, что мы можем считать двоякодышащих живыми ископаемыми.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-6. Эволюция морфологических признаков у двоякодышащих. А. Скорость эволюции двоякодышащих. Б. Приобретение «современных» признаков (оценка для современных рыб 100 баллов). (Simpson, 1953; с изменениями.)


Брадителические скорости не означают отсутствия мутаций или отбора; они лишь означают, что отбор благоприятствует незначительному конечному морфологическому изменению или его отсутствию. Анализ степени белкового полиморфизма и генетической гетерозиготности был произведен для одного живого ископаемого - мечехвоста Limulus polyphemus (Selander et al., 1970). Ископаемые остатки подкласса Xiphosura, к которому принадлежит мечехвост, впервые обнаруживаются в среднем кембрии. Ископаемые мечехвосты различаются по местообитаниям (среди них были морские, солоноватоводные и пресноводные формы), что позволяет предполагать их физиологическую пластичность. Тем не менее морфологическая эволюция Xiphosura была достаточно консервативна. Позднепалеозойские, мезозойские и ныне живущие формы сходны по своим общим признакам. Сам Limulus плохо представлен в палеонтологической летописи, содержащей остатки третичных Xiphosura в исчезающе малых количествах. Однако ныне живущие мечехвосты очень сходны с юрским Mesolimulus, который, подобно Limulus, обитал в море; такое сходство свидетельствует об относительно медленной эволюции этой линии. Методом электрофореза был определен полиморфизм по 24 белкам, кодируемым 25 генетическими локусами. Оказалось, что доля полиморфных локусов в популяции мечехвоста сходна с их долей в популяциях мышей, дрозофилы и человека. У отдельных особей мечехвоста доля гетерозиготных локусов также оказалась сходной с их долей у отдельных особей тех видов, с которыми его сравнивали. Таким образом, брадителический мечехвост обладает такой же высокой генетической изменчивостью, как представители групп, эволюционирующих быстрее. Такая изменчивость обнаружена и у других брадителических организмов. В популяциях опоссумов, которые мало изменились после мелового периода, наблюдается такая же морфологическая изменчивость, как и у других млекопитающих. Кроме того, брадителические организмы обладают значительным запасом изменчивости, создающим возможность для видообразования, в некоторых случаях весьма обильного. Например, Selaginella - род растений, который, согласно Филипсу (Phillips) и Лейсману (Leisman), мало отличается по своему общему строению от пенсильванских плауновых (Lycopodiales) Paurodendron и Selaginellites, представлен в современной флоре 200 видами.

Симпсон (Simpson) считает, что брадителия поддерживается у организмов, занимающих адаптивную зону, которая сохраняется на протяжении исключительно долгого времени. Такая зона может быть узкой, и ее может занимать какой-либо хорошо приспособленный к ней организм, вроде двоякодышащих; или она может быть широкой, и тогда ее занимает такой всеядный организм, как опоссум. Существенные изменения, по-видимому, контролируются нормализующим (стабилизирующим) отбором, обеспечивающим сохранение высокой адаптированности. Иногда брадителические организмы дают начало быстро эволюционирующим формам. Это означает, что брадителические организмы обладают генетической пластичностью, благодаря которой они могут ответить на сильное давление отбора, вызывающего отклонения от нормы.

Самые высокие скорости эволюции относятся к третьей и, возможно, наиболее интересной категории - тахителическим скоростям. Симпсон утверждает: «Я считаю, что тахителия - обычный элемент, участвующий в возникновении высших категорий, и что она помогает объяснить пробелы, систематически встречающиеся в палеонтологической летописи». Тахителия сходна с прерывистостью в представлении Элдриджа и Гулда: в основе как той, так и другой концепции лежат исключительно высокие скорости эволюции. Однако Элдридж и Гулд делали упор на модель видообразования, исходящую из популяционной генетики, а Симпсон подходил к тахителии с другой, комплементарной, точки зрения. Он считал, что главное событие, сопутствующее тахителии, - это сдвиг популяции из одной крупной адаптивной зоны в другую.

Когда сдвигающаяся популяция переступает порог для перехода из одной зоны в другую, то это подразумевает, что на время перехода она оказывается в некой метастабильной зоне. В таких обстоятельствах она, вероятно, может выжить только при отсутствии конкуренции, с тем чтобы, будучи плохо приспособленной, она могла удержаться в новой зоне до тех пор, пока не достигнет удовлетворительного уровня адаптации. Таким образом, в ранний период радиации новых групп, распространяющихся в незанятые адаптивные зоны, возможна тахителия. Во время такой быстрой радиации все линии относительно плохо приспособлены и между ними нет конкуренции. В результате, как мы это видели на примере иглокожих, возникают разнообразные линии; одни из них быстро вымирают, тогда как другие линии укрепляют свои позиции в данной адаптивной зоне за счет своих менее удачливых родичей. Трудность достижения быстрых изменений в морфогенетических процессах, необходимых при тахителической эволюции, связана с тем, что, какими бы ни были экологические факторы, способствующие или не препятствующие переходу тахителической популяции из одной зоны в другую, какой бы степени ни достигала допустимая при этом рыхлость его адаптированности к окружающей среде, для того чтобы этот организм мог как-то существовать и размножаться, он должен продолжать оставаться морфогенетически и функционально интегрированным. Или, как это удачно выразил Фразетта (Frazzetta) в своих «Комплексных адаптациях у эволюционирующих популяций»: «Эволюционная проблема заключается, в сущности, в том, как постепенно совершенствовать машину, не прерывая ее работы».

Скорости эволюции

До сих пор мы рассматривали скорости эволюции вообще, не пытаясь определить, какие изменения морфологии за 1 млн. лет соответствуют горотелическим или тахителическим скоростям. Однако из палеонтологической летописи можно извлечь конкретные эволюционные данные, позволяющие в сочетании с достаточно точными измерениями абсолютного времени произвести некоторые количественные оценки скоростей эволюции. Из палеонтологической летописи можно извлечь сведения о трех обширных категориях эволюционных скоростей: скоростях таксономического изменения, скоростях изменения размеров и скоростях изменения формы. Эти скорости, конечно, не независимы друг от друга, но операционально их можно рассматривать по отдельности.

Скорости таксономического изменения наиболее субъективны, потому что отдельные систематики, занимающиеся близкими организмами, могут пользоваться разными критериями при установлении таких категорий, как роды и семейства. «Объединитель» может поместить десять близких видов в один род, а его коллега-«дробитель» отнесется к этому неодобрительно и сочтет, что они принадлежат к трем разным родам. Кроме того, и это более серьезно, систематики, работающие с сильно различающимися группами, неизбежно используют в своей работе очень разные морфологические признаки, термины и критерии. Трудно решить, имеют ли такие таксономические категории, как роды или семейства, одинаковое эволюционное значение при сравнениях организмов, принадлежащих к разным классам или типам со своими особыми планами строения и эволюционными историями. Тем не менее, не упуская из виду эти трудности, можно использовать обширные таксономические данные, добытые из палеонтологии, для оценки скоростей эволюции, особенно среди родственных организмов, или для оценки изменений скорости эволюции в пределах одной линии. Сравнения между неродственными группами более условны, однако таксономию нельзя считать совсем уж произвольной. Одни и те же общие принципы применяются исследователями всех групп, когда они пытаются создать иерархические классификации, отражающие эволюционное родство между разными группами организмов и в пределах отдельных групп.

Таким образом, таксономические категории представляют собой итог произведенных систематиком оценок степени эволюционной дивергенции и отражают уровень морфологических различий между классифицируемыми организмами. При наличии данных об абсолютных возрастах, как это иногда бывает, имеется возможность оценить время, необходимое для достижения существенных морфологических изменений. Эти оценки могут позволить нам выяснить, какая точность определения времени необходима для изучения прерывистых событий, и установить, сколь значительными могут быть горотелические скорости в действительности.

В 1953 г. Симпсон (Simpson) указал, что существует несколько способов выведения эволюционных скоростей из таксономических данных. Филогенетические скорости - это те скорости, с которыми эволюционируют таксоны, такие как виды или роды в пределах одной филогенетической линии. В идеале могут быть определены скорости для эволюционирующей линии, в которой виды или роды возникают в известное время от известных предков и исчезают не в результате вымирания, а давая начало известным группам-потомкам. Хотя достоверно датированные последовательности предков-потомков встречаются редко, известно несколько случаев, в которых возможен такой прямой подход. Эволюционный ряд аммонитов из сем. Scaphitidae, представленный на рис. 2-4, служит хорошим примером для прямого определения филогенетических скоростей. Существование отдельных видов, принадлежащих к этой линии, продолжалось от 500 000 до 1 млн лет и завершалось возникновением последующего вида. На основании данных по сходным эволюционным рядам видов позднемеловых аммонитов рода Baculites, которые изучали Гил (Gill) и Кобан (Cobban), продолжительность существования вида в среднем получила оценку 0,5 · 106 лет. Скорости возникновения видов представляют собой величины, обратные продолжительности их существования; для этих аммонитов скорость эволюции составляет 1-2 вида за 106 лет. Скорости для головоногих моллюсков близки к скоростям филогенетического изменения для сильно отличающейся от них группы животных - млекопитающих. Эволюция примитивных раннеэоценовых млекопитающих, которую изучали Гингерих и Букштейн (Gingerich и Bookstein), а также Гингерих и Клюге (Gingerich и Kluge), продолжалась около 4 млн. лет. Одна простая линия состояла из четырех видов приматов рода Pelycodus, каждый из которых существовал примерно 1 · 106 лет. Эволюция Hyopsodus (Condylarthra), происходившая в это же время, была более сложной; филогения нескольких видов этого рода была ветвящейся, и в ней имели место, по-видимому, как постепенные, так и прерывистые события. Виды Hyopsodus сохранялись на протяжении 0,3-0,7 · 106 лет, что соответствует скоростям, равным 1,5-3 вида за 106 лет. Аналогичные расчеты можно произвести для определения скоростей изменения на уровне родов; например, по оценкам Симпсона, для линии из 8 последовательных родов лошадей, существовавшей в течение примерно 60 · 106 лет, средняя скорость составляла 0,13 рода за 106 лет.

Принято считать, что аммониты и млекопитающие развивались со сходными средними скоростями, тогда как у других линий наблюдались различные, гораздо более низкие скорости изменения. Длительные сроки существования видов обнаружены у морских двустворчатых моллюсков - гребешков - от миоценовых до ныне живущих представителей рода Argopecten, изучавшихся Уоллером (Waller). Этот род существует примерно 19 · 106 лет; видообразование происходит у него как путем ветвления, так и, возможно, путем постепенной трансформации видов, образующих линейную последовательность, доходящую до настоящего времени. Средняя продолжительность существования вымерших видов Argopecten была равна примерно 5 · 106 лет, что соответствует 0,2 вида за 10б лет. Судя по этим данным, двустворчатые моллюски эволюционируют так же, как и живут, «не спеша», медленнее, чем млекопитающие.

Заметное различие в скоростях эволюции млекопитающих и двустворчатых моллюсков было подтверждено и при другом подходе к определению скоростей таксономической эволюции, основанном на кривых выживания. При этом подходе определяют среднюю продолжительность существования всех видов или других категорий в данной группе. Знания прямых эволюционных линий не требуется. Кривые выживания получают, нанося на график процент родов, которые впервые появились в какое-то данное время в прошлом и существуют до сих пор. Не удивительно, что среди родов, возникших в далеком прошлом, число родов, доживших до наших дней, меньше, чем среди родов, возникших недавно. Кривые выживания для вымерших родов получают, нанося на график процент родов, существовавших на протяжении некоторого данного периода времени, используя продолжительность времени от первого обнаружения каждого рода и до его последнего обнаружения в палеонтологической летописи. Симпсон впервые применил этот метод в 1953 г., воспользовавшись им для сравнения продолжительностей существования родов двустворчатых моллюсков и млекопитающих (рис. 2-7). На основании этих кривых Симпсон оценил продолжительность существования некоторого «усредненного» рода двустворчатых, как превосходящую в 10 раз продолжительность усредненного рода млекопитающих, и высказал мнение, что эволюция млекопитающих на уровне родов протекала в 10 раз быстрее, чем эволюция родов двустворчатых моллюсков.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-7. Кривые выживания родов вымерших двустворчатых моллюсков (●) и хищных млекопитающих (○). Выживание выражено в процентах родов, просуществовавших в течение указанных по оси абсцисс периодов времени (Simpson, 1953).


Сходные результаты были получены на уровне видов. Стенли (Stanley, 1976, 1977) построил графики выживания для видов плейстоценовых млекопитающих и двустворчатых моллюсков и получил среднюю продолжительность существования для усредненного вида млекопитающих, равную примерно 1,2 · 106 лет, а для вида двустворчатых - 7 · 106 лет. Таким образом, эволюция и родов, и видов млекопитающих, как мы уже отмечали, говоря о филогенетических скоростях, протекает в 5-10 раз быстрее, чем эволюция родов и видов двустворчатых моллюсков.

Это заключение вызвало аргументированные возражения со стороны Шопфа (Schopf) и его сотрудников, которые считают, что уровень таксономического изменения, наблюдаемого в эволюционирующих линиях, может просто зависеть от их общей морфологической сложности. У более сложных организмов частей, подлежащих изменению, больше, а поэтому создается впечатление, что они эволюционируют быстрее, чем менее сложные организмы. Является ли более медленная эволюция двустворчатых по сравнению с эволюцией млекопитающих лишь кажущейся или же за их менее сложной морфологией скрывается столь же высокая скорость пока еще слабо заметной эволюции генома?

Шопф и его сотрудники подвергли это предположение проверке, оценив морфологическую сложность по числу морфологических терминов, используемых для разных групп. Как у двустворчатых моллюсков, так и у млекопитающих имеется по 3000 родов, но если для моллюсков существует всего 300 морфологических терминов, то для млекопитающих их примерно 1000. Таким образом, млекопитающие представляются морфологически более сложными, чем двустворчатые моллюски. Хотя подобная проверка согласуется с идеей о том, что скорости морфологической эволюции могут быть артефактом, обусловленным сложностью строения, тем не менее подобное объяснение явно несостоятельно. Живые ископаемые, такие как опоссум, не кажутся существенно менее сложными, чем их ближайшие родичи, эволюционирующие быстрее, а скорости эволюции могут быть выше в относительно «простых» группах, как это ясно видно по данным о скоростях эволюции, собранным Ван-Валеном (Van Valen, 1973).

Используя более свежие данные о длительности существования ископаемых организмов, чем те, которыми располагал Симпсон в 1953 г., Ван-Вален построил кривые выживания для родов и семейств многих групп. В отличие от Симпсона Ван-Вален применил логарифмическую шкалу. Оказалось, что графики выживания с использованием логарифмической шкалы более наглядны, чем графики, построенные в обычном масштабе. Если вероятность вымирания для членов данной группы остается постоянной, т. е. если один род имеет столько же шансов вымереть, как любой другой, независимо от времени их возникновения, то кривая выживания, построенная с использованием логарифмической шкалы, будет представлять собой прямую. Как показал Ван-Вален, при такой шкале график выживания действительно представляет собой прямую. На этих графиках нельзя, однако, отличить псевдовымирание (исчезновение рода в результате его эволюционного превращения в другой род) от действительного прекращения существования линии. На рис. 2-8 приведены три из графиков Ван-Валена: для родов вымерших млекопитающих, родов вымерших двустворчатых моллюсков и для родов рудистов (специализированная вымершая группа двустворчатых).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-8. Кривые выживания родов вымерших двустворчатых моллюсков, рудистов - специализированных мезозойских двустворчатых, принадлежащих к надсемейству Hippuritaceae, и млекопитающих (Van Valen, 1973).


Как показывает сравнение кривых для двустворчатых моллюсков и млекопитающих, период полужизни для родов первых равен 35-106 лет, т.е. средняя продолжительность существования рода равна 70 · 106 лет, тогда как значительно более крутая кривая для млекопитающих дает период полужизни, равный 3 · 106 лет, или среднюю продолжительность существования рода 6 · 106 лет. Эти данные показывают, что у млекопитающих скорость возникновения и вымирания родов примерно в 10 раз выше, чем у двустворчатых моллюсков. Совершенно очевидно, однако, что рудисты эволюционировали быстрее, чем другие двустворчатые: период полужизни составляет у них 10 · 106 лет, а средняя продолжительность существования рода 20 · 106 лет. Рудисты возникли в верхней юре и вымерли к концу мелового периода. Морфологически рудисты не были похожи на других двустворчатых моллюсков: одна створка их раковины имела форму конуса, кончик которого прикреплялся к субстрату. Другая створка служила крышечкой конуса. Некоторые виды имели огромные размеры, достигая 2 м в длину. По мнению Стенли (Stanley), большинство двустворчатых моллюсков эволюционировало медленно, так как конкуренции за ресурсы между ними не было. Рудисты жили плотными скоплениями и даже образовывали рифы. Относительно высокая скорость их эволюции, возможно, была обусловлена конкуренцией между ними за пространство. Поскольку рудисты морфологически не сложнее других двустворчатых, вряд ли следует думать, что их более быстрая эволюция представляет собой артефакт. Хотя не вызывает сомнений, что эволюция двустворчатых моллюсков в целом протекала медленно, было бы неверным считать, что они неспособны эволюционировать с высокими скоростями. Кауфман (Kauffman), изучая скорости эволюции у меловых двустворчатых моллюсков, обнаружил, что эти скорости зависят от таких факторов, как стратегия питания и уровни стресса, создаваемого условиями среды. Некоторые двустворчатые, возможно, эволюционировали так же быстро, как и млекопитающие, при такой малой средней продолжительности существования вида, как 1,25 · 106 лет. Подобно мечехвосту, двустворчатые не ограничены в отношении скорости своей эволюции какой-либо особенностью генома. Если возникает соответствующая ситуация, то геномы двустворчатых моллюсков могут отреагировать на нее, что приведет к быстрой морфологической эволюции.

По определению, скорость таксономического изменения, выведенная на основании данных по выживанию для членов какой-либо крупной группы, такой как двустворчатые моллюски, соответствует горотелии - средней скорости эволюции для рассматриваемой группы. Интересно отметить, что скорости, оцененные по данным о выживании (даже относительно высокие скорости, наблюдаемые для млекопитающих), недостаточно велики, чтобы ими можно было объяснить внезапность появления новых форм в палеонтологической летописи. Так, радиация, в ходе которой возникло большинство современных отрядов млекопитающих, происходила на протяжении палеоцена, длившегося 10-15 · 106 лет. Такую эффектную радиацию едва ли можно объяснить постепенной эволюцией в пределах линий видов со средней продолжительностью существования 1,2 · 106 лет, вычисленной Stanley для видов плейстоценовых млекопитающих.

Такой же вывод был сделан в отношении эволюции родов млекопитающих в плио-плейстоцене с применением иного подхода - определения скоростей изменения таксономических частот. В них входят скорость изменения общей частоты, например числа родов, и две скорости, определяющие общую частоту: скорость возникновения и скорость вымирания. Скорость возникновения определяется как число первых появлений в ископаемой летописи за 1 млн лет, а скорость вымирания - число последних появлений за 1 млн лет. Эти эволюционные скорости определяются легко, потому что для этого не требуется знания эволюционных линий в пределах рассматриваемой группы, а таксономическая идентификация и стратиграфическое распространение - это данные, преобладающие в палеонтологической литературе. Таким образом, для того чтобы определить скорость возникновения родов в том или ином семействе, достаточно лишь подсчитать число новых родов, появившихся в датированном стратиграфическом интервале. В 1977 г. Гингерих (Gingerich) представил данные о скоростях возникновения плио-плейстоценовых родов грызунов, парнокопытных, хищников и приматов. Во всех этих группах в течение этого времени происходила значительная радиация новых родов. Скорости возникновения были высокие: 145 родов за 106 лет у парнокопытных и 222 рода за 106 лет у грызунов. Псевдовозникновение - эволюция одного рода в другой без ветвления - позволяет объяснить только 5-20% этих скоростей. Средняя продолжительность существования одного рода грызунов равна 5,9 · 106 лет, причем половина родов сохраняется в течение примерно 2 · 106 лет. Взрывоподобную радиацию новых родов за имеющиеся для этого примерно 3 · 106 лет нельзя объяснить постепенной эволюцией. Единственная возможность совместить высокие скорости возникновения и длительное выживание - это допустить такое ветвление, при котором новые виды возникают прерывисто, а затем сохраняются на протяжении сравнительно долгого времени без дальнейших изменений.

Скорости изменения размеров

Изменение размеров представляет собой одно из наиболее часто встречающихся эволюционных явлений. В общем увеличение размеров - преобладающее направление эволюции. В таких различных группах, как фораминиферы и динозавры, известны примеры гигантов, возникших от мелких предковых форм. Однако «больше» это не всегда «лучше», и крупные животные (вроде слонов) иногда давали начало карликовым формам. Скорости изменения величины в процессе эволюции определить легко. Размеры гомологичных структур, таких как раковины, кости или зубы, у эволюционно близких организмов можно точно измерить, и, зная продолжительность периода, в течение которого произошло изменение размеров, определить его скорость. Такие измерения позволяют получить простейшую количественную меру эволюции, и их можно производить независимо от преобразований формы, которые гораздо труднее оценить количественно. Эти измерения позволяют оценить эволюционные изменения, обходя проблему объективности, возникающую при определении скоростей таксономических изменений.

Сравнения абсолютных изменений размеров обычно бесполезны, потому что в общем приходится для начала сравнивать организмы разной величины. Поэтому необходима какая-то мера относительного или процентного изменения размеров за некоторый отрезок времени, принятый за стандарт. Подобную относительную меру предложил Холдейн (Haldane, 1949). Например, если за интервал времени t средняя длина какой-либо кости или другой структуры увеличивается от x1 см до x2 см, то относительную скорость изменения можно выразить в виде

Эмбрионы, гены и эволюция

Холдейн использовал это равенство, чтобы вычислить относительное увеличение размеров, и предложил термин «дарвин» для обозначения единицы эволюционного изменения размера, равного изменению в е (2,3) раз за 106 лет. Холдейн считает, что в практических целях 1 дарвин можно примерно приравнять к изменению размеров на 0,001 за тысячу лет, что дает изменение размеров вдвое за 106 лет.

Скорости изменения размеров могут сильно варьировать по степени и продолжительности. Так, например, по оценкам Симпсона (Simpson), высота коронки зубов у лошадей линии от Hyracotherium (Eohippus) к Mesohippus на протяжении эоцена-олигоцена увеличивалась со средней скоростью, равной примерно 25 миллидарвин. От раннеолигоценового Mesohippus до миоценового Hypohippus эта скорость несколько возросла, достигнув 45 миллидарвин. Все эти формы объедали листву молодых деревьев и кустарников. Ныне живущая лошадь Equus - обитатель равнин, питающийся травой. Лошади, щиплющие траву, дивергировали от форм, объедавших листву, в миоцене; это линия Mesohippus - Merychippus, в которой скорость увеличения высоты коронки зубов повысилась до 80 миллидарвин, что привело к увеличению высоты коронки в четыре раза примерно за 20 · 106 лет. Эта умеренно высокая скорость увеличения размера зубов была лишь частью, хотя и существенной, эволюции лошадей, щиплющих траву. Одновременно происходили модификации формы черепа, совершенствование головного мозга и глубокие изменения в строении стопы, ноги и других частей скелета, необходимых для быстрого бега. Увеличение высоты коронки сопровождалось радикальными изменениями строения зубов: увеличением числа бугорков и переходом от сравнительно простых зубов, состоявших из дентина, покрытого эмалью, к зубам, на поверхностях которых имеются высокие складки эмали, а промежутки между складками заполнены твердым цементом, в результате чего создается эффективный и прочный жевательный аппарат. Размеры зубов увеличились у Merychippus не так заметно, как их форма, однако изменения формы не могли бы произойти без сопутствующего увеличения высоты зубной коронки. Подробное описание этих изменений можно найти в увлекательной книге Симпсона «Лошади».

Такие скорости увеличения размеров коренных зубов, как у лошадей, довольно часто встречаются у млекопитающих и во многих других группах организмов. Ван-Вален (Van Valen) составил таблицу эволюционных скоростей изменения размеров для различных простейших и беспозвоночных; оказалось, что эти скорости варьируют от 3 до 300 миллидарвин, при средней скорости 40 миллидарвин. По данным Маглио (Maglio), увеличение высоты зубной коронки у мамонтов линии Mammuthus africanus - M. meridionalis - M. armenicus в плио-плейстоцене происходило со скоростью 300 миллидарвин, сохранявшейся в течение примерно 2 · 106 лет и давшей в целом увеличение в 1,8 раза. Халам (Hallam) выявил также широкий диапазон скоростей увеличения размеров у юрских двустворчатых моллюсков и аммонитов. Для двустворчатых этот диапазон составлял 6-546 миллидарвин со средней скоростью 109 миллидарвин. В некоторых очень длинных линиях, таких как линия двустворчатых от Gervillela lanceolata до G. aviculoides, умеренная средняя скорость 55 миллидарвин, сохранявшаяся на протяжении почти 40 · 106 лет, привела к увеличению размера раковины в четыре раза. У одних видов направление изменений было постоянным, а у других оно варьировало. У Gryphaea размеры вначале увеличивались, затем уменьшались и в конце вновь увеличивались. У других видов скорость увеличения размеров в разные периоды понижалась или повышалась. У аммонитов увеличение размеров происходило быстрее, что соответствует более высокой скорости их эволюции, оцениваемой по таксономическим критериям; скорости варьировали у них от 64 миллидарвин до 3,7 дарвин со средней 584 миллидарвин. Халам обратил внимание на одно особенно интересное явление. Увеличение размеров может быть значительным в пределах одного вида или короткой последовательности видов; однако в палеонтологической летописи часто появляются виды, которые существенно мельче своих предшественников, а промежуточных по размерам форм выявить не удается. Халам интерпретировал свои наблюдения, как свидетельствующие о том, что в эволюции его юрских моллюсков было две тенденции. Одна состояла в более или менее постепенном увеличении размеров, которое, по его мнению, обычно ведет к эволюционному тупику. Другая тенденция - относительно внезапное уменьшение размеров, которое может привести к изменениям морфологии и к видообразованию.

Исключительно высокие скорости возникновения карликовости известны для позднеплейстоценовых млекопитающих Австралии, Евразии и Северной Америки. Экологические причины быстрой эволюции в сторону карликовости все еще не вполне ясны. Однако представляется вероятным, что она была вызвана давлением, направленным на сохранение адекватных размеров популяции при усилении ограничивающего воздействия ресурсов. Явление внезапного (по геологическим масштабам) уменьшения размеров хорошо документировано. Кертен (Kurten) вычислил скорости развития карликовости у европейских млекопитающих в конце ледникового периода и в послеледниковое время. За такие короткие промежутки времени, как 5-15 000 лет, размеры куницы, медведя, дикой кошки, росомахи и других животных заметно уменьшились. Скорости уменьшения размеров колебались от 3,7 до 43 дарвин, при средней скорости 12,6 дарвин, которая если бы она сохранилась, привела бы к уменьшению размеров вдвое всего за 80 000 лет. Сходные очень высокие скорости развития карликовости в период от 30 до 20 тысяч лет назад наблюдаются у таких австралийских сумчатых, как кенгуру и сумчатая куница. Скорости этого процесса, вычисленные Маршаллом (Marshall) и Корручини (Corruccini), лежат в диапазоне 9-26 дарвин.

Быстрое развитие карликовости у млекопитающих, примеры которого были здесь приведены, продолжалось достаточно долго, так что уменьшение размеров достигало 10-35%. Некоторые плейстоценовые млекопитающие, однако, уменьшались более значительно. Самым, казалось бы, невероятным примером этого служат карликовые слоны. Крупный европейский Elephas namadicus дал начало ряду карликовых форм, живших на разных островах Средиземного моря в конце плейстоцена. Самый маленький из них, E. falconeri, был размером с пони. К сожалению, стратиграфические данные слишком скудны, чтобы можно было точно определить скорость уменьшения размеров, однако, по мнению Маглио, процесс этот продолжался относительно недолго - не больше нескольких сот тысяч лет. Островные слоны, вероятно, вели себя как популяция, претерпевающая прерывистую эволюцию. Они были изолированы от основной видовой популяции Е. namadicus, занимали ограниченную географическую область, и численность их была ограниченной. Была ли их эволюция прерывистой? Если да, есть ли необходимость говорить о необычайно высокой скорости уменьшения размеров от Е. namadicus до Е. falconeril Если допустить, что превращение в карликовую форму продолжалось более чем 100 000 лет, то достаточной оказалась бы скорость порядка 16 дарвин. Это высокая скорость, но у других млекопитающих были обнаружены еще более высокие скорости развития карликовости. При максимальной скорости в 43 дарвин, обнаруженной Кертеном, понадобилось бы всего 40000 лет - одно геологическое мгновение.

И Стенли (Stanley), и Халам (Hallam) полагали, что в генетическом отношении наиболее доступный путь для быстрого превращения столь различных организмов, как позвоночные и аммониты, в карликов - это педоморфоз, при котором мелкие морфологически ювенильные формы достигают половой зрелости. Этот процесс, возможно, представляет собой важный способ возникновения новых морфологических изменений путем прерывистой эволюции. Педоморфоз мог также играть известную роль в развитии карликовости у австралийских сумчатых, но он представляет собой лишь один из путей генетического изменения размеров. Высокие скорости уменьшения размеров, обнаруженные у плейстоценовых млекопитающих, легче понять, если обратиться к механизмам карликовости у ныне живущих млекопитающих. Карликовые формы известны у лошадей, коров, овец, свиней, собак, человека и даже мышей. Мак-Кьюсик (McKusick) различает два основных типа карликовости. Хорошим примером карликовости одного типа, характеризующимся непропорционально короткими конечностями, служит ахондропластическая карликовость, наследуемая как простой аутосомный доминантный признак. Этот тип карликовости, вероятно, неадаптивен. При другом типе - ателиотической карликовости - развивается вполне пропорциональная миниатюрная копия нормального животного. У человека карлики этого типа возникают по трем основным причинам, которые все связаны с продукцией или с использованием гипофизарного гормона роста. В первом случае у карликов отсутствует гормон роста, а в третьем - все гормоны передней доли гипофиза. Во втором случае в тканях-мишенях отсутствуют рецепторы гормона роста. Несмотря на то что уровень этого гормона в организме выше нормального, индивидуум остается карликом. Во втором и третьем случаях карликовость наследуется как простой аутосомный рецессивный признак, определяемый одним главным геном, на который могут влиять еще и гены-модификаторы. Так, изменение единичного гена, приводящее к изменению одного простого гуморального фактора, может иметь резко выраженные морфогенетические последствия. При сильном давлении отбора или в изолированных популяциях вполне можно допустить высокую скорость развития карликовости. Подобная карликовость возникает в популяциях человека; так, у пигмеев племени итури, обитающих в Конго, рост которых равен в среднем 120 см, вся популяция стала карликовой, по-видимому, в результате закрепления в ней одного аллеля, определяющего секрецию неполноценного гормона роста.

Эволюция формы

Морфология реальных организмов или их частей может достигать очень высокой сложности, а поэтому производить количественные определения скоростей изменения формы труднее, чем определения скоростей таксономического изменения или изменений размеров. Это огорчительно, потому что критериями для решения таксономических проблем часто служат сложные признаки, эволюционные изменения которых могут быть очень тонкими или во всяком случае такими, что их трудно выразить в сколько-нибудь количественной форме. Скорости морфологического изменения отражаются в скоростях таксономических изменений, рассмотренных выше. Если, как считают сторонники гипотезы прерывистой эволюции, крупные эволюционные изменения всегда сопровождаются видообразованием, то в таком случае скорости таксономического изменения можно использовать для измерения темпа эволюции. Тем не менее определения скоростей таксономических изменений имеют лишь косвенное отношение к проблеме изменения формы.

Наиболее существенные морфологические изменения, происходящие в процессе эволюции, приводят к возникновению «новшеств» - новых структур, качественно отличных от существовавших прежде и открывающих возможности для новых образов жизни. Возникновение многих новшеств отражено в палеонтологической летописи. К их числу относятся конечности амфибий, яйца амниот, сочленение нижней челюсти с черепом у млекопитающих, крылья. О возникновении других новшеств, таких как гомойотермность или молочные железы, связанных с мягкими тканями или физиологическими функциями, можно судить лишь на основе изучения ныне живущих организмов. Новшество не появляется «на пустом месте». Новая структура возникает как результат изменения процессов развития предсуществующих структур. Скорости, с которыми это происходит, варьируют. Переход от сочленения нижней челюсти, типичного для рептилий, к сочленению, типичному для млекопитающих, происходил постепенно, на протяжении многих миллионов лет, и процесс этот хорошо отражен в обширных палеонтологических данных по более продвинутым звероподобным рептилиям. Что же касается скорости развития гомойотермности, то о ней можно только строить догадки. Другие новые признаки, по-видимому, развивались быстро, однако никаких данных об этом не сохранилось. Так, например, летучие мыши, которые завоевали совершенно новую для млекопитающих адаптивную зону, появляются в палеонтологической летописи внезапно, в начале эоцена. По причине скудности данных дать сколько-нибудь реальную оценку скорости, с которой происходила эта действительно глубокая реорганизация передней конечности в крыло, невозможно, однако это, по всей вероятности, имело место в период радиации плацентарных млекопитающих в палеоцене, продолжавшейся 10-12 · 106 лет.

Для эволюционных превращений таких структур, как неспециализированная передняя конечность млекопитающих, в крыло летучей мыши достаточно изменения только в программе развития, с тем чтобы те же самые компоненты расположились по-иному. Крыло летучей мыши содержит все те кости, из которых построены передние конечности других млекопитающих, и его развитие начинается с образования обычной почки конечности. Подробным рассмотрением эволюционных модификаций программ развития мы займемся в последующих главах. Здесь же нас интересует только вопрос о том, существуют ли качественные различия между эволюционными процессами, приводящими к появлению структурных новшеств, и теми процессами, в результате которых происходят более скромные эволюционные изменения морфологии. Согласно нашему рабочему допущению, различий между ними нет. Во всех эволюционных изменениях морфогенеза участвуют сходные генетические факторы, контролирующие градиенты, становление плана строения (pattern formation), скорости клеточного деления, индукционные взаимодействия и другие процессы, которые обеспечивают развитие дифференцированной структуры во всех ее деталях. Палеонтологическая летопись дает нам сведения только о двух изменениях морфологии, которые возникают в результате эволюционного изменения генов, контролирующих эти процессы, и которые можно оценить количественно. Это изменения так называемых меристических признаков и изменения аллометрических соотношений.

Меристическими называют признаки, представленные рядом идентичных или сходных структур, как, например, амбулакры иглокожих, фасетки глаза у трилобитов подсемейства Phacopinae, щетинки насекомых, ребра на раковинах брахиопод и моллюсков или позвонки и пальцы у позвоночных. Скорости изменения числа этих структур также можно выразить в единицах дарвин, предложенных Холдейном (Haldane). Ван-Вален (Van Valen) приводит различные скорости изменения меристических признаков, вычисленные на основании палеонтологических данных. Скорости изменения числа камер у некоторых ископаемых фораминифер варьируют от 70 до 120 миллидарвин. Число ребер на раковинах брахиопод изменялось со скоростями от 0 до 100 миллидарвин, а число ребер на раковинах гребешка - со скоростями от 6 до 190 миллидарвин. В 1973 г. Маглио (Maglio) вычислил в дарвинах скорости для нескольких поддающихся измерению меристических признаков зубов слонов. Изменение числа эмалевых гребней или поперечных пластин, образующих перетирающие поверхности коренных зубов слона, представлено на рис. 2-9. Показаны три линии, берущие начало от Primelephas gomphotheroides, у которого были примитивные коренные зубы с небольшим числом пластин. У рода Loxodonta, к которому принадлежит ныне живущий африканский слон, число пластин возрастало медленно, тогда как у рода Elephas, представленного в настоящее время индийским слоном, и у мамонтов (Mammuthus) оно возрастало быстро. У Elephas средняя скорость увеличения числа пластин составляла примерно 200 миллидарвин, а у поздних мамонтов она дала вспышку, достигнув 600 миллидарвин. В обеих линиях число пластин возросло от 7 до 23 примерно за 5,5 · 106 лет. В сочетании с целым набором других изменений (толщины эмали, высоты коронок и формы пластин) увеличение числа пластин привело к развитию высокоэффективных перетирающих коренных зубов.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-9. Эволюция эмалевых гребней коренных зубов в трех линиях слонов: у индийского слона Elephas (●), африканского слона Loxodonta (○) и у мамонта Mammuthus (Δ) (по Maglio, 1973).


Обычно одно только изменение числа сходных частей приводит лишь к небольшим изменениям морфологии. Меньшее или большее число щетинок у мух или ребер на раковинах брахиопод не относится к категории глубоких эволюционных событий. Но в некоторых случаях изменения меристических признаков играли ключевую роль в эволюции; ярким примером служат змеи, у которых может быть до 400 позвонков и почти столько же пар ребер, что обеспечивает эффективный, хотя и весьма специализированный, способ передвижения, а в случае питонов и удавов - единственный в своем роде способ расправиться с жертвой. До сих пор мы рассматривали изменения размеров, как если бы они происходили независимо от изменений формы. Между тем такие случаи редки. Крупные животные - это обычно не просто увеличенные варианты своих более мелких предков, а взрослые особи - это не просто увеличенные молодые. Значительная часть изменений формы, происходящих в период роста данной особи или в процессе эволюции данной линии, осуществляется путем изменения относительных размеров частей тела. В обоих случаях такие модификации пропорций представляют собой результат изменений относительного роста разных частей тела в процессе развития. Это так называемая аллометрия. Рассмотрение аллометрических зависимостей дает возможность установить, какие изменения формы вызываются неравномерным ростом, а какие являются результатом изменений программы развития. Существуют аллометрические ряды трех типов:

1) ряды, образованные в результате измерения роста в процессе онтогенеза данного вида;

2) ряды, образованные близкими видами, различающимися по величине;

3) ряды, образуемые видами, составляющими одну линию в процессе эволюции.

Аллометрические зависимости между размерами двух структур часто описываются простой формулой, предложенной Гексли в 1932 г.:

y = bxα

где y - размер какой-либо одной структуры, а х - размеры всего тела или другой структуры, с которой структура у сравнивается. Член b - скалярный множитель, а α - отношение удельных скоростей роста структур у и х. Это уравнение можно переписать в виде

log y = log b + α log x.

Величины х и у обычно откладывают в логарифмическом масштабе по обеим осям. При этом получается линейный график с наклоном α и с точкой пересечения с осью х, равной log b. В тех случаях, когда α = 1, относительные размеры структур, представленных величинами х и у, постоянны независимо от их абсолютных размеров; иными словами, соотношение этих структур не изменяется, т.е. их рост происходит изометрически. Изометрический рост - это частный случай более общего спектра аллометрических зависимостей. В большинстве случаев α ≠ 1 и пропорции изменяются с изменением размеров.

Один особенно интересный пример аллометрии в ходе развития обсуждается Гексли в 1932 г. в его книге «Проблемы относительного роста» и представлен здесь на рис. 2-10. У некоторых видов муравьев рабочие особи полиморфны, причем самые крупные рабочие, у которых головы и челюсти чрезмерно велики, несут функции солдат. Вероятно, муравьиной семье выгодно иметь разнообразные типы рабочих особей, каждый из которых более способен к выполнению определенного круга задач. Такой ряд рабочих особей изображен на рис. 2-10, где приведен также график отношения размера головы (х) к размерам туловища (у) для рабочих особей одного вида муравьев. В пределах вида эти отношения для рабочих различных размеров укладываются в одну аллометрическую кривую. Это означает, что, хотя более крупные рабочие выглядят иначе, чем мелкие, из-за своих огромных голов и челюстей, весь этот ряд в целом отражает проявление одного генетически детерминированного закона роста.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-10. Аллометрическая зависимость между размерами головы и тела у муравья Pheidole instabilis (Huxley, 1932; с изменениями).


До сих пор мы рассматривали только аллометрические зависимости, выявляющиеся у отдельных особей в процессе роста. Можно, однако, построить также аллометрические кривые, чтобы сравнить взрослых особей последовательных видов, образующих одну эволюционную линию. Увеличение размеров в процессе эволюции происходит, как мы убедились, очень часто. В некоторых случаях увеличение размеров имеет очень интересные последствия. Когда аллометрические тенденции, характерные для предкового вида, сохраняются, то, если для какого-либо признака α 1, возникает парадоксальный результат: сохраняя тип роста, характерный для предкового вида, вид-потомок, превосходя предковый вид по размерам, приобретает иную форму. Такой способ, достойный «Алисы в стране чудес», лежит в основе морфологических изменений, наблюдаемых в некоторых хорошо известных эволюционных линиях. Одна из таких линий - травоядные млекопитающие титанотерии - достигла кульминации в олигоцене, где они представлены очень крупными формами; нос у этих форм был украшен парой массивных тупых рогов, достигавших в длину половины длины черепа. Эоценовые предки титанотериев были мельче, и рога у них либо отсутствовали, либо были короче. Размеры рогов у титанотериев радикально увеличились с увеличением общих размеров тела в процессе их эволюции в течение олигоцена. Означает ли эволюция этих крупных рогов приобретение нового варианта морфогенеза? В 1934 г. Герш (Hersh) ответил на этот вопрос отрицательно, что было неожиданным. При построении графика в логарифмическом масштабе по обеим осям все виды титанотериев укладываются в одну и ту же аллометрическую кривую с очень высоким значением α. Следовательно, регуляция роста в процессе онтогенеза титанотерия происходила таким образом, что увеличение размеров черепа сопровождалось еще большим увеличением его носовой области. Очевидно, крупные размеры всего тела и рогов создавали селективное преимущество, и поэтому данная аллометрическая тенденция сохранялась. Аналогичным примером служат гигантские рога вымершего плейстоценового оленя Megaloceros giganteus. У крупных самцов размах рогов достигал 3-3,5 м. Гулд (Gould) показал, что рога этого оленя подчиняются тем же законам аллометрического роста, что и рога других оленей. Поскольку это был очень крупный олень, следовало ожидать, что и рога у него будут особенно большими. Но было ли это единственной причиной гигантских размеров рогов? Гулд высказал мнение, что отбор сильно благоприятствовал таким огромным рогам, поскольку они играли важную роль в брачном поведении.

Другое, более раннее, объяснение состояло в том, что эволюция рогов у титанотериев и у Megaloceros giganteus - результат ортогенеза. Согласно теории ортогенеза, несущей в себе некоторые элементы греческой трагедии, эволюция той или иной линии канализируется в определенном направлении, отклониться от которого она не может даже тогда, когда это направление перестает быть адаптивным; следовательно, ее вымирание неизбежно. Подобные представления подразумевают направленную эволюцию телеологического толка и носят мистический характер; они мало что могут дать для понимания действительных эволюционных процессов. Тем не менее в эволюции все же существуют некие направления и они должны быть исследованы.

Изменения аллометрических зависимостей в процессе эволюции могут происходить другими, возможно, более важными способами. В эволюционирующей линии может произойти изменение любого из двух параметров, α или b. Изменение α ведет к модификации пропорций организма в результате изменения характера роста в процессе развития. На рис. 2-11 показана аллометрическая зависимость между длиной замка и периметром раковины в линии ископаемых двустворчатых моллюсков рода Myalina, у которых происходило постепенное увеличение размеров. Точки для самых древних видов располагаются на одной кривой, более поздние - на другой, которой соответствует иное, более высокое, значение α (больший угол наклона), и ряд завершается крупным моллюском, резко отличающимся по форме раковины от предковых видов. Все эти события в целом заняли примерно 50 · 106 лет, но время, в течение которого произошли изменения аллометрии, не превышает 10 · 106 лет.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-11. Сдвиг аллометрической зависимости между длиной замка и периметром раковины в эволюции одной линии ископаемых двустворчатых моллюсков рода Myalina (Newell, 1942, 1949; с изменениями). В этой линии прослеживается постепенное увеличение размеров и изменение аллометрии, происходившее в течение пенсильванского и пермского периодов (см. текст).


Аналогичное изменение аллометрической зависимости между массой головного мозга и массой всего тела выявили Пилбим (Pilbeam) и Гулд (Gould) в эволюции человека. У человекообразных обезьян и у наших вымерших родичей-гоминид, принадлежавших к роду Australopithecus, значение α равно 0,34, тогда как у ныне живущих и вымерших представителей рода Homo оно равно 1,73. Благодаря недавним открытиям Джохансона (Johanson) и Лики (Leakeys) в Восточной Африке, которые указывают на то, что дивергенция Homo от Australopithecus произошла примерно 3,5 · 106 лет назад, по мере нахождения дополнительных ископаемых остатков, относящихся к этому периоду, возможно, удастся определить, с какой скоростью происходил этот чрезвычайно важный сдвиг в аллометрии.

Значение α для аллометрического роста, происходящего в процессе онтогенеза, часто отличается от его значений, получаемых при построении аллометрической кривой для группы взрослых форм, относящихся к родственным видам. Подобная ситуация изображена на рис. 2-12. Прерывистая линия выражает аллометрическую зависимость между массой головного мозга и массой тела для группы родственных видов насекомоядных средних дефинитивных размеров. Сплошными линиями изображены изменения аллометрических зависимостей у каждого вида на протяжении онтогенеза. В данном примере эти онтогенетические кривые имеют меньшие наклоны, чем кривая для группы видов, однако столь же вероятна и обратная картина, потому что в процессе развития значения α часто бывают больше 1. Обратите внимание, что α, характерное для онтогенеза, отличается от α при сравнении взрослых особей разных видов, но при этом одинаково для всех этих видов. Однако значения b для всех видов различны.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 2-12. Аллометрическая зависимость между массой головного мозга и массой тела у близких видов насекомоядных млекопитающих с Мадагаскара (прерывистая линия). Сплошными линиями показаны аллометрические зависимости в пределах каждого вида в процессе онтогенеза (Gould, 1971).


Если межвидовое α = 1, то в таком случае взрослые особи более крупных видов представляют собой увеличенные варианты своих более мелких родичей (или предков). Гулд (Gould) высказал мнение, что это может произойти в процессе эволюции, если более крупный вид-потомок сохраняет значение α своих мелких предков, но аллометрический рост рассматриваемой структуры начинается у него из более крупного зачатка, т.е. при более высоком значении b. Тогда, для того чтобы произошло изменение величины структуры, необходим либо сдвиг начала роста зачатка на более ранние сроки (акцелерация), либо его задержка. Это создает альтернативную возможность увеличения размеров в процессе эволюции, не требующую изменения законов роста. Если у организмов сохраняется кривая онтогенетического роста предков, а аллометрия роста сильно отличается от α = 1, то пропорции тела могут резко изменяться с увеличением размеров. Сохраняя аллометрию, но начиная рост с других размеров зачатка, организм может избежать больших изменений в соотношении размеров разных частей.

