Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

Ученые лишь недавно начали выяснять, каким образом гены строят тело животного, но результаты уже впечатляют. Большинство животных, включая и нас, используют стандартный набор «инструментов» — строительных генов. В нем имеются инструменты для обозначения координат — перед и зад, правый и левый бок, голова и хвост. Есть и комплекты генов, контролирующие развитие целых органов, таких как глаза или конечности. Вообще, этот инструментарий почти не меняется от вида к виду — ген, отвечающий за рост глаз у мыши, может быть передан мухе и строить вместо этого ее глаза.

Судя по палеонтологической летописи, этот инструментарий сформировался постепенно за миллионы лет, предшествовавшие кембрийскому взрыву. Он дал животным необычайную гибкость в образовании новых форм. При помощи нескольких мелких коррекций — к примеру, изменив время включения гена или те места, где он будет действовать, — можно было создать принципиально новый тип. С другой стороны, как бы сильно ни различались животные, все они подчиняются определенным правилам. Не существует шестиглазых рыб или семиногих лошадей. Похоже, инструментарий перекрывает некоторые пути эволюции.

Кроме того, диверсификацию животных направляла среда, в которой они жили и развивались. Любой новый вид животных должен найти для себя подходящую нишу в экосистеме — только тогда он сможет выжить. Иначе, не успев появиться, он просто исчезнет. Судьба новоявленных животных всегда непредсказуема и часто зависит от случайностей и слепой удачи. Возьмем, к примеру, сухопутных позвоночных. Все они имеют по четыре конечности с пальцами (или, как змеи, происходят от предков, которые их имели). Но единообразие не означает, что именно такое устройство тела лучше всего годится для передвижения по суше. Более того, ноги и пальцы развились у рыб за миллионы лет до того, как они покинули водную среду. Лишь позже выяснилось, что они позволяют позвоночным передвигаться по суше. Все великие трансформации животного мира говорят об одном: эволюция может распоряжаться только тем, что уже возникло по ходу развития жизни.

Стремясь познать законы эволюции животных, биологи создают монстров. Мух с ногами, растущими из головы, мышей с лишними пальцами и лягушек, у которых спинной мозг проходит вдоль брюшка.

Для этого биологам не нужны скальпель и прочие хирургические инструменты. Все, что для этого требуется в каждом случае, — изменить один-единственный ген, «выключить» его, либо изменить время или место производства белка по его инструкции. Эти гены, как выяснили биологи, отвечают за развитие органов животного.

Надо сказать, что попытки создания подобных монстров начались больше ста лет назад. В 1890-х гг. английский биолог по имени Уильям Бейтсон составил каталог всех известных науке наследственных вариаций. Особенно интересовали Бейтсона случаи появления животных, у которых одна из частей тела находилась не на своем месте. Лангуст с усиком на месте глаза. Мотылек с крылышками вместо лапок. Пилильщик с лапками на месте усиков. Среди подобных монстров оказывались даже люди. Иногда, очень редко, люди рождаются с небольшими ребрышками, растущими из шеи, или с лишней парой сосков на груди.

Каким-то таинственным образом подобные мутации приводили к созданию целых частей тела там, где их никогда не было и не должно было быть. Бейтсон назвал процесс, результатом которого были такие уродливые вариации, «гомеозисом». Первые указания на то, как работает гомеозис, были получены в 1915 г., когда Калвин Бриджес из Колумбийского университета сумел связать результат — уродство — с конкретной мутацией определенного гена. Он обнаружил плодовых мушек-мутантов, у которых была лишняя пара крылышек, и выяснил, что мушки с двумя парами крыльев передавали свой мутантный ген и производили такое же четырехкрылое потомство; с тех пор и по настоящее время потомки тех мух живут в биологических лабораториях.

И только в 1980-е гг. ученые придумали, как выделить и изолировать ген, ответственный за эту мутацию. Выяснилось, что это лишь один из целого семейства родственных генов, которые получили название HOX генов. Биологи обнаружили, что путем изменения других HOX генов можно создавать еще более гротескных мушек с ногами на голове или усиками на месте ног.

Изучая подобные мутации, биологи смогли понять, как работают нормальные HOX гены. Эти гены активируются в самом начале развития зародыша мухи, пока он имеет неопределенную дынеобразную форму. Затем зародыш начинает делиться на сегменты, и хотя все они выглядят одинаково, каждый из них уже имеет свое предназначение — из каждого со временем разовьется определенная часть тела мухи. Работа HOX генов в том и состоит, чтобы сообщить клеткам каждого сегмента, во что именно им суждено превратиться — станут ли они частью брюшка или ног, крылышка или усика.

