Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК

Когда гены Льюиса были найдены у самых разных видов, давно забытые загадочные труды XIX века стали восприниматься по-новому. В начале 1990-х годов идеи классиков натурфилософии, таких как Уильям Бейтсон, сделались почвой для новейших исследований. Бейтсон обнаружил, что к числу наиболее распространенных вариаций относятся изменения количества частей тела или их перестановка. Кэлвин Бриджес, Эдвард Льюис и пришедшие им на смену молекулярные биологи следовали тем же путем, который был прочерчен почти столетие назад. И точно так же, как в XIX веке, в центре всех исследований были монстры и мутанты – как обнаруженные в природе, так и созданные в лаборатории.

Я черпал знания из мира окаменелостей, из музейных коллекций и экспедиций. Но одно открытие заставило меня наброситься на изучение молекулярной биологии.

Когда анализом активности генов Нох

у мышей начали заниматься исследователи из разных стран мира, обнаружилось нечто совершенно неожиданное. Мышиные гены Нох контролируют не только формирование позвонков и ребер вдоль оси тела, они активны в разных органах эмбриона – от головы и конечностей до кишечника и гениталий. Как будто они распределены по всему телу и участвуют в построении любого органа, имеющего собственную сегментарную структуру. Картина активности этих генов указывала на наличие биологического “копипейста”: генетический процесс, использующийся для формирования основной оси тела, применим и для построения других структур.

Некоторые эксперименты начала 1990-х годов показали, что активность этих генов в построении конечностей во многом напоминает их активность в построении основной оси тела; они активны на разных этапах развития и, по-видимому, сообщают генетический “адрес” разным частям конечностей. Все конечности, от лягушачьих лапок до плавников кита, имеют сходное строение костей. Все конечности начинаются с одной кости, называемой плечевой костью. Далее от локтя следуют две кости – лучевая и локтевая. Ниже располагаются кости кисти и пальцев. Размер, форма и количество костей различаются у животных, которые используют крылья для полета, плавники для плавания или руки для игры на фортепиано, но схема “одна кость, две кости, мелкие кости, пальцы” у всех одна и та же. Это важный элемент анатомии и древнейшая схема, лежащая в основе разнообразия всех существ со скелетом конечностей.

Более того, три анатомических участка – плечо, предплечье и кисть – соответствуют трем зонам с активностью разных генов Нох.

Каждый участок имеет свой “адрес” генетической активности – сходным образом в теле мухи, Parhyale и мыши.

Теперь исследователи могли задаться вопросом, что происходит, если меняется картина генетической активности в разных участках конечностей. Мы видели, что изменение активности генов в разных отделах тела Parhyale и вдоль оси тела мыши предсказуемым образом влияет на развитие соответствующих органов.

В 1990-х годах французские исследователи произвели мутантных мышей, удаляя гены Нох,

примерно так же, как Патель сделал с Parhyale. Когда они удалили гены Нох, активные в хвостовом отделе, они получили мутантную мышь без хвоста. А потом они проделали то же самое с конечностями. Те же гены Нох,

которые отвечают за формирование хвоста, проявляют активность и при формировании конечностей. Они определяют развитие терминальных участков – кистей и стоп. Когда французские исследователи удалили эти гены, активные в конечностях, они вывели популяцию мышей со схемой конечности “одна кость, две кости”. Без соответствующих генов мыши не имели кистей и стоп.

Я большую часть жизни занимался изучением эволюции кистей и стоп из плавников рыб. Шесть лет мы с коллегами искали окаменелости, пытаясь найти рыбу с костями предплечий и кистей. И вот теперь у нас появились данные, показывающие, какие гены необходимы для развития рук.

Этот результат заставил меня направить мои собственные исследования по новому пути. Я понял, что должен не только собирать окаменелости, но и научиться экспериментировать с генами. Наличие такого набора инструментов давало мне возможность искать ответы на другие вопросы. Были ли подобные гены у рыб? Если да, зачем они нужны в плавниках? Могут ли эти гены рук объяснить, как плавники превратились в конечности?

Рыбы на рынке, в океане или в аквариуме не имеют пальцев рук и ног; вообще говоря, плавники образованы пучком костей (плавниковых лучей) с плавательной перепонкой между ними. Кости плавниковых лучей отличаются от костей пальцев. Кости формируются из хрящевой ткани, тогда как плавниковые лучи сразу развиваются под кожей. Как нам известно из палеонтологических данных, переход от плавников к конечностям подразумевал два важнейших изменения: появление пальцев и исчезновение плавниковых лучей.