Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

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.

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.