Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

Масштабные тенденции строения и эволюции формы животных основаны на одном и том же механизме и обязаны своим существованием "темной материи" генома

В книге я уделил много внимания модульному строению животных, состоящих из сериально повторяющихся элементов, а также эволюционной тенденции постепенной специализации этих элементов (глава 1). Модульность — ключ к созданию сложных структур и к разнообразию. Сложность строения животных выражается в наличии множества различных физических структур (клеток, органов, конечностей). Сложность возрастала со временем и в отдельных группах за счет специализации повторяющихся элементов и возникновения новых типов элементов. Усложнение строения членистоногих и позвоночных происходило сходным образом. Мы видели, что использование разных Hox-генов в сериально повторяющихся структурах привело к различиям формы и функции структур у членистоногих и позвоночных. Процветание этих групп животных — следствие гибкости систем, управляющих действием Hox-генов, что позволило одним структурам развиваться вне зависимости от других.

К пониманию того, каким образом достигается подобная независимость развития и, следовательно, сложность и разнообразие организмов, ученые пришли в результате изучения свойств генетических переключателей (глава 5). Поскольку гены управляются многими независимыми переключателями, в результате отбора сохраняются такие мутации переключателей, которые не влияют на другие переключатели и функционирование белка в других участках. Эволюционные изменения переключателей стали причиной сдвига зон экспрессии Hox-генов, с чем связаны различия в строении тела разных животных (глава 6), специфические различия одних и тех же структур у различных животных (главы 7 и 8), а также возникновение и модификация новых элементов (глава 8). Ключ к созданию "бесконечного числа" форм (т.е. биоразнообразия) заключается в невероятном количестве возможных комбинаций регуляторных сигналов и переключателей. Переключатели интегрируют сигналы из разных участков тела, от разных клеток и тканей в разные периоды развития. Любой из параметров может быть изменен путем добавления, изъятия или тонкой настройки поступающих к переключателю сигналов. Более того, в ходе эволюции количество переключателей может уменьшаться или увеличиваться. Даже при наличии ограниченного набора генов развития количество возможных комбинаций невероятно велико.

Реализуется этот потенциал, конечно же, под действием естественного отбора. Не все пути используются, не все возможные формы реализуются. Тем не менее до наших дней дошло около 17 000 вариантов узора на крыльях бабочек и не менее 300 000 видов жуков, нас окружают самые разнообразные по размеру, форме и окраске млекопитающие и множество морских животных с удивительными туловищами и раковинами. Миллионы видов животных, населяющих нашу планету сегодня, по некоторым оценкам составляют не более 1% всех видов, живших на Земле за последние 500 млн лет. Нам известно и о многих исчезнувших животных, таких как динозавры, трилобиты, причудливые создания кембрийского периода, а также больше десятка гоминин. Вся эта сложность и разнообразие появились благодаря невероятным комбинаторным возможностям генов развития и их специфических переключателей.

О новшествах

Существующие гены и структуры как средство и материал для усовершенствований

Мы видели, что насекомые, птерозавры, птицы и летучие мыши не изобретали "генов крыла" (глава 7), бабочки не изобретали "генов пятен" (глава 8), а люди не изобретали "генов двуногости" или "генов речи" (глава 10). Новшества, возникшие во всех этих группах животных, стали результатом модификации ранее существовавших структур и обучения старых генов новым приемам.

Генетическая основа новшеств — многофункциональность генов развития. Эта многофункциональность возникает оттого, что гены развития могут включаться в разное время и в разных местах при помощи генетических переключателей. Такие белки, как Distal-less, в одно время участвуют в формировании конечностей, а в другое — в формировании пятен-глазков на крыльях бабочки. Белок в обоих случаях один и тот же, а его функция меняется за счет того, что он действует на разные переключатели в разном контексте.

На уровне анатомии многофункциональность и избыточность — ключевые свойства структур, позволяющие понять механизм их эволюционных изменений. Это особенно хорошо видно на примере членистоногих, у которых передача какой-то функции (например, добычи пищи) одной паре из целого ряда идентичных конечностей привела к освобождению остальных конечностей для освоения других функций (ходьба, плавание и др.). Таким же образом, жаберные ветви конечностей водных предков членистоногих превратились в жаберные книжки, легочные мешки, трубчатые трахеи, паутинные бородавки и крылья.