В настоящее время все еще нет возможности полностью объяснить механизмы регуляторных процессов, лежащих в основе изометрического или аллометрического роста, однако уже начинают выявляться некоторые интересные аспекты этих процессов. Как указывает Госс (Goss), для родственных между собой организмов, сильно различающихся по общим размерам, существуют две возможности: до тех пор пока основной план их организации остается сходным, должно происходить изменение либо размеров, либо числа составных частей. По общему правилу мелкие функциональные единицы - клетки какого-либо органа или фасетки сложного глаза-изменяются в числе, тогда как крупные функциональные единицы - внутренние органы, конечности или глаза - изменяются по размеру. В известных пределах увеличение размеров приводит к повышению эффективности органов. Примером такого рода служит головной мозг: более крупные общие размеры создают возможность для большего числа нейронов и большего числа связей между ними, что приводит к усилению функционального потенциала мозга. Из этого вытекает важное следствие, состоящее в том, что в период роста соотношение размеров разных частей тела в значительной степени зависит от относительных скоростей клеточного деления. Данные о существовании факторов, регулирующих рост, появились еще в 20-е и 30-е годы; обзор ряда проведенных в этот период изящных экспериментов с пересадками органов сделал Твитти (Twitty, 1940). Так, например, при пересадках глаз от более старых аксолотлей (Ambystoma) молодым наблюдалась задержка роста этих крупных глаз, а при пересадке мелких глаз от более молодых особей более старым рост их ускорялся, так что в конечном счете величина глаз вполне соответствовала размерам их хозяина.

Существует, очевидно, какая-то система, действующая по принципу обратной связи и состоящая из циркулирующих в организме регуляторных веществ двух типов - стимулирующих клеточное деление в определенных тканях и подавляющих его. Одним из таких хорошо известных тканеспецифичных регуляторных веществ стимуляторного типа служит эритропоэтин, вырабатываемый в почках в ответ на потери крови и стимулирующий образование эритроцитов. Существуют также позитивные регуляторы, участвующие в развитии морфологических признаков. Андрогены и эстрогены, которые организм человека начинает продуцировать в подростковом возрасте, взаимодействуя с тканями-мишенями, обусловливают развитие таких хорошо заметных морфологических признаков, как вторичные половые признаки: грудь, борода и пропорции тела, характерные для взрослого человека. Эти регуляторные вещества гуморальной природы и действуют на ткани-мишени, находящиеся на расстоянии от того места, где гормоны образуются. Существуют, однако, позитивные регуляторы другого класса, которые стимулируют рост, а нередко также дифференцировку и формообразовательные процессы в ткани, непосредственно примыкающей к той ткани, которая их вырабатывает. Они обеспечивают классическую эмбриологическую индукцию, рассматриваемую в гл. 5.

Существуют также специфические ингибиторы клеточного деления, которые Баллог (Bullough) назвал кейлонами, однако они все еще недостаточно хорошо изучены. Эти вещества вырабатываются в самой ткани-мишени и подавляют ее же рост. Экспериментальное удаление или повреждение части органа, такого как печень, снижает уровень специфичного кейлона в крови и индуцирует компенсаторный рост. Как и в системе гормона роста, различные элементы этих регуляторных систем - образование регуляторов, их структура, число и специфичность рецепторных молекул - могут подвергнуться генетическому изменению в процессе эволюции новых морфологических пропорций.

Изменения в аллометрии могут происходить довольно постепенно, как это установил Кертен (Kurten) для гиен и других плейстоценовых млекопитающих, или очень быстро, как при выведении разных пород собак, что было сделано за несколько столетий. Сильная борзая, выведенная для охоты на волков, и пекинес с толстым приплюснутым носом, выведенный специально для того (к вящему удивлению), чтобы его можно было держать на коленях, различаются по величине и пропорциям. У собак обнаружены гены, детерминирующие такие признаки, как длина ног, длина морды и общие размеры. Эти признаки широко использовались селекционерами-кинологами. Высокие скорости изменений аллометрии известны также для линий, эволюционирующих в природных условиях, например у некоторых гавайских Drosophila (см. гл. 3).

Сведения о механизмах эволюции, которые можно почерпнуть из палеонтологической летописи, весьма ограничены. Сохранение ископаемых остатков какого-либо вида на всем протяжении его ареала в течение достаточно длительного периода его существования, с тем чтобы можно было застать периферические изоляты в момент акта видообразования, нельзя считать невероятным, однако число таких примеров будет ничтожным. Недоступны нам и генетические системы вымерших организмов, хотя некоторое представление о них, несомненно, дает изучение их ныне живущих родичей. Онтогенезы некоторых ископаемых организмов хорошо известны: личиночные стадии нескольких трилобитов, рост спирально закрученных раковин аммонитов и, наконец, яйца, молодые и взрослые особи знаменитого монгольского динозавра Protoceratops. Есть и другие примеры, но в целом палеонтологические «ясли» нельзя назвать переполненными. Палеонтологическая летопись свидетельствует о том, что скорости эволюции сильно варьируют независимо от того, оцениваем ли мы их по таксономическим изменениям, изменениям размеров или аллометрии. Это, пожалуй, один из главных вкладов палеобиологии в рассматриваемую здесь проблему, не говоря уже о тех поразительных свидетельствах о жизни в прошлом и о множестве исчезнувших миров, которые она дает. Мы освободились от концепции эволюции путем создания новых генов в результате постепенного замещения нуклеотидов и вынуждены искать механизмы эволюции на уровне организации генов и их экспрессии в процессе онтогенеза, с тем чтобы объяснить быстрые и глубокие изменения морфологии.

Глава 3

Морфологическая и молекулярная эволюция

Я думаю, что отец наш небесный выдумал человека, потому что разочаровался в обезьяне.

Марк Твен

Разные типы молекулярной эволюции

При обсуждении палеонтологической летописи и выведенных на ее основе скоростей морфологической эволюции молчаливо допускалось, что эти скорости отражают изменения генома. Существование связи между эволюцией генома и морфологической эволюцией общепризнанно, хотя в некотором смысле выражение «эволюция генома» - это тавтология, поскольку всякое эволюционное изменение требует генетических изменений, т.е. эволюции генома.

Однако истинная трудность изучения эволюции генома у эукариот состоит в том, что эукариоты - это не просто Escherichia coli в увеличенном масштабе. Геномы эукариот чрезвычайно сложны и содержат множество разнообразных генетических элементов. Эта сложность обнаруживается при попытках примирить эволюцию генома и морфологическую эволюцию. Так, например, Шопф и др. (Schopf et al.) в исследовании, посвященном влиянию сложности организации на скорости морфологической эволюции, высказали предположение, что внешняя морфологическая сложность на самом деле не может служить точным показателем уровня эволюции генома. Таким образом, хотя в морфологии таких сложных форм, как брахиоподы, может наблюдаться значительно больше эволюционных изменений, чем, например, у бактерий с их гораздо более простой морфологией, однако фактически изменения в эволюции генома бактерий за тот же промежуток времени могут быть гораздо значительнее. Или, как заключили эти авторы, «возможно, что скорости эволюции, о которых обычно сообщают палеонтологи, нельзя считать хорошим показателем эволюционных изменений генома, определяющего изучаемые признаки». Это заключение отчасти справедливо. Бактерии обладают поразительно широким спектром метаболических путей - их адаптации носят биохимический, а не морфологический характер. В отличие от бактерий эукариоты лишены подобной метаболической изобретательности. За немногими исключениями, все Metazoa используют одни и те же метаболические пути, и их адаптации затрагивают главным образом морфологию. Таким образом, изменения, зарегистрированные в палеонтологической летописи, отражают структуру и функции той части генома, которая управляет морфогенезом.

Трудно оценить относительный уровень эволюции генома, необходимый для эволюции групп, сильно различающихся по морфологической организации и сложности. Одним из подходов к этой трудной задаче послужили сравнения аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из разных организмов. Существенный результат подобных исследований состоит в том, что эти белки из самых разных организмов обладают сходными аминокислотными последовательностями, т.е. изменения аминокислотных последовательностей белков или нуклеотидных последовательностей ДНК служат молекулярными критериями эволюционного родства независимо от морфологического сходства или таксономической принадлежности. Однако при этом все еще остается необходимым решить, какая часть молекулярной эволюции имеет отношение к морфологической эволюции. Большинство исследований эволюции на молекулярном уровне касается структурных генов, поскольку они более доступны. К структурным относятся гены, дающие в результате транскрибирования различные РНК, которые либо выступают в роли информационных, или матричных, РНК (мРНК), создавая путем трансляции аминокислотные последовательности белков, либо функционируют как рибосомные РНК (рРНК) или транспортные РНК (тРНК). Большинство структурных генов, интенсивно изучаемых в настоящее время, - это гены, которые кодируют белки, продуцируемые в больших количествах специализированными клетками, например глобины, овальбумин, актин и гистоны. Эти белки не участвуют в непосредственной регуляции действия генов; поэтому детерминирующие их гены и относят к структурным. Однако разделение генов на структурные и регуляторные в некотором смысле условно: такой белок, как lac-репрессор Е. coli, представляет собой продукт одного из структурных генов, поскольку этот белок образуется в результате транскрипции и трансляции данного гена; но его функция носит исключительно регуляторный характер, поскольку действие lac-репрессора состоит в непосредственной регуляции экспрессии специфического набора структурных генов, кодирующих определенные ферменты. Другие элементы генома, играющие важную роль в регуляции действия генов или в поддержании структуры хромосом, вообще не нуждаются в транскрибировании, для того чтобы выполнять свою функцию.

Ввиду сложности геномов эукариот эволюция этих геномов слагается из множества эволюционных событий. Изменения генома могут иметь ряд различных последствий. В табл. 3-1 представлен далеко не полный перечень событий и их последствий, участвующих в процессе эволюции многоклеточных животных.


Таблица 3-1. Разнообразие событий, происходящих при эволюции генома

Событие Последствия
структура ДНК структура белка фенотип
В структурных генах
Замена нуклеотида (непроявляющаяся) Изменение последовательности оснований Замены аминокислоты не происходит Никаких или незначительные
Замена нуклеотида (консервативная) То же Замена аминокислоты на сходную То же
Замена нуклеотида (проявляющаяся) То же Замена аминокислоты От никаких до утраты или изменения функции
Делеция Утрата основания(й) Делеция аминокислоты (аминокислот), нонсенс-белок или преждевременный обрыв белковой цепи От незначительных до утраты функции
Дупликация, за которой следует замена нуклеотидов в дупликатном гене Дупликация последовательности оснований; изменение последовательности в дупликатном гене Новая (сходная) аминокислотная последовательность Появление новой функции с сохранением прежней функции
Слияние генов Утрата промежуточных оснований Объединение полипептидов Никаких, утрата функции или новая функция
В некодирующих последовательностях
Замена нуклеотидов в высокоповторяющихся последовательностях сателлитной ДНК Изменение последовательности оснований Никаких ?
Замена нуклеотидов в спейсерных последовательностях между генами То же То же Никаких
Замена нуклеотидов в некодирующих умеренно-повторяющихся последовательностях То же То же ?
Замена нуклеотидов в некодирующих последовательностях без повторов То же Никаких ?
Замена нуклеотидов в интронах То же От никаких до включения аминокислот От никаких до утраты или изменения функции
Замена нуклеотидов в промоторах или других регуляторах То же Никаких Изменение уровня или сроков экспрессии
Изменение частоты последовательности
Изменение частоты сателлитной последовательности Изменение числа копий существующей последовательности Никаких ?
Изменение частоты умеренно-повторяющейся последовательности То же То же ?
Изменение плоидности Увеличение большинства или всех последовательностей в одинаковое число раз То же Никаких или увеличение размеров; изолирующий механизм
Перемещение последовательностей в новые участки генома
Включение интрона в структурный ген Новая локализация предсуществовавшей последовательности От никаких до включения аминокислот От никаких до изменения функции
Транспозиция цис-регулятора То же Никаких Изменение уровня или сроков экспрессии
Перемещение блоков сателлитной ДНК из одной хромосомы в другую То же То же ?
Более крупные изменения
Инверсии и транслокации То же Никаких Обычно никаких или незначительные; некоторое селективное преимущество в сохранении блоков генов
Перенос генов от одного вида к другому
Горизонтальный перенос генов между неродственными видами Введение новой последовательности Введение нового белка От никаких до введения новой функции

Первая группа событий охватывает большую часть классической молекулярной эволюции, т. е. модификации в кодирующих участках структурных генов. Такие события состоят в изменениях нуклеотидных последовательностей и во многих случаях приводят к изменению последовательности аминокислот в белке. Изменения белка могут варьировать от минимальных до довольно радикальных и (в экстремальных случаях) приводить к утрате функции или приобретению новых функций. Значительную долю нуклеотидных замен в структурных генах можно выявить только на уровне последовательности ДНК, потому что генетический код вырожденный и замена в кодоне третьего нуклеотида в большинстве случаев дает равноценный кодон, а следовательно, никакой замены аминокислоты не происходит. Некоторые замены консервативны: они приводят к замене одной аминокислоты на другую, с ней сходную. Например, замену одной гидрофобной аминокислоты - лейцина - другой гидрофобной аминокислотой - валином - можно выявить путем анализа аминокислотной последовательности в мутантном белке, однако на фенотипическом уровне она, вероятно, никак не проявится.

Эволюция структурных генов не ограничивается заменой нуклеотидов; в ней имеют место различные другие события, такие как делеции и слияния генов. Наиболее значительные изменения в эволюции новых белков состоят в дупликации какого-либо существующего гена, за которой следует дивергентная эволюция одной из дуплицировавшихся последовательностей с образованием близкого ей белка. Поскольку первоначальный ген при этом сохраняется, то в конечном итоге биохимические возможности организма возрастают благодаря добавлению нового белка; на фенотипическом уровне возникают аналогичные изменения, самые интересные из которых ведут к приобретению новых функций.

Наличие в геноме некодирующей ДНК - более загадочная проблема. Такие последовательности ДНК не кодируют белки, хотя в некоторых случаях они транскрибируются совместно со структурными генами. Эмпирически некодирующая ДНК делится на четыре группы. В первую группу входят некодирующие последовательности ДНК, роль которых мы понимаем лучше других - они служат спейсерами между структурными генами. Спейсеры, по-видимому, менее чувствительны к замене нуклеотидов, чем те структурные гены, которые ими разделяются. Вторая группа некодирующих последовательностей, открытая недавно и пока еще плохо изученная, - это внутригенные последовательности, получившие название интронов. Интроны - это последовательности ДНК, включенные в кодирующие участки структурных генов и нарушающие их непрерывность. Первичный транскрипт, получающийся при транскрибировании такого гена, содержит как кодирующие, так и интронные последовательности. Интронные последовательности удаляются при помощи специальных ферментов, осуществляющих процессинг РНК и превращающих первичные транскрипты в мРНК, содержащую непрерывную кодирующую последовательность. Интроны широко распространены у эукариот, у которых они содержатся как в ядерных генах, так и в генах органелл, но в генах прокариот они отсутствуют. Удивительно, что в некоторых случаях интронные последовательности значительно длиннее тех кодирующих последовательностей, которые они разрывают. Какими эффектами могут обладать мутации, возникающие в интронах, неизвестно, однако любые мутации, нарушающие правильное удаление интронных последовательностей из первичных транскриптов РНК, будут иметь серьезные последствия. К третьей группе некодирующих последовательностей относятся нетранскрибируемые регуляторные участки, такие как промоторы, к которым при инициации транскрипции прилежащего структурного гена должен присоединиться фермент РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию. Мутации, возникающие в этих участках, не вызывают изменений последовательности аминокислот в синтезируемых белках, но могут оказывать глубокое воздействие на степень экспрессии гена и на ее сроки. В последнюю, четвертую, группу входят последовательности, не имеющие известной функции. Мутации в этой ДНК приводят к изменениям последовательности нуклеотидов, но их фенотипические последствия неизвестны.

Хотя большинство структурных генов существует в каждом гаплоидном геноме в одной копии, изменения частоты отдельных последовательностей - обычное явление в процессе эволюции. Последовательности, представленные в гаплоидном геноме эукариот не в одной, а в нескольких копиях, - это в большинстве случаев не структурные гены. Поэтому изменения частоты таких последовательностей никак не влияют ни на какую аминокислотную последовательность, т. е. ни на какой белок. Высказывались предположения, что последовательности ДНК, представленные в нескольких копиях, несут регуляторные функции, однако ни для одной из них это до сих пор не доказано. Фенотипические эффекты изменений частоты последовательностей ДНК неизвестны.

Класс происходящих в геноме событий, связанных с перемещением уже существующих последовательностей на новые участки в пределах данного генома, вообще говоря, не удается выявить при помощи обычных методов, используемых при изучении молекулярной эволюции. Тем не менее перемещение регуляторных последовательностей, при котором рядом со структурным геном вставляется вместо прежнего новый регулятор, обладающий иной специфичностью, может привести, как показал Берг (Berg), к фенотипически резко выраженным изменениям и послужить потенциально быстрым способом для морфологической эволюции, не требующим вообще никакой замены нуклеотидов. Содержание последовательностей оснований в целом при этом не изменяется - никакой модификации белков не происходит, но тем не менее налицо фенотипическое изменение. Только прямое определение нуклеотидной последовательности участка включения позволит выявить это событие, возникшее на молекулярном уровне.

Наконец, существуют крупномасштабные перестройки хромосом, при которых большие участки ДНК, содержащие большое число генов, инвертируются или переносятся на новые места в той же или в других хромосомах. Это нельзя считать собственно молекулярной эволюцией; однако в эволюции Metazoa часто наблюдаются хромосомные перестройки. Уайт (White) в своей книге «Цитология животных и эволюция» даже приписывает хромосомным перестройкам центральную роль в эволюции.

Обсуждавшиеся выше события представляют собой изменения, происходящие в существующем геноме. Недавние исследования Баслингера, Рускони и Бернстила (Busslinger, Rusconi, Birnstel) показывают, что изредка горизонтальный перенос генов может происходить между видами, связанными лишь отдаленным родством, причем в этом участвуют неортодоксальные механизмы, возможно, ретровирусы, способные пересекать границы между видами. Пример, изучавшийся Баслингером и его сотрудниками, касается кластера генов, кодирующих синтез гистона, который, по-видимому, был недавно перенесен от одного семейства морских ежей в другое; эти два семейства дивергировали примерно 65 млн. лет назад и, за исключением данного кластера генов, хорошо различаются по всем генам, определяющим синтез гистонов. В результате экспрессии перенесенного кластера генов происходит синтез функциональных белков. Значение такого рода событий для эволюции неизвестно.

Ряд важных аспектов геномной эволюции, очерченных в табл. 3-1, такие как интроны, умеренные повторы и сателлитная ДНК, а также организация и функция регуляторов разных типов, подробно рассматриваются в последующих главах. В настоящей главе мы сосредоточим внимание на молекулярной эволюции в более узком смысле, т.е. на заменах нуклеотидов в ДНК и аминокислотных заменах в белках. Поскольку большая часть наших знаний об эволюционных событиях на уровне генома получена в результате изучения структурных генов и их продуктов, существует четко выраженная тенденция экстраполировать способы и скорости эволюции структурных генов на гены, участвующие в морфогенезе и морфологической эволюции. Однако работы Вилсона (Wilson) и его сотрудников, обсуждаемые в дальнейших разделах этой главы, ясно показывают, что эволюция, происходящая путем замены нуклеотидов в структурных генах, мало связана с морфологической эволюцией. Тем не менее сведения об эволюции на молекулярном уровне дают неоценимый инструмент для выявления родственных связей между морфологически несходными организмами, а скорости молекулярной эволюции служат часами, с ходом которых можно сверять другие скорости.

Гены, белки и «молекулярные часы»

В большей части работ по молекулярной эволюции главное внимание уделялось изменениям структурных генов, выражающимся в изменениях последовательности аминокислот в кодируемых ими белках. Большое число аминокислотных последовательностей белков определяется и публикуется в очень полезном и постоянно пополняющемся справочном издании «Атлас аминокислотных последовательностей и структуры белков», издаваемом Дейхоф (Dayhoff). Установленные до сих пор несколько сот последовательностей составляют лишь небольшую долю огромного числа интересных и потенциально доступных белков. К сожалению, разные типы животных представлены в атласе очень неравномерно: для млекопитающих, число ныне живущих видов которых составляет всего 4060 (Anderson, Jones), приведены последовательности аминокислот в 350 белках, а для насекомых, число описанных современных видов которых приближается к миллиону (Daly, Doyen, Ehrlich), - в жалких 11 белках! Число известных последовательностей по другим крупным типам, таким как моллюски и иглокожие, также непропорционально мало. Тем не менее имеющихся данных достаточно для того, чтобы можно было определить скорости эволюции структурных генов, вывести вытекающие из них филогенетические следствия и оценить соотношение эволюции структурных генов и морфологической эволюции. Следует указать, что в отличие от данных палеонтологической летописи эволюционные данные, полученные на основании аминокислотных последовательностей белков, относятся только к линиям, существующим в настоящее время. Таким образом, если палеонтологическая летопись дает нам возможность увидеть вымершие и отвергнутые морфологические типы, то данные об аминокислотных последовательностях ни в одном случае не открывают специфичных признаков белков тех вымерших групп, от которых не осталось потомков.

Биохимия крайне консервативна. Метаболические пути и даже аминокислотные последовательности белков остаются неизменными на протяжении длительных отрезков геологического времени. Этим определяется уникальная ценность данных об аминокислотных последовательностях: они не зависят от морфологии. Благодаря этому аминокислотные последовательности таких консервативных белков, как цитохром с, позволяют выявить родственные связи между типами и даже царствами. Данные об аминокислотных последовательностях белков поддаются количественной оценке, причем положение каждой аминокислоты в каждом исследуемом белке является потенциальной переменной. Поскольку в любом положении может находиться любая из 20 существующих аминокислот, независимое происхождение или конвергенция одинаковых белков у двух организмов маловероятны. Например, в α-цепи гемоглобинов человека, шимпанзе и гориллы аминокислотные остатки (а их 141) располагаются в одинаковой последовательности. Возможное число различных последовательностей при такой длине равно 20141. Независимое происхождение глобинов человекообразных обезьян и глобинов человека, мягко говоря, маловероятно. Близкое сходство последовательностей свидетельствует о высокой вероятности тесного эволюционного родства; это правило лежит в основе построения количественных филогенетических схем для белков. Палеонтологическая летопись позволяет определить абсолютное время морфологической дивергенции организмов, из которых были выделены сравниваемые по аминокислотным последовательностям белки, а на основании этих определений можно вычислить скорости аминокислотных замен.

Когда впервые стало возможным количественное сравнение аминокислотных последовательностей белков, оно вызвало большой энтузиазм, поскольку этот новый подход казался весьма многообещающим для выяснения эволюционного родства. В 1962 г. Цукеркандль (Zuckerkandl) писал: «Благодаря недавно приобретенным знаниям о зависимостях между белками и генами изучение аминокислотных последовательностей белков может теперь дать наиболее точное и определенное представление об эволюционных взаимоотношениях и о некоторых фундаментальных механизмах эволюции». А в 1969 г. Дейхоф и Экк (Dayhoff, Eck) писали: «Заветная мечта биохимиков состоит в том, чтобы иметь возможность разработать полное, подробное, снабженное количественными параметрами филогенетическое древо - историю происхождения всех видов живых существ до самых ее истоков. Биологи питали эту надежду в течение долгого времени; теперь биохимия имеет реальную возможность выполнить это». Поистине задача, достойная самого Геккеля.

Главное рабочее допущение, принимаемое при построении филогенетического древа на основании данных о нуклеотидных и аминокислотных последовательностях, состоит в том, что в пределах каждого набора гомологичных последовательностей, таких как цитохром с, замены нуклеотидов, а следовательно, и аминокислот происходят с постоянной частотой. Из этой гипотезы постепенности вытекает интересное следствие о том, что скорости замены ведут себя как молекулярные часы, ход которых не зависит от скоростей морфологической эволюции.

В 1963 г. Марголиаш (Margoliash) высказал мысль, что эволюция аминокислотных последовательностей в белках и морфологическая эволюция, возможно, не сопряжены друг с другом. Марголиаш указал, что если истекшее время определяет число замен, накопившихся в данном белке, то эволюция аминокислотной последовательности может служить часами, позволяющими измерить время, прошедшее с момента дивергенции любых двух видов. Он высказал пророческое предположение, что «... полезной проверкой важной роли времени как главного фактора в накоплении изменчивости в цитохроме с должно быть сравнение аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из видов, о которых известно, что они на протяжении длительных периодов времени не претерпевали морфологических изменений, и из быстро изменяющихся видов ...». Использование молекулярных часов для вскрытия зависимости между эволюцией структурных генов и морфологической эволюцией позволило выявить некоторые очень интересные аспекты эволюции генома, ответственные за морфологическое изменение. Дикерсон (Dicherson, 1971) опубликовал превосходное введение в проблему белковых часов, а более новый и исчерпывающий ее разбор дали Вилсон, Карлсон и Уайт (Wilson, Carlson, White, 1977).

Прежде чем обсуждать взаимоотношения между молекулярными часами и морфологической эволюцией, следует установить достоинства и недостатки таких часов.

Данные, лежащие в основе гипотезы об однородной и характерной для каждого данного белка скорости эволюции, представлены на рис. 3-1, где показана зависимость между числом мутационных шагов, оцениваемым по числу различий в аминокислотных последовательностях гомологичных белков, и временем дивергенции организмов, из которых эти белки были выделены. Временем дивергенции считается число лет, прошедших с тех пор, когда у двух данных организмов имелся общий предок, и до настоящего времени. Возьмем, например, цитохром с млекопитающих и рептилий. Палеонтологическая летопись показывает, что звероподобные рептилии дивергировали от других рептилий примерно 300 · 106 лет назад. Цитохромы ныне живущих млекопитающих отличаются от цитохромов ныне живущих рептилий примерно 15 заменами на 100 аминокислот. Следовательно, в этом случае на возникновение 15%-ного различия понадобилось 300 · 106 лет, или 20 · 106 - для различий в 1%. Время, необходимое для 1%-ной дивергенции по любому белку, Дикерсон (Dickerson) назвал единицей эволюционного времени (ЕЭВ). Для цитохрома с, следовательно, ЕЭВ равно 20 · 106 лет. У других белков средние скорости эволюции также постоянны, однако абсолютные скорости эволюции у разных белков различны. В частности, для приведенного на рис. 3-1 гемоглобина ЕЭВ равна 5,8 · 106 лет, а для фибринопептида - всего 1,1 · 106 лет.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-1. Скорости эволюции трех белков: фибринопептидов, гемоглобина и цитохрома с (Dickerson, 1971).


Различия в ЕЭВ отражают, по-видимому, разную степень отбора, которому подвергаются разные белки. Ограничения, налагаемые на скорость замены аминокислот в цитохроме с, вероятно, проистекают из его тесной связи с другими белками, входящими в митохондриальную цепь переноса электронов. Глобины также представляют собой функциональные белки, взаимодействующие как с малыми молекулами, так и с другими субъединицами глобинов. В отличие от них о функции фибринопептидов ничего не известно, за исключением того, что это лишь фрагменты, отрезанные от белка с более длинной цепью - фибриногена - при превращении его в фибрин во время образования кровяного сгустка.

Фитч (Fitch) и Лэнгли (Langley) подвергли проверке гипотезу о молекулярных часах, рассмотрев совокупную скорость для семи различных белков, по которым собраны обширные данные об эволюции их аминокислотных последовательностей. Хотя структурные гены, кодирующие каждый белок, характеризуются собственными частотами допустимых нуклеотидных замен, график зависимости числа замен для этих семи белков от времени, прошедшего после дивергенции организмов, из которых они были выделены, представляет собой прямую линию с наклоном, соответствующим 0,47 · 10 -9 замен на одну пару нуклеотидов в год. Отклонения наблюдались только для белков, выделенных из тканей приматов. Эти отклонения могут быть результатом различий в скоростях эволюции белков у приматов или же, что более вероятно, ошибочных оценок времени дивергенции среди приматов по причине скудности ископаемых остатков по этой группе. Средняя скорость замены нуклеотидов, определенная Фитчем и Лэнгли, относится только к тем заменам, которые привели к изменению в аминокислотной последовательности. На основе изучения данных о нуклеотидной последовательности РНК, участвующей в синтезе гемоглобина (Salser et al., Forget et al.), Фитч и Лэнгли пришли к заключению, что непроявляющиеся мутации, т. е. изменения оснований, не приводящие к замене одной аминокислоты на другую, могут происходить в пять раз чаще, чем изменения, влекущие за собой аминокислотные замены. Так, общая частота замены нуклеотидов в структурных генах может достигать 2,8 · 10 -9 на одну пару нуклеотидов в год. Здесь следует отметить, что лежащее в основе всех этих расчетов допущение о линейности молекулярных часов недавно было подвергнуто сомнению со стороны Корручини и др. (Corruccini et al.), а данные, которыми мы располагаем, недостаточно точны, чтобы можно было решить, является ли дивергенция линейной или нелинейной. В то время как аминокислотные последовательности белков дают возможность оценить очень специфический аспект эволюции генома - те части структурных генов, в которых заключены кодирующие последовательности, - непосредственные исследования ДНК позволяют количественно оценить частоту замены нуклеотидов в кодирующих и некодирующих элементах генома. Очевидно, что самый прямой способ получения таких данных состоит в определении нуклеотидных последовательностей ДНК, подобно тому как определяются аминокислотные последовательности белков. Недавно были разработаны методы, делающие возможным такой подход, и в ближайшее время можно будет получить большое число последовательностей ДНК. Те количественные данные об эволюции ДНК, которыми мы в настоящее время располагаем, получены по большей части в экспериментах по гибридизации ДНК, не требующих непосредственного определения нуклеотидных последовательностей изучаемой ДНК.

Принципы гибридизации просты. Двойная спираль состоит из двух цепей ДНК, соединенных друг с другом при помощи водородных связей между парами комплементарных оснований: аденин всегда образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. В нативной ДНК две ее цепи образуют правильные пары по всей длине. Двухцепочечная ДНК может быть разделена на две одиночные нити. При соответствующих концентрациях солей и температуре комплементарные одиночные цепи могут воссоединяться, вновь образуя двухцепочечную ДНК. Существует несколько методов отделения двухцепочечной ДНК от одноцепочечной, что позволяет легко проследить за процессом ренатурации.

Геномы прокариот организованы таким образом, что каждый ген (или последовательность нуклеотидов в ДНК) обычно представлен в одной копии на гаплоидный геном. У эукариот дело обстоит сложнее. В основном геном состоит из единичных генов, но довольно значительная его часть (например, 25% у дрозофилы и 40% у мыши) состоит из последовательностей, повторяющихся от 102 до 106 раз на гаплоидный геном. Наиболее высокоповторяющисся последовательности (например те, что составляют 10% генома мыши, повторяясь 106 раз) - это последовательности сателлитной ДНК; они состоят из простых тандемных повторов, расположенных в виде дискретных блоков в определенных участках хромосом. Между последовательностями, представленными в геноме одной копией (уникальными), разбросаны умеренно-повторяющиеся последовательности, число копий которых варьирует от нескольких сотен до нескольких тысяч. Эксперименты с гибридизацией могут быть использованы для изучения эволюционных изменений, происходивших как в уникальных, так и в повторяющихся последовательностях. При этом можно получить данные двух типов. Исследуя кинетику гибридизации, можно определить число копий, а тем самым и то, как в процессе эволюции изменялась представленность данной последовательности в ДНК того или иного организма. Кроме того, эксперименты с гибридизацией не ограничены соединением комплементарных цепей ДНК, принадлежащих одному организму. Разделенные цепи ДНК из двух разных организмов можно смешать и дать им возможность соединяться. При достаточной степени родства между организмами это приведет к образованию двухцепочечных ДНК. Степень дивергенции между близкими, но не идентичными цепями таких гибридов можно легко оценить, потому что любое отклонение в последовательности нуклеотидов означает, что гибридные ДНК будут содержать несколько нуклеотидов, которые не образуют пар. Неспаренные основания снижают общую стабильность гибридной молекулы. Снижение стабильности можно измерить по последующему снижению температуры плавления такой ДНК, т. е. температуры, при которой две ее цепи разделяются. Отсутствие соответствия у 1,5% оснований приводит к снижению температуры плавления по сравнению с нативной ДНК на 1°С. Это очень мощный метод: он позволяет определить степень дивергенции нуклеотидов в ДНК любых двух организмов независимо от определения аминокислотных последовательностей белка или прямого определения последовательности ДНК.

За несколькими исключениями, такими как гены, кодирующие гистоны, структурные гены находятся в той части генома, которая состоит из последовательностей, представленных в единственном числе. Поэтому изучение скорости замены нуклеотидов в уникальной ДНК представляют особый интерес. В 1969 г. Лэрд, Мак-Конофи и Маккарти (Laird, McConaughy, McCarthy) обнаружили, что уникальные последовательности у парнокопытных эволюционировали со скоростью примерно 2,5 · 10 -9 замен на одну пару нуклеотидов в год, тогда как Кон (Kohne) и его сотрудники установили, что у приматов эта скорость составляла от 1 · 10 -9 до 3,6 · 10 -9. Поскольку неполнота палеонтологической летописи приматов заставляет сомневаться в точности датирования ряда интересных точек дивергенции, в том числе и точки дивергенции человека и человекообразных обезьян, среднюю частоту замены нуклеотидов для всех приматов следует, вероятно, принять равной примерно 2 · 10 -9 на пару нуклеотидов в год. Такие же сомнения в смысле оценок времени дивергенции вызывают работы по эволюции уникальной ДНК у морских ежей (Angerer, Davidson, Britten) и у лягушек (Galau), в которых частота замены оценивается в 1 · 10 -9 - 3 · 10 -9 на пару нуклеотидов в год.

Хотя оценки скорости эволюции уникальной ДНК совпадают друг с другом и со средней частотой замены нуклеотидов, выведенной на основании эволюции белков, частота их замены у некоторых грызунов оказалась в 10 раз выше (Laird). Подобным же образом Сарич (Sarich) установил, что иммунологическое расстояние между альбуминами мыши и крысы на порядок выше, чем между альбуминами человека и шимпанзе. Это несоответствие опять-таки может быть частично обусловлено неточностью оценок времени дивергенции, связанной с неполнотой палеонтологической летописи по этой группе. Лэрд и его сотрудники считают, что крысы дивергировали от мышей примерно 10 · 106 лет назад, но на основании данных, полученных с использованием молекулярных часов, Сарич предполагает, что дивергенция между ними произошла 30 · 106 лет назад. Джекобе и Пилбим (Jacobs, Pilbeam) указывают, однако, что новые палеонтологические данные убедительно свидетельствуют о том, что дивергенция этих двух групп имела место в период 8-14 · 106 лет назад. Это означает, что молекулярные часы у грызунов идут быстрее, чем у других организмов. Кроме того, недавняя работа Хэйка (Hake) по молекулярной эволюции кукурузы показала, что, по крайней мере у некоторых растений, молекулярные часы идут на несколько порядков быстрее, чем это обычно наблюдается у животных. И наоборот, у некоторых групп организмов, например у ряда воробьиных Нового Света (Avise et al.), ход этих часов замедлен. Возможно, что ход молекулярных часов, как это предполагают некоторые авторы, зависит от времени генерации и стратегий размножения, а не от абсолютного числа истекших лет.

Эволюция умеренно-повторяющихся последовательностей ДНК сложнее, чем эволюция уникальной ДНК, потому что в ней участвуют события, приводящие, по-видимому, к скачкообразному возникновению новых семейств повторяющихся последовательностей, после чего происходит дивергенция последовательностей путем замены нуклеотидов. Повторяющиеся последовательности возникают, вероятно, в результате амплификации предсуществующих уникальных последовательностей. Эти события происходили во многих линиях и привели к возникновению большого числа семейств повторов. Происхождение таких семейств у приматов Старого Света схематически изображено на рис. 3-2, взятом из работы Джиллеспи (Gillespie). Используя метод гибридизации, Джиллеспи сравнивал повторяющиеся ДНК высших приматов и обнаружил, что некоторые семейства повторов были общими для нескольких линий, тогда как некоторые другие встречаются только у какой-то одной группы. Так, гиббоны, шимпанзе и человек имеют общее семейство повторов; другое семейство присуще только шимпанзе и человеку, а третье встречается у человека. События, в результате которых возникли эти семейства повторов, обозначены на рис. 3-2 номерами 1 - 3. На схеме изображены также аналогичные события для других групп, таких как павианы и их родичи. У макаки, павианов и мангобея имеется семейство повторов, возникшее в результате события 5. У мартышки это семейство повторов ДНК отсутствует, но у нее есть собственное семейство повторов, возникшее после дивергенции линии мартышек от линии павианов. У всех приматов, включенных в схему на рис. 3-2, обнаружены даже еще более давние общие семейства повторов, возникшие до дивергенции этих групп.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-2. Периоды времени, прошедшие от возникновения у приматов семейств повторяющихся последовательностей ДНК до наших дней. Цифрами в кружках обозначены скачкообразные события (репликации), в результате которых возникли отдельные семейства повторов. Так, семейство повторов, возникшее в результате события 1, имеется у человека, шимпанзе и гиббонов, а семейство, связанное с событием 2, - только у человека и шимпанзе. Некоторые события произошли слишком недавно, так что возникшие при этом семейства повторов имеются только в какой-нибудь одной группе (например, событие 3) (Gillespie, 1977).


Несмотря на то что одно семейство повторов может быть общим для нескольких организмов, на кривых плавления гибридных ДНК из близких повторов от двух данных организмов выявляется снижение температуры плавления. Это показывает, что после возникновения семейства повторов последовательности, из которых они состоят, начинают дивергировать путем накопления замен нуклеотидов. Интересно отметить, что умеренно-повторяющиеся ДНК, с которыми работал Джиллеспи, эволюционировали с такой же скоростью, как и уникальные последовательности ДНК. Это соответствие хода молекулярных часов наблюдается также у совершенно другого, но специфичного семейства повторов - структурных генов, кодирующих гистоны у морских ежей (Weinberg et al.).

В целом такое относительное единообразие частот замены нуклеотидов в ДНК создает впечатление, что и в самом деле существует некий «геномный метроном», задающий какую-то среднюю относительно постоянную частоту замены нуклеотидов в геномной ДНК, не зависящую ни от филогенетического положения, ни от скорости морфологической эволюции. Но представляет ли собой частота замены нуклеотидов какую-то складывающуюся за длительный период среднюю из многих скоростей эволюции последовательностей, в разной степени подвергающихся отбору, или же это процесс, в основном селективно нейтральный?

Сравнение скоростей эволюции нуклеотидных последовательностей нескольких разных типов показало, что справедливо первое предположение. Росбаш, Кампо и Гаммерсон (Rosbash, Campo, Gummerson) в экспериментах по гибридизации ДНК мышей и крыс установили, что последовательности, комплементарные суммарной мРНК, дивергировали вдвое медленнее, чем суммарная уникальная ДНК. Дело в том, что преобладающая часть последовательностей, содержащихся в уникальной ДНК, никогда не транскрибируется в мРНК, и тем самым она, по-видимому, свободна от некоторых из тех ограничений, которые налагаются на структурные гены. Подобным же образом Хольмквист (Holmquist), Джукс (Jukes) и Пэнгберм (Pangburm), а также Хори (Hori), используя прямые данные секвенирования для тРНК и 5S-PHK, установили, что эти молекулы, участвующие в синтезе белка, эволюционировали довольно медленно, со скоростью примерно 0,2·10 -9 замен на нуклеотид в год, что составляет одну десятую часть средней скорости эволюции всего генома.

Наибольшего внимания заслуживают, пожалуй, работы Кафатоса (Kafatos) и его сотрудников, которые сравнивали последовательности в глобиновых мРНК человека и кролика, чтобы выяснить, эволюционируют ли все участки рассматриваемой последовательности с одинаковой скоростью и приближаются ли некоторые из этих скоростей к частоте замены нуклеотидов, ожидаемой для нейтральной эволюции. Если бы скорости эволюции последовательностей, содержащихся в глобиновых мРНК, были «нейтральными», т.е. определялись главным образом частотой мутаций, поскольку роль отбора в нейтральной эволюции незначительна, то эта скорость была бы, вероятно, близка к скорости, наблюдаемой в гипервариабельных участках фибринопептидов. Фактически Кафатос и его сотрудники обнаружили, что частоты как непроявляющихся мутаций, так и мутаций, приводящих к аминокислотным заменам, гораздо ниже. Частоты замен варьировали в зависимости от участка сравниваемых мРНК. Например, некодирующая 5'-последовательность эволюционировала с такой же скоростью, как и все кодирующие последовательности, тогда как некодирующая З'-последовательность эволюционировала быстро. В участках, кодирующих критически важные участки белка, которые определяют взаимодействия с геном, эффект Бора, контакты α- β-цепей, аминокислотных замен не происходит, а скорость непроявляющихся нуклеотидных замен очень низка. В отличие от этого в участках, где замены аминокислот происходят, замены нуклеотидов осуществляются быстрее. Совершенно очевидно, что непроявляющиеся замены нуклеотидов не обязательно должны быть нейтральными.

Заключение о том, что скорость молекулярных часов определяется не каким-то одним фактором, а представляет собой среднее из нескольких скоростей, отражающих разнообразные уровни отбора, не снижает их полезности при построении молекулярных филогении. На рис. 3-3 и 3-4 представлены два примера эволюционного древа белков - цитохрома с и миоглобина. Средние скорости эволюции этих двух белков различны, а поэтому их можно использовать для отображения эволюционных событий, происходивших в совершенно различных временных масштабах. Миоглобин должен был эволюционировать достаточно быстро, поскольку в различных отрядах плацентарных млекопитающих, дивергенция которых началась в конце мелового периода, он представлен в достаточно сильно различающихся формах. Поэтому миоглобин - идеальный белок для построения молекулярной филогении млекопитающих. Цитохром с, эволюция которого протекала медленнее, может быть использован для того, чтобы проследить гораздо более широкий и древний комплекс родственных связей - связи между царствами, типами и классами эукариот. При построении филогенетических схем белков определяют наименьшее число замен нуклеотидов, необходимое для возникновения наблюдаемого в процессе эволюции различия между близкими аминокислотными последовательностями. На схеме длина ветвей, соединяющих любые две последовательности, должна быть пропорциональна числу мутационных событий, создающих различия между этими последовательностями. В целом эти белковые филогении достаточно хорошо соответствуют обычным филогенетическим схемам, при построении которых используются классические сравнительно-анатомические, эмбриологические и палеонтологические методы.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-3. Филогенетическое древо цитохромов с эукариот. Представлены аминокислотные последовательности следующих видов: 1-Tetrahymena pyriformis; 2-Crithidia fasciculata; 3-C. oncopelti; 4-Euglena gracilis; 5-головня; 6-пекарские дрожжи; 7-Candida sp.; 8-тунец; 9-курица; 10-человек; 11-плодовая мушка; 12-креветка; 13-улитка; 14-морская звезда; 15-Eisenia foetida; 16-Ginkgo biloba; 17-бузина; 18-пшеница (Schwartz, Dayhoff, 1978).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-4. Филогенетическое древо миоглобинов млекопитающих. Представлены аминокислотные последовательности следующих видов: 1-утконос; 2-кенгуру; 3-опоссум; 4-человек, павиан и игрунка; 5-еж; 6-собака и барсук; 7-морской лев и тюлень; 8-галаго; 9-толстый лори; 10-тупайя; 11-кролик; 12-тонкотелый маки; 13-дельфины и киты; 14-лошадь; 15-корова, свинья и овца (Hunt, Hurst-Calderonc, Dayhoff, 1978).

Структурные гены и регуляторы в эволюции

Белковые филогении, однако, не всегда совпадают с морфологическими филогениями. Например, аминокислотные последовательности цитохрома с, как это видно на рис. 3-3, распадаются на четко разграниченные ветви, соответствующие царствам простейших, грибов, растений и животных; обособлены также последовательности, относящиеся к разным типам животных. Кольчатые черви, моллюски, ракообразные, как следовало бы ожидать на основании классических подходов к филогении, образуют группу типов, отличающихся от позвоночных. Однако иглокожим на этом цитохромном древе соответствует одна из боковых ветвей кольчатых червей, что противоречит эмбриологическим данным, согласно которым иглокожие близки к хордовым (см. рис. 4-1). Сходные затруднения возникают также при рассмотрении миоглобинового древа (рис. 3-4). Расположение на нем большинства групп в разумных пределах согласуется с палеонтологическими и морфологическими данными, по лори и лемуры занимают несколько неожиданные места. По своему строению эти формы относятся к приматам, однако по аминокислотным последовательностям миоглобина они не ближе к высшим приматам, чем собаки или кролики. Это последнее экстраординарное заключение вряд ли правильно, поскольку общепринятая филогения основана на гораздо большем числе признаков, чем продукт одного гена. Общее соответствие филогении, построенных на основе молекулярных и морфологических критериев, объясняется, вероятно, длительным усреднением скоростей как морфологической, так и молекулярной эволюции. Несоответствие же может быть результатом вариаций либо скорости эволюции данного белка, либо скорости морфологической эволюции какой-либо определенной линии.

Вариации в скоростях эволюции белков, по-видимому, особенно велики в период возникновения новых функций. Белки, функции которых вполне сложились, эволюционируют с точностью часового механизма, и их можно поэтому использовать для определения молекулярных филогении. Однако в период становления функции какого-либо нового белка его эволюция, очевидно, отклоняется от точного хода молекулярных часов. Если скорость эволюции глобина экстраполировать в прошлое, как это сделано на рис. 3-1, то дивергенция глобинов приходится на поздний докембрий, т.е. на гораздо более раннее время, чем появление первых остатков Metazoa в палеонтологической летописи. Так, при этом получается, что глобин миног дивергировал от глобина насекомых более чем 1000· 106 лет назад, от гемоглобина позвоночных - 800 · 106 лет назад, а гемоглобин от миоглобина 900 · 106 лет назад. Такие экстраполяции, возможно, приводят к сильно завышенным оценкам. В соответствии с палеонтологическими данными Гудман, Мур и Матсуда (Goodman, Moore, Matsuda) предполагают, что эти белки дивергировали позднее: глобин миноги от глобинов насекомых - примерно 700· 10б лет назад, глобин миноги от гемоглобинов позвоночных - примерно 500 · 106 лет назад, а гемоглобины от миоглобинов - также около 500 · 106 лет назад. Дивергенция α- и β-гемоглобинов также произошла примерно 450 · 106 лет назад. Такие оценки сроков дивергенции представляются разумными, потому что древнейшие примитивные хордовые известны из среднего кембрия (примерно 550 · 106 лет назад), а остатки древнейших позвоночных-из позднего кембрия (примерно 500 · 106 лет назад). Из этих пересмотренных оценок сроков дивергенции вытекает, что в период от 500 до 400·106 лет назад скорость эволюции глобинов была гораздо выше, чем впоследствии.

