Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

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».

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: