Эмбрионы, гены и эволюция

Скорость, с которой может происходить морфологическая эволюция, имеет прямые и важные следствия для других характеристик эволюции организма в целом. Любое изменение морфологии требует соразмерного изменения течения развития; это аксиома. Это было очевидно со времени работ Мюллера и Геккеля, хотя значение развития не составляло преобладающей темы эволюционной теории, а создание адекватной концепции эмбриогенетических механизмов становится возможным только теперь. Открытие генов-переключателей, управляющих сегментацией насекомых или детерминирующих дифференцировку зародышевых листков у зародышей млекопитающих, служит несомненным доказательством существования генов, специфическая функция которых состоит в регуляции процессов развития. Возможность различать такие гены имеет решающее значение, поскольку гены могут быть выявлены лишь по фенотипам, экспрессируемым мутантными аллелями. Мутации в большинстве случаев прерывают развитие и обладают плейотропным действием, а поэтому их эффекты трудно проанализировать. Мутация может прервать развитие, потому что продукт мутировавшего гена специфичен для той или иной стадии развития и ген действительно участвует в регуляции соответствующего морфогенетического процесса; или же прекращение развития может быть результатом нарушения одного из общих метаболических путей. В последнем случае воздействие мутации на развитие в феноменологическом плане вполне очевидно, однако его специфичность остается неясной. Несомненными регуляторными элементами развития служат гены, мутантные аллели которых всегда вызывают не остановку развития, а переключение его с одного специфичного и вполне определенного пути на другой, как это столь ярко выражено в случае гомеозисных мутаций. Таким образом, вторая главная черта эволюции организмов состоит в том, что эволюционное изменение происходит путем модификации генетически детерминированной программы развития, имеющейся у каждого организма. Это заключение не следует воспринимать как модель полного генетического детерминизма. Нам известны такие работы, как исследования М. Катца (М. J. Katz) и его сотрудников, свидетельствующие о существовании негенетической пластичности развития. Онтогенетические буферные механизмы имеют большое значение, потому что они делают возможным восприятие генетических модификаций с минимальным нарушением развития.

В реализации программы развития участвует не весь геном. Фактически большая часть ДНК данного организма не несет явных генетических функций, в том смысле, что она не кодирует информацию, экспрессируемую путем транскрипции. Кроме того, сравнения между человеком и его ближайшим эволюционным родичем, шимпанзе, проведенные Кингом и Вилсоном (King, Wilson), показали, что эволюция структурных генов, быть может, мало связана с морфологической эволюцией. Существенную роль в эволюции морфологических признаков играют гены, регулирующие программу развития. Это - важное заключение, поскольку оно ниспровергает широко распространенную концепцию, согласно которой эволюция организмов представляет собой продолжение процессов, приводящих к точковым мутациям в структурных генах, что в свою очередь приводит к аминокислотным замещениям в белках. Это предубеждение наложило отпечаток на большую часть эволюционных построений: эволюционные часы, или постепенное замещение в популяции аллеля, кодирующего один вариант данного фермента, на аллель, кодирующий другой его вариант, ошибочно считали эволюцией.

В 1963 г. Льюис (Е. В. Lewis) высказал мнение об эволюционной роли одного набора регуляторных генов-переключателей у дрозофилы - комплекса bithorax. Переход от сходного с многоножками предка, имевшего большое число конечностей, к примитивному шестиногому насекомому был связан с приобретением первых членов этого комплекса - генов bxd (bithoraxoid) и iab (infra-abdominal). Эти гены подавляют развитие конечностей на брюшных сегментах. Для дальнейшей эволюции Diptera от крылатых насекомых понадобилась эволюция гена bx (bithorax), а также других генов современного комплекса ВХ-С (Bithorax Complex), участвующих в превращении второй пары крыльев, отходящих от заднегруди, в жужжальца. Интересно, что типичные для Diptera признаки возникли до превращения второй пары крыльев в жужжальца, поскольку Рик (Riek) описал четырехкрылого ископаемого представителя Diptera из перми. Такое замороженное состояние в эволюции регуляторного гена служит убедительным аргументом в пользу предположения Льюиса о последовательном возникновении комплекса ВХ-С.