Есть и другие примеры. Наилучший из них - это, вероятно, α-лактальбумин - субъединица лактозосинтетазы молочной железы. α-Лактальбумин сходен по своей аминокислотной последовательности с лизоцимом и, возможно, произошел от лизоцима во время эволюции ранних млекопитающих. Согласно «Атласу аминокислотных последовательностей и структуры белков», ЕЭВ для α-лактальбумина равна примерно 2,3 · 106 лет, тогда как для лизоцима она равна примерно 5 · 106 лет. Если бы эти скорости были постоянными на всем протяжении истории развития двух белков, то, учитывая аминокислотные различия между α-лактальбумином и лизоцимами млекопитающих, α-лактальбумин должен был возникнуть 300 · 106 лет назад - примерно за 100 · 106 лет до того, как в позднем триасе появились первые млекопитающие. Более вероятная альтернатива состоит в том, что α-лактальбумин возник в триасе в качестве одного из элементов комплекса признаков, характеризующих млекопитающих, и на раннем этапе своей истории претерпел период быстрой эволюции.

Другой, особенно интересный пример обнаружил Хенниг (Hennig), описавший у мыши цитохром с, специфичный для семенников, который отличается по 13 аминокислотам от цитохрома с, содержащегося во всех других тканях мыши. Он отмечает, что если эти 13 замен локализовать на трехмерной модели молекулы цитохрома с, то окажется, что все они сконцентрированы на одном участке поверхности. В остальном вся аминокислотная последовательность идентична основному цитохрому с мыши и других грызунов (Carlson et al.). Хенниг полагает, что, судя по числу замен, дивергенция цитохрома с семенников произошла на раннем этапе эволюции четвероногих (или даже раньше) и что остальная часть его молекулы эволюционировала параллельно основному цитрохрому с. Представляется, однако, более вероятным, что цитохром с семенников - результат относительно недавней дупликации гена, имевшей место у первых грызунов, за которой последовала быстрая эволюция этого специализированного белка.

В этих примерах повышение скоростей изменения происходило в период развития новых функций, но после достижения функциональной адаптации приемлемые замены ограничивались второстепенными частями молекулы. Это, по-видимому, общее положение. Отклонения эволюции белка от нормального хода молекулярных часов не лишают нас возможности использовать белковые часы для тех промежутков времени, в которые их эволюция протекала с достаточно постоянной скоростью. Совершенно очевидно, что в тех случаях, для которых нельзя хорошо установить время дивергенции на основании палеонтологической летописи, или в линиях, у которых скорость эволюции белка может оказаться непостоянной, желательно соблюдать осторожность.

Несоответствие между морфологической и молекулярной филогениями в тех случаях, когда белки эволюционируют строго по молекулярным часам, может быть вызвано только непостоянством скоростей морфологической эволюции. Очевидно, такое несоответствие не является чем-то необычным, и разобщенность морфологической эволюции и молекулярных часов имеет большое значение. Экспериментальные доказательства того, что морфологическая эволюция связана с иной частью генома, нежели та, которая измеряется по ходу молекулярных часов, получены главным образом в работах Вилсона (Wilson) и его сотрудников.

Наиболее впечатляющим примером для иллюстрации этой гипотезы служат родственные отношения между человеком и шимпанзе. Систематики на основании морфологических различий между этими двумя организмами относят их к разным семействам, однако, как показали Кинг и Вилсон (King, Wilson), если судить по молекулярным признакам, то они связаны очень тесным родством. Степень сходства между ними поразительна. Аминокислотные последовательности 12 довольно разнообразных белков различаются всего по 7,2 из 1000 аминокислотных остатков; иными словами, аминокислотные последовательности белков идентичны более чем на 99%. Кинг и Вилсон использовали еще один метод для оценки сходства белков, сравнив поведение 44 внутриклеточных и сывороточных белков при электрофорезе. У большей части этих белков есть аллельные варианты, выявляемые методом электрофореза. Доля электрофоретически идентичных аллелей, находящихся в определенном локусе у человека и у шимпанзе, составила 0,52. Различия в последовательностях для 44 изученных таким образом аллелей вычисляли путем определения доли аминокислотных замен, выявляемых при электрофорезе, и последующей оценки общего числа накопившихся замен с применением распределения Пуассона. Согласно этим расчетам, число замен равно 8,2 на 1000 аминокислот, т. е. белки человека и шимпанзе идентичны на 99%.

Наконец, Кинг и Вилсон, используя данные Коне (Kohne) и Хойера (Hoyer) и их сотрудников об устойчивости к нагреванию гибридов между ДНК человека и шимпанзе, содержащих только уникальные последовательности, установили, что последовательность ДНК средней длины, содержащая 3000 оснований (т.е. эквивалентная 1000 аминокислот), различается у человека и шимпанзе по 33 нуклеотидам. Эта разница больше, чем предсказывали, исходя из частоты замены аминокислот в белках, но расхождение нетрудно объяснить. К такому результату могут привести как непроявляющиеся мутации, вызывающие замены нуклеотидов, не сопровождающиеся изменениями в аминокислотных последовательностях, так и мутации в некодирующих участках. Молекулярные расстояния, оцененные всеми этими методами, можно сопоставить с таксономическими расстояниями между другими организмами, по которым проведены также хорошие сравнения на молекулярном уровне. Когда Кинг и Вилсон проводили анализ генетического расстояния на основе данных электрофоретических исследований и гибридизации ДНК, они с удивлением обнаружили, что человек и шимпанзе близки друг к другу не меньше, чем виды-двойники других млекопитающих или дрозофилы. Это сходство подтверждается результатами подробного изучения строения хромосом человека и шимпанзе (Yunis et al.), свидетельствующими о почти полной идентичности «бендинга» хромосом у обоих организмов.

Конечно, можно говорить о том, что отнесение шимпанзе и человека к разным семействам - результат давних предрассудков, побуждающих нас отделять собственный вид от своих отсталых ближайших родичей. Бенджамен Дизраели искренне считал, что, если бы ему пришлось решать, относится ли человек к обезьянам или ангелам, он склонился бы в пользу ангелов, и на такой позиции до сих пор остаются многие. Однако вполне возможно, что таксономисту, не относящемуся к Homo sapiens, шимпанзе и человек казались бы видами-двойниками, принадлежащими к одному роду. Подобный довод выдвинул Меррел (Merrell), а Черри, Кэйз и Вилсон (Cherry, Case, Wilson) подвергли его проверке. Они провели количественные сравнения между человеком и шимпанзе по таким же морфологическим признакам, которые используются систематиками для выявления различий между бесхвостыми амфибиями по форме их тела. Оказалось, что человек и шимпанзе различаются по этим критериям в несколько большей степени, чем бесхвостые амфибии, принадлежащие к разным подотрядам; этот интересный результат не может служить аргументом в пользу чересчур сильного таксономического разделения человека и шимпанзе таксономистами-людьми. Вместо этого создается впечатление, что за те примерно (5-10) · 106 лет, которые прошли со времени дивергенции этих двух линий, гоминиды претерпели чрезвычайно быструю морфологическую эволюцию, хотя их молекулярная эволюция протекала с обычной скоростью.

В 1974 г. Вилсон, Максон и Сарич (Wilson, Maxon, Sarich) высказали мнение, что «существуют, возможно, два главных типа молекулярной эволюции. Один тип - это процесс эволюции белка, который протекает примерно с одинаковой скоростью у всех видов. Другой тип - процесс, скорость которого варьирует и который обусловливает эволюционные изменения морфологии и образа жизни. Мы считаем, что за эволюцию на морфологическом и более высоких уровнях ответственны эволюционные изменения регуляторных систем». Вилсон и его сотрудники подвергли эту гипотезу проверке, сопоставляя молекулярные различия между организмами с показателями различий между их регуляторными системами. Так, они сравнивали лягушек с плацентарными млекопитающими, что представляется мало обоснованным.

В процессе диверсификации, происходившем с конца мелового периода, плацентарные млекопитающие претерпели быструю эволюцию. Диапазон их морфологического разнообразия очень велик : от летучих мышей до китов, от слонов до человека. Как в анатомическом, так и в адаптивном отношении они образуют гораздо более широкий спектр, чем лягушки, которые за все 150 · 106 лет своей истории почти не изменились ни анатомически, ни по образу жизни. Несмотря на морфологический консерватизм лягушек, аминокислотные последовательности их белков подверглись значительным эволюционным изменениям, и их молекулярные часы показывают то же время, что и гомологичные часы млекопитающих. Многие пары видов млекопитающих и лягушек были испытаны на способность давать при скрещиваниях жизнеспособные межвидовые гибриды (т.е. гибриды, способные развиваться и достигать половой зрелости, но не обязательно плодовитые). Эти межвидовые гибриды Вилсон, Максон и Сарич использовали для проверки относительной роли эволюции аминокислотных последовательностей в управлении изменениями на уровне организма. Если близость по аминокислотным последовательностям имеет решающее значение, то межвидовые гибриды должны получаться только при скрещивании видов, у которых эти последовательности очень сходны. Такой результат может означать либо что для правильной сборки функциональных белковых комплексов необходимы очень близкие белковые субъединицы, либо что сходство белков служит показателем такой незначительной дивергенции между двумя объединившимися в гибриде геномами, при которой они остаются совместимыми и могут обеспечить эмбриональное развитие.

В одной работе, в некотором смысле похожей на обследование пассажиров Ноева ковчега, было проведено сравнение сывороточных альбуминов каждого из членов 31 пары видов млекопитающих и 50 пар видов лягушек, которые при скрещивании между собой дают жизнеспособные межвидовые гибриды; критерием для сравнения служило связывание комплемента, определяемое количественным микрометодом и используемое для установления иммунологического сходства белков. Результаты были представлены в единицах иммунологического расстояния, которое прямо зависит от различий в аминокислотной последовательности. Такой подход позволяет получить молекулярные часы для альбуминов; эти белки были выбраны, потому что они легко очищаются и обладают сильными антигенными свойствами. Иммунологические расстояния для альбуминов хорошо соответствуют скорости хода молекулярных часов вообще, потому что эти расстояния для пар приматов, других млекопитающих и хвостатых амфибий были прямо пропорциональны различиям по всей уникальной последовательности между ДНК тех же пар организмов (Вилсон, Сарич и Кронин, Максон и Вилсон).

Результаты сравнения альбуминовых расстояний и способности производить жизнеспособное гибридное потомство выявили резкое различие между лягушками и млекопитающими. Пары видов млекопитающих, относящихся к таким группам, как приматы, хищные, непарнокопытные и парнокопытные, и дающих жизнеспособные гибриды, были очень близки в смысле иммунологического расстояния по альбуминам. Диапазон этих расстояний лежал в пределах от 0 до 10 ед. со средней, равной 3. Этот довольно узкий диапазон резко отличался от того диапазона расстояний - до 90 ед., - при которых виды лягушек все еще давали жизнеспособные гибриды; для лягушек среднее расстояние было равно 37 ед. Если бы млекопитающие с такими большими иммунологическими расстояниями, как наблюдаемые у лягушек, могли тоже давать жизнеспособные гибриды, то стали бы возможны скрещивания между человеком и обезьяной, собакой и тюленем или овцой и жирафом. Вилсон и его сотрудники высказали мнение, что такие скрещивания невозможны, потому что у млекопитающих (в отличие от лягушек) произошли быстрые эволюционные изменения в системах, регулирующих экспрессию генов в процессе развития. Из-за того что альбуминовые молекулярные часы изменялись у лягушек и млекопитающих с одинаковой скоростью, скорость эволюции регуляторных систем, участвующих в процессе развития, должна быть у млекопитающих в 10 раз выше, чем у лягушек.

Эта гипотеза привлекательна, однако доказательств в ее пользу пока нет. Главное возможное осложнение проистекает из того факта, что у млекопитающих зародыши непосредственно взаимодействуют с матерью через плаценту. Таким образом у гибридов, синтезирующих белки, отличные от белков материнского вида, может произойти иммунологическое отторжение. Лягушки, а также птицы, которые, как показали Прагер (Prager) и Вилсон, способны, подобно лягушкам, давать жизнеспособные гибриды при скрещиваниях между видами, значительно дивергировавшими по белкам, отличаются от млекопитающих тем, что они развиваются из яйца, совершенно изолированного от иммунной системы матери. В экспериментах на млекопитающих, у которых материнская иммунная система была подавлена, не наблюдалось повышения выживаемости, так что это возражение также остается спорным.

Отсутствие корреляции между молекулярной и морфологической эволюцией наблюдается также и у других организмов. Например, было обнаружено (Avise et al.), что у гольянов, у которых происходило быстрое видообразование, эволюция белков протекала с такой же скоростью, как у солнечных окуней, у которых видообразование происходило медленно.

Как могла эволюция регуляторных систем совершаться независимо от замены нуклеотидов в структурных генах? Вилсон и его сотрудники высказали мнение, что морфологическая эволюция происходит за счет перераспределения генов, а не за счет точковых мутаций. Термин «перераспределение генов» объединяет ряд разнообразных процессов, часть из которых очень трудно выявить. События, происходящие на уровне кариотипа, такие как изменения числа хромосом или хромосомных плеч, отражают расщепление существующих хромосом, приводящее к увеличению их числа, или слияние хромосом с уменьшением их числа, или другие события, в частности инверсии или уменьшение количества гетерохроматина. Вилсон, Буш, Кэйз и Кинг (Wilson, Bush, Case, King) рассматривают эти изменения как «внешние выражения явления перераспределения генов».

Остается неясным, насколько же точно внешне заметные изменения кариотипа отражают перераспределения генов, которые предположительно играют важную роль в морфологической эволюции? Вилсон и Буш и их сотрудники попытались выяснить зависимость между хромосомными изменениями и морфологической эволюцией, сравнивая скорости кариотипических и морфологических изменений у плацентарных млекопитающих, рептилий, амфибий и рыб. Хотя быстрая морфологическая эволюция протекает независимо от молекулярной эволюции, она сильно коррелирована с быстрыми изменениями в числе хромосом. Скорость изменения числа хромосом у млекопитающих в 10-20 раз выше скорости, вычисленной для морфологически более консервативных амфибий, рептилий и рыб. Интересно указать, что аналогичная несоразмерность существует между млекопитающими и моллюсками, для которых вообще характерна низкая скорость морфологических изменений. Это позволяет установить некую общую корреляцию, согласно которой скорость изменения хромосом ниже в группах, эволюционирующих быстрее. Буш и его сотрудники усовершенствовали эти измерения с целью показать, что фактически скорость эволюции хромосом тесно коррелирует со скоростью видообразования. На основании этих результатов было сделано предположение, что эволюция хромосом может действительно быть тем механизмом, который непосредственно обеспечивает перестройки генома, имеющие важное значение для морфологической эволюции. Следует, однако, отметить, что из этого обобщения имеются исключения, в чем можно убедиться на примере двух недавних исследований. Сравнения скоростей эволюции кариотипа среди мелких карповых, которые провел Голд (Gold), показывают, что, вопреки ожиданиям, изменения хромосом происходят гораздо медленнее у рода Notropis, характеризующегося быстрым видообразованием, чем у других родов того же семейства с более медленным видообразованием. Скорости эволюции кариотипа могут сильно варьировать также и у млекопитающих. Как установили Бэйкер и Бикхэм (Baker, Bickham), у летучих мышей, хотя эта группа в целом морфологически консервативна, изменения хромосом происходили с очень разной скоростью; у некоторых летучих мышей не обнаружено никаких изменений по сравнению с кариотипом, принятым за примитивный, тогда как у других скорость изменений была наивысшей из всех когда-либо описанных для какой-либо группы животных. Скорости кариотипической эволюции не соответствуют ходу молекулярных часов, и они не обязательно соответствуют скоростям морфологической эволюции. Мы считаем, что реорганизация генома имеет решающее значение для морфологической эволюции. Однако такие изменения генома происходят при помощи гораздо более тонких механизмов, чем крупные хромосомные перестройки, и изменения на уровне хромосом не являются необходимым компонентом видообразования и морфологического изменения.

Типы видообразования

До сих пор наше внимание было сосредоточено главным образом на скоростях молекулярной и морфологической эволюции, и нам удалось выбрать количественные показатели, приемлемые для нескольких эволюционных процессов. Однако такие показатели, как скорость изменения размеров в дарвинах или скорости эволюции ДНК в числе замен нуклеотидов за год, могут создать иллюзию непрерывности - градуализма - даже в тех случаях, когда на самом деле имел место прерывистый ряд событий. Если эволюция обычно происходит прерывистым образом, то возникает необходимость определить природу процесса, вызывающего быстрое и, возможно, радикальное эволюционное изменение. Согласно наиболее прочно укоренившемуся мнению, опирающемуся на популяционную биологию и генетику, решающую роль в эволюции играет видообразование.

В этом контексте вид определяется как группа скрещивающихся между собой организмов, имеющих общий генофонд. А от такого определения неотделимы процесс и механизм, с помощью которых происходит видообразование. Если члены данного вида имеют общий генофонд, то события, приводящие к разделению одного вида на два, должны выделять из этого генофонда отдельные части и препятствовать обмену генетической информацией между двумя отдельными популяциями. Поэтому нам необходимо выяснить природу механизмов, разделяющих зарождающиеся виды, - природу генетических изменений, их количество, необходимое для видообразования, и необходимое на это минимальное время. Однако, прежде чем очертя голову устремиться к этой нетронутой целине, следует сделать два предостережения. Как совершенно справедливо отметил Буш, никто никогда не наблюдал процесс видообразования от начала и до конца, так что само исследование видообразования представляет собой «науку ad hoc». To, что мы наблюдаем в природе, это только отдельные моменты, ряд отдельных кадров непрерывного процесса, и, располагая лишь этими мимолетными впечатлениями, мы вынуждены воссоздавать весь остальной процесс и лежащий в его основе механизм. Это несколько напоминает метод Шерлока Холмса, который приводил в изумление доктора Ватсона: все прошлое будущего клиента выводилось из того, как он хромает и какие курит сигары. Как мы сможем убедиться, процесс видообразования протекает у разных организмов по-разному, и любые относящиеся к нему обобщения даются с трудом. Справедливости ради следует упомянуть о том, что в литературе описано несколько случаев лабораторного «видообразования». Эти случаи по большей части возникали в результате экспериментального или интуитивного возведения преград, препятствовавших скрещиванию между особями, принадлежащими к одному и тому же виду. Остается выяснить, однако, в какой мере эти лабораторные события соответствуют тому, что происходит в природе.

Другое предостережение относится к различию между адаптивными изменениями в пределах данной популяции и разного рода изолирующими механизмами, вызывающими расщепление, или кладогенез. Каждая природная популяция обладает известным запасом изменчивости, будь то хромосомный, морфологический или биохимический полиморфизм. Можно также показать, что эти кариотипические, морфологические или ферментные признаки изменяются во времени, со сменой времен года, или в пространстве, например с высотой местности. Классическим примером адаптивного изменения этого типа служит индустриальный меланизм у пяденицы Biston betularia. В этом особом случае в течение XIX в. в результате развития промышленности и загрязнения среды угольной пылью и копотью в популяциях этой бабочки в центральных графствах Англии черная морфа стала преобладать над серой. Пяденицы днем отдыхают на стволах деревьев, потемневших от копоти, а поэтому птицы лучше различают на них серых бабочек и выедают их сильнее, чем черных. Конечно, в популяции произошло изменение, однако она при этом не распалась на две отдельные репродуктивно изолированные группы. Черные и серые бабочки продолжают спариваться и производят жизнеспособное плодовитое потомство. Другой пример - полиморфизм по хромосомным инверсиям у Drosophila pseudoobscura, так изящно проанализированный Добржанским и его учениками. В третьей хромосоме этих мух содержится много различных генных последовательностей, перестроенных по сравнению с произвольно выбранной стандартной последовательностью. Во многих локальных популяциях содержится по нескольку таких инвертированных последовательностей. Частота каждой данной последовательности в популяции изменяется, однако, на протяжении всего сезона, когда эти насекомые растут. Частота инверсий изменяется также с изменением высоты местности над уровнем моря, так что на разных высотах в популяции преобладают различные инверсии, т.е. наблюдается клинальная изменчивость их частоты. И в этом случае все мухи, несущие различные хромосомные последовательности, интерфертильны, а поэтому они не относятся к разным видам. Создается впечатление, что изменения частоты генов или структуры хромосом, происходящие в пределах одной популяции и не сопровождающиеся видообразованием, возможно, играют известную роль в поддержании адаптированности популяции, но не играют существенной роли в эволюционном процессе.

Границы видов, особенно видов животных, устанавливаются репродуктивной изоляцией между ними. Это разделение поддерживается разнообразными изолирующими механизмами, которые можно разбить на две широкие категории - презиготические и постзиготические, в зависимости от того, подавляется ли передача генетической информации до или после оплодотворения. Презиготические преграды служат для предотвращения слияния гамет и могут сводиться всего лишь к экологическим различиям между двумя предполагаемыми брачными партнерами. Если две группы животных экологически изолированы либо реальным физическим расстоянием, либо тем, что они занимают достаточно различные ниши в одной и той же общей области, то скрещивание между ними маловероятно. Второй тип наблюдаемой презиготической изоляции-это временная изоляция. Если животные различаются по суточным ритмам активности или если растения различаются по срокам цветения, то они лишены возможности обмениваться генетической информацией. Третий тип презиготической изоляции специфичен для полового процесса как такового. У многих животных выработались весьма сложные брачные церемонии, которые должны быть выполнены во всех деталях, для того чтобы могло совершиться спаривание и произошло слияние гамет. В некоторых случаях при этих церемониях происходит не только обмен слуховыми и зрительными сигналами, но также выделение самцом, самкой или обоими партнерами специфических феромонов или половых аттрактантов. Четвертый презиготический механизм заключается в физической несовместимости. Этот механизм связан с величиной и формой половых органов самца и самки. Например, у животных с внутренним оплодотворением половой член самца должен соответствовать строению половых органов самки, с тем чтобы было возможно введение спермы. У растений, опыляемых насекомыми, каждый вид связан с определенным видом опылителей, и успех опыления зависит от величины, формы, окраски и запаха цветка и его способности привлекать насекомых именно данного вида.

Наконец, существует несовместимость гамет. Гаметы, продуцируемые организмом с тем, чтобы произошла сингамия, или слияние мужского и женского пронуклеусов с образованием диплоидного ядра зиготы, должны узнавать друг друга и обладать для этого специальными опознавательными признаками. Среди животных это наиболее ярко выражено у видов с наружным оплодотворением, которые выделяют гаметы в окружающую среду, обычно водную. Морские ежи и другие иглокожие, для которых характерно наружное оплодотворение, обладают опознавательными признаками, предотвращающими межвидовой обмен генами. Нельзя не испытать известного зловещего очарования, представив себе тот хаос, который мог возникнуть, если бы выброшенные в океан гаметы начали соединяться случайным образом. У растений несовместимость гамет чаще всего проявляется в неспособности пыльцевого зерна одного вида, попавшего на рыльце другого вида, прорасти в столбик, в результате чего мужской пронуклеус лишается возможности достигнуть яйцеклетки. Очевидно, этот же механизм предотвращает самооплодотворение у многих однодомных растений.

Ко второй крупной категории - постзиготическим изолирующим механизмам - относятся те механизмы, которые вступают в действие после того, как произошло слияние гамет. Первый из них - это летальность гибридов. Образование гибридов возможно, по крайней мере в лабораторных условиях, однако они гибнут на той или иной стадии развития. Гибель может произойти либо вскоре после оплодотворения, либо на довольно поздней стадии развития; она бывает обычно вызвана либо неспособностью отцовского генома выжить и/или функционировать в материнской цитоплазме, т.е. в цитоплазме яйцеклетки, либо несовместимостью отцовского и материнского геномов. Эти механизмы продемонстрировали Дени и Браше (Denis, Brachet) в своем исследовании причин летальности при скрещиваниях между двумя видами иглокожих - Paracentrotus lividus и Arbacia lixula. Яйца P. lividus можно оплодотворить спермой A. lixula, и они начинают развиваться, однако гибридный зародыш гибнет до гаструляции. Причиной прекращения развития может быть утрата отцовской ДНК дробящимся яйцом вследствие элиминации отцовских хромосом во время клеточных делений. Кроме того, в этих экспериментах не наблюдалось усиления синтеза РНК, которое обычно происходит при гаструляции или непосредственно перед ее началом. Летальность гибридов несколько иного рода была обнаружена при скрещиваниях между другой парой видов иглокожих - Dendraster excentricus и Strongylocentrotus purpuratus (Whiteley, Whiteley). В этом случае зародыши проходили через стадию гаструлы, но не достигали нормальной личиночной стадии. Возможно, что такое прекращение развития вызвано нарушением экспрессии отцовского генома, потому что при этом не происходит синтеза белков, специфичных для отцовского вида.

Другая форма постзиготической изоляции - это стерильность гибридов: межвидовые гибриды жизнеспособны, но не оставляют потомства. Классическим примером служит мул. Стерильность по вызывающим ее причинам делится на две основные категории - хромосомную и генную. Хромосомная стерильность часто возникает в результате неспособности хромосом отцовского и материнского происхождения к нормальной конъюгации и расхождению во время мейоза, что приводит к массивному «нерасхождению» при первом мейотическом делении. На рис. 3-5 изображено нормальное течение мейоза (слева) и случай нерасхождения (справа).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-5. Нормальный мейоз и аномальный мейоз, приводящий к нерасхождению хромосом. При нормальном мейозе все гаметы содержат равноценные гаплоидные наборы хромосом. При нерасхождении не происходит равномерного распределения хромосом по гаметам, так что гаметы содержат несбалансированные хромосомные наборы.


Как показывает этот гипотетический пример, аномальное распределение генетического материала при мейозе приводит к образованию анэуплоидных гамет, несбалансированных на хромосомном, а поэтому и на генном уровнях. Это происходит несмотря на то, что гибридный индивидуум во всех других отношениях совершенно нормален. Однако образуемые им анэуплоидные половые клетки неспособны соединяться ни друг с другом, ни с нормальными гаметами, с тем чтобы обеспечить нормальное развитие, а поэтому гибриды стерильны. Пример такой стерильности при скрещиваниях между двумя видами табака описали Клаузен и Гудспид (Clausen, Goodspeed). У Nicotiana tabacum диплоидное число хромосом равно 48, а у N. glutinosa оно равно 24. Эти два вида дают при скрещивании жизнеспособные гибриды с диплоидным числом хромосом, равным 36. Эти растения стерильны и не производят семян, потому что 12 хромосом N. glutinosa и 24 хромосомы N. tabacum, по-видимому, неспособны нормально конъюгировать и расходиться при мейозе.

Хромосомная стерильность другого типа может возникнуть при скрещивании двух близкородственных видов, обладающих различной хромосомной конституцией. Это легче всего наблюдать, если геном одного вида отличается от генома родственного вида по перестройке, состоящей в иной ассоциации плеч хромосом, т. е. если у одного вида произошла транслокация или слияние плеч хромосом. Гибрид от скрещивания между такими двумя видами продуцирует анэуплоидные гаметы вследствие аномального расщепления генетической информации, расположенной в них по-разному. У гибридного индивидуума, гетерозиготного по одному элементу транслокации, плодовитость будет понижена вдвое, а дальнейшие перестройки понизят ее даже еще больше. Аналогичное, хотя и менее выраженное, влияние хромосомные инверсии могут оказывать и оказывают на плодовитость внутривидовых гибридов. Следовательно, изменения числа хромосом и хромосомные перестройки могут блокировать обмен генетической информацией и создавать изоляцию, способствуя видообразованию.

Необходимо, однако, ясно понимать, что, устанавливая зависимость между изменениями генома (особенно это касается крупных изменений, различимых на глаз) и видообразованием, следует соблюдать осторожность и не путать причину и следствие. В некоторых случаях хромосомные изменения, несомненно, играют роль факторов, поддерживающих изоляцию, а не причин, вызывающих видообразование. Об этом свидетельствуют два примера. Один из них состоит в том, что, как мы увидим ниже, среди гавайских Drosophilidae часто происходит видообразование, не сопровождающееся хромосомными перестройками. Кроме того, среди этих же самых Drosophilidae встречаются многочисленные случаи полиморфизма по инверсиям, который поддерживается стабилизирующим отбором в популяциях, принадлежащих к одному виду, не приводя к кладогенезу. Полиморфизм по инверсиям можно лучше всего интерпретировать как существование блоков сцепленных генов, подвергающихся нормальному расщеплению, подобно сбалансированному полиморфизму в этой же популяции. Эти блоки, по-видимому, функционируют как супергены, обусловливающие гетерозис, потому что большая часть кроссоверов в пределах данной инверсии не попадает в ооцит, а элиминируется в полярных тельцах во время мейоза у самок. У самцов дрозофилы обычно не наблюдается кроссинговера при мейозе. Поэтому инверсии не снижают плодовитости. В этом отношении они отличаются от транслокаций. Хромосомные перестройки не всегда бывают связаны с видообразованием; и их присутствие необязательно свидетельствует о наличии процесса видообразования. При генной стерильности гибридные особи одного или обоих полов стерильны обычно вследствие аномального гаметогенеза. Нарушения возникают либо до, либо после мейоза. Пример этого в сочетании с интересным типом летальности гибридов наблюдается при скрещиваниях между двумя видами-двойниками - Drosophila melanogaster и D. simulans. Эти два вида морфологически идентичны, различаясь лишь по строению половых придатков самцов. В метафазе их кариотипы идентичны; при изучении их политенных хромосом обнаружена одна большая инверсия в 3-й хромосоме и пять или шесть мелких инверсий, разбросанных по остальному геному. Стертевант (Sturtevant) при скрещивании самок D. melanogaster с самцами D. simulans получал потомков только женского пола. При реципрокном скрещивании самок D. simulans с самцами D. melanogaster все потомство было мужского пола. В обоих случаях жизнеспособное потомство было полностью стерильным как при скрещиваниях между собой, так и при возвратных скрещиваниях с любым из родительских видов. Гонады у гибридов были мелкие и недоразвитые и не вырабатывали гамет.

Выявленный у этих гибридов тип летальности указывает, по мнению Стертеванта, на то, что для выживания гибридного потомства необходимо наличие Х-хромосомы D. simulans. Однако даже присутствия этой Х-хромосомы недостаточно для восстановления жизнеспособности, если в цитоплазме D. simulans присутствует также Х-хромосома D. melanogaster. Ключ к непосредственной причине этой летальности, а также подтверждение правильности гипотезы Стертеванта были получены в более поздних исследованиях этого явления. Дьюрика и Кридер (D. Durica, H. Krider) сумели показать, что в гибридных генотипах один из организаторов ядрышка (место синтеза рибосомной РНК) подавлен, что, очевидно, приводит к ослаблению синтеза белка. Большой интерес представляет доминантный аллель, недавно обнаруженный Такамурой и Ватанабе (Т. Takamura, Т. Watanabe) в природе у D. simulans; его присутствие спасает оба летальных класса при реципрокных межвидовых скрещиваниях. Мы вправе допустить, что этот аутосомный локус 2-й хромосомы ответствен за активацию или инактивацию рибосомных генов у межвидовых гибридов. Далее генетические исследования, проведенные несколько лет назад Мёллером и Понтекорво (H.J. Muller, G. Pontecorvo), позволяют считать, что число генов, контролирующих стерильность гибридов, невелико, но оно больше единицы. Хотя летальные взаимодействия, очевидно, детерминируются одним геном, находящимся во 2-й хромосоме, точное число, по-видимому, разбросанных по всему геному локусов, которые обусловливают стерильность жизнеспособного гибридного потомства, еще предстоит выяснить. Более четкая оценка генетической дифференцировки между двумя видами-двойниками дана в конце настоящей главы.

Последний тип постзиготической изоляции называют разрушением гибридов, или гибридным дисгенезом. При такой изоляции гибридные индивидуумы образуются, и они плодовиты; однако у потомков этих гибридных индивидуумов наблюдаются разнообразные нарушения развития: от летальности до пониженной жизнеспособности и стерильности. Примером этого явления служит скрещивание между Zea mays и Ζ. mexicana. Мангельсдорф (Mangelsdorf) получил от этого скрещивания гибридные растения, а затем скрещивал их с растениями Z. mays родительской линии. Потомки от этого скрещивания оказались высоко «мутабильными» и дали в свою очередь потомство с дефектами, затрагивавшими эндосперм, высоту стебля и другие признаки, от которых зависит мощность растений. Подобного рода эффект наблюдается не только у растений; недавно он был обнаружен и проанализирован у Drosophila melanogaster. В этом случае проявления дисгенеза можно видеть у гибридов от скрещиваний между мухами диких линий, выловленными в природе, и лабораторными линиями, которые были изолированы от диких линий в течение всего нескольких лет. Результаты дисгенеза проявляются в виде разрывов хромосом и их элиминации в процессе митотических клеточных делений у развивающихся личинок и в высокой частоте мутаций. Как показал генетический анализ этого процесса, он контролируется одним или несколькими генами и, возможно, связан с перемещением (транспозицией) небольших участков «кочующей» (мобильной) ДНК. Поэтому создается впечатление, что «разрушение» гибридов вызывается генами, влияющими на сохранение генома. В самом деле, возможно, что именно подобного рода механизм вызывает летальность гибридов, наблюдаемую в приведенном выше примере с иглокожими. Наконец, необходимо подчеркнуть, что репродуктивная изоляция редко бывает вызвана одной-единственной причиной; как в примере с гибридами между D. melanogaster и D. simulans, она может быть обусловлена несколькими факторами, блокирующими обмен генами. Некоторые из них могут быть пре-, а другие постзиготическими по своему действию. Конкретная комбинация факторов и природа механизма зависят от участвующих в гибридизации видов, от особенностей их поведения и физиологии размножения.

Механизмы изоляции генофондов сами по себе ничего не говорят о том, как первоначально возникла изоляция. Буш (Buch) обрисовал четыре возможных типа видообразования, которые если и имели место, то привели бы к кладогенезу. Эти четыре типа схематически представлены на рис. 3-6.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-6. Типы видообразования у животных (Bush, 1975).


Первый из них (тип 1а) обычно называют классическим, или аллопатрическим видообразованием. В исходном состоянии популяция представляет собой обширную панмиктическую (свободно скрещивающуюся) популяцию. Какое-либо изменение географии или климата разбивает эту большую популяцию на две отдельные части и при помощи той или иной физической преграды исключает возможность обмена генами между ними. Под действием отбора или просто в результате случайного дрейфа генетических элементов эти две некогда идентичные популяции превращаются в две генетически обособленные группы. Это изменение происходит не в результате одновременного изменения всех членов данной субпопуляции, а путем медленного замещения первоначальной генотипической конституции исходной популяции, происходящего за счет перераспределения генетического материала. Если физическая изоляция сохраняется на протяжении достаточно длительного времени, то возникает некоторый уровень генетической дивергенции, так что две новые популяции оказываются изолированными при помощи одного или нескольких внутренних изолирующих механизмов, которые мы уже обсуждали. Если на этой стадии устранить внешнюю преграду, то между такими прежде идентичными популяциями обмен генами происходить не будет. Таким образом, согласно определению, можно считать, что возникли два отдельных вида. Если (одновременно с репродуктивной изоляцией) у этих двух популяций появятся и другие признаки, в силу которых они станут занимать разные ниши, то они могли бы совместно обитать в одной и той же географической области (стать симпатрическими в результате миграции). В противном случае между ними может начаться конкуренция, которая приведет к вымиранию одного из двух видов.

Рис. 3-6 содержит еще одно уточнение, касающееся этого способа. Если репродуктивная изоляция несовершенна (особенно в тех случаях, когда возникает только постзиготическая изоляция), то возможен отбор, направленный на создание дополнительных преград. Существование одной лишь постзиготической изоляции привело бы к большой потере гамет для обеих популяций в любой точке их перекрывания, а любая особенность поведения, ведущая к презиготической изоляции, устранит эту потерю и будет подхвачена отбором. Следует указать, что видообразование такого типа протекает медленно.

Второй тип видообразования Буш назвал аллопатрическим видообразованием типа 1b. В этом случае процесс видообразования также начинается с разделения исходной панмиктической популяции на две географически изолированные группы. Разница состоит в том, что один из первоначальных изолятов мал по сравнению с другим. Малые размеры этого изолята могут серьезно повлиять на его исходный генофонд. Поскольку основатели новой маленькой популяции содержат лишь ограниченную выборку из генов обширной родительской популяции, по мере размножения этих основателей и освоения ими их новой среды может начаться формирование совершенно новой популяции. Если преграды остаются на месте в течение достаточно длительного времени, с тем чтобы могли накопиться существенные генетические изменения, то такая популяция превратится в самостоятельный вид и удаление преграды будет иметь те же самые последствия, что и при видообразовании 1а. Следует, однако, указать на основное отличие видообразования типа 1b от классического типа 1а: поскольку исходный изолят невелик, отбор и закрепление генетических различий могут происходить очень быстро, не требуя медленного замещения генов, необходимого в случае большой группы. Возможно, что быстрые и многочисленные разделения видов у гавайских Drosophilidae происходили именно при участии этого механизма «основателей»; кроме того, этот быстрый механизм и способ видообразования можно использовать для объяснения разрывов в палеонтологической летописи. И в самом деле, Темпльтон (Templeton), работавший с партеногенетическими линиями Drosophila mercatorum, продемонстрировал на одном экстремальном примере, в котором участвовал эффект «основателей», что событие, сходное с видообразованием, может произойти за одно поколение.

Описанные выше два типа видообразования эволюционные биологи принимают достаточно благосклонно; однако два других типа, представленные на рис. 3-6, вызывают больше возражений и, вероятно, возникают только при определенных обстоятельствах и у организмов, использующих специальные репродуктивные и экологические стратегии. Первый из них, обозначенный у Буша (рис. 3-6) как парапатрическое видообразование, или тип II, Уайт (М. White) называет также стасипатрическим. При этом способе видообразования изоляция обусловлена внутренними, а не внешними факторами. Первоначальный изолят, который очень мал по сравнению с исходной популяцией, образуется в результате изменения поведения особей-основателей. Событие, обусловливающее изоляцию, может выражаться в создании замкнутой системы скрещивания, или дема, как это бывает у грызунов, или же выбора нового хозяина, если речь идет о паразитическом организме. Благодаря такой изоляции обмен генами между группой основателей и родительским видом прекращается. В этом случае, снова из-за прекращения обмена генами, две новые популяции могут дивергировать. Обратите внимание, что в этой модели, поскольку первичное событие носит внутренний характер и приводит к репродуктивной изоляции, видообразование можно рассматривать как событие в геологическом масштабе времени почти мгновенное. Кроме того, ввиду того что начальная изоляция обусловлена внутренней причиной, родительская популяция и популяция основателей не обязательно должны быть разобщены географически.

И наконец, существует симпатрическое видообразование. При этом способе видообразования отделение, а поэтому и изоляция нового вида происходят целиком в пределах популяции родительского вида; т.е. процесс видообразования не сопровождается никакой географической изоляцией, которая бы допускала возникновение или поддержание репродуктивных изолирующих механизмов, обсуждавшихся выше. Для того чтобы произошло видообразование этого типа, изоляция должна возникнуть целиком и полностью и притом быстро в пределах ареала и местообитания родительского вида. Поэтому данный тип видообразования возможен только при наличии сугубо специфических условий и у организмов, в стратегии размножения которых имеется ряд необходимых для этого предпосылок. Интересно отметить, что этот способ, возможно, весьма обычен у растений. Почти мгновенное возникновение репродуктивной изоляции может происходить у растений в результате формирования тетраплоидов: два близких диплоидных растения изредка образуют вследствие нсрасхождсния при мейозе пыльцевые зерна и яйцеклетки с нередуцированным числом хромосом; гибриды между такими растениями бывают тетраплоидными (4n) в отличие от двух диплоидных (2n) родительских растений. Как указывает де Вет (de Wet), образование тетраплоидов чаще происходит в два этапа: сначала в результате слияния нормальной гаплоидной (n) и нередуцированной (2n) гамет получается триплоид (3n), а затем этот триплоид образует нередуцированную 3n гамету, которая при оплодотворении нормальной гаплоидной гаметой дает тетраплоид.

Процесс видообразования, происходящий за один этап, можно воспроизвести экспериментально, как это было сделано в скрещивании между редькой Raphanus saliva и капустой Brassica oleracea. У обоих растений число хромосом 2n = 18. Гибриды образуются, но они полностью стерильны. Девять хромосом, полученных от одного из родительских видов, не конъюгируют с девятью хромосомами, полученными от другого, и нормального расхождения также не происходит. Изредка, однако, от этих гибридных растений удается получить диплоидные пыльцу и яйцеклетки; это те случаи, когда ни одна из девяти хромосом не претерпела редукционного деления мейоза. У растения, получившегося в результате слияния 2n-пыльцевого зерна одного вида с 2n-яйцеклеткой другого вида, число хромосом 2n = 36. Это тетраплоид, содержащий 9 пар хромосом от R. saliva и 9 пар от В. oleracea. Он плодовит и воспроизводится путем самоопыления. Однако тетраплоидное растение дает плодовитое потомство только при самоопылении, но не при возвратных скрещиваниях с тем или другим из родительских видов. Благодаря своей новой хромосомной конституции оно репродуктивно изолировано от обоих родительских видов и представляет собой новый вид, хотя и полученный искусственно. В природе полиплоидия подобного рода может возникнуть в результате слияния гамет от одного и того же (аутополиплоидия) или от разных (аллополиплоидия) видов. В обоих случаях наблюдается та же картина, что и описанная выше: тетраплоид репродуктивно изолирован от обоих диплоидных родительских видов. Любое скрещивание между растениями 2n и 4n дает триплоидных (3n) потомков. Эти растения жизнеспособны, но они стерильны, потому что обычно продуцируют сильно несбалансированные или анэуплоидные гаметы. В нормальных случаях при мейозе хромосомы конъюгируют; конъюгация хромосом возможна при наличии четного числа хромосомных наборов. Если же число наборов нечетное, как у триплоидов (3n), то нормальная конъюгация и расхождение хромосом нарушаются. В некоторых гаметах хромосомы каждого данного типа бывают представлены в двух экземплярах, а хромосомы другого типа - только в одном. При соединении такой несбалансированной гаметы с нормальной гаплоидной гаметой получается зигота, также несбалансированная по своей хромосомной конституции. В большинстве случаев такое состояние летально. Только при скрещивании одного такого тетраплоида с другим тетраплоидом они дают плодовитое 4n потомство. Изоляция подобного типа возникла в группе видов Gilia transmontana. Это низкорослые однолетние травянистые растения, произрастающие в пустыне Мохаве, в западной части США. Как указывает Дэй (Day) и независимо от нее Грант (Grant), в эту группу входит 5 самостоятельных видов, которые обычно самоопыляются. Два из этих видов - G. transmontana и G. malior - тетраплоиды, тогда как три других - G. minor, G. clokeyi и G. aliquata - диплоиды. Все экспериментальные скрещивания между любыми двумя из этих пяти видов оказались стерильными. Поэтому, несмотря на морфологическое сходство между этими видами и на их симпатричность, они не скрещиваются между собой. На основании морфологического сходства Дэй пришла к выводу, что G. transmontana - тетраплоидное производное двух диплоидов, G. minor и G. clokeyi, тогда как также тетраплоидный вид G. malior произошел от G. minor и G. aliquata. Современное распространение этих видов в сочетании с их хромосомной конституцией можно рассматривать как непрямое доказательство их возможного симпатрического происхождения.

В связи с этим способом видообразования следует привлечь внимание еще к одной особенности растений. Многие растения однодомные (мужские и женские цветки находятся на одном растении) и самоопыляющиеся. Благодаря этой их черте полиплоидия может выступать в качестве мгновенно возникающего изолирующего механизма. В норме продуцирование диплоидных мужских и женских гамет - событие редкое. Их последующее слияние происходит еще реже. Поэтому вероятность возникновения двух тетраплоидных организмов, которые могли бы затем скрещиваться между собой и дать начало новому виду, ничтожна. Однако способность растений к самооплодотворению устраняет это затруднение. У животных, которые в большинстве своем двудомны, развитие изолирующих механизмов такого типа маловероятно. Кроме того, механизмы определения пола у животных, почти всегда связанные с хромосомами или генами, затрудняют возникновение полиплоидии. Любое изменение дозы хромосом или генов, затрагивающее гены или хромосомы, связанные с определением пола, приводит к нарушениям в определении пола и к стерильности, а поэтому у животных полиплоидия действительно встречается очень редко. Следует отметить, однако, что в тех случаях, когда репродуктивные затруднения преодолены, как при партеногенетическом размножении, полиплоидия у животных все же наблюдается.

Вероятно, наилучшее представление о многочисленности особых случаях видообразования, а следовательно, и эволюции у растений дает следующая краткая формулировка Гранта, указывающая на важную роль алло- и автополиплоидии у высших растений:

«Основные особенности растений повлияли не только на природу вида у растений, но оказали также глубокое воздействие на их макроэволюцию... в филогенезе растений неоднократно имело место образование анастомозов между линиями, которые прежде были обособленными. Если у животных видообразование обычного типа приводит к формированию филогенетического древа, то у растений оно нередко ведет к образованию филогенетической сети». Это утверждение не следует понимать в том смысле, что симпатрическое видообразование присуще только растениям и происходит только путем образования полиплоидов. Просто механизм, в основе которого лежит полиплоидия, - самый эффективный и быстрый. Рассматривалась также возможность симпатрического видообразования у животных при участии этологической изоляции. Буш (Bush) обратился к этому способу, чтобы объяснить видообразование у некоторых видов насекомых, паразитирующих на растениях. Изменение одного гена может повлиять на выбор хозяина этими насекомыми, а если всего лишь один индивидуум выбирает себе в качестве хозяина новое растение вместо прежнего, то это приведет к его изоляции от всей остальной видовой популяции.

Существуют разнообразные способы видообразования и всевозможные механизмы, при помощи которых у растений и животных может возникнуть репродуктивная изоляция. Но в этом участвуют еще два важных элемента. Первый из них - время, которое занимает данное «событие», а второй - степень генетической дивергенции, необходимая для того, чтобы возникла изоляция. Поскольку общеизвестно, что аллопатрическое видообразование поглощает много времени, мы не будем пытаться доказывать это, а постараемся найти минимальные оценки двух параметров - времени и генетической дивергенции, исходя из допущения, что любые значения, превышающие эти оценки, должны быть достаточны также для возникновения изоляции и видообразования.