HOX гены выполняют среди генов роль главного управляющего выключателя. Единичный HOX ген может запустить цепную реакцию множества других генов, которые затем вместе сформируют определенную часть тела. Если HOX ген мутирует, он теряет способность отдавать остальным генам правильные команды. В результате такой ошибки из сегмента может вырасти совершенно не та часть тела. В этом и заключался секрет четырехкрылых мушек Калвина Бриджеса.

HOX гены устроены удивительно целесообразно. Биологи могут определить, в каких клетках мушиной личинки имеются активные HOX гены, сделав их светящимися. Они впрыскивают в личинку специальные светящиеся белки, способные связываться с белками HOX генов. Свечение каждого отдельного HOX гена указывает на вполне определенную группу сегментов. Одни HOX гены действуют возле головы мухи, другие включаются в сегментах, расположенных ближе к хвосту. Интересно отметить, что сами HOX гены тоже отражают этот порядок: в хромосоме они выстроены в том же порядке, в каком проявляются в личинке плодовой мушки, головные гены располагаются ближе к началу, хвостовые — ближе к концу.

В 1980-е гг., когда HOX гены плодовых мушек были только открыты, биологи практически ничего не знали о том, как именно эти гены управляют развитием зародыша. Они просто радовались тому, что могут изучать этот процесс вплотную хотя бы на одном отдельно взятом виде. При этом они полагали, что гены, отвечающие за строительство тела плодовой мушки, специфичны для насекомых и других членистоногих. У других животных нет сегментированного экзоскелета, как у членистоногих, поэтому ученые были уверены: раз их тела так сильно отличаются от тел других животных, то и строить их должны совершенно особенные гены.

Радость новых открытий сменилась шоком, когда HOX гены начали обнаруживаться и в других животных — в лягушках, мышах и даже людях; в червях-онихофорах, рачках и морских звездах. В каждом случае части HOX генов оказывались почти идентичными, независимо от того, о каком животном шла речь. Мало того, они располагались в хромосомах в том же порядке, что у плодовых мушек: от головы к хвосту.

Биологи обнаружили, что во всех этих животных HOX гены выполняют одну и ту же работу: определяют назначение различных секций тела зародыша вдоль продольной оси, точно как у насекомых. HOX гены различных животных так похожи, что можно заменить дефектный HOX ген плодовой мушки соответствующим HOX геном мыши, и при этом у мушки на положенных местах вырастут соответствующие части тела. Несмотря на то что последний общий предок мыши и плодовой мухи жил более 600 млн лет назад, этот ген и по сей день сохраняет функциональность.

За последние 20 лет XX в. ученые открыли в личинках животных немало и других регуляторных генов, не менее мощных, чем HOX гены. Если HOX гены определяют деление тела вдоль продольной оси, то другие гены отмечают левую и правую стороны тела, а третьи задают верх и низ. Конечности, к примеру, лапки плодовой мухи, также структурируются регуляторными генами в трех измерениях. Регуляторные гены помогают строить и отдельные органы. Так, без гена Pax-6 муха родится безглазой. Без гена tinman[7] в теле мухи будет отсутствовать сердце.

Как и в случае с HOX генами, каждый из этих регуляторных генов существует и в нашей ДНК, выполняя часто ту же работу, которую он выполняет в геноме мухи. К примеру, мышиная версия гена Pax-6 может покрыть тело мухи дополнительными глазами. Исследуя геномы других животных — будь то кишечнодышащие черви или морские ежи, кальмары или пауки, — биологи обнаруживают, что в них тоже присутствуют эти регуляторные гены.

Регуляторные гены способны при помощи одних и тех же инструкций сооружать очень разные тела. Ноги краба, к примеру, представляют собой полые цилиндры, внутри которых проходят мышцы. Наши собственные ноги формируются вокруг прочной опоры — костей, и мышцы проходят по их наружной части. Тем не менее у крабов и людей много общих регуляторных генов, отвечающих за строение конечностей. То же можно сказать о глазах, хотя глаз человека — единичный элемент желеобразной структуры с регулируемым зрачком, а глаз мухи состоит из сотен крохотных ячеек, которые вместе формируют изображение. Человеческое сердце — это несколько камер, которые посылают кровь в легкие, а затем по всему телу, а сердце мухи — цилиндрический сосуд играющий роль насоса. Но во всех перечисленных случаях в строительстве аналогичных органов совершенно непохожих животных участвуют одни и те же регуляторные гены.