Время и генетическая дивергенция

Скорости и способы видообразования очень удобно рассмотреть на примере большой группы видов сем. Drosophilidae, эндемичных для Гавайских островов, которую так отлично изучил Карсон (Н. Carson) со своими сотрудниками и студентами. Наш выбор диктуется несколькими исключительными особенностями как Гавайского архипелага, так и обитающих на нем дрозофил. Эти острова хорошо изолированы от материка и поэтому, так же как и дарвиновские Галапагосы, могут служить природной лабораторией для исследования эволюции. Кроме того, геологический возраст разных островов, составляющих Гавайский архипелаг, хорошо установлен калий-аргоновым и палеомагнитным методами. Если двигаться по современной карте архипелага (рис. 3-7) с севера на юг, то острова становятся все моложе. Это обусловлено перемещением тихоокеанской литосферной плиты над «горячей точкой» под поверхностью Земли.

По мере миграции плиты (на северо-запад, со скоростью примерно 9 см/год) над этим местом возникал ряд вулканов. Так, остров Кауаи появился в плиоцене, примерно 5 млн. лет назад, а Оаху - 3 млн. лет назад. Три небольших острова - Молокаи, Мауи и Ланаи, - первоначально составлявшие одно целое, образовались 1,5 млн. лет назад, а позднее разделились. Наконец, самый большой и самый молодой остров Гавайи все еще находится над «горячей точкой», о чем свидетельствует продолжающаяся вулканическая активность. Самые древние части этого самого молодого острова сформировались в плейстоцене, несколько менее 1 млн. лет назад. Последовательное возникновение этих островов в сочетании с их изолированностью как от азиатского, так и от североамериканского материков создали такую ситуацию, которая позволяет проследить весь процесс заселения новой территории и новых ниш, изучая ныне существующие виды организмов. Дальнейшее преимущество связано с тем, что Гавайские острова находятся в тропиках, и поэтому их биота весьма разнообразна. Это ясно видно на примере сем. Drosophilidae, которое нам предстоит рассмотреть. По оценкам Карсона (Carson) и Канеширо (Kaneshiro), на относительно небольшой территории названных выше шести островов встречается более 500 эндемичных видов этих мух. Отсюда следует, что то событие, которое мы собираемся изучать, т.е. видообразование, происходило в этой изолированной, охарактеризованной во времени, среде с достаточной регулярностью.

Другой и столь же важный аспект рассматриваемого исследования - это организм, служивший его объектом. Дрозофилы не только позволяют подвергнуть анализу большое число видов; но в силу их генетических особенностей получить информацию об их филогенетических взаимоотношениях легче, чем для большинства других организмов. В этом смысле особенно удобны их политенные хромосомы. Почти во всех личиночных тканях этих двукрылых имеются клетки, в которых происходит репликация ДНК, не сопровождающаяся клеточным делением.

Реплицировавшиеся интерфазные хромосомы увеличиваются до такой степени, что их можно исследовать под световым микроскопом. При этом видно, что они состоят из ряда интенсивно окрашивающихся полос-дисков, разделенных более светлыми междисками. Каждая хромосома каждого данного вида отличается от других собственным очень характерным расположением широких и узких полос по всей своей длине. Сравнивая характер полосатости (бендинг) у разных видов, можно выявить перераспределения генетического материала в их хромосомах. Это упрощается благодаря существованию у них, как и у других двукрылых, соматической конъюгации гомологичных хромосом. Кроме того, в тех случаях, когда удается получить потомство от какого-либо межвидового скрещивания, можно исследовать политенные хромосомы потомков и выявить наличие у них генетических перестроек. Этот метод можно дополнить изучением метафазных хромосом других более обычных клеток рассматриваемых видов.

Карсон и Клейтон (F. Clayton) в течение нескольких лет изучали политенные и метафазные хромосомы видов Drosophilidae, эндемичных для Гавайских островов. Они обнаружили, что преобладающее большинство изученных до сих пор видов имеют одинаковый основной метафазный кариотип - пять палочковидных хромосом и одну точечную, а диплоидное число хромосом равно у них 12. Результаты изучения политенных хромосом, позволяющих гораздо детальнее рассмотреть морфологию хромосом, не подтверждают этот кажущийся консерватизм, так как выявляют большое число хромосомных инверсий. Интересно, что эти инверсии представляют собой не просто случайные перестройки хромосом, возникшие у разных видов, а образуют определенные группы и подгруппы; т.е. если произвольно принять последовательность хромосомных дисков у какого-либо вида за стандартную, то другие виды можно сравнивать с этим стандартом, выясняя, по скольким инверсиям они различаются. По мере сопоставления все большего числа «нестандартных» видов со стандартом в наблюдаемых различиях начинает выявляться определенная упорядоченность и возникает возможность построить некую филогению, допустив, например, что если вид А отличается от стандарта группой из пяти или шести инверсий, а вид В - этими же пятью-шестью и вдобавок еще тремя, то представляется вероятным, что вид В находится в более отдаленном родстве со стандартом, чем вид А. Именно таким способом Карсон сумел построить филогенетическое древо для более чем 100 видов гавайских Drosophilidae.

Небольшой участок этого основанного на хромосомных различиях древа представлен на рис. 3-7; он соответствует так называемой группе planitibia этих дрозофил. На кладограмме показаны хромосомные взаимосвязи для 8 из 17 описанных видов этой группы. Если сопоставить приведенную кладограмму с распределением этих 8 видов по разным островам, то выявляется интересная закономерность, позволяющая ввести в созданную схему возможную временную компоненту. Drosophila picticornis встречается только на Кауаи - самом древнем из всех островов, и, судя по структуре его хромосом, этот вид связан с D. attigua и D. primaeva более близким родством, чем другие члены группы planitibia. Считается, что эти два вида относятся к числу самых давних обитателей Гавайских островов и наиболее близки к материковому виду, который, согласно предположениям, первым заселил эти острова и положил начало всей линии гавайских представителей Drosophilidae. На острове Оаху обитают два вида - D. substenoptera и D. hemipeza. Первый из них ближе к D. picticornis и, вероятно, произошел от какого-то сходного с D. picticornis предка, который колонизировал остров Оаху вскоре после его образования, что произошло спустя примерно 2 млн. лет после возникновения острова Кауаи. Судя по морфологии его хромосом, вид D. hemipeza, по-видимому, не связан прямым родством ни с D. picticornis, ни с D. substenoptera, а происходит от какого-то предка, который был сходен с D. neopicta и вторично мигрировал с острова Молокаи обратно на Оаху. Эта гипотеза совместима с наличием у D. hemipeza группы инверсий, сходных с инверсиями, имеющимися у D. neopicta, а также двух других инверсий в Х-хромосоме, одна из которых встречается только у D. hemipeza. Прямое выведение D. hemipeza от D. substenoptera нарушило бы принцип экономии мышления, принятый при построении филогенетического древа. Кроме того, этот аспект филогении хромосом подтверждается биохимическими данными, полученными при анализе полиморфизма по ферментам у этих видов, которые мы приведем чуть ниже.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-7. Карта основных островов Гавайского архипелага. Под названием каждого острова в скобках указано время его возникновения (судя по возрасту слагающих его вулканических пород). Стрелками между островами показано направление миграций и случаи основания новых популяций, предположительно имевшие место в процессе эволюции гавайских Drosophilidae. Под картой помещены две дендрограммы, изображающие филогению части группы plantibia. Левая дендрограмма основана на данных об инверсиях, наблюдаемых в политенных хромосомах этих видов. Правая дендрограмма построена по данным вычислений, в основе которых лежит сходство электрофоретической подвижности ферментов, кодируемых 10 разными локусами (сами коэффициенты сходства представлены в табл. 3-2). Значения времени, указанные в каждой точке дивергенции, основаны на определяемой по молекулярным часам скорости замещения аминокислот в исследованных ферментах. Для установления средней скорости этого процесса использовали время возникновения разных островов. Филогении восьми видов, созданные этими двумя независимыми способами, почти идентичны; обе они соответствуют концепции, согласно которой мухи мигрировали с острова на остров, основывая в период заселения островов новые виды. Цифрами в кружках и на дендрограммах обозначены локализация и филогенетические взаимоотношения следующих видов: 1) D. picticornis; 2) D. substenoptera; 3) D. neopicta; 4) D. hemipeza; 5) D. differens; 6) D. planitibia; 7) D. silvestris; 8) D. heteroneura (Johnson et al., 1975).


На острове Молокаи обитает также D. differens, а на соседнем острове Мауи, когда-то соединявшемся с Молокаи, - вид D. planitibia, давший название всей группе. Оба этих вида идентичны по структуре политенных хромосом, и тем не менее они изолированы (как репродуктивно, так и географически). Поскольку D. neopicta обитает на обоих островах, представляется вероятным, что либо D. differens, либо D. planitibia произошли в процессе видообразования от D. neopicta. Какой из этих двух видов, идентичных по своим хромосомам, дал начало другому - менее ясно; нет данных, которые подтверждали бы, что D. differens дал начало D. planitibia, мигрировав с острова Молокаи на Мауи и колонизировав последний, или же что произошло обратное.

Последняя пара изучавшихся видов, D. silvestris и D. heteroneura, встречаются только на самом большом и самом молодом острове Гавайи. Судя по структуре хромосом этих двух видов, которая у них идентична (так же, как у D. differens и D. planitibia), они могли возникнуть в результате колонизации Гавайи каким-то предком, сходным с D. planitibia. Два вида, обитающие на большом острове, существуют почти симпатрически, и тем не менее в природных условиях они редко скрещиваются между собой. В лаборатории, однако, их удается скрестить, получая жизнеспособное и плодовитое потомство. Это, казалось бы, бросает вызов нашему первоначальному определению вида. И все же морфологические различия между этими видами, которые будут описаны в дальнейшем, а также их изоляцию в природе следует рассматривать как указание на то, что их разделение произошло лишь совсем недавно.

Факт разделения этих двух симпатрических видов в природе выносит на поверхность главную, хотя и не единственную, причину изоляции среди этих видов. Главный механизм изоляции - презиготический, и он связан с рядом аспектов полового и репродуктивного поведения. У самцов многих видов гавайских Drosophilidae наблюдается ярко выраженное территориальное поведение, и они защищают свою территорию от вторжения чужих особей. Они заманивают самок на эти «тока», или репродуктивные территории, после чего происходит очень сложная церемония ухаживания и спаривания. Изолирующие факторы, а поэтому и процессы видообразования в этой группе организмов по большей части обусловлены изменениями в брачном поведении в сочетании с морфологическими изменениями, связанными с полом.

У многих идентифицированных видов дрозофилы, а в особенности у членов группы planitibia, была исследована степень изменчивости ферментных белков и ее типы. У восьми, предполагаемая филогения которых представлена на рис. 3-7, определяли и сравнивали электрофоретическую подвижность ряда их ферментов. На основании таких данных по 10 ферментам Карсон и его сотрудники вычислили коэффициент сходства для всех попарных сравнений изучавшихся 8 видов. Полученные значения приведены в табл. 3-2.


Таблица 3-2. Коэффициенты сходства, полученные при попарных сравнениях восьми гавайских видов Drosophila

(Johnson et al., 1975)

sil het pla dif hem neo sub pic
silvestris 1,00 0,96 0,74 0,71 0,56 0,39 0,30 0,22
heteroneura 1,00 0,76 0,72 0,58 0,41 0,30 0,23
planitibia 1,00 0,85 0,78 0,49 0,40 0,39
differens 1,00 0,74 0,50 0,40 0,36
hemipeza 1,00 0,40 0,40 0,48
neopicta 1,00 0,59 0,39
substenoptera 1,00 0,29
picticornis 1,00

Значение 1,00, полученное при сравнении D. silvestris и D. silvestris, означает генетическую идентичность по всем ферментам, тогда как значение 0,00 означало бы полное отсутствие какого бы то ни было сходства. Как показывает эта таблица, два симпатрических вида с самого большого и самого молодого острова Гавайи очень близки друг другу. Для того чтобы читатель имел эталон для сравнения, приведем данные, полученные Добржанским и его сотрудниками, изучавшими комплекс D. willistoni из Центральной и Южной Америки. По этой группе были проделаны аналогичные исследования, сравнения и вычисления. Среди этих мух Добржанский с сотрудниками выделили группы, которые они считают популяциями, подвидами, зарождающимися видами, видами-двойниками и морфологически различимыми видами (в порядке убывания таксономического сходства). Величины S, или коэффициенты сходства, для этих пяти категорий составили 0,97; 0,79; 0,79; 0,56 и 0,35 соответственно. Сравнивая эти значения с приведенными в табл. 3-2, мы убеждаемся, что D. silvestris и D. heteroneura различаются по своим аллоферментам не больше, чем две отдельные популяции, принадлежащие к одному виду - D. willistoni. Более того, для того чтобы обнаружить такое же сильное различие по аллоферментам, как между двумя морфологически различными видами группы D. willistoni, нам приходится дойти до вида D. neopicta.

Используя эти значения S, можно построить дендрограмму, аналогичную филогении, построенной по хромосомным данным. Эта филогения, основанная на аллоферментном сходстве, представлена на рис. 3-7 справа. Поразительное сходство между этими двумя дендрограммами подтверждает и усиливает выводы о родственных отношениях, сделанные по результатам изучения инверсий. Так, данные по аллоферментам подтверждают гипотезу относительно обратной миграции D. hemipeza на Оаху с комплекса Молокаи-Мауи. Об этом свидетельствует тот факт, что D. hemipeza находится в более тесном родстве с D. differens и D. plantibia (S равно соответственно 0,74 и 0,78), чем с D. substenoptera (S = 0,40).

На основании этих данных Карсон сумел приложить временной масштаб к скоростям, с которыми происходили изменения ферментов или других белков у этих видов. Это оказалось возможным благодаря наличию точных данных о возрасте островов, на которых обитают эти виды, а также тому обстоятельству, что дрозофилы не могли появиться там до возникновения самих островов. Наиболее подходящая его оценка - накопление 1% генетических различий за 20000 лет. Поскольку эти мухи размножаются довольно медленно (два поколения в год), такая дивергенция происходит примерно за 40000 поколений. Необходимо также обратить внимание на то, что скорость этих изменений, по-видимому, постоянна, а это подтверждает другие наблюдения относительно того, что скорость эволюции белков подчиняется молекулярным часам.

Вариации хромосом и аллоферментов можно использовать для построения схем филогенетических взаимоотношений между этими удивительными существами. А что можно сказать об их морфологии? Эти мухи выделены в самостоятельные виды на основании морфологических различий. Наиболее подходящим примером для наших рассуждений служит сравнение морфологических признаков Drosophila silvestris и D. heteroneura, обитающих на острове Гавайи. Эти два симпатрических вида идентичны по своему кариотипу, имеют одинаковую основную структуру хромосом и сходный тип аллоферментов. Однако они хорошо различаются морфологически. Между ними есть резкие различия в окраске тела и крыльев, а также необычные (для Drosophilidae) различия в форме головы взрослых особей (рис. 3-8).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 3-8. Головы D. heteroneura и D. silvestris со спинной стороны. Эти два вида встречаются симпатрически на большом острове Гавайи - самом молодом из островов Гавайского архипелага. Несмотря на резкие морфологические различия в форме головы между этими двумя видами, они интерфертильны, производя в лабораторных условиях жизнеспособное плодовитое потомство. Как показал генетический анализ этих потомков, различие в форме головы детерминируется всего лишь несколькими генами (Val, 1977).


В природе скрещивание между D. heteroneura и D. silvestris предотвращается эффективным презиготическим изолирующим механизмом, состоящим в специфичном для самок каждого вида сложном ритуале, предшествующем спариванию. Однако в лабораторных условиях действие этого механизма можно преодолеть и получить плодовитые гибриды F1, что позволило Вэл (F. Val) провести реципрокное скрещивание между этими видами и изучить характер наследования морфологических признаков, используемых для их таксономического разделения. По ее оценке, основанной на особенностях наследования таких признаков, как форма и размеры головы, окраска маски, пигментация тела и пятен на крыльях, морфологические различия между D. silvestris и D. heteroneura детерминируются 14-19 локусами. Поскольку геологически остров Гавайи возник не раньше, чем 700000 лет назад, а эти два вида для него эндемичны, их дивергенция не могла произойти раньше этого срока. Различия по аллоферментам, определенные по 25 локусам, ничтожны между данными двумя видами (S = 0,96), так что они дивергировали, по-видимому, даже гораздо позднее, чем возник этот вулканический остров; возможно даже, что их дивергенция произошла всего 70000 лет назад. Если это так, то этот случай видообразования показывает, с какой быстротой может произойти резкое морфологическое изменение.

Для того чтобы показать, что такого рода изменение свойственно не только островной биоте или тропикам, можно привести пример двух симпатрических видов - североамериканских златоглазок Chrysopa carnea и С. downesi, которых изучали Таубер и Таубер (C. Tauber и М. Tauber). Подобно двум рассмотренным выше симпатрическим видам Drosophila, С. carnea и С. downesi в природе изолированы при помощи презиготических механизмов, однако в лаборатории можно добиться их скрещивания, в результате которого они дают плодовитое потомство. Изоляция этих видов в природе обусловлена различиями в их сезонных и суточных ритмах. С. carnea производит три отдельные генерации каждое лето. Осенью взрослые особи третьей генерации впадают в репродуктивную диапазу и перезимовывают в этом состоянии. Что касается С. downesi, то они дают только одну генерацию и размножаются только весной. Остальное время года они находятся в состоянии диапаузы. Характер диапаузы у каждого из этих видов регулируется длиной светового дня. Еще одно различие между ними касается окраски. С. carnea в летние месяцы бывает светло-зеленого цвета, но осенью диапаузирующие насекомые изменяют окраску на красновато-коричневую. С. downesi круглый год остаются темно-зелеными.

Экспериментальные скрещивания, проведенные в лаборатории, показали, что различия между этими двумя видами определяются тремя генами. Два из них регулируют наступление диапаузы в качестве реакции на изменение длины светового дня, а третий - различия в окраске. У нас нет эталона, который позволил бы определить время дивергенции этих двух видов, однако ясно, что степень генетического изменения невелика и что для возникновения такой дивергенции не могло потребоваться много времени.

Ни один из описанных примеров не может служить доказательством того, что видообразование во всех случаях происходит таким образом и за короткие сроки. Они выявляют, однако, два важных момента: видообразование и морфологическая эволюция могут происходить очень быстро и не требуют ни крупных хромосомных перестроек, ни значительных - в количественном аспекте - генетических изменений.

Глава 4

Эволюция и структурная организация яиц и зародышей

Много еще и теперь из нее (Земли) выходит животных,

Влагой дождей воплощенных и жаром горячего солнца.

Не мудрено, что крупней были твари тогда, да и больше

Их порождалось, землей молодой и эфиром взращенных...

Ибо в полях и тепла изобилие было и влаги.

Всюду поэтому, где предоставлялось удобное место,

В почву корнями вцепясь, вырастали утробы; когда же

Их разверзали, созрев в урочное время, младенцы...

Тит Лукреций Кар «О природе вещей»

Пространственная организация и начало морфогенеза

Сложные изменения размеров и формы, которые составляют морфологическую эволюцию, могут происходить довольно быстро и достигаются главным образом в результате изменений не структурных генов, а регуляторных элементов, определяющих процесс развития. В дальнейших главах мы еще вернемся к природе этих регуляторных элементов и их эволюции. Здесь же нам необходимо рассмотреть те процессы, с помощью которых информация, закодированная в геноме, экспрессируется во все возрастающей морфологической сложности развивающегося зародыша.

Яйцо - это не просто изотропный реакционный сосуд, содержащий ДНК и другие компоненты, необходимые для транскрипции и трансляции. Яйцо обладает внутренней структурой, которая так же непосредственно, как и ДНК, участвует в определении процессов эмбрионального морфогенеза. Сама инициация процесса развития и изменений во внутренней организации яйца в то время, когда оно начинает дробиться в ответ на активацию спермой, послужило источником для некоторых из самых глубоких разногласий в истории становления эмбриологии как науки.

Ранние эмбриологи столкнулись с кажущимся парадоксом эпигенеза - возникновением животного организма с его сложной структурой из яйца, кажущегося бесструктурным. Или же, как в 1764 г. сформулировал эту проблему ведущий теоретик эмбриологии XVIII в. Шарль Бонне: «Если организованные тела не преформированы, то в таком случае их формирование должно происходить ежедневно, подчиняясь законам какой-то особой механики. Так вот, скажите мне, пожалуйста, какая механика может управлять формированием головного мозга, сердца, легкого и многих других органов?» Существовало лишь одно логическое решение этой дилеммы. Бонне высказал мнение, что в яйце преформирован, заложен в готовом виде, миниатюрный, но вполне сформированный организм, который во время развития лишь увеличивается в размерах, но не становится сложнее. Нам такая идея кажется странной, да она и в самом деле повлекла за собой немало нелепостей, таких как теория вложения, согласно которой у зародыша, изначально содержащегося в яйце, уже есть яичник с яйцами, содержащими еще более мелкие зародыши, и т.д. Делались даже попытки вычислить, сколько зародышей было заключено в яичниках Евы.

Теория преформации не утверждала, что содержащийся в яйце крошечный зародыш-предшественник - это гомункулюс, идентичный по своей структуре той взрослой особи, в которую ему суждено превратиться; она лишь настаивала на том, что преформированные структуры присутствуют в яйце в виде некой организованной сущности, способной к развертыванию с выявлением взрослой формы. Однако идеи Бонне не смогли противостоять становлению эмбриологии как науки, о чем свидетельствует работа К. Бэра (von Baer), показавшего, что морфологическая сложность зародышей возрастает по мере их развития. К. Бэр продемонстрировал, что все дифференцированные ткани позвоночных возникают из трех морфологически простых зародышевых листков: центральная нервная система и покровные ткани - из эктодермы, мышцы и скелет - из мезодермы, а органы пищеварения - из энтодермы. Позднее, в XIX в., Ковалевский показал, что и сами зародышевые листки возникают эпигенетически.

На смену строгому преформизму пришла столь же строгая теория эпигенеза, согласно которой сложные структуры возникают de novo из бесструктурного яйца. Такое представление в свою очередь вскоре было опровергнуто. В конце XIX в. по мере увеличения числа и детальности исследований раннего развития зародышей различных морских животных становилось все яснее, что яйцо содержит определенную морфогенетическую информацию и что разные участки яйца неравноценны по своим потенциям к развитию. Это не был преформизм в понимании Бонне. Сторонники этого нового течения не утверждали, что в яйце заключен организм в миниатюре, но и не считали яйцо бесструктурным. Уже в 1877 г. Ланкестер (Е. Lankester) выдвинул гипотезу, сформулированную в молекулярных терминах:

«Любая дифференцировка клеток, развитие клеток одного типа из клеток другого типа, зависит от внутреннего перемещения физиологических молекул, составляющих протоплазму таких клеток... Эти молекулы... находятся в клетке еще до того, как они становятся доступными наблюдению в результате их выделения и накопления на противоположных сторонах дифференцирующихся клеток. Хотя при рассмотрении клетки под самым сильным микроскопом ее содержимое может казаться однородным, если не считать суспендированных в нем тонкозернистых гранул, вполне возможно и даже несомненно, что в клетке находятся в уже сформированном и индивидуализированном виде разнообразные физиологические молекулы. Процесс разделения, который мы видим, - это лишь следствие дифференцировки, уже существующей, но невидимой.»

Спустя сто лет после провидческой гипотезы Ланкестера мы начинаем постигать сущность «физиологических молекул», участвующих в морфогенезе. В только что оплодотворенных яйцах имеются три информационные системы, взаимодействующие во время развития: ДНК ядерного генома, распределенные по отдельным участкам цитоплазмы информационные макромолекулы и цитоскелетный матрикс, регулирующий местоположение локальных молекулярных событий в цитоплазме. Взаимодействиям между этими информационными элементами в развитии, их изменениям и роли в эволюции главных типов многоклеточных животных и посвящена настоящая глава.

Как указывал К. Бэр, в пределах любой группы животных развитие обычно консервативно. Механическая основа этого наблюдения очевидна. Родственные организмы представляют собой разнообразные выражения одного общего плана строения, основанного на наследовании общего типа развития. Для морфогенеза необходим необычайно сложный комплекс каскадно включающихся взаимодействий, происходящих в зародыше. Ранние стадии развития особенно устойчивы к эволюционным изменениям, потому что внесение любого изменения на ранних стадиях развития оказывает очень глубокое влияние на весь последующий процесс развития. Новый план строения требует значительной модификации всего типа развития; поэтому изменений ранних стадий развития следует ожидать в тех случаях, когда дивергенция организмов достигает такой степени, какую можно видеть между высшими таксономическими категориями - классами или типами. И действительно, в некоторых случаях эволюция новых групп сопровождалась радикальными преобразованиями организаций яйца и зародыша. Примечательно, однако, что ранние стадии развития в некоторых группах оказались столь консервативными, что, в то время как морфология поздних стадий развития и взрослых особей претерпевала глубокие изменения, организация яиц и их дробление упорно оставались сходными. Этот консерватизм послужил одной из главных основ для построения филогенетического древа Metazoa, представленного на рис. 4-1.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-1. Филогенетическое древо Metazoa.


Главный ствол филогенетического древа Metazoa делится на две большие ветви, к каждой из которых принадлежит по нескольку типов. На первый взгляд кажется нелогичным объединение таких несходных типов, как хордовые и иглокожие, в группу вторичноротых или же плоских червей, кольчецов, моллюсков и членистоногих - в группу первичноротых. Но если подробно и внимательно изучить эмбриологию этих форм, то связи между ними начинают выявляться.

Вторичноротые называются так потому, что ротовое отверстие личинки возникает несколько кпереди от бластопора, или того места, где при гаструляции происходит инвагинация клеток, из которых затем образуется первичная кишка зародыша. Яйца вторичноротых после оплодотворения начинают дробиться; при этом митотические веретена в бластомерах попеременно располагаются то параллельно, то перпендикулярно анимально-вегетативной оси яйца. Образующиеся в результате такого радиального дробления бластомеры (или клетки зародыша) располагаются точно друг над другом, как это показано на рис. 4-2 на примере яйца иглокожих. У примитивных позвоночных, таких как амфибии, дробление происходит в основном аналогичным образом.

Подобно вторичноротым, первичноротые получили свое название по месту возникновения у их личинок ротового отверстия, которое образуется у них из бластопора или вблизи него. У большинства главных типов первичноротых дробление спиральное (рис. 4-2). Все эти типы, в том числе немертины, плоские черви, моллюски и кольчецы, объединенные на рис. 4-1 в группу Spiralia, обладают на ранних стадиях эмбрионального развития очень сходным спиральным дроблением, которое, несмотря на в корне различную морфологию взрослых особей этих типов, выдает их близкое эволюционное родство.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-2. Радиальное и спиральное дробление. Показаны зародыши на стадиях двух, четырех и восьми бластомеров. Радиальное дробление типично для иглокожих и других вторичноротых, а спиральное дробление - для многих первичноротых.


На родственные отношения указывает также другой эволюционно консервативный и фундаментальный аспект организации яйца - регионализация, т.е. распределение информационных макромолекул по определенным участкам цитоплазмы. Как у вторичноротых, так и у первичноротых зародыши содержат такие локализованные информационные системы, играющие важную роль в определении судьбы отдельных участков зародыша в процессе развития. Характер локализации этих участков тесно коррелирует с планом дробления, который в свою очередь определяется временем последовательных митотических делений и расположением веретен, что отражает организацию цитоскелетного матрикса яйца. Важнейший аспект функции и эволюции типов организации яиц заключается в том, каким образом эти типы организации обеспечивают дифференциальную экспрессию генов в клетках развивающихся зародышей, и притом в строго определенных их частях.

Дифференциальная экспрессия генов в процессе развития

Один из главных и общепризнанных догматов современной эмбриологии состоит в том, что, за исключением нескольких особых случаев, все клетки данного организма, независимо от того какими они становятся в дифференцированном состоянии, содержат в геноме одну и ту же ДНК. Тем не менее экспрессия генов в клетках одного типа явно отличается от их экспрессии в клетках другого типа. Дифференцированные клетки каждого типа обладают свойственной им одним морфологией и поддерживают свой собственный набор синтезируемых белков. Содержащиеся в клетках разного типа матричные РНК (мРНК) также неидентичны. На основе всех этих данных ученые пришли к единодушному мнению, высказанному, например, в 1976 г. Дэвидсоном (Davidson), что дифференцировка обусловливается изменениями дифференциальной экспрессии генов в различных клеточных линиях развивающегося зародыша.

У бактерий экспрессия генов контролируется исключительно регуляторными механизмами, действующими на уровне транскрипции генов, т.е. синтеза мРНК. У эукариот регуляция действия генов более сложная. Регуляция происходит на уровнях транскрипции, процессинга, в результате которого в ядре из большого и сложного первичного РНК-транскрипта образуется соответствующая мРНК, а также на уровне транспорта мРНК из ядра в цитоплазму. Трансляция мРНК после того, как она попадет в цитоплазму, также регулируется разнообразными механизмами. Мы пользуемся достаточно неопределенным термином «генная экспрессия», имея в виду множественность регулирующих механизмов, которые могут здесь действовать.

Начальная детерминированность бластомеров к дифференцировке в определенных направлениях обеспечивается взаимодействием ядерного генома с информацией, находящейся в цитоплазме. Эту гипотезу впервые четко сформулировал Т. Морган (Т. Morgan) в 1934 г. в своей книге «Эмбриология и генетика»:

«Известно, что протоплазма в разных участках яйца несколько различна и что эти различия выявляются более четко в процессе дробления - благодаря происходящему при этом перемещению материалов. Протоплазма поставляет материалы, необходимые для увеличения количества хроматина и для синтеза веществ, вырабатываемых генами. Можно предполагать, что первоначальные различия между участками протоплазмы оказывают влияние на активность генов. Затем гены в свою очередь воздействуют на протоплазму, что приводит к возникновению новой последовательности реципрокных реакций. Такой нам представляется картина постепенного усложнения и дифференцировки различных участков зародыша».

Информационные элементы гипотетического зародыша схематически представлены на рис. 4-3, на котором изображен срез оплодотворенного яйца, содержащего ядро и локализованные цитоплазматические макромолекулы двух типов, показанные мелкими и крупными точками. Цитоскелетный матрикс яйца изображен в виде решетки. Следует указать, что решетка - это просто статичное изображение цитоскелетной системы, которая сама, по-видимому, изменяется с течением развития. После того как началось дробление, каждая клетка зародыша получает ядро, равноценное по содержанию ДНК каждому из других ядер, однако эти ядра оказываются в разном цитоплазматическом окружении. Стрелками на рис. 4-3 показаны потоки информации. Таким образом каждое из ядер, находящихся в различных бластомерах, получает особый сигнал от определенных локализованных макромолекул. Ответ ядра на полученный сигнал зависит от вида макромолекул, локализованных в данном бластомере. Это взаимодействие приводит к инициации ядрами специфичных типов генной экспрессии (изображенной стрелками, выходящими из ядер). Избирательная транскрипция, процессинг и трансляция специфичных частей ядерного генома ведет к биохимической и морфологической дифференцировке клеток зародыша. Еще одно важное взаимодействие изображено стрелками, идущими от одной клетки к другой; это пример индукционного взаимодействия, возникающего между группами клеток зародыша, при котором какое-то вещество, вырабатываемое одной группой клеток, индуцирует в определенное время специфическую дифференцировку другой группы клеток. У хордовых, например, хорда индуцирует дифференцировку вышележащей эктодермы в нервную ткань.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-3. Регионализованные информационные системы яиц и зародышей. Цитоскелет изображен в виде решетки, ядра черные, а регионализованные детерминанты морфогенеза показаны мелкими и крупными точками. Стрелками изображен поток информации. Эта модель чересчур статична, потому что в большинстве случаев детерминанты морфогенеза не бывают локализованы заранее, но перемещаются к своим конечным местоположениям в ходе нескольких первых дроблений (Raff, 1977; с изменениями).


Убедительные примеры локализованности информации, приводящей к специфичной экспрессии генов в разных участках клетки, встречаются редко, однако мы опишем один такой превосходный пример. Примитивные родичи хордовых - асцидии - во взрослом состоянии не особенно примечательны: это мешковидные сидячие формы, по способу питания относящиеся к фильтраторам. Однако личинки большинства видов асцидии не только подвижны, но и обладают неожиданной и интересной морфологией. Строение этих головастикообразных личинок, как показано на рис. 4-4, соответствует основному плану строения тела, типичному для хордовых, т.е. у них имеется спинной нервный тяж и хорда, или примитивный позвоночник. В туловище заключены зачатки половозрелой асцидии, но единственные функциональные эмбриональные структуры туловища - это три сосочка прикрепления на переднем конце тела, сенсорный пузырек, содержащий одноклеточный отолит, и глазок, в котором имеются три клетки хрусталика, пигмент и десяток ретинальных клеток. Эти сенсорные структуры дают личинке возможность ориентироваться по отношению к направлению силы тяжести и к источнику света. Подвижный хвост содержит хорду, состоящую из 40-42 вакуолизированных клеток. Над хордой лежит нервная трубка, а по обе стороны от нее - тяжи, состоящие из поперечнополосатых мышечных клеток, по 18 в каждом тяже. Вся личинка одета оболочкой из эпидермальных клеток. Личинка не питается; она плавает в течение всего нескольких часов, после чего находит себе подходящий субстрат, прикрепляется и претерпевает метаморфоз, превращаясь во взрослую особь, которая ведет сидячий образ жизни и добывает себе пищу путем фильтрации воды.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-4. Головастикоподобная личинка асцидий и ее метаморфоз. А. Свободно плавающая личинка. Б. Личинка, прикрепившаяся к субстрату и начавшая метаморфоз. В. Завершение метаморфоза, сопровождающееся утратой подвижности и сенсорных структур (Korschelt, Heider, 1900).


В 1973 г. Уиттейкер (R. Whittaker) опубликовал исследование по регуляции появления у асцидии Ciona двух ферментов, место синтеза которых в зародыше было установлено. Это ацетилхолинэстераза, появляющаяся только в мышечных клетках на стадии хвостовой почки, и тирозиназа, появляющаяся на этой же стадии только в двух пигментных клетках нервного узла. Подавляя дробление в разные сроки, Уиттейкер получал зародыши, прекратившие развитие на стадии 2, 4, 8, 16 или 32 клеток (нормальный зародыш к моменту появления двух названных ферментов, т. е. спустя 9-12 ч после оплодотворения, состоит примерно из 1000 клеток). Зародыши, дробление которых было прекращено, оставались живыми и синтезировали тирозиназу и ацетилхолинэстеразу в то же самое время, что и нормальные зародыши. Самый важный результат этих экспериментов состоял в том, что синтез ферментов у зародышей с подавленным дроблением был пространственно локализован. Если дробление приостанавливали на стадии двух бластомеров, то оба они синтезировали ацетилхолинэстеразу, но при остановке развития на более поздних стадиях дробления синтез ее все более ограничивался клетками, из которых в норме образуется хвостовая мышца. Уиттейкер пришел к выводу, что способность к синтезу тирозиназы и ацетилхолинэстеразы локализуется в определенных участках цитоплазмы на ранних стадиях развития. Этот вывод подтвердили результаты более поздней работы того же автора, в которой он и его сотрудники хирургическим путем удаляли у 8-клеточных зародышей Ciona ту пару бластомеров, из которых развиваются мышцы. Затем эти клетки помещали в морскую воду, где они синтезировали ацетилхолинэстеразу, тогда как в остальных клетках зародыша этот фермент не синтезировался.

Пуромицин - один из ингибиторов белкового синтеза - препятствовал появлению тирозиназы и ацетилхолинэстеразы, и это доказывает, что молекулы фермента действительно синтезируются в то самое время, когда выявляется ферментная активность. Далее, обработка актиномицином D, подавляющим синтез РНК, также препятствовала появлению ферментов, если ее производили за 2 ч до появления ферментативной активности. Эти результаты позволяют считать, что мРНК, необходимые для синтеза этих ферментов, не запасаются заранее, а продуцируются незадолго до синтеза. Регионально-специфичный синтез мРНК - результат действия макромолекул, локализованных в определенных участках цитоплазмы, как это показано на рис. 4-3.

Описанные здесь эксперименты можно было бы, вероятно, подвергнуть критике на том основании, что актиномицин подавляет синтез фермента, отравляя клетки каким-то неспецифическим образом. Однако другая серия экспериментов, проведенных Уиттейкером на другом ферменте, который появляется только в энтодерме личинки, а именно на щелочной фосфатазе, показала, что это не так: появление этого фермента не подавляется актиномицином. Необходимая для синтеза щелочной фосфатазы мРНК, по-видимому, уже содержится в яйце и в ходе развития сама становится все более локализованной.

С такой локализацией информационных детерминантов, определяющих появление ацетилхолинэстеразы у личинок оболочников, связано одно интересное и поучительное явление. Уиттейкер изучал также некоторые виды оболочников, относящихся к роду Mogula, у которых личинки не развиваются до головастикоподобной стадии. У одного из них, М. arenata, несмотря на то что у него не образуется ни хвостовых мышечных клеток, ни даже самого хвоста, происходит локальный синтез ацетилхолинэстеразы в том участке зародыша, где должны были бы находиться мышечные клетки хвоста. Итак, несмотря на утрату способности к морфогенезу хвоста, локализованные детерминанты синтеза ацетилхолинэстеразы сохранились. У некоторых других (возможно, более древних) видов Mogula, у которых личинки также лишены хвостов, способность синтезировать этот фермент утрачена. Важное значение несопряженности клеточной дифференцировки, о которой можно судить по синтезу ферментов или других белков, с морфогенезом как механизмом эволюции рассматривается более подробно в гл. 5.

Работы Уиттейкера по оболочникам вскрывают два важных аспекта этой проблемы: 1) дифференциальная экспрессия генов, обусловленная действием локализованных в определенных участках детерминантов, играет решающую роль в дифференцировке; 2) существует, по-видимому, несколько механизмов, обеспечивающих хранение и экспрессию локализованной морфогенетической информации.

Зародыши активно синтезируют белки, используя мРНК-матрицы, происходящие из двух источников: мРНК одного класса синтезируются в процессе оогенеза и хранятся в яйце до тех пор, пока не используются в процессе развития; мРНК другого класса синтезируются в результате транскрипции, происходящей в ядрах самого зародыша. мРНК обоих классов содержат большое число последовательностей и транслируются на ранних стадиях развития. Для того чтобы представить себе количество мРНК, синтезируемой при оогенезе, и степень ее разнообразия (ее сложность), следует понаблюдать, до какого уровня может дойти развитие зародышей морского ежа, если блокировать транскрипцию в их клетках. Такие зародыши достигают стадии бластулы, что требует значительного уровня морфогенетической активности, в том числе клеточных делений, изменений формы клеток, сборки ресничек и синтеза фермента вылупления. Если блокировать транскрипцию в клетках зародыша, то гаструляции не происходит. Дифференцировка на более поздних стадиях, чем бластула, в значительной степени зависит от действия генов данного зародыша.

Галау (Galau) и его соавторы изучали вопрос о числе структурных генов, которые должны экспрессироваться в процессе развития зародышей морского ежа. По мнению этих исследователей, величина набора генов, которые должны экспрессироваться в клетках одного типа, чтобы отдифференцировать их от клеток другого типа в том же организме, еще не установлена. Неизвестно также, какое число генов необходимо для обеспечения основных жизненных функций («housekeeping»), общих для всех клеток. Используя метод гибридизации нуклеиновых кислот, Галау и др. определяли число структурных генов, представленных в виде активной мРНК на разных стадиях зародышевого развития и в различных тканях взрослого организма. Далее они определяли, какая доля конкретных генов, представленных в мРНК гаструлы, была представлена также в мРНК других изучавшихся ими стадий и тканей. Оказалось, что во время развития очень большое число генов экспрессируется в виде мРНК. Например, на стадии гаструлы в процессе трансляции в белки находятся мРНК, представляющие от 10 до 15 тысяч генов. Большое число структурных генов экспрессируется аналогичным образом на других стадиях развития и в тканях взрослого организма. Некоторые из них являются общими для всех изученных стадий и тканей, но большинство экспрессируется лишь на отдельных стадиях и в определенных тканях. Авторы данной работы пришли к выводу, что эти глубокие различия между разными стадиями развития или разными тканями в отношении экспрессии генов лежат в основе их функциональной дифференцировки. Таким образом, в дифференцировке, происходящей в процессе развития, участвует дифференциальная экспрессия тысяч генов в виде мРНК, и эта экспрессия сопровождается изменением состава мРНК, синтезируемых ядрами клеток, претерпевающих дифференцировку.

Если дифференциальное действие генов должно вызываться факторами, локализованными в цитоплазме, то должны существовать доказательства в пользу того, что компоненты цитоплазмы действительно способны направлять функцию ядра. Такие доказательства получены в экспериментах по трансплантации ядра из клетки одного типа в клетку какого-либо другого типа. Ярким примером такого подхода служат эксперименты по введению ядер клеток головного мозга взрослой лягушки в лягушачьи клетки-реципиенты трех типов, проведенные Грэхемом с сотрудниками (Gracham et al.) и Гёрдоном (J. Gurdon) в лаборатории последнего. Ядра из клеток головного мозга взрослой лягушки обычно не синтезируют ДНК и не претерпевают митоза. Эти ядра вводили:

1) в незрелые ооциты, синтезирующие РНК, но не ДНК; 2) в овулировавшие ооциты, завершающие мейоз и содержащие уплотненные хромосомы на веретенах мейоза; 3) в яйцеклетки сразу после активации, синтезирующие ДНК, но не РНК. Во всех случаях введенные ядра изменяли свою активность, так чтобы она соответствовала характеристикам клеток-реципиентов. Так, например, в ядрах, введенных в созревающие ооциты, хромосомы уплотнялись и ассоциировались с веретенами, а в ядрах, введенных в активированные яйца, начинался синтез ДНК. Поскольку ни та ни другая активность несвойственны ядрам клеток мозга, эти новые активности, очевидно, вызывались цитоплазмой клеток-реципиентов. Сходные эксперименты по пересадке ядер показали также, что транскрипция определенных генов в пересаженных ядрах (а именно, генов рибосомной РНК) регулируется цитоплазмой клетки-хозяина.

Влияние цитоплазмы на ядро достигает такой степени, что оно определяет специфические типы синтеза мРНК. Де Робертис и Гёрдон (De Robertis и Gurdon) вводили ядра клеток шпорцевой лягушки (Xenopus), выращивавшихся в культуре ткани, в ооциты тритона Pleuradeles. Используя высокое разрешение с помощью двумерного гель-электрофореза, они могли отличать синтез белков, характерных для Xenopus, от белков, характерных для культивируемых клеток Pleurodeles, а также синтеза белков, характерных для культивируемых клеток Xenopus, от белков, характерных для ее ооцитов. При пересадке ядер из культивируемых клеток Xenopus в ооциты Pleurodeles в них начинали синтезироваться белки, свойственные ооцитам Xenopus, но не культивируемым клеткам. Эти изменения состава синтезируемых белков можно было предотвратить при помощи α-аманитина - вещества, подавляющего синтез РНК. Таким образом, воздействие цитоплазматической среды ооцитов Pseudourodeles на ядра Xenopus заключалось в инактивации экспрессии одного набора генов и активации экспрессии другого набора, характерного для ооцитов.

Цитоплазма оказывает свое регулирующее действие на ядерную активность, скорее всего, на уровне транскрипции; известны случаи специфической транскрипции генов при дифференцировке. Один такой пример связан с кольцами Бальбиани в политенных хромосомах двукрылых. У мух и других двукрылых клетки некоторых тканей (слюнные железы, мальпигиевы сосуды, средняя кишка) содержат гигантские политенные хромосомы, в которых при окраске на ДНК выявляются четко выраженные поперечные полосы (диски). Показано, что многие отдельные полосы соответствуют местоположению отдельных генов и что можно установить корреляцию между генетической картой, с одной стороны, и характером и относительным физическим расположением полос, с другой. В некоторых дифференцированных клетках ограниченное число определенных полос образуют вздутия, выступающие за пределы хромосомы (пуфы). Особенно большие пуфы - кольца Бальбиани возникают в тех участках, в которых находятся гены, необычайно активные в отношении транскрипции. Кольца Бальбиани обладают четырьмя важными свойствами.

1. Клетки разного типа содержат разные кольца Бальбиани. Так, в слюнных железах двукрылого Acricotopus имеются клетки трех типов, которые все содержат одни и те же три гигантские хромосомы, но хромосомы из разных клеток различаются по характеру пуфов и их распределению.

2. Изменения, происходящие в клетках некоторых типов в процессе развития, коррелируют с изменениями в характере пуфов. У некоторых мух гигантские клетки подушечек на лапках в процессе развития претерпевают сложные изменения, сопровождающиеся упорядоченными последовательными изменениями пуфов политенных хромосом.

3. Кольца Бальбиани в политенных хромосомах служат местами активной транскрипции. Дэйнхолту (Daneholt) удалось изолировать единственную в своем роде высокомолекулярную РНК, транскрибированную в одном из колец Бальбиани мотыля Chironomus.

4. Существует прямая корреляция между наличием данного кольца Бальбиани и синтезом определенного белка. Гроссбах (Grossbach) изучал два близкородственных вида: Chironomus tentans и С. pallidivittatus, слюнные железы которых вырабатывают большие количества секреторных белков. В слюнных железах С. tentans синтезируется пять белков, а в железах С. pallidivittatus - те же пять белков и еще один. Синтез этого шестого белка коррелирует с наличием в 4-й хромосоме С. pallidivittatus определенного пуфа, отсутствующего у С. tentans. Скрещивая эти два вида и изучая полученные гибриды, Гроссбах показал, что синтез шестого белка у гибридов зависит от наличия у них 4-й хромосомы С. pallidivittatus с этим особым пуфом.

До недавнего времени такого рода данные рассматривали как доказательство того, что дифференциальная экспрессия генов в процессе развития обусловлена главным образом дифференциальной транскрипцией генов, как это ясно видно в случае колец Бальбиани. Однако некоторые недавние наблюдения заставили отнестись к этому заключению с некоторой осторожностью, поскольку может оказаться, что столь же важную роль играет регуляция экспрессии генов и на других уровнях.

Сложность или число различных уникальных последовательностей ДНК, представленных в виде РНК, обычно в 5-10 раз выше в ядерной РНК, чем в мРНК. Ядерные РНК, представляющие собой непосредственные продукты транскрипции, длиннее, чем мРНК, и содержат предшественники последних. Простая модель дифференциальной транскрипции требует, чтобы две стадии развития с сильно различающимися популяциями матричных РНК, подобные тем, которые изучал Галау, существенно различались и по своим ядерным РНК. Клин и Хамфри (Kleene, Humphreys) сравнивали ядерные РНК, имеющиеся у морского ежа на двух разных стадиях развития, и столкнулись с неожиданностью: число уникальных последовательностей ДНК, транскрибируемых в ядерные РНК, было очень велико (транскрибировалась примерно треть всех этих последовательностей), а последовательности ядерных РНК, присутствующие на этих двух стадиях, были идентичны. Такое сходство между ядерными РНК наблюдается на всех стадиях жизненного цикла. Уолд и др. (Wold et al.) отмечают, что лишь немногие из последовательностей мРНК, транслируемых в белки у зародышей морского ежа на стадии бластулы, присутствуют также в цитоплазме клеток взрослых особей, тогда как в ядрах эти же последовательности содержатся как у зародышей, так и у взрослых особей. Создается впечатление, что в ядрах на всех стадиях развития транскрибируется одно и то же очень большое число структурных генов, но что лишь определенные подмножества этих транскриптов подвергаются процессингу с образованием специфичных мРНК, транслируемых на каждой отдельной стадии.

Наличие транскрипционных, а также посттранскрипционных механизмов, регулирующих дифференциальную экспрессию генов, определяемую ядром, в конечном итоге затрудняет понимание факторов, регулирующих действие генов, однако существование этих механизмов не меняет вытекающий из всего нашего обсуждения основной эмбриологический вывод. Суть гипотезы, схематически изображенной на рис. 4-3, состоит в том, что определенные макромолекулы, локализованные в цитоплазме и распределенные по некоторым бластомерам зародыша, вызывают в этих бластомерах специфичную экспрессию генов, определяемую ядром.

Природа локализованных информационных молекул и их действие

Представляется вероятным, что локализованные цитоплазматические молекулы, модифицирующие экспрессию генов на ранних стадиях развития специфичным для каждого участка образом, отличаются разнообразием. Локализованные детерминанты встречаются у животных, относящихся ко многим типам, в том числе у гребневиков, немертин, кольчецов, моллюсков, членистоногих, иглокожих, оболочников и хордовых. В некоторых случаях действие локализованных детерминантов проявляется уже при первом делении яйца, как, например, в виде крупных полярных лопастей у ряда представителей Spiralia, в том числе у ничем другим непримечательной улитки Ilyanassa.

Последовательность событий, происходящих при первом митотическом делении оплодотворенного яйца Ilyanassa, показана на рис. 4-5. Вскоре после дробления на богатом желтком вегетативном полюсе яйца (расположенном против анимального полюса, на котором появляется борозда дробления) возникает выступающее наружу вздутие цитоплазмы, называемое полярной лопастью. Эта лопасть располагается перпендикулярно оси митотического веретена. Важно указать, что лопасть не содержит ядра и состоит только из цитоплазмы. Когда борозда дробления начинает углубляться, шейка, соединяющая лопасть с зародышем, быстро сжимается, превращаясь в тонкую нить цитоплазмы. По окончании делений дробления шейка полярной лопасти быстро увеличивается в диаметре и лопасть втягивается одним из бластомеров. Клетку, в которую включается лопасть, обозначают как бластомер CD, а другую клетку - как бластомер АВ.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-5. Появление и втягивание безъядерной лопасти при первом делении дробления у зародыша брюхоногого моллюска Ilyanassa (рисунок с натуры). В бластомерах АВ и CD имеются ядра, а богатая желтком полярная лопасть лишена ядра.


Полярную лопасть легко удалить, и зародыши, которые ее лишены, продолжают развиваться с такой же скоростью, как и нормальные зародыши. Однако из нормальных зародышей развивается сложная личинка, называемая велигером (парусником), у которой имеются разнообразные структуры, тогда как зародыши, лишенные полярной лопасти, образуют всего лишь комочек клеток, покрытый ресничками (рис. 4-6). Такой эффект возникает не просто в результате удаления некоторой части массы зародыша или сокращения поступления питательных веществ. Если поставить другой эксперимент - отделить на той же двуклеточной стадии бластомер АВ от бластомера CD, то из бластомера АВ, так же как из зародыша, лишенного полярной лопасти, не развивается полностью дифференцированный велигер. Однако из бластомера CD, обладающего примерно такой же массой, как лишенный лопасти зародыш, получается нормальный, хотя и маленький, велигер.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-6. Функция полярной лопасти в развитии. А. Нормальная личинка-велигер, имеющая глаза, ногу, раковину и внутренние органы. Б. Зародыш на той же стадии развития, у которого при первом дроблении была удалена полярная лопасть; никаких организованных структур у него нет. (Фотография любезно предоставлена Newrock.)


Возможно, что в полярной лопасти Ilyanassa заключены какие-то специфичные мРНК. Ньюрок и Рэфф (Newrock, Raff) установили, что у лишенных лопасти и у нормальных зародышей синтез белка даже на стадиях, предшествующих началу морфогенеза, протекает по-разному. Эти различия в синтезе белка наблюдались также между лишенными лопасти и нормальными зародышами при непрерывном выращивании их в присутствии таких количеств актиномицина, которые полностью подавляют синтез РНК. Эти результаты были интерпретированы как указание на то, что в полярной лопасти обособляются какие-то преформированные типы мРНК, потому что в зародышах, выращиваемых в присутствии актиномицина, происходит трансляция только тех мРНК, которые уже содержались в цитоплазме яйца ко времени формирования этой лопасти. Однако Брандхорст и Ньюрок (Brandhorst, Newrock), используя двумерный гель-электрофорез, позволяющий выявить несколько сот наиболее часто встречающихся видов белка, не обнаружили никаких качественных различий между белками нормальных зародышей и зародышей, лишенных полярной лопасти. Они, однако, обнаружили резко выраженные количественные различия, которые, возможно, и привели к результатам, полученным Ньюроком и Рэффом. Ни в той ни в другой работе не удалось выявить потенциально очень большое число редких видов мРНК, которые могли быть дифференциально обособлены в полярной лопасти.

Со сходной проблемой пришлось столкнуться при изучении зародышей морских ежей. При четвертом делении дробления у этих животных образуются клетки трех типов - мезомеры, макромеры и микромеры, значительно различающиеся по своим размерам. Клеткам этих трех типов уже в момент возникновения уготованы различные и вполне определенные судьбы. Роджерс и Гросс (Rodgers, Gross), а также Эрнст (Ernst) и ее сотрудники, используя метод гибридизации нуклеиновых кислот, обнаружили, что высокоповторяющаяся РНК распределена между этими тремя типами клеток неравномерно. Подобным же образом Мидзуно (Mizuno et al.) и Уайтли (Whiteley et al.) сообщают, что у разных бластомеров различны преобладающие транскрипты повторяющихся последовательностей ДНК. Картина осложняется наблюдением Туфаро и Брандхорста (Tufaro, Brandhorst) об отсутствии между бластомерами различий по характеру синтеза примерно 1000 видов белков, разделяемых методом двумерного гель-электрофореза. Локализованные последовательности, выявленные Роджерсом и Гроссом, а также Эрнст и ее сотрудниками, возможно, слишком редки, чтобы продуцировать достаточные количества белка, которые можно выявить методом двумерного гель-электрофореза, или это могут быть те последовательности, которые не входят в состав мРНК. Самые определенные доказательства того, что мРНК могут служить регуляторами морфогенеза, дает работа лаборатории Калтхофа (Kalthoff et al.) на яйцах двукрылого Smittia. У насекомых передний и задний концы яйца детерминируются во время оогенеза. В процессе нормального развития на переднем конце тела образуется голова и три грудных сегмента, а на заднем - ряд брюшных сегментов (и зачатковых клеток). В 1968 г. Калтхоф и Сандер сообщили, что облучение цитоплазмы на переднем конце яйца ультрафиолетом приводит к развитию зародыша, у которого вместо головы, груди и передних брюшных сегментов образуется как бы в зеркальном отображении второй задний конец тела. На рис. 4-7 изображены нормальный зародыш и урод с дуплицированным брюшком. Существуют две группы данных, указывающие на то, что развитие переднего конца тела детерминирует РНК. Одна группа данных получена в экспериментах с инактивацией РНК ультрафиолетом. В спектре действия ультрафиолета имеются пики при 265 и 285 нм, соответствующие максимальному эффекту; это позволяет считать, что ультрафиолет оказывает свое действие на комплекс нуклеиновая кислота-белок. Интересно отметить, что эффекты облучения ультрафиолетом обратимы; это достигается последующим воздействием на облученное яйцо света с длиной волны 320-480 нм. Ультрафиолет индуцирует в нуклеиновых кислотах образование пиримидиновых димеров и инактивирует эти молекулы. Обратимость этого эффекта под действием света происходит под влиянием фоточувствительного фермента, обусловливающего репарацию пиримидиновых димеров.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-7. Нормальные зародыши и зародыши с двойным брюшком двукрылого Smittia. У нормального зародыша (А) видна слева развивающаяся голова, а справа-брюшные сегменты. У зародыша Б, которого облучали ультрафиолетом, голова отсутствует и на обоих концах тела развиваются брюшные сегменты (Kalthoff, 1969).


Вторая группа данных, указывающих на детерминирующую роль РНК в развитии переднего конца тела зародыша, получена в результате непосредственного воздействия специфических ферментов на цитоплазму переднего конца зародыша. Кандлер-Зингер (Kandler-Singer) и Калтхоф погружали зародыши в среду, содержащую исследуемый фермент, и затем прокалывали их в определенных местах. Образование дуплицированного брюшка происходило лишь в тех случаях, когда в передний конец яйца проникала активная РНКаза. Если использовалась неактивная РНКаза или если она проникала не в передний конец яйца, а в другие его участки, то дуплицированное брюшко получалось лишь в очень немногих случаях.

Есть и другие более косвенные данные о том, что РНК играет роль детерминанта и у других организмов. Образование зародышевых клеток на заднем конце яиц насекомых (и многих других организмов) зависит от детерминантов, называемых полярными гранулами, которые легко наблюдать в микроскоп. В ряде интересных экспериментов Илмензе и Маховалд (Ilmensee, Mahowald) вводили цитоплазму из заднего конца яйца дрозофилы одной генетически меченной линии в передний конец яйца другой генетически меченной линии. При этом на переднем конце яйца формировались зародышевые клетки. Полярные гранулы, подобно детерминантам переднего конца тела, чувствительны к облучению ультрафиолетом и, судя по реакции на цитологические красигели, содержат большое количество РНК. Домен и Вердонк (Dohmen, Verdonk) обнаружили в полярных лопастях зародышей некоторых брюхоногих моллюсков структуры, аналогичные полярным гранулам. Эти структуры, которые, как было установлено при помощи специфичных красителей, богаты РНК, по-видимому, содержат детерминанты, специфичные для полярных лопастей. Было бы заманчиво попытаться установить связь между этими структурами и очевидным обособлением мРНК в полярных лопастях, которое наблюдали Ньюрок и Рэфф, но достаточных оснований для этого у нас нет.

Возможно, из-за того что в настоящее время все внимание молекулярной биологии сосредоточено на нуклеиновых кислотах, экспериментальным изучением белков как локализованных детерминантов ядерной активности занимаются мало. А между тем такие белковые молекулы почти несомненно существуют. Так, у аксолотля имеется мутация, при которой отсутствие одного определенного белка оказывает резко выраженное воздействие на развитие. Эта мутация, обозначаемая буквой о (oocyte deficient), приводит к тому, что яйца, отложенные самками, гомозиготными по мутантному аллелю о, прекращают дробление и гибнут примерно в то время, когда нормальные зародыши проходят гаструляцию. Мутация о - классическая мутация с материнским эффектом, т. е. развитие потомков зависит только от генотипа матери (см. гл. 7). Таким образом яйца, отложенные самкой, гомозиготной по аллелю о (о/о), не развиваются даже при оплодотворении нормальной спермой. В отличие от этого все яйца гетерозиготной самки (о/ + ), даже та их половина, которая несет аллель о, развиваются нормально. Поскольку генотип самца не играет роли, самок, имеющих генотип о/о, можно получить, оплодотворяя яйца гетерозиготных самок спермой самцов, несущих аллель о. Бриггс и Кассенс (Briggs, Cassens) обнаружили, что неспособность к развитию яиц, отложенных самками о/о, можно преодолеть, если вскоре после оплодотворения ввести в них цитоплазму нормальных яиц. Результаты, полученные Бриггсом и Джастусом (Justus), показывают, что корректирующий фактор, отсутствующий в неполноценных яйцах, представляет собой белок.

В ряде исследований, в которых в яйца вводили белки, было твердо установлено, что некоторые белки легко проникают в ядра. Такие белки могут оказывать влияние на поведение ядра, как это обнаружили Бенбау и Форд (Benbow, Ford), которым удалось индуцировать синтез ДНК в ядрах, обрабатывая изолированные ядра лягушек белком, выделенным из цитоплазмы яиц и зародышей.

Становление локализации и пространственной организации

Во время оогенеза происходит чрезвычайно активная транскрипция генов и накопление ооцитами мРНК. Накапливающиеся в ооцитах мРНК столь разнообразны по своим последовательностям, что, как только после начала развития зародыша мРНК приступают к синтезу белков, с этих матриц могут транслироваться буквально тысячи видов различных белков. В наиболее хорошо изученном случае - у морского ежа - белковый синтез протекает очень вяло в неоплодотворенном яйце, но резко возрастает через несколько минут после оплодотворения. Это начальное усиление белкового синтеза (в сущности, весь белковый синтез), во всяком случае до наступления стадии бластулы, обеспечивает мРНК, синтезируемая во время оогенеза. Как корректирующий белок, устраняющий воздействие аллеля о у аксолотля, так и полярная плазма дрозофилы, обсуждавшаяся выше, обнаружены уже в ооцитах. Бриггс (Briggs) установил, что корректирующий белок синтезируется во время оогенеза и что его можно обнаружить в активной форме в самом начале этого процесса. Илмензе и его сотрудники предприняли поиски активной полярной плазмы в ооцитах дрозофилы. При помощи электронного микроскопа они сумели идентифицировать полярные гранулы на заднем полюсе ооцита в середине процесса вителлогенеза, т. е. во время максимального накопления желтка, но функциональную полярную плазму удается выявить лишь на поздних стадиях созревания ооцитов. Поэтому Илмензе и его сотрудники высказали мнение, что, хотя полярные гранулы, появляющиеся во время вителлогенеза, морфологически сходны с полярными гранулами яиц, они представляют собой, возможно, матрикс, к которому затем прикрепляются функциональные компоненты. Наконец, Домен и Вердонк (Dohmen, Verdonk) выявили на такой ранней стадии оогенеза, как вителлогенез, богатые РНК структуры, сходные с теми, которые позднее появляются в полярных лопастях брюхоногих моллюсков.

Таким образом, почти несомненно, что в яйцах детерминанты накапливаются во время оогенеза. Однако вопрос о том, когда эти материалы локализуются там, где им предстоит функционировать, остается открытым. В модели локализации, изображенной на рис. 4-3, сделано упрощающее допущение, что характер локализации уже установлен в яйце еще до того, как начинается дробление. В некоторых случаях это действительно так, но в других изменения локализации продолжаются и, возможно, завершаются лишь после того, как дробление зашло уже достаточно далеко.

Классическим примером событий, связанных с цитоплазматической локализацией, которые инициируются оплодотворением, служит перемещение пигментных гранул у асцидий Cynthia (Styela) partita, описанное Конклином (Conklin) в 1905 г. Последовательные перемещения цитоплазмы, происходящие после оплодотворения, показаны на рис. 4-8, взятом из этой статьи. Неоплодотворенное яйцо имеет равномерную сероватую окраску, но почти сразу же после проникновения в него сперматозоида начинается быстрая реорганизация цитоплазмы. Наиболее впечатляющее изменение - это быстрое перетекание желтых гранул к вегетативному полюсу яйца. Затем этот желтый материал постепенно распространяется в стороны от вегетативного полюса, пока не покроет все вегетативное полушарие. При перемещении ядра сперматозоида к одной стороне вегетативного конца за ним увлекается значительная часть желтого материала, из которого образуется желтый серп. Локализация желтого серпа, определяемая перемещением ядра сперматозоида и связанной с ним звезды, обозначает местоположение заднего конца развивающегося зародыша. Другие материалы цитоплазмы также занимают определенное место, так что ко времени первого дробления яйцо содержит четко выраженный желтый серп (3), темно-серый желток (4) и участки прозрачной цитоплазмы (5), а также три менее четко различимых окрашенных участка. Локализация всех этих веществ указывает на то, что судьбы участков, в которых они содержатся, предопределены; так, из материала желтого серпа образуются только мышечные клетки головастикоподобной личинки, темно-серый материал дает энтодерму, а прозрачная цитоплазма - эктодерму. Это, конечно, не означает, что детерминантами являются сами окрашенные материалы: просто они служат хорошо различимыми индикаторами перемещений цитоплазмы, определяющих локализацию детерминантов.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-8. Становление цитоплазматической локализации у зародыша асцидии Styela partita (Conklin, 1905). А. Яйцо с еще интактным зародышевым пузырьком (1). Б. Разрушение зародышевого пузырька и перемещение цитоплазмы. В и Г. Зародыш на стадии двух бластомеров (в двух разных ракурсах) с хорошо выраженным желтым серпом. Д. Стадия 8 бластомеров. Е. Ранняя личинка, у которой материал желтого серпа сосредоточен вокруг мышечных клеток хвоста (6).

1-зародышевый пузырек; 2-желточные гранулы; 3-желтый серп; 4-желток; 5-прозрачная цитоплазма; 6-мышечные клетки; 7-нервная пластинка.


У ряда организмов становление локализации происходит лишь после того, как дробление достаточно продвинулось. Изучение зародыша гребневика Mnemiopsis, проведенное Фриманом (Freeman), дало один из наиболее хорошо документированных примеров этого явления. Гребневики составляют небольшую группу прозрачных животных, несколько сходных по виду с медузами. Они обладают двулучевой симметрией и обычно снабжены восемью рядами гребных пластинок; каждая пластинка состоит из длинных слившихся между собой ресничек, при помощи которых гребневики плавают. Если потревожить животное, то можно наблюдать волнообразные вспышки зеленоватого света, испускаемого особыми клетками-фотоцитами, находящимися в меридиональных каналах, которые расположены под рядами гребных пластинок. Как ресничные клетки гребных пластинок, так и фотоциты уже имеются на личиночной стадии, и дифференциация как тех, так и других обусловлена действием локализованных детерминантов зародыша.

Развитие Mnemiopsis происходит по мозаичному типу. Если отделить друг от друга бластомеры двуклеточного зародыша, то из каждого бластомера разовьется неполный зародыш, содержащий структуры одной из сагиттальных половинок нормального зародыша. При разделении бластомеров 4-клеточного зародыша образуются четвертушки нормального зародыша, содержащие покрытые ресничками гребные пластинки и фотоциты. Восьмиклеточные зародыши состоят из бластомеров двух типов: четырех клеток E и четырех клеток М. Если отделить их друг от друга и дать им возможность развиваться, то из клеток E образуются неполные зародыши, содержащие покрытые ресничками гребные пластинки, но лишенные фотоцитов, а из клеток M - неполные зародыши, содержащие фотоциты, но лишенные гребных пластинок. При следующем делении, в результате которого получается 16-клеточный зародыш, бластомеры E и бластомеры M делятся неравномерно. Из каждого бластомера E получается один макромер (клетка Е) и один микромер (клетка е); каждый бластомер M аналогичным образом дает макромер M и микромер m. Цитоплазматические детерминанты распределяются между этими клетками таким образом, что после дальнейшего развития наблюдается следующая картина дифференцировки:


Микромеры е — ресничные гребные пластинки


Макромеры Е — ресничных гребных пластинок нет


Микромеры m — фотоцитов нет


Макромеры M — фотоциты


Фримен проделал ряд микрургических экспериментов, чтобы выяснить, на какой стадии дробления устанавливается характер локализации детерминантов. С этой целью он нанес на карту те участки бластомеров 2- и 4-клеточного зародыша, из которых на 8-клеточной стадии должны образоваться клетки Е и М. Если локализация детерминантов наступает на ранних стадиях дробления, как это показано на рис. 4-3, то удаление цитоплазмы из участка Е или из участка М бластомера 2-клеточного зародыша должно приводить к таким же результатам, как и удаление всех бластомеров Е или всех бластомеров М на 8-клеточной стадии. Иными словами, удаление Е-участка цитоплазмы из бластомера 2-клеточного зародыша приведет к тому, что клетки, образующиеся в процессе дальнейшего развития этого бластомера, утратят способность к формированию ресничных гребных пластинок, тогда как удаление М-участка приведет соответственно к утрате способности к формированию фотоцитов. В действительности, как установил Фримен, это предсказание не подтверждается. Локализация этих двух потенций в бластомерах едва намечается на 2-клеточной стадии, но почти полностью выражена у 4-клеточного зародыша; из этого следует, что, хотя цитоплазматические материалы, детерминирующие дифференцировку гребных пластинок и фотоцитов, уже присутствуют в яйце в начале дробления, они окончательно локализуются лишь к третьему дроблению.

Сроки локализации детерминантов у дробящихся зародышей подвержены регуляции. Работы Фримена и Герье (Freeman, Guerrier), а также Дэна и Икеда (Dan, Ikeda) и других авторов показывают, что события, связанные с локализацией и ранней детерминацией морфогенеза, сопряжены с регуляцией сроков митотических делений дробления - с так называемыми часами дробления. Эти часы представляют собой мало изученный механизм, при помощи которого зародыш отсчитывает в реальном времени число проделанных циклов дробления и определяет параметры следующего дробления. Существование этих часов было продемонстрировано в экспериментах, в которых одно из ранних делений дробления подавляли, а затем дроблению давали возможность возобновиться. Так, например, у зародышей морского ежа четвертое деление дробления бывает неравномерным, приводя к образованию как микромеров, так и более крупных бластомеров. Если подавить один из ранних циклов деления, а затем допустить дальнейшее дробление, то последующие деления происходят в ладлежащие сроки, несмотря на то что они запаздывают на один цикл. Таким образом, в срок, соответствующий четвертому дроблению нормального зародыша, экспериментальный зародыш образует только 8 клеток вместо 16. Важно отметить, что, хотя экспериментальный зародыш образует только 8 клеток, дробление у него происходит неравномерно, как и у нормального зародыша в эти сроки, и образуются микромеры. Стало быть, сроки наступления неравномерного дробления, при котором возникают микромеры, регулируются внутренними часами, отсчитывающими абсолютное время, а не числом фактически предшествовавших ему циклов дробления. Начало хода часов, по-видимому, сцеплено с формированием звезды. У некоторых зародышей часы приводятся в действие при завершении мейоза, у других - при инициации первого деления дробления.

Сопряженность локализации детерминантов с часами дробления можно продемонстрировать в экспериментах с подавлением дробления. Возможность отделения этой локализации и типа дробления от числа циклов дробления создает значительный эволюционный потенциал, потому что если эти параметры ранних стадий развития контролируются разными генами, то в таком случае мутации могут вызвать существенные изменения в соотношениях между этими событиями. Изменения такого типа и в самом деле возникали при эволюционных модификациях в развитии как Spiralia, так и хордовых. Соответствующие примеры рассматриваются далее в этой главе.

На пространственную регуляцию локализованных детерминантов оказывает влияние ориентация звезд или веретен митоза, которые определяют расположение осей зародыша (Связь между ориентацией звезд и веретен в первых делениях и расположением осей зародыша не является общим правилом и не обнаруживается в развитии многих животных.- Прим. ред.). Эта ориентация контролируется генами, как можно прекрасно показать на примере регуляции направления закручивания спирального завитка раковины у брюхоногих. Обычно особи прудовика Limnaea peregra бывают правовращающими, т.е. раковина и сама улитка закручены в правую сторону. Однако время от времени в природных популяциях попадаются левовращающие особи; они представляют собой как бы зеркальное отображение правовращающей формы, т. е. раковина и тело закручены у них в левую сторону. Как показано на рис. 4-9, левосторонняя или правосторонняя симметрия выявляется у улиток в начале дробления и направление спирального дробления устанавливается при втором дроблении по ориентации митотических веретен. Ориентация веретена в делящейся клетке определяет местоположение борозды дробления, а тем самым и границу между бластомерами, образующимися при данном делении. Симметрия у Limnaea, по-видимому, контролируется парой аллелей одного гена, причем этот ген наследуется по типу материнского эффекта. Тип симметрии потомков зависит только от генотипа матери. Аллель правозакрученности (L) доминирует над аллелем левозакрученности (l). Но из яиц, отложенных особью, гомозиготной по аллелю левозакрученности (ll), развиваются левозакрученные улитки, даже если эти яйца были оплодотворены спермой особи, гомозиготной по аллелю правозакрученности (LL). Это происходит потому, что ген, контролирующий тип симметрии, оказывает свое действие во время оогенеза, т. е. тогда, когда в наличии имеется только аллель левозакрученности. Однако фенотипически левозакрученные потомки от этого скрещивания имеют генотип Ll, и из всех отложенных ими яиц разовьются правозакрученные улитки вследствие экспрессии в ооците доминантного аллеля (L).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-9. Правосторонняя или левосторонняя закрученность раковины у прудовика Limnaea peregra как следствие направления спирального дробления на ранних стадиях развития (Morgan, 1927).


Детерминация симметрии закручивания у Limnaea служит примером того, как довольно резкий сдвиг морфогенеза - решение о формировании право- или левозакрученной раковины - определяется действием одного гена во время образования яйца. Кроме того, очевидно, что этот ген оказывает действие на компоненты матрикса цитоскелета. Цитоскелет - это динамичное трехмерное переплетение нитевидных элементов, ответственных за перемещения материалов внутри клетки и за изменения формы клетки, т.е. за процессы, играющие решающую роль в характере локализации-разметке раннего зародыша. Среди элементов цитоскелета преобладают структуры двух типов. Первые, микротрубочки, - это длинные полые трубочки диаметром около 25 нм, состоящие из родственных белков-тубулинов. Наиболее хорошо известны микротрубочки, образующие нити веретена, которые обеспечивают перемещения хромосом при митозе. Но микротрубочки образуют также и другие совокупности компонентов в цитоплазме. Второй основной класс нитевидных элементов составляют микрофиламенты; это прочные нити диаметром около 5 нм, состоящие из актина - одного из главных компонентов мышечных клеток. Сложные переплетения микротрубочек и микрофиламентов в цитоплазме клеток, выращенных в культуре, изображены на рис. 4-10. Эти клетки были выращены на предметных стеклах, зафиксированы формальдегидом, а затем обработаны антителами, специфичными к актину или тубулину. Связавшиеся антитела делают флуоресцентными и исследуют в УФ-микроскопе в темном поле. Совокупности микротрубочек и микрофиламентов хорошо различаются по внешнему виду, локализации и ориентации.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-10. Расположение микротрубочек в клетках мышей из культуры ткани, выявляемое методом непрямой иммунофлуоресценции с антителами, специфичными к тубулину. A. Сеть микротрубочек в цитоплазме интерфазной клетки. Б. Клетка после обработки колхицином, разрушающим микротрубочки. Обратите внимание, что на микрофотографиях А и Б видно, что структуры, организующие микротрубочки, примыкают к ядру. B. Делящаяся клетка, в которой видны микротрубочки, образующие звезды и веретено (Osborn, Weber, 1976).


Распределение основного вещества цитоскелета регулируется как в пространстве, так и во времени. Сборка микротрубочек зависит от наличия центров нуклеации (организации), которые определяют местоположение пучков трубочек, и от других пока еще недостаточно хорошо установленных регуляторов, определяющих сроки этого процесса. У Limnaea выявлена генетическая регуляция местоположения центров нуклеации, хотя следует отметить, что даже и в этом случае имеются некоторые осложняющие обстоятельства. Фримену удалось вызвать реверсию действия аллеля, детерминирующего закручивание раковины влево, вводя в яйца, отложенные материнскими особями, гомозиготными по аллелю левозакрученности, цитоплазму из яиц, дающих правозакрученные раковины. Эксперименты противоположного типа не приводят к изменению типа симметрии. Можно предполагать, что у Limnaea местоположение центров нуклеации или функциональный выбор между ними регулируется каким-то растворимым компонентом яйца.

Осборн и Вебер (Osborn, Weber) непосредственно наблюдали за центрами организации трубочек в клетках из культуры ткани, применяя метод флуоресцирующих антител. Как видно на рис. 4-10, это цилиндрическая полярная структура, содержащая тубулин и расположенная по соседству с ядром. Каждая клетка, по-видимому, содержит одну или две таких структуры. Легче всего их увидеть, если уничтожить микротрубочки, обработав клетку перед фиксацией колхицином или подвергнув ее действию низких температур. Восстановление микротрубочек после созревания клеток или удаления колхицина начинается в организационном центре, причем микротрубочки растут с одного конца организационного центра и радиально распространяются к краям клетки. Харрис, Осборн и Вебер при помощи того же метода флуоресцирующих антител наблюдали в яйцах морского ежа микротрубочки, образующие веретено и звезды, а также любопытное временное спиральное расположение микротрубочек в кортексе зиготы.

Микрофиламенты, подобно микротрубочкам, несут определенные функции, связанные с процессами локализации детерминантов в зародышах. Микрофиламенты нередко принимают участие в изменении формы клетки: сократимость представляет собой основное свойство входящего в их состав белка актина. Так, например, микрофиламенты обеспечивают цитокинез при дроблении. К концу митоза под клеточной мембраной, в плоскости метафазной пластинки, микрофиламенты образуют кольцо, которое, сжимаясь, отделяет две дочерние клетки одну от другой. Рэфф (R. Raff), а также Конрад (Conrad) и его сотрудники показали, что подобным же образом микрофиламенты вызывают сужение шейки полярной лопасти у моллюсков, принимая тем самым непосредственное участие в определении локализации. Местоположение микрофиламентов частично зависит от расположения пучков микротрубочек. Центры, организующие микротрубочки, обнаружены в яйцах и зародышах, однако, как это ясно видно из недавнего обзора Э. Рэфф (Е. С. Raff), регуляция их местоположения продолжает оставаться главной и нерешенной проблемой.

Местоположение организационных центров в зародышах хотя бы частично контролируется генами, однако на него оказывают влияние и другие факторы. Например, у амфибий место проникновения сперматозоида в яйцо определяет плоскость первого дробления и устанавливает дорсо-вентральную ось зародыша. Как показали недавние исследования Киршнера (Kirschner) и его сотрудников, инициация локализационных перемещений событиями, происходящими при оплодотворении, по-видимому, процесс сложный. Это (вместе с обсуждавшимися выше зависимостями между локализацией детерминантов и дроблением) указывает на то, что окончательная их локализация зависит как от организации яйца во время оогенеза, так и от событий, приводимых в движение оплодотворением.

Эволюционные изменения в организации яиц со спиральным дроблением

Для многих зародышей со спиральным дроблением, в особенности для зародышей моллюсков и кольчецов, составлены очень точные карты, на которых указана дальнейшая судьба различных клеток. Разные типы дробления и различия в размерах между бластомерами дают возможность проследить за судьбой отдельных бластомеров зародышей со спиральным дроблением в процессе развития. Эта их особенность в сочетании с высокомозаичным характером их развития сделала таких зародышей излюбленным объектом изучения эмбриологов.

Схема спирального дробления представлена на рис. 4-2, где изображены первые несколько делений. В результате второго деления образуются четыре бластомера - А, В, С и D. При третьем неравномерном делении образуется первый квартет микромеров. Им даны обозначения 1a, 1b, 1с и 1d, а соответствующим макромерам - 1А, 1В, 1C и 1D. Митотические веретена ориентированы таким образом, что макромеры и микромеры, возникшие в результате этого и последующих делений, расположены друг относительно друга по спирали.

При следующем делении, приводящем к 16 клеткам, микромеры первого квартета делятся равномерно, образуя 8 микромеров первого ряда. Макромеры делятся неравномерно, образуя второй квартет микромеров, обозначаемых 2а, 2b, 2с и 2d, и соответствующие макромеры. По мере дальнейшего развития как микромеры, так и макромеры продолжают делиться. Разработана специальная номенклатура для обозначения сложной системы образующихся при этом клеток, но для наших целей достаточно рассмотреть лишь общее расположение рядов микромеров при спиральном дроблении, изображенное на рис. 4-11, I. На этой упрощенной схеме показано только по четыре клетки каждого ряда. У настоящего зародыша в некоторых рядах будет, конечно, больше чем по четыре клетки вследствие продолжающегося дробления микромеров. Как на этой, так и на других сходных схемах, приведенных в данном разделе, многие детали опущены и рассматриваемые зародыши изображены лишь в общих чертах.

На рис. 4-11 показана типичная судьба различных бластомеров у зародышей Spiralia. Первые три ряда микромеров (не заштрихованы) образуют эктодерму зародыша и некоторые эктодермальные структуры; клетка, покрытая точками (4d), дает начало мезодерме; из макромеров (заштрихованы) развивается энтодерма - презумптивная средняя кишка. Подобный набор клеточных линий удивительно постоянен для всех зародышей Spiralia: у многоветвистых плоских червей, у кольчецов, а также у брюхоногих и двустворчатых моллюсков спиральное дробление протекает в основном одинаково, и судьбу клеток в этих группах можно непосредственно сопоставлять.

Несмотря на такое постоянство характера дробления у зародышей Spiralia, между ними имеются некоторые существенные различия, вскрывающие эволюционные модификации в способности к самодифференцировке бластомеров у зародышей с мозаичным дроблением, принадлежащих к разным группам. Это: 1) изменения характера локализации, в результате которых судьба определенного участка или бластомера изменяется по сравнению с их судьбой у предковых форм; 2) изменения относительных скоростей клеточного деления, приводящие к модификациям относительных размеров клеток и их числа; 3) изменения цитоскелетного матрикса, приводящие к изменению местоположения митотического аппарата во время дробления, что в свою очередь приводит к сдвигу пропорций или распределения бластомеров у данного зародыша.

Можно показать, что в рамках основной модели развития, характерной для Spiralia, встречаются модификации всех этих трех типов. Изменения в судьбе клеток могут быть очень незначительными, как в случае возникновения эктомезодермы, из которой развиваются такие мезодермальные структуры, как личиночная мышца. Например, на рис. 4-11, II и III показано происхождение эктомезодермы у двух моллюсков - брюхоногого Crepidula и двустворчатого Unio. У Crepidula эктомезодерма образуется из трех микромеров второго квартета, а у Unio - только из одного микромера.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-11. Схематическое изображение характера дробления и судьбы различных клеток у зародышей Spiralia. I. Обобщенная схема дробления зародышей Spiralia; показаны первые три квартета микромеров (не заштрихованы), дающие начало зародышевой эктодерме, клетки 4d (пунктир), дающие начало мезодерме, и макромеры (заштрихованы), дающие начало энтодерме. II и III. Схемы спирального дробления у зародышей Crepidula (II) и Unio (III). У этих зародышей дробление протекает сходным образом, но различается по месту возникновения эмбриональной эктомезодермы из второго квартета микромеров (Wilson, 1898).


У кольчецов эволюция олигохет из полихет сопровождалась рядом резко выраженных изменений в судьбе различных клеток. В развитии полихет имеется высокодифференцированная личиночная стадия - трохофора (рис. 4-12, III). Для того чтобы могли образоваться весьма сложные личиночные органы, многие бластомеры зародыша должны дать начало временным органам личинок, тогда как остальные бластомеры образуют недифференцированные зачатки дефинитивных органов. На рис. 4-12, I изображен 40-клеточный зародыш многощетинкового червя Podarke. Заштрихованные участки зародыша соответствуют заштрихованным участкам на карте презумптивных зачатков для бластулы Podarke (рис. 4-12, II). Большая часть показанных на схемах участков соответствует определенным структурам, специфичным для трохофоры, таким как теменной султан и прототрох. При метаморфозе некоторые личиночные ткани, например личиночная мышца и прототрох, подвергаются гистолизу и исчезают, тогда как другие личиночные ткани, такие как первичный рот и средняя кишка, превращаются в эквивалентные структуры взрослых особей. Зачатки этих структур начинают дифференцироваться. Так мезодермальные тяжи дают начало туловищным сомитам.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-12. Сравнение развития у двух кольчатых червей - полихеты Podarke и олигохеты Tiibifex. I. Зародыш Podarke на стадии 40 клеток. II. Карта зачатков Podarke на стадии бластулы. III. Трохофора Podarke. IV. Дробящийся зародыш Tubifex. V. Карта зачатков Tubifex. VI. Гаструляция у Tubifex, непосредственно ведущая к развитию сегментированной взрослой особи. (Рис. I - Treadwell, 1901; рис. II-VI - Anderson, 1973.)


В отличие от этого в тех случаях, когда образование личиночных структур в процессе эволюции подавляется, большая часть бластомеров зародыша непосредственно развивается в структуры взрослого организма. Так обстояло дело в процессе эволюции олигохет, в развитии которых нет высокодифференцированной личиночной стадии и у которых развитие сегментированного тела взрослой особи начинается во время гаструляции. На рис. 4-12, VI показана гаструляция у олигохеты - трубочника Tubifex. У ее зародыша не происходит образования обширного участка эктодермы на переднем конце тела (теменной пластинки) с отходящим от него прототрохом. Когда средняя кишка инвагинирует, у зародыша начинают формироваться сомиты, превращающиеся в дальнейшем в сегменты тела взрослого червя. Это резко отличается от процесса развития у полихет, у личинок которых при вполне сформированных первичном рте и средней кишке презумптивные сомиты представлены в виде недифференцированных зачатков. Возникающие в результате этого изменения дальнейшей судьбы клеток зародыша показаны на рис. 4-12, IV-VI, на которых стадии развития Tubifex сопоставлены с соответствующими стадиями развития полихет. Как можно видеть на рис. 4-12, IV, хотя у Tubifex дробление все еще происходит по спиральному типу, оно, однако, значительно отличается от дробления у полихет. Микромеры, соответствующие тем, которые у полихет дают начало передней эктодерме (теменной пластинке), составляют относительно гораздо меньшую часть общей массы зародыша, тогда как относительные размеры клеток, дающих презумптивные среднюю кишку и мезодерму, значительно возросли.

Судьба клеток у зародыша Tubifex также изменилась. Как можно видеть, сравнивая карту презумптивных зачатков, изображенную на рис. 4-12, V с аналогичной картой для полихет (рис. 4-12, II), хотя презумптивные участки на обеих картах в общем сходны, но у зародыша Tubifex обнаруживается много специфичных изменений. Презумптивные участки эктомезодермы, личиночной эктодермы, теменного султана и прототроха утрачены. Те бластомеры, из которых у полихет развиваются эти структуры, у олигохет образуют другую эктодермальную структуру - желточный мешок. Другие участки, такие как клетка 4d, дающая в обеих группах мезодерму взрослой особи, имеют такую же конечную судьбу, но изменились пути развития, по которым эти участки к ней приходят. Однако, как показал Пеннерс (Penners), у Tubifex сохранился строго мозаичный тип развития, характерный для кольчецов. По-видимому, локализованные детерминанты изменились и вызывают у Tubifex генную экспрессию иного типа, нежели у предковых полихет. Дальнейшую модификацию можно наблюдать в развитии пиявки Erpobdella, протекающем в питательном коконе. Здесь бластомеры 1 А, 1В и 1C не делятся; их обгоняют в росте другие клетки, и они начинают функционировать как альбуминотрофные клетки, а большую часть тела взрослой особи составляют клетки, происходящие из бластомера 1D.

Эволюционные изменения в судьбе клеток, описанные здесь для кольчецов, не ограничиваются модификациями локализованных индукторов дифференцировки; они требуют также изменения относительных сроков дробления разных бластомеров. Так, макромеры, которые у полихет делятся несколько раз, чтобы дать начало микромерам, участвующим в образовании таких зародышевых структур, как прототрох или эктомезодерма, у пиявок не делятся вовсе. Конечно, изменения относительных сроков клеточных делений, имевшие эволюционное значение, происходили не только у кольчецов; они ясно видны также у моллюсков.

У пресноводных Unionidae, относящихся к двустворчатым моллюскам, в остальном довольно ординарных, личинки в процессе эволюции выработали совершенно необычный образ жизни. Unionidae живут в проточных водах; взрослые особи прикреплены к субстрату, а свободноплавающих личинок течение безжалостно сносило бы вниз. Репродуцирующиеся особи производят многочисленных зародышей, развивающихся в родительском организме до достижения личиночной стадии - так называемого глохидия. Глохидий имеет вид миниатюрного медвежьего капкана (рис. 4-13, I). Для завершения развития эта личинка должна прикрепиться к жабрам или плавникам какой-нибудь рыбы. Здесь она в течение нескольких недель ведет паразитический образ жизни, после чего отпадает и продолжает свое существование на дне как обычный двустворчатый моллюск.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-13. Зародыши и личинки двустворчатого моллюска Unio. I. Глохидий с его сенсорными волосками и со створками, напоминающими медвежий капкан в миниатюре. II. Зародыш на стадии 8 бластомеров с типичным спиральным дроблением. III. Образование относительно крупного микромера 2d, дающего раковинную железу личинки. IV. Дальнейшее дробление с образованием крупного микромера 2а, дающего замыкательную мышцу личинки (Lillie, 1895).


У глохидия имеются чувствительные сенсорные волоски, и при малейшей опасности створки его раковинки, снабженные мощными крючками, захлопываются. У некоторых видов глохидии просто лежат на дне в надежде на то, что какая-нибудь рыба случайно проплывет мимо. У других видов у самки имеется мантия, край которой модифицирован, напоминая глаза и тело гольяна. Когда Unio готова выпустить наружу личинок, край мантии начинает волнообразно изгибаться, предположительно для того, чтобы привлечь внимание проплывающих мимо рыб к «гольяну» и заставить подходящего хозяина подойти достаточно близко к только что выпущенным в воду глохидиям.

В своей работе по ранним стадиям развития пресноводной Unio, опубликованной в 1898 г., Лилли (Lillie) убедительно показал, что дробление у этого моллюска, сохраняя основные черты, типичные для Spiralia, претерпело в отношении скорости и общего характера изменения, связанные с необходимостью формирования специализированных личиночных структур. У большинства моллюсков и кольчецов микромеры первого ряда образуют теменную пластинку и прототрох. У личинок Unio, у которых дробление первого ряда микромеров происходит медленнее, чем дробление второго их ряда, эти структуры отсутствуют. Такое замедление выявляется при сравнении распределения клеток, имеющихся на стадии 32 бластомеров у Unio и у «идеализированного» зародыша со спиральным дроблением (табл. 4-1). Второй ряд микромеров дает начало большей части личиночных структур (и массы) личинок Unio. Кроме того, некоторые зародышевые структуры у глохидия очень велики по сравнению с другими его частями. Одна из таких структур - раковинная железа, которая вырабатывает относительно массивную раковину зародыша. Эта железа образуется всего из одного микромера второго ряда - микромера 2d. Дробление несколько модифицируется, так что микромер 2d оказывается крупнее своего сестринского 2D-макромера и фактически является самой крупной клеткой зародыша. На рис. 4-13, II-IV изображены стадии дробления зародыша Unio. У 8-клеточного зародыша (рис. 4-13, II) макромеры и микромеры распределены типичным для Spiralia образом. По мере дальнейшего дробления зародыша, как это показано на рис. 4-13, III (вид сбоку), макромер D делится, образуя крупную клетку 2d. Эта клетка продолжает делиться, образуя ряд мелких клеток (рис. 4-13, IV). Огромные относительные размеры бластомера 2d у Unio можно оценить, сравнивая рис. 4-13, IV и 4-12, I. Вторая крупная клетка второго квартета микромеров - это бластомер 2а (также показанный на рис. 4-13, IV), дающий начало личиночной эктомезодерме, из которой развивается крупная замыкающая мышца, обеспечивающая захлопывание раковины глохидия. Клетки, получающиеся в результате деления клеток 2а и 2d, также делятся быстрее, чем другие микромеры второго квартета.


Таблица 4-1. Относительные скорости дробления у Unio по сравнению с «идеализированным» зародышем со спиральным развитием на стадии 32 бластомеров (Lillie, 1898; с изменениями)

Клетки Идеальный зародыш Зародыш Unio
Первый квартет микромеров 16 10
Второй квартет микромеров 8 13
Третий квартет микромеров 4 4
Клетка 4d (презумптивная мезодерма) 1
Макромеры 4 4
Общее число бластомеров 32 32

Лилли ясно представлял себе, что в этих модификациях спирального дробления у моллюсков участвует несколько факторов. Хотя судьба клеток не изменяется в общем смысле, т. е. в отношении того, из каких бластомеров образуется эктодерма, мезодерма и энтодерма, личиночная форма, как мы это видели среди кольчецов у олигохет, значительно модифицировалась по сравнению с предковой трохофорой. В число необходимых адаптации, затрагивающих дробление, входят изменения относительных скоростей клеточного деления и относительных размеров бластомеров. Последнее достигается в результате модификаций цитоскелетного матрикса, контролирующего местоположение митотических веретен.

Локализация веретена определяет не только правое и левое направление дробления, как это видно у Limnaea, но также относительные размеры дочерних клеток. Если веретено располагается в центре клетки, то борозда дробления, образующаяся в плоскости метафазной пластинки, проходит по экватору, и в результате дробления получаются две одинаковые дочерние клетки. Если же, однако, веретено находится на значительном расстоянии от центра, то борозда дробления также смещена и одна из дочерних клеток оказывается гораздо крупнее другой. Это хорошо видно на рис. 4-13, III, где в результате деления клетки D образуются две дочерние клетки, сильно различающиеся по величине.

Регуляция скорости дробления также связана с цитоплазмой зародышей. В 1904 г. Вилсон (Е. Wilson) установил, что в 16-клеточном зародыше Patella четыре клетки, составляющие первый квартет микромеров, уже детерминированы как первичные трохобласты и дифференцируются в 16 ресничных клеток прототроха. По мере продолжения дробления каждый из этих первичных трохобластов делится еще дважды, а затем за 10 ч у него вырастают реснички, расположенные поперечными рядами. Вилсон сумел изолировать отдельные первичные трохобласты из 16-клеточного зародыша. Изолированные трохобласты, как и в норме, делились еще два раза, а затем прекращали деление, и примерно на 10-м часу у них развивались реснички, расположенные обычным образом. Итак, у этих зародышей мозаичный характер развития проявился не только в дифференциальной способности изолированных трохобластов к образованию специфически расположенных ресничных клеток, но также и в регуляции скорости и числа клеточных делений.

Данные в пользу того, что такая регуляция сроков обусловлена действием генов во время оогенеза, получены при изучении гибридов от скрещиваний между видами, различающимися по скорости развития. Такие гибриды обычно развиваются со скоростью, характерной для материнского вида: отцовские же признаки проявляются у них на сравнительно поздних стадиях развития. Например, лягушки Rana pipiens и R. palustris заметно различаются по скорости дробления, но гибриды между ними развиваются и достигают стадии взрослых животных. Как показал Мур (Moore), клеточное деление при дроблении происходит у них с такой скоростью, как у материнского вида. Подобным же образом у гибридов между морскими ежами Paracentrotus lividus и Arbacia lixula, как установили Уитли и Болцер (Whiteley, Baltzer), скорость дробления соответствует таковой у материнского вида. Еще одно, особенно наглядное, доказательство регуляции сроков развития цитоплазмой яйца было получено в экспериментах Минганти (Minganti). Он проводил опыты по оплодотворению энуклеированных яиц асцидии Ascidia malaca спермой другой асцидии Phallusia mamillata. Значительная доля получавшихся при этом зародышей достигала личиночных стадий, и, хотя эти зародыши содержали только один геном из отцовского вида (Phallusia), скорость развития (которая у этих двух видов различна) соответствовала скорости развития материнского вида (Ascidia). Таким образом, факторы, регулирующие скорость дробления, могут обособляться в определенных бластомерах таким же образом, как и факторы, определяющие специфичные типы дифференцировки.

Изменения в организации яйца при возникновении эволюционно продвинутых групп первичноротых

Среди Spiralia наблюдается несколько довольно любопытных крупных эволюционных направлений, затрагивающих ранние стадии развития. Одно из них - это сочетание невероятно консервативного спирального дробления с чрезвычайно разнообразными планами строения тела взрослых особей, обнаруженное у представителей нескольких типов. Так, если обратиться к рассмотренным нами группам, у кольчецов (с их высокометамерным строением тела) мало общего с несегментированными моллюсками. Однако и те и другие обладают не только одинаковым типом дробления, но и сходной судьбой отдельных клеток. Так, из первого квартета микромеров образуется личиночная эктодерма; некоторые микромеры второго квартета образуют эктомезодерму; макромеры - энтодерму, а клетка 4d в конечном счете дает дефинитивную мезодерму взрослой особи. Во многих случаях консервативный способ дробления может быть связан с тем, что у большинства Spiralia личинки ведут планктонный образ жизни: одним из основных признаков всех типов, относящихся к Spiralia, является трохофора или сходная с ней личинка. Эволюционные модификации дробления очень легко коррелировать с утратой или изменением какой-либо структуры на личиночных стадиях, как это было описано выше на примере кольчеца Tubifex или моллюска Unio.

Другим крупным эволюционным направлением среди Spiralia было наблюдаемое в некоторых группах радикальное отклонение ранних стадий дробления от традиционного спирального типа. Это произошло у моллюсков при возникновении головоногих, которые, несмотря на высокое развитие нервной системы, органов чувств и локомоторной системы, сохраняют план строения тела, типичный для моллюсков. Головоногие продуцируют очень крупные яйца, богатые желтком, из которых путем прямого развития без выраженной личиночной стадии, образуются взрослые особи. Дробление ограничено тонким слоем цитоплазмы на поверхности яйца и, как подчеркивает Арнольд (Arnold), совершенно не похоже на дробление у Spiralia. Изменения в типе дробления и морфогенезе, наблюдаемые у головоногих, сходны с изменениями, произошедшими у костистых рыб и птиц, у которых ранние процессы развития также адаптированы к наличию в яйце очень большого количества желтка.

Аналогией возможному ходу изменений в эволюции яйца у головоногих служат высшие кольчецы с их крупными, богатыми желтком яйцами и прямым развитием. Дробление у этих форм модифицировано и большую часть массы яйца составляют альбуминотрофные клетки, несущие исключительно питательную функцию.

Подобно головоногим, членистоногие происходят от предков, принадлежавших к Spiralia, но характер их развития сильно модифицировался. Членистоногих обычно объединяют в один тип, близкородственный кольчецам. Как для кольчецов, так и для членистоногих характерны строгая метамерия в строении тела, ряды повторяющихся придатков, брюшная нервная цепочка и расположенное дорсально сердце. Однако у трех главных групп ныне живущих членистоногих - Crustacea (креветки, морские желуди и т.п.), Chelicerata (мечехвосты, пауки и т.п.) и Uniramia (онихофоры, многоножки и насекомые) - имеется ряд признаков, на основании которых современные исследователи филогении членистоногих (Manton, D. Anderson и Cisne) рассматривают их как искусственную группу. В соответствии с их представлениями Crustacea, Chelicerata и Uniramia возведены в ранг отдельных типов, возникших независимо один от другого.

Ракообразные-единственные членистоногие, у которых сохранилось спиральное дробление. На рис. 4-14 показано дробление у усоногого рачка Tetraclita. Бластомеры перенумерованы в соответствии с системой обозначений, которую предложил Андерсон (Anderson) для бластомеров у Spiralia, и с его представлениями о возможных гомологиях между этими клетками и клетками зародышей Spiralia. Ценность подобного сопоставления типов дробления, по-видимому, ограничена, потому что дробление у ракообразных так глубоко отличается от классического спирального дробления, что любая попытка провести какую-либо аналогию будет безуспешной.

Однако карты с указанием судьбы отдельных участков поверхности бластулы ракообразных можно сравнить с аналогичными картами для кольчецов, как это сделал Андерсон. Как показывает рис. 4-15, на котором представлены две такие карты, у кольчецов презумптивная мезодерма лежит позади презумптивной средней кишки, тогда как у зародышей ракообразных она лежит между средней кишкой и презумптивным первичным ртом. Это изменение касается не только типа дробления, но и основных взаимоотношений между различными участками яйца.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-14. Дробление у усоногого рачка Tetraclita как пример сохранения у ракообразных спирального дробления в сильно модифицированном виде (Anderson, 1969).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-15. Карта зачатков у зародышей полихет и ракообразных на стадии бластулы (Anderson, 1973).


Большинство других членистоногих, не относящихся к ракообразным, производят яйца, очень богатые желтком; в этих яйцах желточная масса не делится, оставаясь в виде неразделившегося синцития, содержащего образующиеся при дроблении ядра. По окончании делений дробления эти ядра мигрируют к поверхности яйца, где в результате целлюляризации они образуют бластодерму. Прямое сравнение подобного способа деления со спиральным дроблением, разумеется, невозможно. Тем не менее Андерсон сравнивал карты зачатков таких членистоногих с картами зачатков кольчецов. Онихофоры - самая примитивная группа среди Uniramia; в сущности, они так примитивны, что их часто выделяют в отдельный тип, промежуточный между кольчецами и членистоногими. Эти животные обладают некоторыми признаками кольчецов, в частности мягкими покровами и в основном однородными недифференцированными сегментами, а мышечные слои расположены у них так же, как у кольчецов. При этом, однако, у онихофор имеются некоторые признаки членистоногих, например челюсти, ходильные ноги, снабженные коготками, и кровеносная система, сходная с аналогичной системой членистоногих. Наличие трахеи указывает на их близость к насекомым и многоножкам. Сравнение карты зачатков онихофор и кольчецов привело к интересному результату: оказалось, что в отличие от ракообразных карта зачатков зародыша онихофор сходна с картой зародыша кольчецов. Поэтому представляется вероятным, что ракообразные и Uniramia возникли независимо друг от друга. Происхождение этих двух групп было связано с модификацией яйца предкового Spiralia в двух совершенно различных направлениях. У ракообразных сохранилось спиральное дробление, но оно полностью модифицировалось и судьба различных участков зародыша изменилась. Uniramia совершенно отказались от спирального дробления и перешли к синцитиальному типу дробления, предшествующему образованию бластодермы, как адаптации к очень крупным, богатым желтком яйцам. Но судьба отдельных участков яйца сохранила сходство с их судьбой у кольчецов.

Считается, что насекомые, наиболее продвинувшиеся в эволюционном отношении среди всех первичноротых, произошли от какого-то предка, сходного с кольчецами, пройдя через стадию сходства с онихофорами, а затем с многоножками. В процессе такой эволюции постепенно возникали характерное для Uniramia строение ноги и головы, а также специализация сегментов и уменьшение их числа. Морфогенетические и генетические события, лежащие в основе этих изменений, рассматриваются в гл. 7 - 9.

Эволюционные изменения в организации яиц хордовых

Для Spiralia характерно развитие, при котором отдельные бластомеры на ранних стадиях дробления уже запрограммированы к дифференцировке в определенном направлении, не изменяющемся даже в том случае, если изолировать их от остального зародыша. Широкое распространение получили представления о том, что такое мозаичное развитие типично для первичноротых, тогда как в основе развития вторичноротых лежат индукционные взаимодействия между клетками, детерминирующие их судьбу. Эти представления неверны по двум причинам. Во-первых, у некоторых вторичноротых, в особенности у асцидий, развитие столь же высокомозаичное, как и у любого представителя Spiralia. Во-вторых, детерминированность определенных клеток к развитию по определенному пути содержит в себе временной фактор. У тех зародышей, которых принято считать типично мозаичными, эта детерминированность наступает очень рано; однако у всех зародышей рано или поздно клетки становятся детерминированными. Так, у зародыша морского ежа (вторичноротое) на стадии четырех бластомеров все клетки равноценны по своим потенциям к развитию. Однако у 8-клеточного и уж тем более у 16-клеточного зародыша судьба бластомеров явно предопределена.

Следует отметить, что даже у Spiralia развитие яиц нельзя считать полностью мозаичным. Некоторые детерминирующие события наступают на очень ранних стадиях, но по мере дальнейшего развития все возрастающую роль в нем начинают играть различные индукционные взаимодействия. Одна из интересных особенностей мозаичного развития состоит в том, что при этом возможно быстрое образование специализированных личинок из ограниченного числа зародышевых клеток. Такой механизм особенно выгоден для организмов, развивающиеся яйца которых взвешены в морской воде, составляя часть планктона. Индукционные взаимодействия, наблюдаемые в развитии даже типичных мозаичных зародышей, позволяют считать, что в процессе эволюции той или иной линии соотношение вкладов самодифференцировки и индукции может изменяться, особенно в тех случаях, когда у данной линии наблюдается тенденция к утрате специализированных личинок. Заключение о том, что такой процесс действительно имел место, можно сделать, рассматривая развитие асцидий, амфибий и млекопитающих - членов обширного филогенетического ряда хордовых.

Развитие асцидий носит в значительной мере мозаичный характер, как это было показано в экспериментах двух типов : 1) при сращивании двух зародышей на ранних стадиях дробления; 2) при изоляции пары бластомеров из зародыша и выращивании их в культуре. Эксперименты первого типа провел Убиш (Ubisch) в 1938 г. Сращивая зародышей попарно на стадии двух бластомеров, он обнаружил, что результаты такой операции зависят от ориентации зародышей друг относительно друга. Вообще, из сращенных зародышей развиваются двойные уроды с добавочными внутренними органами, например зародыш с одним хвостом, содержащим две хорды, каждая со своей нервной трубкой. Такой результат согласуется со способностью бластомеров дифференцироваться независимо друг от друга. Эксперименты с удалением некоторых бластомеров, которые впервые провел в широких масштабах Конклин (Е. Conklin) в 1905 г. на асцидиях, дали более определенную информацию относительно потенций отдельных бластомеров и их судьбы. На рис. 4-16 представлена карта презумптивных зачатков для 8-клеточного зародыша асцидий. Два передних бластомера анимальной половины дают эпидермис головы, присоски и головной мозг; два задних анимальных бластомера дают только эпидермис; передние бластомеры вегетативной половины дают спинной мозг, хорду и часть кишечника ; два задних вегетативных бластомера - кишечник, мезенхиму и мышцы.

Конклин хотел также выяснить, насколько строго предопределена судьба бластомеров. Выпуская 2- или 4-клеточных зародышей из пипетки, Конклин убивал один или несколько бластомеров, получая живые половинки или четвертушки зародышей; эти зародыши нормально дробились, оставаясь связанными с неделящимися убитыми бластомерами. У таких частичных зародышей развивались только те ткани, которые образовались бы из имеющихся у них живых бластомеров, если бы они находились в нормальном зародыше. Можно, конечно, возразить, что нормальному развитию частичных зародышей мешало присутствие мертвых бластомеров, но эксперименты, проведенные Ревербери (Reverberi) с изолированными бластомерами, привели к таким же результатам.

Ревербери и Минганти (Reverberi, Minganti) выращивали в культуре пары бластомеров, изолированные из 8-клеточных зародышей асцидий. Оказалось, что все эти пары обладают ограниченной способностью к дифференцировке, соответствующей их положению на составленной Конклином карте зачатков. Неожиданный результат этих экспериментов состоял в том, что, хотя кишечник, хорда, мышцы и мезенхима развивались путем самодифференцировки бластомеров, нервная ткань развиваться таким образом не могла. Изолированные передние бластомеры анимальной половины, которые должны были образовать нервную ткань, давали только эпидермис. Если же 8-клеточных зародышей расчленяли так, что передние бластомеры анимальной половины оставались в контакте с передними бластомерами вегетативной половины, предназначенными для образования хорды, то из передних анимальных бластомеров развивалась нервная ткань. Следовательно, для дифференцировки нервной ткани необходимо индукционное воздействие со стороны хорды и энтодермальных клеток. Это как бы предвосхищает гораздо более важную роль индукции, наблюдаемую у позвоночных, однако Ревербери указывает на одно существенное различие. Если во фракционированном зародыше сохраняется контакт между задними бластомерами анимальной половины, дающими эпидермис, и передними бластомерами вегетативной половины, дающими хорду, то нервная ткань не развивается. Эктодерма, образующаяся из задних анимальных бластомеров, не реагирует на нейральное индукционное влияние со стороны хорды. У амфибий, у которых индукционные взаимодействия изучены довольно подробно, наблюдается совершенно иная картина. Яйца амфибий легко получить, они крупные, хорошо выдерживают радикальные экспериментальные процедуры и поэтому широко используются в экспериментах по пересадкам ядер и целых участков зародышей. В 1925 г. Фогт (Vogt) разработал метод для определения дальнейшей судьбы разных участков зародыша у амфибий. Он установил, что, помещая на поверхность зародыша маленькие кусочки агара, пропитанные каким-нибудь прижизненным красителем, можно стабильно окрашивать небольшие группы клеток, не повреждая их при этом. Это позволяет проследить за дальнейшей судьбой окрашенных клеток и их местоположением в гаструле. На рис. 4-16 изображена карта презумптивных зачатков амфибий, на которой показаны участки ранней гаструлы, дающие затем начало нервной ткани, хорде, мезодерме и энтодерме. Относительное расположение этих участков такое же, как у зародышей асцидий, с той разницей что клетки, дающие начало мезодерме и хорде, находятся не на поверхности, как у оболочников, а лежат под слоем презумптивных энтодермальных клеток. Шпеман (Spemann) произвел реципрокные пересадки, при которых кусочек презумптивной ткани головного мозга, взятой из ранней гаструлы-донора, пересаживали в раннюю гаструлу-реципиент, в участок, дающий начало эпидермису; и наоборот, кусочек презумптивного эпидермиса пересаживали в участок зародыша-реципиента, дающий начало ткани головного мозга. Трансплантаты быстро приживлялись, и за их судьбой было нетрудно проследить, потому что донор и реципиент принадлежали к двум близкородственным видам, клетки которых четко различались по пигментации. Клетки дифференцировались в соответствии с тем участком реципиента, в который они были пересажены, т. е. их судьба не была предетерминирована.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-16. Карта зачатков у зародышей оболочника и лягушки. Распределение зачатков у зародыша амфибий сходно с их распределением у зародыша оболочников с той разницей, что у амфибий они располагаются в два слоя: эпидермис, энтодерма и нервная пластинка в верхнем слое, а хорда, сомиты и мезодерма под этим поверхностным слоем клеток (Ortolani, 1954 и Keller, 1975, 1976; с изменениями).


Позднее Шпеман и Мангольд (Mangold) обнаружили, что у зародыша амфибий есть один участок, способный к самодифференцировке, - спинная губа бластопора ранней гаструлы. На рис. 4-16 спинная губа изображена в виде выемки. Этот участок имеет важное значение, потому что именно здесь начинается инвагинация клеток во время гаструляции и определяется расположение дорсовентральной оси зародыша. Местоположение самой губы бластопора устанавливается вскоре после оплодотворения и определяется по появлению серого серпа. Серый серп обычно располагается против места проникновения в яйцо сперматозоида и появляется в результате акта цитоплазматической локализации (ооплазматической сегрегации), вызываемого оплодотворением, от которого зависит также и его пространственное положение. Значительная часть хорды образуется из области спинной губы. Пересаживая часть этого материала от одного зародыша другому, Шпеман и Мангольд вызывали у реципиента образование добавочного зародыша с хордой и нервной трубкой. Хорда состояла из клеток, происходивших от трансплантата, сомиты - из клеток трансплантата и реципиента, а нервная трубка - почти целиком из клеток реципиента. Таким образом основная масса клеток добавочного зародыша была образована за счет хозяина (реципиента), однако дифференцировку этих клеток в разнообразные структуры добавочного зародыша индуцировала пересаженная спинная губа.

В результате аналогичного эксперимента Мангольд и Зейдель (Mangold, Seidel) установили, что сращивание двух зародышей амфибий на двуклеточной стадии обычно приводит к развитию двойных зародышей. Серый серп, определяющий местоположение первичного организатора, на этой стадии уже существует, а поэтому очевидно, что сращенные зародыши будут содержать два независимых организационных центра, и, следовательно, у них сформируются две системы осевых органов. Очевидно, что бластомеры амфибий на ранних стадиях развития лишены той крайне сильно выраженной способности к самодифференцировке, которой обладают асцидий; однако у амфибий сохраняется мозаичная природа первичного организатора. Индукционная функция организатора имеет решающее значение для последующей дифференцировки других участков, которая зависит от цепи индукционных воздействий, инициируемых осевыми структурами.

Плацентарные млекопитающие сильно отличаются по стратегии развития как от морских беспозвоночных с их мелкими пелагическими личинками, так и от тех позвоночных, которые продуцируют крупные яйца, богатые желтком. Большинство морских беспозвоночных образуют большое число яиц, содержащих количество желтка, достаточное для обеспечения быстрого развития до стадии, на которой организм становится способным к самостоятельному питанию. В то же время у таких позвоночных, как амфибии, яиц меньше, но они очень богаты желтком, что необходимо для более длительного развития организма, способного к самостоятельному питанию. Все эти яйца содержат также запасы рибосом и мРНК, обеспечивающие быстрое развитие в начальный период, до того как в результате дробления у зародыша образуется достаточное число ядер для поддержания высокого уровня синтеза белка при участии новообразованных мРНК.

В отличие от этого у плацентарных млекопитающих яйца мелкие и содержат мало желтка или других веществ, необходимых для длительного самостоятельного синтеза белка, потому что их зародыши развиваются как бы в контейнере с питательной средой, помещенном в тело матери. Яйца млекопитающих вначале развиваются очень медленно. У зародыша мыши первые 4-5 делений дробления занимают трое суток. На четвертые сутки образуется бластоциста, состоящая примерно из 100 клеток. Имплантация происходит спустя 4,5 сут. Поскольку наличные запасы мРНК невелики, ее транскрипция в ядрах зародыша начинается у мышей очень рано - еще до первого деления дробления и имеет жизненно важное значение для осуществления ранних стадий развития.

Развитие зародышей млекопитающих, предшествующее их имплантации, приводит к образованию бластоцисты (рис. 4-17) - полой структуры, напоминающей бластулу и состоящей из клеток двух типов: клеток трофобласта, покрывающих зародыш снаружи, и внутренней клеточной массы, располагающейся в полости, ограниченной трофобластом. Из трофобласта развивается плацента, а из внутренней клеточной массы - внезародышевые оболочки и сам зародыш. Развитие зародыша до стадии бластоцисты не зависит от морфогенетической информации, получаемой в результате взаимодействия с тканями материнского организма, потому что этой стадии достигают зародыши, выращиваемые на простой питательной среде, содержащей только пируват и соли. Для раннего периода постимплантационного развития необходимы другие более сложные среды, однако результаты соответствующих экспериментов позволяют сделать вывод, что раннее постимплантационное развитие регулируется изнутри, а матка обеспечивает питание и опору; хороший обзор на эту тему составил Грэхэм (Graham, 1973).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 4-17. Химерные мыши, полученные в результате сращивания зародышей двух разных генотипов на стадии дробления (Mintz, 1967).


Для того чтобы выяснить, до какой степени клетки млекопитающих способны к мозаичному развитию, были проведены эксперименты с удалением клеток и со сращиванием зародышей. Мур (N. Moore) и его сотрудники разрушали у 2-, 4- и 8-клеточных зародышей кролика все бластомеры, за исключением одного, и переносили этот последний в матку приемной матери. Из 30% таких бластомеров, взятых от 2-клеточных зародышей, 19%-от 4-клеточных, 11%-от 8-клеточных были получены нормальные крольчата. Тарковски и Вроблевска (Tarkowski, Wroblewska) разделяли бластомеры 4- и 8-клеточных зародышей мышей и выращивали их в культуре. Им удалось проследить за судьбой каждого бластомера лишь для небольшого числа диссоциированных зародышей, но некоторые полученные при этом данные оказались очень интересными. Из бластомеров одного 4-клеточного зародыша были получены три бластоцисты и один трофобластический пузырек (бластоциста, не содержащая внутренней клеточной массы). Из 8-клеточного зародыша, разделенного на пары бластомеров, были получены три бластоцисты и одна морула. Ни в одном случае не наблюдалось мозаичной дифференцировки, характерной для асцидий. Кроме того, эти результаты резко отличались от тех, которые получил Руд (Ruud) в аналогичных экспериментах с зародышами амфибий. Руд разделял бластомеры 4-клеточного зародыша и выращивал их в культуре по отдельности. Из двух бластомеров, содержавших кусочки зоны серого серпа, формировались маленькие, но полные зародыши, а два других бластомера делились, но дифференцировки не происходило.

Тарковски и Вроблевска высказали предположение, что в зародышах млекопитающих предетерминированные локализованные участки цитоплазмы не играют никакой роли. Направление дифференцировки бластомера определяется только его местоположением в ранней бластоцисте. Так, клетка, оказавшаяся снаружи, становится частью трофобласта, а клетка, попавшая внутрь, развивается во внутреннюю клеточную массу. Хильмен (Hillman) и ее сотрудники проверили это предположение, перенося меченые бластомеры во внутренние или наружные участки немеченых зародышей. Как и предсказывали Тарковски и Вроблевска, бластомеры дифференцировались в трофобласт или внутреннюю клеточную массу в соответствии со своим положением.

Зависимость судьбы клетки от ее положения и отсутствие организатора были продемонстрированы также и другим способом. Тарковски и Минц (Mintz) диссоциировали мышиные зародыши на стадии морулы и объединяли клетки двух зародышей, различающихся по генам окраски шерсти. Образовавшиеся в результате гибридные бластоцисты были имплантированы в приемную мать. Из них развились нормальные живые мышата; это были химеры, в окраске которых проявилось действие обоих генов. Схема такого эксперимента представлена на рис. 4-17.

Степень зависимости судьбы клеток млекопитающих от их местоположения в зародыше и взаимодействия с другими клетками особенно ярко продемонстрировали Минц и Илмензе (Ilmense). Эти авторы экспериментально вызывали образование тератокарцином у мышей, имплантируя в полость тела (не в матку) нормальный ранний зародыш. Развитие такого зародыша протекало беспорядочно, и он превращался в солидную опухоль, содержащую популяцию быстро делящихся стволовых клеток (эм6риокарциномных клеток), способных дифференцироваться с образованием самых разнообразных тканей. Эти солидные опухоли часто удается диссоциировать и выращивать в перитонеальной полости, получая асцитные опухоли. Асцитные опухоли состоят из эмбриональных телец, в центре которых находятся эмбриокарциномные клетки, окруженные слоем недифференцированных энтодермальных клеток. Минц и Илмензе вводили эмбриокарциномные клетки из линии асцитных опухолевых клеток, сохранявших эуплоидный набор хромосом, в бластоцисты генетически помеченной линии мышей и получали здоровых потомков, представлявших собой генетические химеры, которые были построены из нормальных тканей. происходящих как из клеток реципиента, так и из введенных ему эмбриокарциномных клеток. По-видимому, превращение тканей зародыша в тератокарциному связано с нарушением характера экспрессии генов, а не с мутационным процессом, потому что эмбриокарциномные клетки, помещенные в специализированную среду внутри бластоциста, могут дать начало нормальным тканям.

В эволюционной последовательности форм, наблюдаемой у хордовых, сохраняется один и тот же основной план строения тела, однако с течением времени роль мозаичных элементов в процессе развития постепенно становится все менее важной, пока у млекопитающих эти элементы не исчезают окончательно. И наоборот, значение индукционных взаимодействий между отдельными участками зародыша возрастает. У асцидий главное индукционное событие - образование нервной ткани под влиянием хорды. Эта фундаментальная зависимость сохраняется у эволюционно более продвинувшихся хордовых, у которых характерная для асцидий строгая самодифференцировка других частей организма сменяется системой актов детерминации, обусловленных индукционными взаимодействиями. Представляется вероятным, что в тех случаях, когда в результате возникают сходные ткани или структуры, это связано со сходными наборами экспрессирующихся генов, хотя вполне возможно, что переход от самодифференцировки к индукционным взаимодействиям сопровождается сменой триггеров, вызывающих действие генов.

В развитии хордовых помимо смягчения строго мозаичного типа развития произошло еще одно столь же важное изменение. Беррил (N. Berrill) в своей работе «Происхождение позвоночных» указал на значение изменений в соотношении между числом делений дробления, которые прошел зародыш, и началом дефинитивной дифференцировки клеток. У асцидий и оболочников вообще гаструляция начинается, как правило, между 64- и 128-клеточными стадиями. Согласно Конклину, на стадии 64 клеток у зародыша имеется 26 клеток презумптивной покровной эктодермы, 10 клеток презумптивной нервной пластинки, 4 клетки презумптивной хорды и 10 клеток мезенхимы, 4 мышечные клетки хвоста и 10 клеток презумптивной энтодермы. Некоторые из этих клеток претерпевают далее ограниченное и дискретное число клеточных делений, прежде чем приступить к окончательной дифференцировке. Так, у головастикоподобных личинок асцидий имеется 36 мышечных клеток хвоста и 40 клеток хорды. Соответственно сама эта личинка невелика.

Беррил высказал мнение, что хордовые произошли от оболочников, сохранив план строения тела их личинок в результате неотенического развития. Строгое ограничение числа клеток и общих размеров у личинок оболочников жестко ограничивало эволюционные возможности любых неотенических Prochordata. Ввиду того что размеры отдельных клеток практически ограничены, любое существенное увеличение общих размеров организма может достигаться только за счет увеличения числа клеток каждого типа. Можно соглашаться или не соглашаться с гипотезой Беррила (о неотеническом происхождении позвоночных от оболочников), поскольку палеонтологическая летопись хранит по этому поводу молчание и поскольку с равной вероятностью можно считать, что взрослые формы оболочников представляют собой специализированное терминальное добавление к жизненному циклу животных, которые первоначально во взрослом состоянии были подобны хордовым. Однако все же из табл. 4-2 видно, что среди классов хордовых имел место определенный сдвиг соотношений между числом циклов делений и сроками дифференцировки. Oikopleura - маленький неотенический оболочник, ведущий пелагический образ жизни и сохраняющий хвост во взрослом состоянии. Гаструляция у Oikopleura наступает на один цикл дробления раньше, чем у типичных оболочников-асцидий, например у Styela. Судьба клеток у обоих организмов одинакова, однако число клеток хорды и мышечных клеток хвоста показывает, что у Oikopleura детерминация происходит раньше, чем у Styela. У ланцетника Amphioxis - самого примитивного из всех настоящих хордовых - яйцо имеет такие же размеры, как и у Styela. Поскольку и гаструляция, и дифференцировка отстают у него на три цикла дробления, хорда и хвостовая мышца у личинки Amphioxis до начала питания и роста содержат в 8 раз больше клеток, чем у личинки Styela. У позвоночных Petromyzon (минога) и Triturus (тритон) эта тенденция к образованию крупных личинок зашла еще дальше. О том, что такое изменение в соотношении между числом циклов дробления и дифференцировкой имеет генетическую основу, свидетельствует существование у дрозофилы мутантного гена giant, который в гомозиготном состоянии обусловливает увеличение размеров особей (в остальном нормальных) вдвое. Такой эффект возникает в результате дополнительного цикла клеточных делений на поздних стадиях личиночной жизни.


Таблица 4-2. Зависимость между сроками клеточной детерминации у оболочников и хордовых и конечным числом клеток у их личинок (Berrill, 1955; с изменениями)

Животное Гаструляция Хорда Мышцы хвоста Диаметр яйца
число дроблений примерное число клеток примерное число клеток примерное число клеток мм
Oikopleura 5-6 38 20 20 0,09
Styela 6-7 76 40 36 0,13
Amphioxis 9-10 780 330 400 0,12
Petromyzon 11 2200 500 1,0
Triturus 14 16000 1200 - 2,6

Если в истории развития хвоста оболочников и есть нечто поучительное, так это то, что его, вероятно, можно использовать в качестве известного обобщения, иллюстрирующего сложность эволюционных событий на ранних стадиях развития. В 1933 г. Нидхэм (J. Needham) указал, что несмотря на то что процессы развития чрезвычайно тесно и тонко интегрированы, их на самом деле можно диссоциировать - отделять друг от друга; иными словами, можно экспериментально отделить дифференцировку от роста или от клеточных делений, биохимическую дифференцировку от морфогенеза и даже отделить один от другого разные элементы морфогенеза. Значение этого высказывания для понимания эволюции огромно. Возможность такой диссоциации открывает путь к описанию последствий изменения относительных сроков различных событий, происходящих в процессе развития, для морфологической эволюции, как это сделал Гулд (Gould) в своей книге «Онтогенез и филогенез», и налагает весьма реальные ограничения на наши подходы к генетической организации процессов развития.

Глава 5

Взаимодействия внутри зародыша

Самый акт становления, однако, не является ни абстрактным, ни мгновенным...

Д. Сипфл «К вопросу о вразумительности эпохальной теории времени»

Взаимодействие и интеграция

В наши дни посетители музеев воспринимают выставленные в них смонтированные скелеты огромных вымерших животных как нечто само собой разумеющееся. Однако так было не всегда. Научные сведения о таких импозантных формах, как мамонты и гигантские мегатерии, были получены только в начале XIX в., когда Ж. Кювье (Cuvier) своими реставрациями множества древних млекопитающих поразил мир, открыв ему вереницу исчезнувших фаун. Способность Кювье восстанавливать скелеты вымерших животных из груды расчлененных костей, принадлежавших многим разным видам, была результатом его превосходного знания сравнительной анатомии - науки, в значительной степени созданной им самим. Однако, для того чтобы так изощренно использовать сравнительную анатомию, недостаточно было одного лишь эмпирического знания морфологии животных. В основе исследований Кювье лежал сформулированный им принцип корреляции частей организма. Так, например, если череп несет длинные резцы и коренные, приспособленные для разрывания мяса, то ему должны соответствовать туловище и лапы, приспособленные к скрадыванию и схватыванию добычи, т.е. снабженные когтями, а не копытами. Кювье понимал, что морфология вымерших животных не только подчиняется тем же законам, которые существуют для ныне живущих форм, но что, кроме того, строение тела всех организмов очень тонко и глубоко интегрировано, так что каждый организм представляет собой функциональное и морфологическое единство. Именно эта концепция заставила Кювье выступить против эволюционной теории Ламарка, поскольку функциональная интеграция требует стабильности. Кювье считал допустимой изменчивость поверхностных или функционально второстепенных признаков, но всякое изменение в любой из главных частей тела должно было, по его мнению, разрушить единство целого и превратить организм в недееспособную нелепицу. И действительно, функциональная интеграция продолжала оставаться мучительной проблемой для теории эволюции. Даже если эволюция организмов носит прерывистый характер, так что переходы от одного стабильного плана строения к другому происходят быстро, они неизбежно должны сохранять достаточную степень интеграции, с тем чтобы оставаться живыми и продолжать размножаться на протяжении всего эволюционного процесса.

Парадоксальным образом в основе как поддержания стабильной интегрированности, так и изменения этой интегрированности лежит одна и та же причина - взаимодействия между отдельными участками зародыша в процессе онтогенеза.

Возможны три механизма региональной дифференцировки зародышей. Первый из них - ядерная дифференцировка, т.е. изменение генетического состава разных групп клеток. Этот механизм лучше всего известен по работам Бовери (Boveri), изучавшего паразитического червя Ascaris, у которого ядерная дифференцировка выражена очень четко и наглядно. При первых пяти дроблениях зародыша аскариды в результате каждого деления клетки, дающей начало клеткам зародышевого пути, образуется одна клетка-предшественник линии клеток зародышевого пути и одна презумптивная соматическая клетка. У бластомеров, предназначенных для образования соматических клеток, происходит элиминация части хромосом, и таким образом они с самых ранних стадий развития резко отличаются от предшественников клеток зародышевого пути, у которых сохраняется полный набор хромосом. Этот интересный механизм успешно действует у Ascaris, но остается биологическим «изобретением», не получившим широкого распространения в других группах. Возможно, что у некоторых животных имеют место специфичные и ограниченные перестройки генома, однако у большинства Metazoa (и у растений) дифференцировка происходит другими способами.

Второй и главный способ региональной дифференцировки основан на механизмах цитоплазматической локализации (ооплазматической сегрегации), обсуждавшейся в гл. 4; при этом регионально сегрегированные цитоплазматические «детерминанты» оказывают влияние на генную экспрессию идентичных по своим геномам ядер. В некоторых случаях мозаичный тип развития может определять судьбу клеток, иногда даже на поздних стадиях. Чаще, однако, явления локализации играют наиболее важную роль в определении судьбы клеток на очень ранних стадиях развития, тогда как позднее преобладающее значение приобретает третий механизм регуляции дифференцировки. При этом конечном способе запускания и поддержания региональной дифференцировки необходимо поступление в дифференцирующиеся клетки сигналов извне. Такими сигналами могут быть непосредственные влияния внезародышевой среды, или же они могут исходить от других клеток данного зародыша. Роль как тех, так и других сигналов в развитии зародышей млекопитающих, у которых решение каждого бластомера о том, превратится ли он в ткани зародыша или во внезародышевый трофобласт, прямо зависит от его местоположения в зародыше, совершенно ясна. Бластомеры, в значительной мере окруженные другими бластомерами, дают начало внутренней клеточной массе, тогда как из наружных клеток образуется трофобласт. По мере продолжения развития эмбриональные клетки все больше выходят из-под влияния внешней среды и, подобно пассажирам поезда, которым надоедает смотреть в окно вагона, «вступают в разговор» друг с другом. Преобладающей формой сигнализации между группами клеток зародыша служит индукция. Принято считать, что типичная индукция - это улица с односторонним движением, т.е. вещество, вырабатываемое клетками одного типа, вызывает или стимулирует дифференцировку в определенном направлении у соседних клеток другого типа. Такого рода индукция несомненно существует, однако следует иметь в виду, что во многих индукционных системах взаимодействия носят реципрокный характер. Одним из примеров этого служит почка конечности куриного зародыша. В экспериментах, впервые проведенных Сондерсом и Цвиллингом (Saunders, Zwilling), в которых ткани почки конечности разделяли и рекомбинировали, было установлено, что мезодерма почки конечности индуцирует утолщение эктодермы, покрывающей дистальный кончик почки, и формирование из нее верхушечного гребня. Этот гребень в свою очередь индуцирует формирование в мезодерме элементов конечности. В течение всего этого процесса мезодерма продолжает вырабатывать некое вещество (так называемый «стабилизирующий фактор»), необходимое для поддержания верхушечного гребня.

Регуляция морфогенеза и дифференцировки путем взаимодействий между клетками данного организма изменяется на протяжении онтогенеза. Образование нервной трубки, рост почек конечности и развитие отдельных органов служат классическими примерами эмбриональной индукции. Все зависит от взаимодействий между соседними группами клеток. На ранних стадиях развития отдельные индукционные события обладают региональной автономией и во многих случаях протекают независимо от других таких событий, происходящих в удаленных от них частях зародыша. Однако в процессе дальнейшего развития индукционные системы становятся все более интегрированными, и их интеграция играет большую роль в обеспечении последующей канализации развития. Интеграция индукционных систем основана на каскадных и переплетающихся взаимодействиях. Каскадные взаимодействия типичны для дифференцировки, потому что индукция многих структур зависит от предшествующих индукционных событий. Например, у позвоночных индукция хрусталика глазным бокалом, который образуется как вырост головного мозга, абсолютно невозможна, если ей не предшествует индукция передней части нервной системы. Переплетающиеся взаимодействия - результат другой характерной черты индукционных систем, состоящей в том, что в индукции той или иной структуры могут участвовать не одна, а несколько тканей. В свою очередь такая структура может служить индуктором для нескольких других тканей.

В организме у более или менее полностью развившегося животного локализованные взаимодействия продолжают играть известную роль, однако на этой стадии решающее значение приобретает проблема поддержания организма как целого. Становятся необходимыми глобальные регулирующие механизмы, требующие взаимодействия между клетками на расстоянии, осуществляемого при участии гуморальных факторов - гормонов. Морфогенетическое воздействие гормонов может быть генерализованным, как, например, действие гормона роста, оказывающего влияние на все части организма, или тироксина, управляющего различными процессами формообразования и дифференцировки при метаморфозе у амфибий. Другие же гормоны, например тиреотропный гормон или эритропоэтин, обладают более специфичным действием, направленным на определенные ткани-мишени.

Индукция и появление структуры

При поверхностном наблюдении за все возрастающей сложностью развивающихся зародышей можно заметить появление хорошо знакомых черт данного животного: различных органов, зубов, конечностей, глаз. Однако эмбриологи нередко оказываются примерно в таком положении, как капитан Ричард, главный герой книги Эрнста Дженджера (Е. Juenger) «Стеклянные пчелы». Столкнувшись с непостижимыми творческими способностями Цаппарони и его хитроумных автоматов, стеклянных пчел, он мог только пробормотать: «Я был вынужден принять эти новые создания такими, какие они есть - я не в состоянии был объяснить их. Почти то же самое мы испытываем, стоя на скале и наблюдая за морскими животными: мы видим рыб и крабов и даже узнаем медуз, но внезапно из глубины всплывают какие-то создания, задающие нам неразрешимые и волнующие загадки».

Одна из таких загадок - очевидный эпигенез, опосредованный индукционными взаимодействиями. Очень большую роль в понимании природы индукции и ее функций в процессе развития сыграли работы Ганса Шпемана (Н. Spemann) и его сотрудников, проведенные после первой мировой войны. Шпеман пересаживал эктодермальные клетки, взятые с поверхности одного зародыша тритона, в поверхностный слой другого такого зародыша. В качестве доноров и реципиентов он использовал виды Triturus, имеющие разную окраску, так что трансплантаты можно было легко отличать от тканей хозяина по наличию или отсутствию пигментных гранул на отдельных участках поверхности химерных зародышей. Если в качестве доноров использовали зародышей на стадии ранней гаструлы, то клетки из разных участков эктодермы развивались в соответствии с дифференцировкой той области реципиента, в которую они были пересажены. Если же донорами служили зародыши, закончившие гаструляцию, то в большинстве случаев наблюдалась иная картина: оказывалось, что пересаженные клетки уже детерминированы, так что, например, презумптивные клетки нейральной эктодермы дифференцировались в нервную ткань независимо от того, в какой участок реципиента они были пересажены. Эти эксперименты дали очень ценные сведения. Они показали, что направление детерминации эктодермальных клеток у амфибий не запрограммировано в самих этих клетках: будет ли данная клетка развиваться в направлении эпителиальной или нервной ткани, зависит от ее местоположения в зародыше во время гаструляции.

Решающий эксперимент - один из самых впечатляющих и значительных для дальнейшего развития эмбриологии - провела ученица Шпемана, Хильде Мангольд (Spemann, Mangold, 1924); она непосредственно показала существование индукционной системы, обусловливающей детерминацию осевых структур. Как это часто бывает с действительно плодотворными работами, экспериментам Мангольд суждено было породить ряд других волнующих загадок.

Как показано на рис. 5-1, во время гаструляции клетки, лежащие на поверхности бластулы амфибии, перемещаются внутрь, проходя через бластопор. В результате образуется двуслойный зародыш. Такая двуслойная организация - необходимая предпосылка для крупных начальных индукционных процессов. Однако, как установили Шпеман и Мангольд, спинная губа бластопора играет некую особую роль. В области спинной губы происходит инвагинация клеток при гаструляции, и, хотя функция этой области до начала гаструляции не проявляется, она обособляется вскоре после оплодотворения, что выражается в образовании серого серпа.

Проведенный Мангольд эксперимент был очень прост: она пересаживала кусочек спинной губы бластопора из ранней гаструлы на боковую поверхность зародыша-реципиента. Однако, в отличие от того, что наблюдалось в более ранних экспериментах с пересадками кусочков эктодермы, пересаженные клетки не развивались в этом случае в соответствии с участком, в который их пересадили. Вместо этого они вызвали образование добавочного набора осевых органов, т.е. получились сиамские близнецы (рис. 5-2). У добавочного эмбриона не было головы (в первых экспериментах Мангольд), но были хорда, парные сомиты и нервная трубка, а также кишка и почечные канальцы. Поскольку для пересадки использовались клетки, отличавшиеся по пигментации от клеток реципиента, можно было установить, какие части добавочного зародыша происходят из пересаженных клеток, а какие - из клеток реципиента. Оказалось, что хорда целиком образована пересаженными клетками, а нервная трубка, сомиты и другие структуры состоят в основном из клеток зародыша-реципиента.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-1. Использование метода маркировки зародыша прижизненными красителями для составления карты перемещений клеток во время гаструляции у жерлянки (Bombinator). А-В. Участки клеток, помеченные прижизненными красителями, втягиваются внутрь зародыша через бластопор. Г. Внешний вид окрашенных зародышей на стадии нейрулы. Д. Поперечный срез зародыша на стадии замыкания нервной трубки; видно распределение окрашенных клеток внутри зародыша. Благодаря этому методу Фогт получил возможность составить первые карты презумптивных зачатков для амфибий (Vogt, 1929).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-2. Пересадка клеток спинной губы бластопора от зародыша-донора на брюшную сторону зародыша-реципиента. В результате трансплантации у реципиента образуются добавочные осевые органы (Hadorn, 1974).


Образование большей части тканей, формирующихся в результате пересадки спинной губы, из клеток реципиента показывает, что эти клетки были индуцированы к дифференцировке в измененных направлениях под действием того, чему Шпеман дал название первичного организатора. Это организующее начало находится в клетках спинной губы, которая после инвагинации дает начало крыше первичной кишки, а та в свою очередь, индуцирует образование хорды. Возникновение индуцируемых осевых структур происходит в четко выраженном передне-заднем направлении. Эксперименты с пересадкой кусочков крыши передней кишки показали, что упорядоченность структур центральной нервной системы детерминируется индукторами, которые продуцируются соответствующими участками крыши первичной кишки. Хордомезодерма, действуя снизу вверх, не просто индуцирует в вышележащих тканях развитие нейральных структур: различные участки этой мезодермы продуцируют индукторы, различающиеся по своей информационной специфичности.

В отношении индуцирующих систем можно сделать два обобщения. Индуцирующая ткань должна быть способна вырабатывать необходимое в данном конкретном случае индуцирующее вещество, а ткань-мишень должна обладать соответствующей компетентностью, чтобы реагировать на него. Эти необходимые свойства отражают динамику морфогенетических процессов. Образование индуцирующих веществ и способность реагировать на них - свойства преходящие, и относительное расположение индуцирующей и индуцируемой тканей изменяется по мере течения морфогенеза.

Хрусталик позвоночных - специализированная структура, функция которой состоит в преломлении падающего света. Его развитие начинается с образования презумптивной тканью хрусталика сферического зачатка хрусталика. Затем клетки этого зачатка вытягиваются, превращаясь в волокна хрусталика, которые, ориентируясь определенным образом, формируют преломляющее тело хрусталика. В процессе этих превращений волокна утрачивают ядра и митохондрии, так что хрусталик становится прозрачным. Морфологическая дифференцировка сопровождается клеточной дифференцировкой. Клетки хрусталика, как это пишет в своем обзоре Бломендаль (Bloemendal), начинают синтезировать главным образом группу специализированных белков хрусталика - α-, β- и γ-кристаллины. Синтез этих белков, по-видимому, составляет свыше 80% всего белкового синтеза клеток хрусталика и обеспечивается долгоживущими кристаллиновыми мРНК.

Хрусталик образуется из эпидермальных клеток ограниченного участка головы, однако оказалось, что у амфибий можно индуцировать развитие хрусталика из почти любого участка эпидермиса зародыша. Для этого достаточно либо пересадить глазной пузырек в необычное для него место, либо заменить эпидермис, предназначенный для образования хрусталика, кусочком эпидермиса из другой части тела. Глазной пузырь - вырост переднего мозга, дающий начало зрительному нерву и сетчатке, - служит главным, но не единственным, индуктором дифференцировки хрусталика.

Особенно ценные данные о динамичном характере индукционных взаимодействий получил Джекобсон (A. G. Jacobson), исследовавший процесс индукции хрусталика у зародышей амфибий. Морфогенез, происходящий в процессе развития, сопровождается очень значительными перемещениями тканей относительно друг друга. Так, презумптивный эпидермис, из которого развивается хрусталик, во время гаструляции лежит над энтодермальной стенкой будущей глотки, как это показано на рис. 5-3. Эта энтодерма фактически служит первым индуктором хрусталика. По мере дальнейшей гаструляции сердечная мезодерма перемещается вперед, до тех пор пока ее передний край не окажется лежащим под презумптивным хрусталиком и она также не начнет действовать как индуктор. Далее во время нейруляции нервная пластинка замыкается, превращаясь в нервную трубку, и на ее переднем конце начинают выпячиваться глазные пузыри. В результате замыкания нервной трубки клетки будущего хрусталика приходят в соприкосновение с презумптивной сетчаткой, и начиная с этого времени главным индуктором хрусталика служит сетчатка. Степень участия каждой из этих тканей в индукции хрусталика Джекобсон оценивал на основании экспериментов, в которых он удалял ту или иную из индуцирующих тканей, наблюдая при этом за уровнем дифференцировки хрусталика. В экспериментах, в которых сетчатку удаляли, так что индукторами служили только энтодерма и сердечная мезодерма, у 42% зародышей все же формировались хрусталики. Джекобсон пришел к выводу, что в сумме энтодерма и мезодерма равноценны сетчатке в смысле индукции хрусталика. В развитии других органов, таких как нос и ухо (рис. 5-4), также участвует по нескольку индукторов. (Результаты этих и других аналогичных опытов сильно зависят от вида животного и условий эксперимента, и предлагаемая здесь интерпретация не получила пока общего признания.- Прим. ред.)

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-3. Последовательные индукционные взаимодействия, необходимые для образования хрусталика у зародыша амфибии (Jacobson, 1966).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-4. Последовательные индукционные взаимодействия, детерминирующие развитие носа и уха у амфибий (Jacobson, 1966).


Сети индукторов могут играть важную роль в канализации развития, обеспечивая нормальное течение органогенеза, даже если один из компонентов индуцирующей системы не сумеет произвести сигнал нужной силы. И, как понял Джекобсон, многочисленность индуцирующих тканей может иметь решающее значение для точного установления места формирования данного органа. Джекобсон провел ряд экспериментов, в которых либо полоску головной эктодермы, образующую в конечном итоге нос, хрусталик и ухо, либо лежащую под ней нервную пластинку поворачивали на 180° на разных стадиях развития. Результаты этих экспериментов ясно показали, что, хотя головной мозг оказывает наиболее сильное индуцирующее действие, необходимое для полного развития этих структур, местоположение носа, хрусталика и уха действительно частично детерминируется более ранними индукционными событиями при участии энтодермы и проспективной сердечной мезодермы.

Диссоциабельность индукционных взаимодействий, происходящих при морфогенезе и цитодифференцировке

Для происходящих в процессе эволюции морфологических трансформаций необходима возможность независимых изменений взаимосвязи между отдельными процессами онтогенеза, которую можно назвать диссоциабельностью. Концепция диссоциабельности зародилась еще в XIX в., хотя наиболее обстоятельно ее изложил Нидхем (Needham) в 1933 г.:

«При развитии зародыша того или иного животного, протекающем нормально и при оптимальных условиях, составляющие его основные процессы образуют превосходно интегрированное единое целое. Они подогнаны друг к другу таким образом, что конечный продукт развития возникает в результате точно скоординированных реакций и событий. Однако, по-видимому, во всем этом важную роль играет одно обстоятельство, которое, вероятно, недооценивается: эти фундаментальные процессы неразделимы лишь в нашем представлении; на самом деле их можно экспериментально диссоциировать (разобщить) или нарушить существующую между ними координацию. Эта концепция нарушения координированности пока еще не получила удовлетворительного названия, но за неимением лучшего термина мы в дальнейшем изложении будем пользоваться словами диссоциабельность или разобщение. Уже ясно, что можно приостановить рост зародыша, не нарушая его дыхания, и что, наоборот, в известных условиях рост и дифференцировка могут, вероятно, продолжаться в отсутствие нормальных дыхательных процессов. Известно также немало примеров, когда рост и дифференцировку можно разобщить, так что, хотя их механизмы остаются неповрежденными, тот или другой из них „работает вхолостую“».

Диссоциабельность - ключевой элемент в изменениях морфологии, достигаемых при помощи одного (особенно важного) способа модификации. Важную роль диссоциации между возрастом, ростом и формой (т. е. независимое изменение этих параметров) путем изменения относительных сроков морфогенетических процессов при эволюции новых форм подчеркивает Гулд (Gould). И такое подчеркивание вполне уместно: относительные изменения сроков служат одним из самых могущественных и в то же время самым доступным механизмом эволюции формы. Гетерохрония, ее механизмы и ее последствия рассматриваются в гл. 6.

Но дело не только в гетерохронии. Важные морфологические изменения могут возникать не в результате изменений, затрагивающих главным образом сроки, а в результате диссоциации, т. е. разобщения, процессов интеграции. Интересно, что некоторые из них были включены Нидхемом в категорию диссоциаций при дифференцировке (двумя другими выделяемыми им крупными категориями были метаболизм и рост). Нидхем перечисляет процессы, где диссоциация может иметь место: локализация в яйце морфогенетических детерминантов, цитодифференцировка и индукционные взаимодействия. Хорошей иллюстрацией диссоциабельности таких процессов служит легкость, с которой в экспериментальных условиях удается разобщить морфогенез и клеточную дифференцировку при развитии разнообразных тканей. Можно привести несколько конкретных примеров.

В случае обсуждавшегося выше хрусталика глаза процесс индукции вызывает вытягивание клеток хрусталика в длину и синтез белков хрусталика - кристаллинов. Эти два процесса, как показали Биб и Пятигорский (Beebe, Piatigorsky), можно отделить один от другого. Биб и Пятигорский приготовляли эксплантаты из хрусталикового эпителия шестидневного куриного зародыша. Эксплантаты выращивали на среде с добавлением сыворотки плода коровы; их клетки вытягивались и синтезировали как кристаллиновую мРНК, так и сами кристаллины. Обработка этих эксплантатов колхицином подавляла вытягивание клеток, но не оказывала влияния на синтез мРНК или белка. Диссоциация несколько иного рода была обнаружена в тех случаях, когда эксплантаты хрусталикового эпителия выращивали сначала на среде без сыворотки плода коровы, а спустя несколько часов добавляли сыворотку. В этих случаях наблюдалась стимуляция клеточного деления, но не происходило ни вытягивания клеток, ни усиления синтеза кристалликов, хотя содержание кристаллиновой мРНК повышалось. Эти результаты свидетельствуют о диссоциации между делением клеток и морфогенезом и, что более неожиданно, о диссоциации даже в процессе экспрессии кристаллиновых генов.

У позвоночных ряд внутренних органов, в том числе легкие, печень, поджелудочная железа, кишечник и щитовидная железа, образуется из энтодермального эпителия в сочетании с мезенхимными клетками. Эти органы могут служить удобными экспериментальными системами для исследования индукционных взаимодействий, ответственных за их дифференцировку, потому что эпителий и мезенхимные клетки, предназначенные для образования этих органов, можно извлечь из зародыша и выращивать in vitro. При совместном выращивании эпителия и мезенхимы, которые при нормальном развитии ассоциированы друг с другом, наблюдается нормальная дифференцировка. Но можно также выращивать эпителий вместе с мезенхимой, взятой из зачатков других органов. Такие эксперименты, обзоры которых опубликовали Вольф (Wolff) и Дьюкар (Deuchar), убедительно показывают, что для дифференцировки эпителия необходимы индукционные сигналы со стороны мезенхимы. Еще более интересно, что то или иное течение дифференцировки эпителия зависит исключительно от типа мезенхимы, с которой его выращивают. Так, легочная энтодерма при выращивании с легочной мезенхимой образует (в соответствии с ожиданием) эпителий бронхов, однако при выращивании с печеночной мезенхимой из нее развиваются печеночные балки. Аналогичные результаты получены и в других эпителиально-мезенхимных комбинациях.

При дифференцировке в этих экспериментальных системах происходит как становление формы данною органа, так и его цитодифференцировка, обеспечивающая последовательность его биохимической специализации. Особенно подходящей системой для экспериментального отделения морфогенеза от цитодифференцировки может служить поджелудочная железа млекопитающих. Этот сложный орган содержит эндокринные клетки двух типов: α-клетки, вырабатывающие глюкагон, и β-клетки, вырабатывающие инсулин; кроме того, в нем есть экзокринные клетки, синтезирующие и выделяющие ферменты, которые обеспечивают гидролиз жиров, белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в пищеварительном тракте. Формирование поджелудочной железы у зародыша мыши начинается примерно на 9-й день внутриутробного развития в виде выроста кишечной энтодермы, выступающего в окружающую мезенхиму. Примерно на 10-11-й день зачаток поджелудочной железы имеет вид эпителиальной луковицы с сужающимся основанием, окруженным слоем мезенхимы. В течение нескольких следующих дней в результате быстрого роста и морфогенеза образуются многочисленные дольки - ацинусы, а также островки, содержащие β-клетки. Как показали Руттер (Rutter) и его сотрудники, цитодифференцировка начинается в этот период слабо выраженным синтезом характерных панкреатических ферментов. Между 15-м и 19-м днями происходит резкое усиление ферментного синтеза до уровня, наблюдаемого в полностью дифференцированной железе. Весселс (Wessels) и его сотрудники описывают соответствующую этому периоду внутриклеточную дифференцировку, наиболее заметным элементом которой служит появление в цитоплазме скоплений зимогеновых гранул; эти гранулы содержат ферменты, предназначенные для выведения из ацинозных клеток.

Голосов и Гробстейн (Golosov, Grobstein) обнаружили, что зачаток поджелудочной железы при выращивании in vitro способен нормально дифференцироваться; с точки зрения экспериментальных исследований это оказалось большой удачей. Используя эту хорошо разработанную систему, Спунер (Spooner) и его сотрудники решили выяснить, можно ли отделить процесс цитодифференцировки поджелудочной железы от ее морфогенеза. Они извлекали зачатки поджелудочной железы из 10- и 11-дневных мышиных зародышей и помещали их в культуральную среду. Интактные зачатки выполняли ожидаемую программу: рост, морфогенез ацинусов и цитодифференцировка. Если же при изоляции зачатков железы от их эпителиальной части отделяли мезенхиму, то ни у одного из них не развивались ацинусы и не происходил рост путем митотических делений, но, несмотря на отсутствие морфологических изменений, уровень фермента амилазы в клетках повышался и в цитоплазме своевременно появлялись зимогеновые гранулы.

Разобщение, или диссоциация, цитодифференцировки и морфогенеза возможно не только в лабораторных условиях. Аналогичное разобщение произошло в процессе эволюции у некоторых оболочников. Развитие большинства асцидий протекает так, как это показано на рис. 4-4, т.е. с образованием головастикоподобной личинки, обладающей типичными для хордовых дорсальным нервным стволом, хордой и сегментированной мускулатурой; мышечные клетки хвоста у них богаты ацетилхолинэстеразой. Некоторые виды оболочников, принадлежащие к сем. Mogulidae, живут на плоском песчаном или илистом дне, где личинкам практически не нужно выбирать себе место, а поэтому им не требуется сложная морфология, которой обладают подвижные головастикообразные личинки. Соответственно у таких представителей Mogulidae, как Moyula arenata, отсутствуют типичные для оболочников личиночные структуры, в частности сенсорные органы, хорда и хвостовые мышцы. Тем не менее, как это установил Уиттейкер (Whittaker), у зародышей М. arenata клетки, гомологичные тем клеточным линиям, которые у других оболочников, имеющих головастикообразную личинку, дают начало хвостовым мышцам, все еще продуцируют ацетилхолинэстеразу. У личинок другого вида, М. pilularis, нет ни хвоста, ни вырабатываемой хвостовыми мышцами ацетилхолинэстеразы; однако у этого вида ацетилхолинэстераза продуцируется в мышечной и нервной тканях взрослой особи, позволяя предположить какое-то регуляторное изменение генной экспрессии: ген, определяющий синтез ацетилхолинэстеразы, сохраняется, но экспрессируется на иной стадии жизненного цикла.

Примеры с хрусталиком и поджелудочной железой, а также с хвостовыми мышцами оболочника негативны в том смысле, что диссоциация достигается только в сочетании с утратой некой структуры. Что же касается проблемы приобретения новых структур или функций в процессе эволюции, то здесь было бы более желательным иметь возможность располагать такими примерами диссоциации, в которых цитодифференцировка сочетается с преобразованием структуры. Такие примеры известны, причем, вероятно, наилучший из них описан в работе Сакакура (Sakakura) и его сотрудников. Эти авторы выращивали в культуре эпителий млечной железы 14-дневного мышиного зародыша, комбинируя его с мезенхимой из зачатков млечной или слюнной железы. Затем такие рекомбинированные зачатки выращивали в теле самок сингенных мышей. Как показывают результаты, представленные на рис. 5-5, при объединении эпителия зачатка млечной железы с мезенхимой зачатка той же железы наблюдался морфогенез, типичный для млечной железы; если же такой эпителий объединяли с мезенхимой зачатка слюнной железы, то морфогенез шел по пути, характерному для слюнной железы. Однако, несмотря на свою морфологию слюнной железы, эти последние рекомбинанты в биохимическом отношении вели себя как ткань млечной железы. Так, если самка-хозяин находилась в периоде лактации, то у рекомбинантов наблюдалась пролиферация альвеол с расширенными просветами, синтезировались большие количества типичного белка молока, α-лактальбумина, и альвеолы наполнялись молоком. Морфогенез эпителия млечной железы направлялся индукционными сигналами, исходящими от мезенхимы слюнной железы, но его цитодифференцировка протекала автономно и была, возможно, уже детерминирована отдельным актом индукции, который осуществлялся еще до извлечения зачатка млечной железы из зародыша.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-5. Морфогенез, определяемый индукционными влияниями мезенхимы, при совместном выращивании эпителия и мезенхимы. А. Типичное для млечной железы моноподиальное строение, возникающее при совместном выращивании эпителия и мезенхимы из зачатков млечной железы. Б. Характерное для слюнной железы ветвистое строение, возникающее при совместном выращивании эпителия из зачатка млечной железы и мезенхимы из зачатка слюнной железы; несмотря на морфологию, характерную для слюнной железы, цитодифференцировка эпителия протекает по типу млечной железы (Sakakura, Nishizuka, Dawe, 1976).

О зубах курицы и перьях ящерицы

Если эволюционные изменения в самом деле возникли в результате диссоциации индукционных событий, то можно ожидать, что остатки прежних взаимосвязей должны сохраняться, что регуляторные гены, не выявляющиеся таким образом, как прежде, все еще присутствуют. Подобное ожидание вполне обоснованно, как показывает рис. 5-6, на котором О. Мангольд (Mangold) схематически изобразил некоторые из основных индукционных событий в голове и туловище зародышей амфибий. В этой схеме подчеркивается общее заключение, уже выведенное из работ Джекобсона, о сложности индукционных взаимодействий, которые, как правило, принадлежат к типу переплетающихся или каскадных взаимодействий. Применительно к эволюции это означает, что индукционные взаимодействия устойчивы к существенным модификациям и что в случае возникновения достаточно крупных изменений они обычно не выходят за рамки характерных для данной группы. Коренные изменения, с которыми сопряжено возникновение некоторых новых групп, таких как членистоногие (см. гл. 4), иногда имеют место, но это случается редко. Другое следствие интегрированности морфогенетических путей, о котором часто упоминают, состоит в том, что эволюционные изменения, относящиеся к поздним стадиям развития, воспринимаются легче, чем ранние изменения, просто потому, что поздние изменения требуют меньше соответствующих изменений в затрагиваемых ими каскадных процессах. Вряд ли, однако, можно считать, что изменения в онтогенезе возникают исключительно таким образом; если бы это был единственный способ, то что-то очень близкое к геккелевской рекапитуляции действительно играло бы универсальную роль. На самом же деле изменения возникают на всех стадиях развития, так что хотя картины взаимодействий, наблюдаемые у амфибий, и можно считать своего рода архетипом для развития позвоночных, среди последних нельзя найти двух видов, развитие которых протекало бы совершенно одинаково, пусть даже на самых ранних стадиях. Раннее сходство и все возрастающее в дальнейшем обособление зародышей родственных организмов, о которых говорится в законах Бэра, не следует понимать чересчур буквально. Развивающиеся млекопитающие ни на какой стадии развития не бывают идентичны зародышам рыбы или ящерицы: по своим геномам и характеру развития они очень далеко ушли от своих предков. Но тем не менее некое исконное сходство между ними сохранилось. А произошло следующее: множественные индукционные взаимодействия, описанные на примерах индукции хрусталика, носа и уха, создали достаточно высокий уровень морфогенетического гомеостаза, так что изменения могут восприниматься даже на ранних стадиях общего процесса развития, не нарушая его интегрированности.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-6. Индукционные взаимодействия и каскадные процессы в развитии амфибий. А. Индукционные процессы в развитии головы. Б. Индукционные процессы в развитии туловища. Толщина стрелок отражает относительную интенсивность индукции (Mangold, 1961).


Существование общего консервативного плана развития позволяет считать, что эмбриональные структуры могут сохраняться даже после того, как они утратили свою прежнюю основную функцию, потому что они все еще служат связующими звеньями в каскаде морфогенетических взаимодействий, присущих прежней функции. Таким же образом могут сохраняться и регуляторные системы. Доказательством сохранения прежних регуляторных генов могло бы служить воскрешение отвергнутого в прошлом пути развития при нарушении существующего типа развития в результате мутации или экспериментального воздействия. Известны примеры того и другого. Восстановление старых типов развития в результате мутаций подробно рассматривается в гл. 8 и 9. Экспериментальный анализ трех примеров эволюционных изменений позволил обнаружить модификации в системах взаимодействия между тканями, при которых на прежние механизмы регуляции налагались бы новые, но без утраты генетической информации, имевшейся у предков. Два из этих примеров относятся к модификациям, имевшим место в эволюции птиц; третий касается изменений в покровных тканях рептилий, птиц и млекопитающих.

Археоптерикс издавна известен как «недостающее звено», поскольку он обладал такими птичьими признаками, как перья в ни с чем несообразном сочетании со скелетом, характерным для рептилий, а точнее - для динозавров, вплоть до длинного хвоста и зубов. Многие изменения, возникшие в процессе эволюции у птиц, привели к повышению эффективности полета путем снижения массы тела; это сопровождалось утратой некоторых характерных признаков археоптерикса, в том числе зубов, когтей на передних конечностях и длинного рептильного хвоста, а также редукцией или слиянием некоторых костей конечностей. Последние зубатые птицы относятся к позднему мелу, т. е. прошло достаточно много времени, чтобы геномы птиц могли освободиться от генетической информации, необходимой для морфогенеза зубов. На самом же деле этого не случилось, и у курицы можно действительно вызвать образование зубов.

Для нормального процесса развития зубов, как это указывается в обзорах Теслеффа (Thesleff) и Дьюкар (Deuchar), необходимы реципрокные индукционные взаимодействия между оральным эпителием и лежащей под ним оральной мезенхимой. Последовательность происходящих при этом событий схематически показана на рис. 5-7. Оральная мезенхима индуцирует в лежащем над ней эпителии развитие эмалевого органа; этот орган в свою очередь инвагинирует в мезенхиму и индуцирует ее дифференцировку в одонтобласты, которые секретируют дентин. В отсутствие эмалевого органа оральная мезенхима дает начало только губчатой костной ткани. В развитии зубов участвует еще один индукционный процесс: эпителиальные клетки внутренней части эмалевого органа реагируют на присутствие мезенхимальньгх одонтобластов, дифференцируясь в амелобласты, которые секретируют зубную эмаль.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-7. Морфогенез зуба у млекопитающих. А. Слой эпителиальных клеток зубной пластинки, лежащий над оральной мезенхимой. Б. Эпителиальные клетки под влиянием индукционного сигнала со стороны мезенхимы наводняют последнюю. В. Зубная пластинка, индуцированная к образованию эмалевого органа, в свою очередь индуцирует дифференцировку мезенхимы в одонтобласты. Г. Формирование зуба в результате отложения дентина мезенхимными одонтобластами и эмали - эпителиальными одонтобластами.


У птиц в результате обычного взаимодействия между оральной мезенхимой и эпидермисом образуется клюв, а не зубы. Хаяши (Hayashi), используя гетероспецифичные комбинации оральных тканей курицы и утки, показал, что характер клюва определяется видовой принадлежностью мезенхимы. Так, при комбинации эпителия куриного зародыша с мезенхимой зародыша утки развивался клюв с характерными для утки зубчиками. Аналогичным образом Коллар и Байрд (Kollar, Baird) обнаружили, что оральный эпителий мыши поддается влиянию той мезенхимы, с которой он выращивается.

Наиболее показательный «эволюционный» эксперимент состоит в комбинации орального эпителия птицы с оральной мезенхимой млекопитающего. Коллар и Фишер (Fischer) провели этот эксперимент, выращивая кусочки глоточного эпителия курицы с молярной мезенхимой мыши. Обе ткани выращивали в передних камерах глаза половозрелых мышей, принадлежащих к особой генетической линии («голые» мыши), которые служат пусть несколько необычной, но подходящей культуральной средой. Против ожидания оральный эпителий курицы реагировал на оральную мезенхиму мыши, образуя структуры, похожие на эмалевые органы. В нескольких случаях, один из которых изображен на рис. 5-8, из этих кусочков развились настоящие зубы. Таким образом, в геноме по крайней мере одного вида птиц все еще сохраняется генетическая информация, дающая возможность оральному эпителию курицы успешно участвовать в последовательных взаимодействиях, необходимых для морфогенеза зубов и синтеза эмали. Поэтому утрату зубов у птиц можно рассматривать как результат изменения программы развития их мезенхимы, которое привело к выпадению начальных стадий этого процесса.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-8. Гибридный зуб, образовавшийся в результате совместного выращивания орального эпителия куриного зародыша и дентальной мезенхимы мышиного. А. Оральный эпителий куриного зародыша, образующий примитивный эмалевый орган, в котором находится мезенхима мышиного зародыша. Б. Хорошо развитый гибридный зуб (Kollar, Fisher, 1980).


Редукция малой берцовой кости у птиц также произошла в результате изменения программы развития, а не утраты генетической информации, необходимой для формирования этой кости. У археоптерикса имелась полностью развитая малая берцовая кость с суставными поверхностями на обоих концах; в отличие от этого у современных птиц (рис. 5-9) малая берцовая кость представляет собой всего лишь костный отросток, лежащий вдоль большой берцовой кости и приросший к ней. Исчерпывающее исследование взаимоотношений между костями ноги у куриного зародыша в процессе развития провел А. Ампэ (А. Hampe). Ампэ поставил ряд экспериментов, в которых различные участки развивающейся почки конечности были помечены введенными в них частичками угля. Местоположение этих меток в развитой конечности позволило Ампэ составить карту проспективных областей почки конечности (рис. 5-9). Главные такие области соответствуют скоплениям мезенхимных клеток, предназначенных для образования бедренной, большой и малой берцовых, плюсневых и предплюсневых костей. Ампэ проделал три типа экспериментов, убедившие его в том, что редуцированные размеры малой берцовой кости у современных птиц представляют собой результат захвата клеток, относящихся к проспективной области малой берцовой кости, проспективной областью большой берцовой кости.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-9. Атавизм, проявляющийся в развитии ноги у курицы при экспериментальной модификации проспективной области костной ткани в почке конечности. А. Нормальная нога курицы. Б. Введение чешуйки слюды в почку конечности, между проспективными областями малой (I) и большой (II) берцовых костей и образующаяся в результате этого нога с увеличенной малой берцовой костью, несущей на дистальном конце суставную поверхность. В. Проявление атавизма в строении ноги курицы. Г. Нижняя конечность археоптерикса. III - fibulare; IV - tibiale; V - цевка; VI - плюсна (Hampe, 1959, 1960).


Первый из экспериментов, проведенных Ампэ, состоял в удалении или добавлении мезенхимных клеток к почке конечности. При удалении клеток из обеих берцовых костей конкуренция между ними усиливалась и малая берцовая кость не развивалась вовсе. Если же к почке конечности добавляли мезенхимные клетки, то большая берцовая кость не изменялась, а малая берцовая достигала одинаковых с нею размеров. Конкуренцию можно было подавить и другим способом: поворот проспективной области большой берцовой кости на 90° приводил к росту большой и малой берцовых костей в разных направлениях, так что конкуренция между ними становилась невозможной. В этом случае опять-таки малая берцовая достигала полной длины. Эти эксперименты ясно выявили конкуренцию между проспективными областями двух берцовых костей; однако наиболее яркие и интересные сведения об участвующих в этом эволюционных изменениях дал третий эксперимент.

Ампэ осторожно помещал между двумя проспективными участками почки конечности маленький кусочек слюды, который препятствовал проникновению презумптивных клеток малой берцовой кости в область большой берцовой. Полученный при этом неожиданный результат изображен на рис. 5-9: у сформировавшейся конечности малая берцовая не только достигала «полной длины», но и несла на своем дистальном конце суставную поверхность. Форма малой берцовой и ее взаимодействие с двумя маленькими предплюсневыми косточками, tibiale и fibulare, были очень близки к гомологичным структурам ноги археоптерикса. У взрослой курицы эти две косточки полностью срастаются с голенью. Разделение проспективных областей большой и малой берцовых костей, произведенное Ампэ, привело не только к образованию более длинной малой берцовой, но и к восстановлению древнего типа развития, который в течение долгого времени оставался подавленным. Гены, определявшие форму ноги у археоптерикса, все еще сохраняются у курицы, но в результате модификаций морфогенетических взаимодействий эти гены утратили возможность экспрессироваться, во всяком случае таким образом, как прежде.

Примеры регуляторных изменений, связанных с утратой зубов и редукцией малой берцовой кости у птиц, дают представление о тех способах, которыми регуляторные механизмы, оказывающие влияние на клеточные взаимодействия, могут вызывать эволюционные изменения морфологии. Однако оба этих примера имеют один недостаток: как в одном, так и в другом из них происходит редукция структуры. Если бы эволюция стремилась к своего рода морфологической нирване, это было бы превосходно, но морфологическая эволюция влечет за собой также модификации структур, а иногда и появление новых структур. К сожалению, случаи, когда эволюция приводит к утрате структур (как в двух уже рассмотренных примерах, а также в других, таких как утрата глаз у мексиканской пещерной рыбы, которую изучали Кан (Cahn) и Садоглу (Sadoglu), показавшие обусловленную генетически редукцию способности сетчатки индуцировать развитие у этих рыб хрусталика, легче поддаются экспериментальному анализу, чем случаи приобретения структур или их модификации. Эффектные превращения покровов, происходившие у рептилий, птиц и млекопитающих, повлекли за собой сложные изменения в системах регуляторных генов, и морфогенетические процессы, лежащие в основе развития чешуи, перьев и волос, требуют изучения. Хотя регуляция морфогенеза в этих системах все еще мало понятна, в общих чертах эволюционные изменения соответствующих регуляторных систем начинают выявляться благодаря работам П. Сенджела (Sengel) и его сотрудников, в особенности Дхуайи (Dhouailly).

Кожа состоит из двух слоев: верхнего - эпидермиса, происходящего из эктодермы зародыша, и лежащего под ним слоя дермы, происходящей из мезодермы. Развитие чешуи или других эпидермальных структур зависит от индукционных сигналов, исходящих от дермы.

Предполагается, что перья и волосы возникли в процессе эволюции из чешуи рептилий. Все эти структуры состоят из белков, принадлежащих к одному семейству кератинов. На тесную гомологию между чешуями и перьями указывает наблюдаемое иногда превращение кончиков чешуи, покрывающих ноги птиц, в перья.

Утиные перья сильно отличаются по своей морфологии от куриных. Сенджел и его сотрудники исследовали источник морфогенетической информации, необходимой для развития перьев, комбинируя зачатки дермы и эпидермиса, взятые от разных видов. Оказалось, что морфогенез пера детерминируется дермой. Общая архитектоника перьев, их размеры и число бородок соответствовали тому виду, от которого была взята дерма. Только форму клеток крючочков детерминировал эпидермис. Дерма детерминировала также характер распределения перьев. Как показали дальнейшие эксперименты с куриными зародышами, в которых дерму комбинировали с эпидермисом из области спины, дающим начало перьям, и с эпидермисом из области цевки, дающим начало характерным большим чешуям, такого рода детерминирующая роль дермы в морфогенезе широко распространена. Будет ли эпидермис детерминирован к образованию зачатков перьев или крупных чешуи, всегда зависело от типа морфогенеза, характерного для того участка зародыша, из которого брали дерму. Так, например, дорсальный эпидермис, обычно образующий перья, при комбинации с дермой из области цевки давал крупные чешуи.

И чешуи, и перья состоят из кератинов, однако они сильно различаются по набору содержащихся в них кератинов. При комбинировании спинных и тарзо-метатарзальных дермы и эпидермиса куриного зародыша у эпидермиса независимо от того, откуда он был взят, выбор экспрессируемого кератинового гена определяется дермой. Таким образом, расположение структур, образуемых эпидермисом, их морфологическая специфичность и экспрессия кератиновых генов детерминируются индукционными сигналами, поступающими от дермы. Остается, однако, открытым вопрос о том, как изменялись эти информационные сигналы в процессе эволюции высших позвоночных.

Гетероспецифичные комбинации возможны не только в пределах одного класса, но и между классами. Дхуайи провел замечательную серию экспериментов, соединяя в разных комбинациях дерму и эпидермис ящерицы, курицы и мыши. Как показали эти эксперименты, индукция слагается из двух этапов и эти этапы различаются в отношении степени их специфичности. Некоторые из полученных Дхуайи результатов представлены на рис. 5-10. Реакция эпидермиса ящерицы на куриную или мышиную дерму особенно поучительна. Эпидермис ящерицы реагирует на тарзо-метатарзальную дерму, образуя крупные чешуи, неотличимые по виду и расположению от чешуи на цевке птиц. Эпидермис ящерицы реагирует также на дорсальную дерму курицы, которая у кур детерминирует распределение и морфологию перьев. Однако эпидермис ящерицы неспособен интерпретировать специфические сигналы, вызывающие у кур образование перьев. Вместо перьев эпидермис ящерицы образует недоразвитые чешуи, расположенные в типичном для перьев гексагональном порядке. Точно так же эпидермис ящерицы в сочетании с мышиной дермой производит не волосы, а недоразвитые чешуи, расположенные типичным для шерстного покрова образом. Аналогичные картины наблюдаются при комбинации тканей курицы и мыши. Местоположение эпидермальных структур и ранние стадии их дифференцировки контролируются регуляторными веществами дермы, которые сохранились в процессе эволюции в таком виде, что эпидермальные клетки, принадлежащие представителям других классов, восприимчивы к их воздействиям. Для полной же дифференцировки зачатков чешуи, перьев или волос, очевидно, необходимы сигналы, специфичные для животных данного класса.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-10. Морфологические структуры, образующиеся при комбинациях эпидермиса ящерицы, который в норме дает ряды мелких чешуи, с дермой представителей других классов позвоночных в культуре органов. А. С куриной дермой из области цевки; формируются чешуи, расположенные так, как на цевке курицы. Б. Со спинной дермой курицы; формируются не перья, а недоразвитые чешуи, расположенные в типичном для перьев гексагональном порядке. В. Со спинной дермой мыши; формируются чешуи, расположение которых соответствует таковому первичных волосяных фолликулов. Г. С мышиной дермой из области верхней губы; формируются крупные чешуи, расположенные в соответствии с типичным расположением вибрисс и окруженные мелкими чешуями, расположенными подобно волосяным фолликулам шерстного покрова (Dhouailly, Sengel, 1973).

Морфогенетические взаимодействия и макроэволюция

Приведенные выше примеры, относящиеся к амфибиям и птицам, иллюстрируют эволюционные последствия изменений, вызванных взаимодействиями на относительно поздних стадиях развития. Соответственно достигаемые при этом изменения представляют собой модификации уже сложившегося плана строения, а не новое направление. Это не умаляет роли таких новшеств, какие были только что описаны для покровов тела; они оказали глубокое воздействие на физиологические и поведенческие адаптации обладающих ими организмов. Но мы сталкиваемся с реальными трудностями, когда пытаемся найти объяснение относительно крупным эволюционным изменениям, приведшим к возникновению новых структур или даже совершенно новых планов строения. Такие макроэволюционные события кажутся необходимыми для того, чтобы объяснить быструю начальную радиацию типов Metazoa или возникновение таких отклоняющихся групп, как летучие мыши, появляющиеся в палеонтологической летописи с внезапностью, вызывающей тревогу. Если значительные изменения в процессах онтогенеза происходят на ранних стадиях развития, они могут привести к крупным изменениям плана строения. Конечно, при этом высока вероятность того, что такие изменения вызовут резкие нарушения онтогенеза, результатом которых окажутся нежизнеспособные зародыши. Тем не менее притягательная сила «перспективных монстров» (термин, который предложил Рихард Гольдшмидт для обозначения глубоких эволюционных изменений, достигаемых таким образом) очень велика, потому что в тех редких случаях, когда такие монстры оказываются жизнеспособными, они создают основу для объяснения макроэволюции. Неудивительно, что концепция «перспективных монстров» вызвала неистовую оппозицию не только ввиду сомнительности предложенных для ее объяснения генетических механизмов, но также и потому, что она в корне противоречила идее постепенной эволюции, основанной на популяционно-генетической теории замещения аллелей в популяциях. Например, Симпсон пишет в своей автобиографии о том, какое сильное впечатление произвела на него книга Добржанского «Генетика и происхождение видов», опубликованная в 1937 г. и побудившая его начать работу над «Темпами и формами эволюции», в которых он намеревался объединить палеонтологию с генетическим подходом к эволюции. В то же время идеи Шиндевольфа и Гольдшмидта, которые занимались поисками крупных мутаций, затрагивающих организацию генома и изменяющих раннее развитие, стимулировали Симпсона «в меньшей степени и в прямо противоположном направлении». Идеи Шиндевольфа и Гольдшмидта были чересчур смелыми, и такая реакция на них была оправданна. Очень жаль, однако, что красочный и емкий термин «перспективные монстры» породил резко отрицательное отношение к основному тезису Гольдшмидта о том, что мутациям, оказывающим влияние на развитие, принадлежит центральное место в эволюции.

Макроэволюционные изменения в развитии не обязательно должны быть экстремальными. Мы полагаем, что первые шаги для быстрых и в итоге существенных эволюционных изменений могут вызываться нелетальными генетическими нарушениями функций небольшого числа ключевых генов, играющих роль регуляторных. Начальные «легкие» генетические изменения, которые могут вызвать существенные преобразования в организме и закрепиться в небольшой популяции, должны быть жизнеспособны и открывать широкие возможности для отбора последовательных генетических изменений. Таким путем могут быстро возникать глубокие изменения, без всяких мгновенно появляющихся «перспективных монстров». Как уже ясно показала эволюция гавайских Drosophilidae, рассмотренная в гл. 3, изменения небольшого числа генов могут быть причиной резких морфологических изменений. Дальнейшие генетические данные о числе и действии регуляторных генов излагаются в гл. 8.

Существуют, по-видимому, два главных способа, для того чтобы вызвать во взаимодействиях между тканями зародыша такие изменения, которые могут привести к макроэволюционным изменениям. Следует помнить, что это не единственные способы; другим, не менее важным механизмом служит гетерохрония, рассматриваемая в гл. 6. Крупномасштабные изменения во взаимодействиях могут происходить в результате либо возрождения прежних типов интеграции, но на новых местах, либо возникновения новых взаимодействий. Мы полагаем, что действие первого из этих механизмов можно видеть в способе приобретения наружной раковины пелагическим осьминогом Argonauta, а второго - в происхождении пятилучевой симметрии у иглокожих.

У самых древних головоногих были наружные раковины. По мере роста животное перемещалось вперед по своей раковине, отгораживая одну за другой заполненные воздухом камеры, которые обеспечивают плавучесть, уравновешивая массу раковины и внутренних органов. Ныне живущие виды Nautilus - последние остатки когда-то многочисленной группы животных, вытесненной теперь более знакомыми нам головоногими сем. Coleoidae, кальмарами и осьминогами. Coleoidae совершенно утратили наружную раковину и компенсировали эту утрату поведенческими адаптациями, в том числе более совершенной координацией, большей способностью к плаванию, более развитыми органами чувств и «смышленностью». Кальмары и каракатицы сохраняют внутреннюю раковину или ее зачаток, а осьминоги утратили даже такой зачаток.

Таким образом возникает любопытная ситуация: у небольшой группы пелагических осьминогов рода Agonauta самка (рис. 5-11) обладает раковиной, очень сходной по внешней форме с раковиной аммонитов или Nautiloidae. Эта раковина отличается от раковины древних головоногих двумя существенными особенностями: она не разделена на камеры и секретируется не мантией, а парой специализированных рук. Концы этих рук сильно расширены, образуя широкие перепончатые придатки. Во время секреции раковины животное держит руки над телом и имеющиеся в перепонке железы секретируют кальцитную раковину. Две половинки раковины соединяются, образуя киль, покрытый бугорками, которые, по-видимому, соответствуют местоположению имеющихся на руках присосок. Раковина аргонавта не могла произойти от раковины древних головоногих. Это - конвергентная структура, независимо приобретенная одним из членов группы, утратившей прежнюю раковину, так что ее следует считать новшеством.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-11. Самка аргонавта Argonauta argo; раковина прикрепляется при помощи особых выростов, имеющихся на двух специализированных руках (Young, 1959-1960; с изменениями).


Раковина аргонавта должна давать приют как массе яиц, откладываемых самкой, так и самой самке, а поэтому представляется вероятным, что эта раковина возникла у предков аргонавта в виде простой необызвествленной оболочки для яиц. Оболочка секретируется железами, расположенными на поверхности рук. Образование известковой раковины стало возможным благодаря развитию в добавление к железам, уже имеющимся в коже, желез, секретирующих углекислый кальций. Из какого источника могли возникнуть такие раковинные железы? Они могли возникнуть de novo, или, что более вероятно, у аргонавта произошла реактивация древней и давно подавленной морфогенетической программы дифференцировки раковинных желез. Вместо того чтобы развиваться в мантии, где они располагались у предковых форм, эти железы образуются на руках. Подавление прежних типов экспрессии генов, контролирующих морфогенез, возможно, происходит гораздо раньше, чем утрачиваются сами гены. Так, несомненно, обстояло дело с утратой зубов курами; в этом случае с тех пор, когда у предков современных птиц клюв был снабжен зубами, прошло почти 100 млн. лет. Если гены, связанные с данным признаком, участвуют в других индукционных событиях, они могут вообще не утрачиваться, хотя они уже не экспрессируются с образованием предковой структуры. Такие подавленные эмбриогенетические системы создают возможность для приобретения новых структур, если они реактивируются на новом месте или на какой-то другой стадии развития.

Изменение местоположения индукционной системы на ранних стадиях развития может оказать глубокое воздействие на строение тела. Изменения локализации тех или иных структур сопровождаются их перемещением относительно других структур, уменьшением или увеличением относительных размеров и увеличением или уменьшением числа повторяющихся элементов в метамерных структурах. Мы обсудим этот последний вид изменений на примере своеобразной симметрии иглокожих. Иглокожие обладают рядом единственных в своем роде признаков, но главная загадка для всех, кто занимается их филогенезом, - это происхождение пятилучевой симметрии, характерной для всех ныне живущих и для большинства вымерших классов иглокожих.

Стратман (Strathmann) изучал ограничения морфологического разнообразия, налагаемые на иглокожих амбулакральной системой. В этой системе имеются такие структуры, как амбулакральные ножки или брахиолы, участвующие в дыхании, передвижении и питании. В процессе эволюции иглокожих происходило увеличение их размеров и они оказались перед физической дилеммой: для того чтобы с увеличением размеров форма тела оставалась неизменной, длина и площадь амбулакральной системы по отношению к объему тела должны уменьшаться. Компенсаторное увеличение размеров амбулакральной системы достигается в разных группах иглокожих путем увеличения длины или ширины амбулакров, а также путем их ветвления или скручивания. К этому можно было бы добавить также изменение симметрии, однако, за исключением изменений, произошедших в ранний период истории этого типа, тип симметрии у иглокожих оставался постоянным; это позволяет считать, что для большинства классов иглокожих пятилучевой тип строения оказался в селективном отношении оптимальным. Двусторонняя симметрия, наблюдаемая у личинок до метаморфоза, рассматривается как указание на то, что предок иглокожих был двусторонне симметричным и что пятилучевая симметрия наложилась на эту изначальную симметрию (обзор соответствующих данных см. Hyman). Юбагс (Ubaghs) на основе палеонтологических данных по самым древним иглокожим высказал мнение, что наиболее примитивные и древние иглокожие обладали, вероятно, двусторонней симметрией или даже были асимметричными. Хауг (Haugh) и Белл (Bell), опираясь на результаты своих недавних исследований фоссилизированных внутренних органов вымерших иглокожих, утверждают не только, что пятилучевая симметрия не является основной для этого типа, но также что у некоторых вымерших классов отсутствовала система наполненных водой сосудов. Пятилучевая симметрия могла возникнуть у одной из древних форм, обладавшей небольшим числом амбулакров. Существуют вероятные кандидаты на роль таких форм. Геликоплакоидеи с их единственным раздвоенным амбулакром и паракриноидеи с парой амбулакров представляют линии, не обладавшие пяти лучевой симметрией. Белл высказал мнение, что трехлучевые стадии онтогенеза ордовикских эдриоастероидей, которые во взрослом состоянии обладают пятилучевой симметрией, возможно, представляют собой рекапитуляцию более примитивной симметрии. Быть может, загадочное трехлучевое эдиакарское животное Tribrachidium было таким предковым иглокожим. Как мы сейчас покажем, генетика развития, по крайней мере если судить по современным иглокожим, допускает возможность, что подобные эволюционные изменения происходили быстро и «легко».

Тип симметрии, т.е. число амбулакров, имеющихся у взрослого иглокожего, определяется процессом «подсчета», происходящим на ранних стадиях личиночного развития. Этот процесс иллюстрирует рис. 5-12, на котором изображено развитие гидроцеля у обобщенного зародыша иглокожих. Гидроцель и, в сущности, вся амбулакральная система развиваются из левого целомического мешка, который формируется вблизи ротового отверстия личинки. Соответствующий правый целомический мешок дегенерирует. По мере продолжения роста гидроцеля он образует пять выростов. В результате взаимодействия с лежащим над ними эпидермисом эти выросты индуцируют рост пяти радиальных амбулакров. Если, как это сделал Чихак (Czihak), левый целом 3-4-дневной личинки морского ежа разрушить локализованным облучением очень узким пучком УФ-света, то образования гидроцеля и зачатков амбулакров не происходит. У личинок, лишенных гидроцеля, амбулакры не развиваются. Чихак установил также, что в тех немногих случаях, когда гидроцели формировались как из левого, так и из правого целомических мешков, возникали двойные зародыши с двумя амбулакральными системами. Таким образом, детерминация типа симметрии зависит от регуляции меристического признака, проявляющегося у личинки на ранних стадиях развития зачатка дефинитивного органа.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-12. Развитие гидроцеля (выделен пунктиром) у схематизированной личинки иглокожих, сопровождающееся образованием пяти слепых выростов (Ubaghs, 1967).


Генетический анализ механизма, лежащего в основе регуляции числа амбулакральных зачатков при развитии амбулакральной системы, затрудняется тем, что иглокожие - неподходящий объект для генетических экспериментов. Тем не менее Хайнгарднер (Hinegardner) сумел создать методы для выращивания морских ежей в лаборатории и получил несколько мутантов. Наиболее загадочным из них был мутант с измененной симметрией, которого Хайнгарднер назвал square - квадрат (рис. 5-13). У таких мутантов симметрия четырех-, а не пятилучевая, так что у них имеются 4 амбулакра, а аристотелев фонарь содержит четыре элемента. Как показали приведенные Хайнгарднером генетические данные, этот меристический признак контролируется более чем одним геном. Кроме того, данная мутация не просто обусловливает четырехлучевую симметрию как таковую; скорее, она, по-видимому, приводит к утрате контроля над симметрией. Чаще всего мутанты обладают четырехлучевой симметрией, однако от одного и того же скрещивания иногда возникают потомки с двух-, трех-, четырех-, пяти- и шестилучевой симметрией. Из всех таких отклоняющихся форм жизнеспособны только четырехлучевые, потому что у взрослых особей с нарушениями симметрии других типов аристотелев фонарь функционировать не может. Хук (Houke) и Хайнгарднер изучали морфогенетическую основу действия мутации square у живых зародышей. В то время как у нормальных личинок растущий гидроцель образует ожидаемые пять слепых выростов, у мутантных особей этого не происходит. Обычно у них появляются только четыре выроста. После метаморфоза из таких аномальных личинок получаются взрослые особи с соответствующей аномальной симметрией. Морские ежи в процессе своей эволюции, очевидно, не использовали мутационные изменения этой генетической системы в отличие от морских звезд, которые их использовали. У ряда видов морских звезд число рук и связанных с ними амбулакров увеличилось. По крайней мере некоторые из таких случаев обусловлены изменением в процессе «подсчета» этих зачатков на ранних стадиях развития. Хорошим примером служит развитие обычной для западного побережья шестилучевой морской звезды Leptasterias hexaetis. На рис. 5-14 можно видеть, как у личинки гидроцель образует пять выростов, а вскоре после этого - еще и шестой. Это приводит к образованию у ювенильной морской звезды шести рук. Подобный же тип развития (с соответствующими арифметическими поправками) происходит у девятилучевой морской звезды Solaster endica, которую описал Джемилл (Gemmill).

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-13. Мутантные особи морских ежей, обладающие четырехлучевой, а не пятилучевой симметрией. А. Выращенный в лаборатории экземпляр Lytechinus pictus с четырьмя радиальными амбулакральными каналами, т.е. с фенотипом, соответствующим мутации square. Б. Найденный в природе экземпляр Strongylocentrotus franciscanus с четырехлучевой симметрией (С фотографий, любезно предоставленных R.T. Hinegardner).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-14. Развитие шестилучевой морской звезды Leptasterias hexaetis; hpl-hp6-выросты гидроцеля; обратите внимание, что hp6 появляется позднее, чем hpl-hp5 (Osterud, 1918).


Генетическая основа симметрии у вымерших иглокожих, по-видимому, была сходна с генетикой морских ежей, и ископаемые мутантные бластоидеи с тремя, четырьмя и шестью амбулакрами встречаются довольно часто (рис. 5-15). Результаты исследований Ваннера (Wanner) по пермским бластоидеям и Макурда (Macurda) - по бластоидее Pentremites свидетельствуют о довольно высокой частоте мутантов с измененной симметрией (1 на 200) в популяциях этих форм. Белл описывает эдриоастероидеи с четырьмя, шестью и даже девятью амбулакрами. Иглокожие, принадлежащие к этим классам, по типу питания относились к фильтраторам, а поэтому число подвижных частей аристотелева фонаря не имело для них такого большого значения, как для морских ежей, мутантов которых изучал Хайнгарднер; это делало возможным выживание особей с резко отклоняющимися типами симметрии.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-15. Мутации, затрагивающие симметрию у представителей вымерших классов иглокожих. А. Нормальная пятилучевая бластоидея. Б и В. Бластоидеи, отклоняющиеся по типу симметрии. Г. Нормальная пятилучевая эдриоастероидея. Д-Ж. Эдриоастероидеи с четырьмя, шестью и девятью амбулакрами. (Бластоидеи зарисованы с экземпляров, предоставленных J.A. Waters, и перерисованы из книги Н. Н. Beaver, Morphology; см: Treatise on Invertebrate Paleontology, Part S., Echinodermata I, vol.11., 1967, R.C.Moore, ed. С любезного разрешения Американского геологического общества и Университета шт. Канзас. Эдриоастероидеи перерисованы из работы Bell, 1976a).


Непосредственное изучение генетической основы прерывистых изменений числа амбулакров у иглокожих затруднительно, но Сьюэлл Райт (Wright) провел очень тонкий анализ аналогичной ситуации - изменения числа пальцев, развивающихся у морских свинок. На передних лапах морской свинки обычно недостает первого пальца, а на задних - первого и пятого. Но иногда у морских свинок развивается 5-й палец, и путем отбора можно создать инбредные линии, у которых всегда имеется полностью сформированный 5-й палец со всеми костями, мышцами и когтем. Райт изучил несколько инбредных линий, четко различавшихся по частоте развития мизинца. Линия D, которую первоначально вывел Касл (Castle) от четырехпалого варианта из природной популяции, примерно за 20 лет до исследований Райта постоянно давала только четырехпалых потомков, линия 2 - только трехпалых. Райт проанализировал также две другие инбредные линии, 13 и 35, которые, как мы увидим, значительно отличались одна от другой и от линии 2 по генетическому составу. Для линии 13 была характерна трехпалость, как и для линии 2, тогда как популяция линии 35 примерно на 40% состояла из четырехпалых особей. Райт скрещивал линию D со всеми этими линиями. Признаки потомков F1 от каждого скрещивания представлены в табл. 5-1. От скрещивания между линиями 2 и D были получены только трехпалые потомки, скрещивание между линиями 13 и D дало значительный процент особей со слабо развитым 4-м пальцем, тогда как большая часть потомков от скрещивания между линиями 35 и D была четырехпалой.


Таблица 5-1. Число пальцев на задних лапах у морских свинок, полученных при скрещиваниях различных инбредных линий (по данным Wright, 1934)

Скрещиваемые линии Доля особей с разным числом пальцев в F1 и F2, %
3 пальца 4-й палец развит слабо 4 пальца
F1
2 x D 100 0 0
13 x D 69 31 0
35 x D 6 13 81
F2
2 x D 77 16 7
13 x D 48 19 33
35 x D 25 20 55

Скрещивания трехпалых особей F1 друг с другом давали трех- и четырехпалых потомков. В поколении F2 от скрещивания между собой гибридов 2 x D происходило расщепление в соответствии с менделевским отношением 3:1; это позволяет считать, что данный признак контролируется парой аллелей одного гена. Однако Райт провел ряд возвратных скрещиваний особей F2 с линией D, которые показали, что это простое объяснение не может быть верным, и что на самом деле более вероятно, что линии 2 и D различаются по целому набору аллелей, относящихся к четырем генам. Линии 13 и 35 отличаются от линии D по меньшему числу аллелей. Заключения Райта схематически изображены на рис. 5-16, где представлены графики зависимости распределения фенотипов от генотипа. Ввиду того что число пальцев - дискретный признак, существует некое пороговое число необходимых аллелей: для развития четырехпалой лапы требуется наличие не менее чем пяти аллелей полидактилии.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 5-16. Генетическая регуляция числа пальцев на задних лапах у морской свинки. Вверху слева - нормальная трехпалая задняя лапа морской свинки, справа - лапа с хорошо развитым 4-м пальцем, в центре - лапа со слабо развитым 4-м пальцем. Кривые иллюстрируют распределение фенотипов в зависимости от числа аллелей полидактилии в потомстве от разных скрещиваний между тремя инбредными линиями. Стрелками показаны генетические пороги между трехпалой лапой, лапой со слабо развитым и лапой с хорошо развитым четвертым пальцем. А. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 2 (трехпалая); эти две линии сильно различаются по генетической конституции, и у потомков F1 число генов полидактилии недостаточно для развития у них четырех пальцев. Б. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 13 (трехпалая); линия 13 содержит больше генов полидактилии, чем линия 2, а поэтому у потомков F1 образуется лапа с недоразвитым четвертым пальцем. В. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 35 (дающей как трех-, так и четырехпалых потомков) (S. Wright, 1934a, b).


Рассматриваемый прерывистый признак, регулируемый таким образом у морских свинок, возникает на поздних стадиях развития и не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на строение организма в целом. Однако такого рода генетический контроль, действующий на ранних стадиях развития, как у иглокожих, оказывает глубокое воздействие на строение тела и, возможно, сыграл решающую роль в макроэволюции классов иглокожих, обладающих пятилучевой симметрией. «Перспективные монстры» не обязательно должны быть результатом внезапных и всеобъемлющих перестроек генетической программы онтогенеза. Небольшое генетическое изменение может привести к такому изменению развития, которое допускает коренное изменение адаптации: маленьким ключом можно отпереть большую дверь.

Глава 6

Временные аспекты морфогенетических процессов. Эволюция путем гетерохронии

Вы знаете, что у Пиноккио от рождения были совсем-совсем маленькие уши, такие маленькие, что невооруженным глазом их вообще нельзя было увидеть. Стало быть, можете себе представить, что он почувствовал, когда обнаружил, что за ночь его уши так выросли, что стали похожи на две метелки.

Карло Коллоди «Пиноккио»

Гетерохрония - классический механизм эволюционных изменений

Попытки найти механизмы эволюции, связанные своими корнями с онтогенезом, сосредоточены главным образом на гетерохронии - изменениях относительных сроков процессов развития. Геккель подчеркивал зависимость между эволюцией и индвидуальным развитием, состоящую в том, что в онтогенезе потомка представлены в сжатом виде взрослые стадии его предков. Конечно, высказывались мнения, что эволюция может происходить в результате временных сдвигов в онтогенезе, отличных от тех, с которыми связана геккелевская рекапитуляция. Дюмериль (Dumeril) в 60-х годах прошлого века изучал аксолотля, соматическое развитие которого задержано относительно развития гонад, а другие биологи, в их числе Бэр (Baer) и Коллман (Kollman), предложивший термин неотения, описали другие примеры созревания гонад в организме личинки. В своей книге «Онтогенез и филогенез» Гулд (Gould) подробно изложил историю развития этих идей и показал, что в конце XIX в. ни один из этих случаев, явно не укладывающихся в теорию рекапитуляции, не оказал заметного воздействия на всеобщее увлечение биогенетическим законом.

Геккелевская теория рекапитуляции исходила из идеи Ламарка о том, что новые признаки могут приобретаться только у взрослых форм. Гарстанг (Garstang) своей критической статьей, опубликованной в 1922 г., решительно покончил с представлением о рекапитуляции как универсальном механизме эволюции, поскольку менделевская генетика ясно показала возможность появления и эффективного отбора признаков на любой стадии развития. Кроме того, в своих ранних исследованиях Форд (Ford) и Гексли, а также Гольдшмидт (Goldschmidt) установили способность генов регулировать скорость биологических событий. Например, Форд и Гексли в своей работе изучали скорость накопления пигмента в глазу развивающегося рачка-бокоплава (Gammarus). Они установили, что у бокоплавов, несущих идентичные аллели генов, контролирующих пигментацию глаз, окраска глаз в конечном счете оказывалась совершенно различной и зависела от того, представлен ли у них «ген скорости», регулирующий скорость накопления пигмента, доминантными или рецессивными аллелями.

Концепция генов скорости в начале 30-х годов обладала неотразимой привлекательностью для ряда биологов-эволюционистов, в число которых входили де Бер (de Beer), Гексли и Холдейн. Холдейн, например, рассматривал гены, которые, как это было установлено, действуют на разных стадиях жизненного цикла (гамета, зигота, личинка, ювенильная стадия, созревание репродуктивных органов и т.п.), и высказал мнение, что гетерохрония может быть сцеплена с изменениями в сроках действия генов, регулирующих скорости процессов развития. Поскольку гены могут действовать на любой стадии развития, глубокие эволюционные изменения морфологии, физиологических адаптации или поведения могут быть достигнуты просто за счет изменения сроков наступления тех или иных событий. Гексли, которого в это время интересовало явление аллометрии, мог объяснять относительный рост как результат действия генов скорости. Гены скорости явно могли служить средством изменения характера относительного роста в процессе эволюции. Таким образом:

«В общем ясно, что гены скорости могут мутировать либо в плюс-, либо в минус-направлении, либо ускоряя, либо замедляя процессы, на которые они воздействуют. В первом случае эффект будет, по крайней мере в некоторых отношениях, рекапитуляционным, поскольку через некое состояние, которого организм достигал прежде на взрослой стадии, он проходит теперь на более ранней стадии. Во втором случае эффект будет антирекапитуляционным, поскольку состояние, которое прежде характеризовало одну из более ранних стадий развития, теперь сместилось на взрослую стадию».

Этот новый взгляд на процессы развития как на способ эволюционного изменения создал основу для множества появляющихся в 20-е и 30-е годы филогенетических гипотез, отрицавших рекапитуляцию. Многие из этих теорий изложил де Бер (de Beer) в своей книге «Зародыши и предки». Среди них есть такие разнообразные точки зрения, как заключение Болк (Bolk) о том, что многие морфологические признаки человека - результат сохранения у взрослой особи признаков, имевшихся у зародышей ее обезьяньих предков; утверждение Гарстанга о происхождении позвоночных из головастикообразных личинок оболочников, достигших половозрелости, и предположение де Бера о подобном же происхождении насекомых из шестиногих личинок многоножек (пример, к которому мы еще вернемся). Де Бер особенно подчеркивал важность появления новых структурных признаков у не поддающихся фоссилизации личиночных стадий в качестве механизма возникновения новых групп Metazoa. Это очень соблазнительная возможность, потому что «...быть может, эти разрывы, эти прерывистости в филогенетических рядах взрослых форм до некоторой степени обусловлены „потайной“ эволюцией на ранних стадиях, за которой следовали неотения и внезапное проявление этих скрытых качественных новшеств». В этом свете некоторые из восьми типов гетерохронии, которые определяет де Бер в «Зародышах и предках», имеют очень глубокий макроэволюционный потенциал, тогда как другие типы, причем именно ведущие к рекапитуляции, дали лишь мелкие структурные модификации. Наиболее очевидные временные сдвиги связаны с диссоциацией между скоростями развития соматических признаков и скоростью созревания гонад. В сущности, классические определения категорий гетерохронии основаны на этих диссоциациях. Здесь мы придерживаемся данных Гулдом определений процессов, ведущих к рекапитуляции, и процессов, приводящих к педоморфозу. Различаемые им четыре типа гетерохронии и их результаты представлены в табл. 6-1. Если появление данного соматического признака ускоряется по сравнению с созреванием гонад, то это приведет к тому, что признак, принадлежавший прежде взрослой форме, превратится у потомков в ювенильный признак: это классический путь к геккелевской рекапитуляции. Второй путь возникновения рекапитуляции возможен в том случае, если созревание так задерживается, что признак, бывший прежде признаком взрослой формы, появляется на той же самой стадии развития, но эта стадия (в результате удлинения периода развития) оказывается теперь уже не взрослой, а «предвзрослой» стадией. Это явление носит название гиперморфоза. Увеличение размеров - обычное эволюционное направление, и оно чаще всего приводит к гиперморфозу. Ускорение соматического развития также служит способом увеличения размеров и может играть определенную роль в использовании положительных аллометрических зависимостей в эволюционных целях. Предковая морфология достигается при этом на более ранней стадии развития, а такие крайне резко выраженные структуры, как рога титанотериев или ветвистые рога Megaloceros giganteus, представляют собой следствие аллометрических зависимостей, экстраполированных на более крупные размеры тела.


Таблица 6-1. Типы гетерохронии (Gould, 1977; с небольшими изменениями)

Изменение сроков Название по системе де Бера Морфологический результат
появления соматического признака созревания репродуктивных органов
Ускорение Без изменения Акселерация Рекапитуляция (путем ускорения)
Без изменения Ускорение Педоморфоз (прогенез) Педоморфоз (путем урезывания)
Задержка Без изменения Неотения Педоморфоз (путем задержки)
Без изменения Задержка Гиперморфоз Рекапитуляция (путем продления)

Сдвиги сроков развития могут привести к эволюционным результатам, прямо противоположным рекапитуляции - к педоморфозу. При педоморфозе признаки, которые у предков были характерны для ювенильных стадий, сохраняются у их потомков во взрослом состоянии; это, однако, может произойти двумя совершенно различными способами. В наиболее хорошо знакомом случае - при неотении - соматическое развитие задерживается по сравнению с течением полового созревания. Например, аксолотлю - этой рабочей лошадке неотении (рис. 6-1) - требуется столько же времени для полового созревания, как и родственным ему ненеотеническим хвостатым амфибиям, но при этом многие соматические морфологические признаки остаются у него на личиночной стадии, так что половозрелый аксолотль продолжает жить в воде и выглядит как личинка-переросток. Существует и другой вид педоморфоза - прогенез, который возникает в результате совершенно иного процесса. При прогенезе созревание гонад ускоряется, так что половая зрелость достигается в маленьком и в, сущности, ювенильном теле: соматическое развитие урезано.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-1. Педоморфоз и рекапитуляция. А. Мексиканский аксолотль сохраняет жабры, уплощенный хвост и кожу, характерные для личинки, хотя он достигает размеров взрослой особи и половой зрелости. Если этой неотенической личинке вводить тироксин, то она претерпевает метаморфоз, превращаясь в типичную наземную взрослую форму (Б). В. У двустворчатого моллюска Hinnites наблюдается классическая рекапитуляция. На ювенильных стадиях Hinnites похож на других морских гребешков, но при дальнейшем созревании он прикрепляется ко дну и в результате продолжающегося роста раковины образует сходную с устрицей форму с менее упорядоченной структурой (Аксолотли с фотографий, любезно предоставленных G. M. Malacinski; Hinnites - с натуры).


Педоморфоз как одного, так и другого типа обеспечивает легкую в генетическом отношении эволюционную реакцию на давление со стороны среды, потому что при этом может быть использована морфогенетическая система, которая уже интегрирована. И неотения, и прогенез приводят к педоморфозу, но они, по-видимому, возникают в ответ на разные условия. Неотения может, например, возникнуть в ситуациях, когда неотеническая особь получает возможность избежать перехода в суровую или неустойчивую среду, в которой должен обитать взрослый организм, и остаться в более мягкой и стабильной среде, где обитают личинки. Типичным примером этого служат неотенические личинки амфибий; у некоторых групп хвостатых амфибий в процессе эволюции возникли неотенические взрослые формы, продолжающие жить в воде.

Неотения открывает довольно неожиданные эволюционные возможности, как, например, у нелетающих птиц, питающихся на земле. Неспособность к полету часто встречается у птиц, обитающих на островах, где отсутствуют хищные млекопитающие. Поскольку, как указывают Олсон (Olson) и Федуччиа (Feduccia), летательные мышцы, кости плечевого пояса и грудина составляют примерно 20-25% массы обычной птицы, то на их рост и поддержание затрачивается значительная доля ее энергетического бюджета. Если полет не дает непосредственного преимущества, то отбор не будет благоприятствовать сохранению дорогостоящего в энергетическом выражении комплекса структур. Одним из механизмов, обеспечивающих быструю утрату этих признаков, может быть неотения, и нелетающие птицы действительно во многом сходны с птенцами летающих видов. Согласно Олсону и Федуччиа, у некоторых групп, таких как голуби и пастушки, грудина развивается на поздних стадиях онтогенеза, после вылупления. Разница между ними и куриными значительна: среди куриных нет ни одного нелетающего вида. У типичного представителя куриных - курицы - окостенение грудины начинается между 8-м и 12-м днями инкубирования, а не после вылупления, как у пастушков. Задержка части морфогенетической программы на такой ранней стадии развития привела бы, возможно, к летальному исходу, однако задержка развития грудины у форм, у которых эти процессы происходят лишь после вылупления, вряд ли вызовет серьезные осложнения. Таким образом нелетающие пастушковые возникали в процессе эволюции неоднократно, потому что в программе развития пастушковых имеется нреадаптация к изменению такого типа. После того как неотеническое изменение возникло, становится возможным достижение больших размеров и другие адаптации. К сожалению, дронты, моа, эпиорнисы и все другие многочисленные виды, составлявшие великолепный ряд нелетающих птиц, населявших большие и малые острова по всему земному шару, вымерли в результате вмешательства человека в природу.

Неотенические признаки обычны у птиц и млекопитающих с высокоразвитым общественным образом жизни, и было высказано предположение, что задержанное соматическое созревание, возможно, облегчает распознавание ранга отдельных особей, позволяя избегать столкновений и повышать стабильность сообщества. Неотенические признаки человека отражают в усиленной степени такие признаки приматов, как стабильность сообщества, интенсивная забота о потомстве и длительный период созревания. В строении черепа отражены также такие Неотенические признаки, как увеличение объема головного мозга, которое было достигнуто путем увеличения продолжительности внутриутробного развития с сопровождающими его аллометрическими тенденциями.

В отличие от этого прогенез представляет собой, по-видимому, типичную реакцию на такие условия среды, в которых высокий уровень размножения или малые размеры отдельной особи могут оказаться особенно выгодными. В некоторых из таких случаев отбор может идти не на какой-то определенный морфологический признак, а на малые размеры как таковые. В результате возникает зрелый в репродуктивном отношении организм, обладающий личиночной морфологией или же смесью личиночных и взрослых признаков. В средах, открытых для небольших организмов, некоторые морфологические признаки выходят из-под ограничительных воздействий отбора, которые испытывали на себе более крупные предковые виды. В условиях ослабленного или модифицированного отбора анатомические признаки могут накапливать изменения, делающие возможным переходы от одного плана строения к другому, осуществить которые в других условиях было бы крайне трудно. Подобная точка зрения вполне приложима также к происхождению насекомых от педоморфных многоножек, как это предполагает де Бер. На рис. 6-2 изображена личинка многоножки Glomeris, у которой в момент вылупления имеется только три пары ног и ограниченное число сегментов тела. Как правило, число ног и сегментов тела увеличивается у многоножек в процессе развития. Если, однако, такая личинка достигла бы половозрелости, то получился бы организм, очень похожий на примитивное насекомое.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-2. Только что вылупившаяся личинка многоножки Glomeris с тремя парами ног (Juberthie-Jupeau, 1974).


Существенный момент здесь состоит в том, что, хотя первоначальное прогенетическое событие сохранялось отбором ввиду его непосредственного значения для выживания, оно послужило также отправной точкой для очень крупного макроэволюционного события. Возможно, что таким образом начиналась эволюция насекомых. Однако насекомые - это не просто педоморфные многоножки. Вслед за педоморфозом должен был произойти целый ряд дальнейших генетических изменений. Необходимо было приобрести не только такое качественное новшество, как крылья, но и ряд генов, регулирующих дифференцировку всех сегментов тела. В результате детерминирующего воздействия этих генов на строение сегментов развивается насекомое с иной очень стабильной дифференцировкой передне-, средне- и задне-груди и связанных с ними придатков, причем развитие конечностей на сегментах брюшка у него подавлено. Роль этих генов в развитии насекомых и их эволюции подробно обсуждается в гл. 8 и 9. Многие гетерохронии состоят в изменениях сроков появления одного соматического признака по отношению к другому при незначительном изменении остального онтогенеза. Такие гетерохронические изменения могут быть неразрывно связаны своими механизмами с изменениями индукционных взаимодействий, рассмотренных в гл. 5. Изменения сроков клеточного деления или перемещения слоев тканей должны оказывать непосредственное влияние на индукционные взаимодействия. Это может повлечь за собой увеличение размеров индуцированной структуры. И наоборот, изменение сроков может привести к утрате какой-либо индуцируемой структуры, и вовсе не потому, что индуцирующая ткань не сумела произвести индукционный сигнал, или не потому, что индуцируемая ткань утратила компетентность, необходимую для того чтобы отреагировать на этот сигнал, а потому, что этим двум тканям не удалось вступить в контакт в нужное время. Подобные примеры известны среди обитающих в пещерах позвоночных с рудиментарными глазами. Например, Шламп (Schlampp) обнаружил, что у обитающего в пещерах слепого европейского протея (Proteus anguineus) инвагинация глазного пузыря с образованием глазного бокала протекает нормально; однако преждевременная миграция мезодермы, располагающейся между глазным бокалом и эктодермой, блокирует индукцию хрусталика на ранней стадии развития. Нарушение индукции обусловливает также развитие лишь зачаточных глаз у мексиканской пещерной рыбы (Astianax). Кан (Cahn) сравнивал развитие глаз у пещерной формы и у речного вида Astianax mexicanus, от которого она произошла. В этом случае имели место два гетерохронических события: задержка образования глазных пузырей и замедление митотических делений клеток сетчатки у слепой пещерной формы по сравнению с этими процессами у речной формы. Это приводит к нарушению индукции хрусталика, а следовательно, и к развитию зачаточных глаз.

Древесные саламандры и лягушки без головастиков. Гетерохрония и морфологическая адаптация

Почему гетерохрония может служить таким обычным способом эволюции? Ответ на этот вопрос, по-видимому, заключен в характеристике, которую дал эволюции Ф. Жакоб (F. Jacob). По его словам, эволюция действует путем «перелицовки старого». В отличие от проектирования новых машин, создаваемых с учетом оптимальных технических возможностей, возможности эволюции ограничены историей. В данном случае история - это отдельные признаки или структуры, которые уже имеются у данного организма и могут быть модифицированы. Примером того, к каким это приводит результатам, служит прогрессивная эволюционная трансформация рудиментарных элементов нижней челюсти звероподобных рептилий в специализированные слуховые косточки внутреннего уха у млекопитающих. Морфогенетические процессы чрезвычайно сильно взаимодействуют между собой, и эти взаимодействия приводят к канализации развития. Согласно определению, данному в 1942 г. Уоддингтоном (Waddington), канализация - это забуферивание или гомеостаз путей развития, противодействующий извращениям развития, которые могут вызываться средовыми или генетическими возмущениями. П. Олберч (P. Alberch) высказал мнение, что кажущаяся направленность некоторых эволюционных линий отражает, возможно, ограничения, налагаемые теми эпигенетическими взаимодействиями, которые создают канализацию. Некоторые эволюционные изменения приводят к небольшим нарушениям существующих морфогенетических взаимодействий, тогда как другие теоретически возможные морфологические решения потребовали бы таких коренных изменений процессов развития, которые, в сущности, невозможны. Ввиду стабильности путей развития гетерохрония служит для эволюционных изменений своего рода путем наименьшего сопротивления. Относительные сроки различных процессов нередко можно изменять назависимо друг от друга, не вызывая резких нарушений канализации отдельных процессов, но тем не менее это может привести в конечном итоге к значительным изменениям морфологии.

Некоторые из наиболее ярких примеров эволюционной роли гетерохронических процессов получены в результате исследований, проведенных на амфибиях, в частности на тропических видах саламандр и лягушек, у которых в процессе эволюции возникли необычные отклонения в стратегии размножения. Большинство семейств хвостатых амфибий - обитатели умеренного пояса. Однако, как отмечает Уэйк (Wake), неотропические представители одной группы - трибы Bolitoglossini - составляют 40% всех ныне живущих видов саламандр. В один из родов этой группы, обширный и разнообразный род Bolitoglossa, входят не только типичные наземные формы, обитающие на возвышенных местах, но и единственные формы, успешно обосновавшиеся на низменностях тропических областей Центральной и Южной Америки.

Многие виды Bolitoglossa, будучи не наземными, что более обычно, а древесными формами, вполне приспособились к жизни на деревьях, и у них имеется ряд морфологических адаптации, в том числе очень цепкий хвост и модифицированные стопы, что дает им возможность удерживаться на нижних поверхностях влажных стеблей и листьев. Эволюция этих древесных видов сопровождалась уменьшением размеров тела взрослых особей и характерным комплексом изменений в строении стопы, показанных на рис. 6-3: наличие перепонок между пальцами и редукция или слияние костей. Концевые фаланги редуцированы, третья фаланга четвертого пальца утрачена, а некоторые из плюсневых костей слиты. Олберч сумел показать, что редуцированные размеры и своеобразное строение стопы у древесных форм прямо связаны с их способностью лазать по гладкой поверхности. Саламандры удерживаются при лазаньи главным образом благодаря поверхностному натяжению и присасыванию, обеспечиваемому строением стоп. Благодаря особенностям строения стопы у древесных видов Bolitoglossa они лучше удерживаются на ветвях при помощи присасывания, чем наземные виды, охватывающие ветви своими длинными пальцами. Уменьшение размеров тела, наблюдаемое обычно у древесных видов, также следует считать функциональной адаптацией, поскольку поверхностное натяжение более эффективно при небольших размерах.

П. Олберч и Дж. Олберч сравнивали древесный вид Bolitoglossa occidentalis с двумя наземными видами, В. rostrata и В. subpalmata. Как и ожидалось, древесный вид мельче двух других видов, у него имеются характерные модификации стопы и изменения в черепе: предлобные кости отсутствуют, окостенение черепа выражено в меньшей степени. По общим пропорциям взрослые В. occidentalis похожи на ювенильных особей В. rostratus и В. subpalmata: важно указать, что у ювенильных особей наземных видов на ногах имеются перепонки. Такое сходство позволяет предполагать, что в процессе эволюции древесных видов происходил отбор на небольшие размеры и что это достигалось путем прогенеза - урезания соматического развития.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-3. Стопы наземных видов саламандры Boliloglossa (А и Б) и прогенетического древесного вида В. occidentals (В). Обратите внимание на относительно небольшие размеры стопы В. occidentalis, наличие у него перепонок и редукцию концевых фаланг (P. Alberch, J. Alberch, 1981).


Характер роста и аллометрические соотношения длины хвоста, массы тела, площади стопы и длины пальцев одинаковы у всех трех видов, как и следовало ожидать при простом прогенезе. В, occidentalis просто не вырастает до таких размеров, как другие виды. Рост у него прекращается на более ранней стадии, но при этом он достигает половозрелости. Возникновение педоморфной морфологии путем урезания развития представлено на рис. 6-4, где изображено изменение отношения длины пальцев к размерам перепонки в процессе развития разных видов Bolitoglossa. Вначале кинетика роста стопы из почки конечности практически одинакова у всех видов; однако пальцы растут быстрее, чем перепонки между ними. Но у В. occidentalis дифференциальный рост прекращается на той стадии, когда пальцы и перепонки оказываются одной длины. У двух других видов дифференциальный рост пальцев и межпальцевых участков продолжается, так что пальцы заметно выступают за пределы перепонок.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-4. Модели развития стопы у разных видов Bolitoglossa. У В. rostrata и В. subpalmata пальцы растут, удлиняясь и сильно выступая вперед и в стороны, тогда как у В. occidentalis пальцы никогда не выступают вперед, что приводит к развитию перепончатой лапы, наблюдаемой у взрослых особей (P. Alberch, J. Alberch, 1981).


При таком типе гетерохронии некоторые из ювенильных морфологических признаков древесных видов оказываются адаптивными, однако другие могут быть лишены адаптивного значения, будучи просто пассивными следствиями педоморфоза. Заключение о том, что рост Bolitoglossa occidentalis урезан, подтверждается существованием таких пассивных изменений, как зависимость между последовательностью появления костей стопы и черепа в процессе развития и отсутствие некоторых из этих костей у В. occidentalis. В черепе В. rostrata и В. subpalmata в последнюю очередь появляются предлобные кости, которые у В. occidentalis вообще не развиваются. Подобным же образом третья фаланга четвертого пальца в задней стопе В. rostrata и В. subpalmata развивается последней, а у В. occidentalis она совершенно отсутствует. Очевидно, развитие приостанавливается на стадии, непосредственно предшествующей появлению именно этих признаков.

Хотя уже глобальное изменение онтогенеза может открыть перед организмом новую адаптивную зону, для полной морфологической адаптации требуются последующие изменения в генетических системах, регулирующих отдельные аспекты морфогенеза. Р. Олберч и Дж. Олберч выявили такие дополнительные гетерохронии в морфогенезе стопы Bolitoglossa occidentalis. Развитие размеров и формы ноги разобщены, так что, когда длина животного (от кончика морды до анального отверстия) составляет 24 мм, изменение формы прекращается, но рост стопы продолжается, пока длина животного не достигнет 38 мм. В развитии стопы обнаружено разобщение и других процессов: скорость роста пястных костей повышена, а скорость роста некоторых фаланг понижена по сравнению с обычной для наземных видов скоростью. Это важный момент, поскольку он показывает, что гетерохрония не ограничена классическим глобальным типом, а может затрагивать любой отдельный процесс развития.

Подобно саламандрам, тропические лягушки проникли в некоторые адаптивные зоны, сильно отличающиеся от тех зон, в которых обитают виды, типичные для умеренного пояса. В тропиках популяция головастиков, развивающихся в водной среде, по-видимому, чрезвычайно сильно страдает от хищников и от конкуренции. Этот факт, а также наличие разнообразных влажных наземных микроместообитаний сыграли решающую роль в эволюции способов размножения, при которых лягушки не откладывают яйца просто в воду. В табл. 6-2 сопоставлены способы размножения у лягушек умеренного пояса США и у обитателей двух неотропических зон - в Панаме и Эквадоре. Почти все представители северных видов размножаются в открытых водоемах. Несколько видов, относящихся к тропическим группам, встречаются на юге США. Они дают представление о репродуктивном поведении, обычном для тропических фаун. Откладка яиц у поверхности воды или вблизи воды, так чтобы головастики попадали в пруд или реку после вылупления, сокращает время, в течение которого потомство подвергается превратностям жизни в воде. Эти адаптации возникли независимо в нескольких семействах лягушек.


Таблица 6-2. Разнообразие способов размножения лягушек умеренной и тропической фаун (Salthe, Duellman, 1973)

Биология размножения Доля всей фауны, %
США Панама Эквадор
Яйца и головастики в водоемах 90 20 37
Яйца расположены над водоемами; головастики в водоемах - 11 10
Яйца в пенистых гнездах; головастики в водоемах 1 11 8
Яйца и головастики в реках 1 11 4
Яйца расположены над рекой; головастики в реке - 11 4
Яйца на земле; головастики переносятся в воду - - 7
Яйца на земле; прямое развитие 6 30 21
Самка носит яйца на себе; прямое развитие - - 3
Не известна - - 6
Общее число видов в фауне 70 29 78

С большей частью прогрессивной последовательности таких адаптации, устраняющих зависимость тропических лягушек от открытых водоемов, можно ознакомиться на примере одного рода Leptodactylus, рассмотренного Гейером (Heyer). В этот род входит пять групп видов. У групп видов Melanotus и Ocellatus наблюдается биология размножения, характерная для примитивных Leptodactylus, когда яйца откладываются в гнездо из пены, плавающее на воде. Представители эволюционно несколько более продвинутой группы Pentadactylus помещают свои пенные гнезда в рытвины, находящиеся поблизости от стоячих водоемов. Ливневые дожди разрушают эти гнезда, освобождая личинок и смывая их в водоем. Следующий шаг сделала группа Fuscus: самец роет норку и призывает к себе самку; яйца откладываются в гнездо из пены, помещаемое в норку. Развитие начинается в норке, но завершается в прудах, куда головастики смываются дождями. Полная независимость развития от водоемов достигнута в группе видов Marmoratus. Эти виды откладывают яйца в пенные гнезда в подземных камерах. Однако (в отличие от группы Fuscus) их яйца содержат достаточные запасы желтка, так что и развитие зародышей, и метаморфоз происходят в гнезде. Головастики все же образуются, но у них нет роговых челюстей с зубчиками и дыхалец, как у типичных водных головастиков.

Ряд эволюционных модификаций размножения, подобных описанным здесь на примере видов Leptodactylus, логически завершает прямое развитие с утратой личиночной стадии. Этого достигли представители нескольких семейств бесхвостых амфибий; новозеландская Liopelma (сем. Amphicoelidae), южноафриканская Arthroleptella (сем. Ranidae), африканские Breviceps и Ahydrophrene (сем. Brevicipitidae) и центральноамериканская Eleutherodactylus (сем. Bufonidae). Бесхвостые амфибии, у которых нет свободноживущей личиночной стадии, должны снабдить яйцо достаточным количеством желтка, чтобы обеспечить развитие ювенильной особи. Наиболее важная преадаптация, как считает Лутц (Lutz), состоит, по-видимому, в повышении содержания желтка в яйцах видов, цикл развития которых сходен с таковым некоторых видов Leptodactylus. Повышение содержания желтка, очевидно, служит еще одним примером генетически несложного изменения, создающего возможность для нового эволюционного направления. Интересно напомнить высказанное 50 лет назад предположение Нобля (Noble) о том, что увеличение содержания желтка в яйцах амфибий могло произойти внезапно, поскольку известны виды бесхвостых амфибий, продуцирующие как крупные, так и мелкие яйца.

Прямое развитие возникло в результате элиминации личиночных структур и ускорения развития признаков взрослого организма. В целом процесс этот не соответствует ни одному из классических определений гетерохронии, потому что при прямом развитии в результате коренным образом модифицированного онтогенеза образуется совершенно типичная лягушка. Наилучшее описание прямого развития дал Линн (Lynn) на примере тщательно исследованного им Eleutherodactylus nubicola. На рис. 6-5 развитие этой лягушки сопоставлено с развитием северо-американской Rana pipiens. В отличие от лягушек с хорошо выраженной водной личиночной стадией у Eleutherodactylus не развиваются органы боковой линии, кишечник никогда не бывает свернутым, а у Е. nubicola не развиваются и жабры. У некоторых других видов Eleutherodactylus жабры появляются, например у Е. portoricensis, которого изучал Гитлин (Gitlin). Утрата личиночных структур не была результатом некой глобальной гетерохронии, потому что одна очень существенная личиночная структура - хвост у представителей этого рода сохранилась, хотя и в модифицированном виде. Весьма вероятно, что утрата личиночных признаков отражает подавление индукционных систем, ответственных за появление отдельных личиночных структур. Одновременно происходила акцелерация появления некоторых дефинитивных структур. Наиболее ярко выраженная гетерохрония, проявляющаяся во внешних признаках, затрагивает зависимость между сроками развития конечностей и других структур. Сравнение относительных сроков развития конечностей и хвоста у Eleutherodactylus и Xenopus (рис. 6-6), у которой происходит типичный метаморфоз, позволяет выявить ряд различий в этих сроках. У Eleutherodactylus почки конечностей появляются очень рано - к концу замыкания нервной трубки. Рост конечностей у Eleutherodactylus начинается до начала дифференцировки главных отделов головного мозга и глаз, а у Xenopus и Rana - после нее. У Xenopus и Rana почки конечностей появляются только после начала быстрого роста хвоста, тогда как у Eleutherodactylus рост конечностей начинается до появления хвоста. Рост конечностей и хвоста протекает у Eleutherodactylus более или менее параллельно, а у Xenopus хвост растет быстрее, чем конечности, в росте которых происходит скачок лишь во время метаморфоза. У обоих видов конечности достигают полной длины, свойственной ювенильной стадии, после начала резорбции хвоста.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-5. Сопоставление развития, сопровождающегося метаморфозом, и прямого развития у лягушек Rana pipiens (А-Г) и Eleutherodactylus nubicola. А. Дробление яйца R. pipiens. Б. Нейрула. В. Головастик с жабрами и хвостом. Г. Взрослая особь. Д. Дробление яйца Е. nubicola. E. Нейрула с преждевременными почками конечностей и хвостовой почкой. Ж. Готовый вылупиться лягушонок, у которого хвост модифицирован в орган дыхания. З. Взрослая особь (эмбриональные стадии по Hamburger, 1960, и Lynn, 1942; взрослые особи - с натуры).


Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-6. Относительные сроки различных событий в процессе развития Xenopus и Eleutherodactylus. А. У Xenopus - лягушки, проходящей в процессе развития через стадию головастика и метаморфоз, - хвост появляется задолго до конечностей. Развитие головного мозга также успевает достаточно продвинуться до того, как начинается рост конечностей. У головастика конечности растут очень медленно. За этой фазой медленного роста конечностей следует взрыв их роста во время метаморфоза, причем хвост в это время быстро рассасывается. Б. У Eleutherodactylus - лягушки с прямым развитием - рост конечностей начинается до появления хвоста и до развития головного мозга. За исключением хвоста, рассасывающегося незадолго до вылупления, все остальные признаки достигают дефинитивного состояния путем прямого развития, и метаморфоза не происходит. I - хвост; II - задние конечности; III - передние конечности; IV - длина тела. (По данным Neiuwkoop, Faber, 1956, и с рисунка и по данным Lynn, 1942.)


Ускорение развития почек конечностей не обязательно отражается на других признаках. Так, например, Линн сравнивал последовательность и сроки окостенения черепа у Eleutherodactylus с таковыми у Rana temporaria, которую изучал Эрдман (Erdmann). Развитие черепа у Eleutherodactylus отличается от его развития у Rana одним очень заметным признаком - полным отсутствием у Eleutherodactylus супраростральных и инфраростральных хрящей, которые поддерживают ротовое отверстие головастиков Rana, самостоятельно питающихся до метаморфоза. У Rana до начала метаморфоза окостеневают только пять хрящей; во время метаморфоза окостеневают другие хрящи; несколько последних хрящей окостеневают после окончания метаморфоза. Порядок окостенения у Eleutherodactylus позволяет выявить несколько гетерохронических изменений по сравнению с Rana. В период примерно между 16-м и 19-м днями развития окостеневают первые хрящи. Появление угловой и чешуйчатой костей ускоренное по сравнению с их появлением у Rana. Вслед за этим происходит еще ряд окостенений, так что за четыре дня до вылупления окостенение черепа у Eleutherodactylus находится примерно на том же уровне, что у Rana при метаморфозе. Однако появление некоторых костей запаздывает. Septomaxillare, переднеушная и подбородочная кости, появляющиеся у Rana при метаморфозе, а также кости, появляющиеся у Rana вскоре после метаморфоза, у Eleutherodactylus спустя 10 дней после вылупления еще отсутствуют.

Если считать рост конечностей и резорбцию хвоста морфологическими показателями метаморфоза у Xenopus и Rana, то следует считать, что зародыш Eleutherodactylus достигает стадии, соответствующей метаморфозу, за несколько дней до вылупления. Однако к этому времени он отстает от метаморфизирующих личинок Rana не только по степени окостенения черепа, но и по развитию некоторых других элементов скелета. Например, Линн указывает, что, если у Rana во время метаморфоза седалищная кость, грудина и надгрудинник уже имеются, у Eleutherodactylus к моменту вылупления окостенение соответствующих хрящей не начиналось. Наиболее резко выраженное ускорение наблюдается у Eleutherodactylus в развитии дуг аорты. У зародышей позвоночных образуется шесть пар артериальных дуг, или дуг аорты, в соответствии с шестью парами глоточных, или жаберных, мешков. У челюстноротых рыб и высших позвоночных первая пара дуг во взрослом состоянии никогда не сохраняется полностью; у некоторых рыб сохраняется вторая пара, а у большинства - дуги III-VI. У четвероногих дуги I и II исчезают во время развития, так же как и дуга V, сохраняющаяся только у хвостатых амфибий. Дуги III, IV и VI образуют соответственно каротидную дугу, системную дугу и легочную артерию. Судьба артериальных дуг у бесхвостых амфибий показана на рис. 6-7, А-В, взятом из работы Милларда (Millard) no Xenopus laevis. У этого вида первая артериальная дуга появляется на ранней стадии личиночного развития, а вскоре после нее одна за другой появляются третья и четвертая дуги. Вторая артериальная дуга появляется лишь в виде зачатка. Первая и вторая дуги начинают дегенерировать еще до появления шестой дуги. Дуги III-VI снабжают кровью жабры. На более поздних стадиях развития исчезает пятая дуга, так что у взрослого животного сохраняются только дуги III, IV и VI.

На рис. 6-7 сопоставляется развитие артериальных дуг у Eleutherodactylus и Xenopus. Как и у Xenopus, артериальные дуги появляются у Eleutherodactylus на относительно ранних стадиях развития, но происходит это совершенно иначе. Первая и вторая дуги не появляются вовсе. Третья дуга появляется первой, за ней следует четвертая, а затем шестая. Таким образом, у этой лягушки ускоренным способом непосредственно образуется кровеносная система взрослого организма на ранних стадиях развития зародыша, у которого никогда не развиваются жабры и которому поэтому не нужна кровеносная система, связанная с жабрами. Особенно интересно, что дуги I, II и V не появляются у Eleutherodactylus даже в качестве временных структур. Для всех высших позвоночных - рептилий, птиц и млекопитающих - характерно прямое развитие и отсутствие жабер, тем не менее у зародышей рептилий и птиц появляются все шесть артериальных дуг, а у зародышей млекопитающих - все дуги, кроме пятой. Как и у Xenopus, у высших позвоночных во взрослом состоянии сохраняются только дуги III, IV и VI. Временное появление артериальных дуг у рептилий, птиц и млекопитающих позволяет предполагать, что они выполняют какую-то функцию в развитии, возможно, в качестве элементов каскадных индукционных взаимодействий, необходимых для появления каких-то других структур. У Eleutherodactylus эта функция, по-видимому, отпала.

Эмбрионы, гены и эволюция

Рис. 6-7. Развитие артериальных дуг у Xenopus и у Eleutherodactylus. У Xenopus (А-В) появляются все 6 пар артериальных дуг, хотя дуги I и II сохраняются у нее очень недолго. Петли в дугах у Xenopus схематически изображают кровеносную систему жабр. Дефинитивная форма сердца и артериальных дуг после метаморфоза у Xenopus сходна с изображенными на схеме Ж. У зародышей Eleutherodactylus (Г-Ж) дуги I и II не появляются вовсе. Дефинитивное состояние достигается сразу в результате развития дуг III, IV и VI. Жабры совершенно не образуются (Millard, 1945; Linn, 1942).


Прямое развитие, наблюдаемое у Eleutherodactylus, иллюстрирует эволюционный переход к наземному образу жизни, независимый от того пути, по которому следовали в палеозое предки амниот. Однако представляется вероятным, что переход от размножения с прохождением через личиночную стадию, обитающую в воде, к размножению на суше у предков рептилий мог происходить таким же образом - путем ускорения развития важнейших признаков взрослой стадии. Гетерохрония при этом привела не к иной дефинитивной морфологии, а к иному типу онтогенеза, который в сочетании с эволюцией яйца амниот сделал возможной всю последующую эволюцию наземных позвоночных.

Механизмы гетерохронии у амфибий

Гетерохронические изменения в развитии амфибий особенно хорошо поддаются экспериментальному исследованию, потому что такие изменения встречаются часто и их легко охарактеризовать по отношению к нормальным процессам метаморфоза у родственных форм. Кроме того, метаморфоз амфибий, несмотря на всю свою сложность, регулируется относительно простой последовательностью гормональных процессов. В 1912 г. Гудернач (Gudernatsch) показал, что главная роль в регуляции метаморфоза у амфибий принадлежит гормонам щитовидной железы. Регуляция функции самих этих гормонов у амфибий, по-видимому, сходна с ее регуляцией у млекопитающих, о чем писали в своем недавнем обзоре Додд и Додд (Dodd, Dodd). Гипоталамус млекопитающих вырабатывает тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ), который переносится к гипофизу, где он вызывает секрецию тиреотропного гормона (ТТГ), стимулирующего активность щитовидной железы. В свою очередь тиреотропин действует на щитовидную железу, стимулируя выделение в кровь тироксина. У амфибий тироксин оказывает далекоидущие воздействия на многочисленные ткани-мишени и индуцирует разного рода морфологические и биохимические изменения, в том числе резорбцию хвоста и жабер, изменения в структуре покровов, в системах пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения, размножения и в нервной системе. У амфибий, так же как и у млекопитающих, гипоталамус регулирует активность гипофиза, а следовательно, и щитовидной железы. Сами гормоны, выделяемые этими железами, могут несколько различаться в некоторых отношениях, поскольку, хотя амфибии реагируют на ТТГ и тироксин, однако, как показали Таурог (Taurog) и его сотрудники, ТРГ млекопитающих не оказывает действия на амфибий.

Наиболее последовательную гипотезу гормональной регуляции метаморфоза у амфибий выдвинул Эткин (Etkin). В отношении гормональной активности личиночное развитие можно разделить на три периода: ранний период личиночного развития - преметаморфоз - ТТГ и тироксин находятся на низком уровне; следующий период - прометаморфоз - быстрое повышение уровней ТТГ и тироксина; и наконец, после кратковременного климакса, соответствующего метаморфозу, быстрое снижение уровней гормонов. В основе этой гипотезы лежит допущение, что в период преметаморфоза щитовидная железа личинки секретирует небольшое количество тироксина, которое по принципу обратной связи подавляет вырабатывание ТТГ гипофизом. Гипофиз секретирует также большие количества другого гормона - пролактина, который действует и как гормон роста, и как ингибитор, подавляющий реакцию тканей-мишеней на тироксин. Сначала вплоть до позднего преметаморфоза гипоталамус, по-видимому, не оказывает никакого регулирующего действия на гипофиз. Однако к концу преметаморфоза гипоталамус начинает реагировать на низкий уровень тироксина, активизируется и, следовательно, начинает стимулировать гипофиз к секреции больших количеств ТТГ. Уровень тироксина повышается, и наступает метаморфоз.

Принимая во внимание гормональную основу метаморфоза, вряд ли можно удивляться тому, что изучение причин неотении у хвостатых амфибий было сосредоточено главным образом на исследовании функции щитовидной железы. Дент (Dent) разбил неотенических хвостатых амфибий на три группы. Эти группы не совпадают с таксономическим разделением, потому что неотенические формы возникли в нескольких семействах хвостатых амфибий. К первой группе относятся формы, перманентно пребывающие в личиночном состоянии: у них нельзя вызвать метаморфоз даже путем введения им тироксина. Их ткани, по-видимому, неспособны реагировать на тироксин. В 1931 г. Нобль (Noble) рассмотрел ряд морфологических признаков, таких как развитие конечностей и верхнечелюстных костей, утрата жабер и редукция жаберных дуг, и обнаружил, что между этими перманентно неотеническими формами существуют различия в отношении стадий нормального метаморфоза, которым они соответствуют. Так Siren (название которого создает совершенно неверное представление о его внешнем облике) походит на раннюю личиночную стадию, Proteus - на более позднюю стадию преметаморфоза, Cryptobranchus - на личинку в начале метаморфоза, a Andrias (Megalobatrachus) сходен по своему строению с особью, почти завершившей метаморфоз.

Вторая группа педоморфных видов состоит из форм, устойчиво неотенических в естественных условиях, но которых можно заставить метаморфизировать в лаборатории. К этой группе относится аксолотль. Исследования, проведенные на аксолотле и на сходных с ним неотенических формах, показали, что их ткани нормально реагируют на тироксин, а щитовидная железа и гипофиз способны функционировать у них так же, как у ненеотенических форм. Неотения представляет собой, по-видимому, результат нарушения механизмов выделения гипоталамусом рилизинг-факторов. Эту мысль подтверждают данные Норриса и Герна (Norris, Gern) о возможности индуцировать метаморфоз у неотенических Ambystoma tigrinum, вводя им в гипоталамус небольшие количества тироксина и активизируя тем самым ось гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа, что приводит к повышению секреции тироксина. Этот довольно простой эндокринный механизм согласуется с генетическими данными Хамфри (Hamphrey), которые обсуждает Томпкинс (Tompkins), о том, что неотения у видов Ambystoma контролируется двумя аллелями одного гена.

Наконец, к третьей группе относятся виды хвостатых амфибий, которые обычно проделывают метаморфоз, но при некоторых условиях среды оказываются неотеническими в природе. Например, хвостатые амфибии, которые метаморфизируют в теплых водоемах, могут стать неотеническими в холодных водоемах, таких как горные озера. Как указывает Дженкин (Jenkin), это может быть вызвано задержкой развития оси гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа под действием холода или же, как предполагает Дент, тем, что ткани этих амфибий, возможно, не реагируют на тироксин при низких температурах. Возможно, что в этих случаях участвуют также генетические факторы, потому что в горной местности с ее низкими температурами неотеническое состояние явно дает хвостатым амфибиям селективное преимущество.

Становится очевидным, что гетерохрония у амфибий более разнообразна, чем неотения с ее очень простой эндокринной основой. Например, роль тироксина в прямом развитии саламандры Plethodon и лягушки Eleutherodactylus изучали