Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

В ходе кембрийского взрыва позвоночные получили не только спинной мозг, проходящий вдоль спины. При помощи генетического инструментария им удалось обзавестись глазами, сложным мозгом и скелетом. Одновременно позвоночные стали мощными пловцами и прекрасными охотниками и с тех пор неизменно занимают нишу господствующих хищников моря и суши.

Древнейшие известные ученым останки позвоночных — обнаруженные в Китае существа, похожие на миногу, — относятся примерно к середине кембрийского взрыва и имеют возраст 530 млн лет. Чтобы понять, как появились первые позвоночные, ученые тщательно исследовали нашего ближайшего беспозвоночного родича[8]. Это животное — ланцетник — на первый взгляд не производит особого впечатления. Больше всего оно напоминает вытащенную из банки безголовую сардину. Ланцетник начинает жизнь в виде крошечной личинки; он дрейфует в теплых прибрежных водах и глотает кусочки пищи, которые ему попадутся. Вырастая до сантиметра длиной, взрослый ланцетник строит нору в песке, высовывает наружу голову и продолжает питаться, фильтруя воду.

Но каким бы непритязательным ни казался ланцетник, у него немало общих черт с позвоночными. В передней части тела у него имеются щели, соответствующие жабрам у рыб. Вдоль спины у него проходит нервный тяж, жесткость которому придает хорда, или спинная струна. Позвоночные тоже имеют хорду, но лишь на эмбриональной стадии. Со временем, по мере того как укрепляется позвоночный столб, хорда исчезает.

Иными словами, некоторые детали строения тела позвоночных появились еще у общего предка позвоночных и ланцетника. В то же время ланцетниковым недостает многого из того, что присуще позвоночным. К примеру, у них нет глаз, а нервный тяж оканчивается просто крохотным утолщением, а не настоящей массой нейронов, которую можно было бы с первого взгляда принять за мозг.

Но и у ланцетника можно найти органы, предшествовавшие возникновению глаз и мозга. Так, ланцетник воспринимает свет при помощи специального углубления, выстланного светочувствительными клетками; эти клетки объединены в сеть, подобно клеткам сетчатки у позвоночных, и присоединены к переднему концу нервного тяжа — примерно так же, как наши глаза к нашему мозгу. Пусть в крохотном утолщении на переднем конце нервного тяжа ланцетника всего несколько сотен нейронов (в человеческом мозге их 100 млрд), но он, как и мозг позвоночных, разделен в упрощенном варианте на функциональные части.

Сходство между нервным тяжем ланцетника и мозгом позвоночных распространяется и на гены, управляющие их строительством. HOX гены и другие регуляторные гены, размечающие головной и спинной мозг позвоночного, делают ту же работу и в эмбрионе ланцетника, причем почти точно в том же порядке — от головы к хвосту. В клетках развивающегося светочувствительного пятна ланцетника действуют те же гены, которые строят глаз позвоночного. Можно с уверенностью предположить, что у общего предка ланцетниковых и позвоночных те же гены отвечали за строительство такого же примитивного мозга.

После того как предки позвоночных и ланцетниковых разделились, наши предки прошли необычайный эволюционный путь. Если у ланцетника имеется комплект из тринадцати HOX генов, то у позвоночных — четыре таких комплекта, и каждый из них организован в том же порядке (от головы к хвосту). Скорее всего, дублирование первоначального набора HOX генов было вызвано мутациями. После учетверения новые гены ожидала разная судьба. Некоторые из них продолжали выполнять прежние функции и остались HOX генами. Но другие эволюционировали и получили возможность влиять на формирование зародыша иными способами.

Благодаря этой вспышке генного воспроизведения у наших предков начали появляться тела все более сложного строения. Позвоночные смогли отрастить себе носы, глаза, скелеты и мощные глотательные мышцы. В какой-то момент древней эволюции позвоночных HOX гены, отвечавшие за развитие зародыша от головы к хвосту, получили новую функцию: строительство плавников. Плавники помогали позвоночным плавать и маневрировать в воде более эффективно, чем их ланцетовидным предкам.

Вместо того чтобы просто отфильтровывать пищу из воды, ранние позвоночные теперь смогли заняться охотой. Они загоняли и добывали крупных животных, а потому и сами могли эволюционировать и стать крупнее. Благодаря генетической революции ранние позвоночные со временем дали начало акулам, анакондам, людям и китам. Без этих новых кембрийских генов мы и сегодня могли походить на ланцетников и дрейфовать в волнах океана, поводя своей крохотной безмозглой головкой.

Ключевым и необходимым условием кембрийского взрыва была эволюция строительного набора, о котором мы говорили, — нашего генетического инструментария. Однако после его появления эволюционный взрыв произошел далеко не сразу. Животные, успевшие обзавестись генетическим инструментарием, жили и развивались, вероятно, десятки миллионов лет, прежде чем 535 млн лет назад в палеонтологической летописи появились первые свидетельства кембрийского взрыва. Но почему? Если эти животные уже несли в себе громадный эволюционный потенциал, что не давало им пуститься во все тяжкие?

Вероятно, генетический инструментарий этих ранних животных можно сравнить с запалом бомбы, ожидающим, пока кто-нибудь поднесет спичку к бикфордову шнуру. До кембрия океаны были не слишком благоприятным местом для эволюции животных. Крупные активные животные, появившиеся в океанских водах в результате кембрийского взрыва, нуждались в кислороде, а химический состав пород, сформировавшихся на дне докембрийских морей, говорит о том, что кислорода в воде почти не было. Фотосинтезирующие водоросли и бактерии на поверхности воды в изобилии производили кислород, но в глубину он почти не проникал. Кислорододышащие бактерии-падальщики благополучно съедали производителей кислорода после их гибели все там же, на поверхности, а остальная часть океанских вод оставалась по-прежнему бедна кислородом.

Около 700 млн лет назад содержание кислорода в воде начало повышаться и через некоторое время достигло, скажем, половины от нынешней его концентрации. Связано это было с разломом суперконтинента. В результате активных геологических процессов большое количество углерода было увлечено на дно новых океанских бассейнов, а в атмосфере появилось больше свободного кислорода. Некоторая часть этого кислорода проникла и в океанские глубины.

После того как содержание кислорода в воде выросло, для планеты в целом, судя по всему, наступили нелегкие времена. Как утверждает гарвардский геолог Пол Хоффман, на Земле тогда наступил ледниковый период и ледники разрослись едва ли не до экватора. Для их таяния понадобилось, чтобы вулканы выпустили в атмосферу достаточно углекислого газа и заработал парниковый эффект. Жизнь во время этого глобального ледникового периода сохранялась в отдельных местах, где условия оставались терпимыми; эволюция при этом могла ускориться, возникали новые виды с новыми адаптационными механизмами. А поскольку новые генетические приспособления уже имелись, животные могли отозваться на эволюционное давление невиданной вспышкой генетического разнообразия — кембрийским взрывом.

Возможно, начало кембрийскому взрыву положили гены и физические условия, но, судя по всему, именно экология определила его продолжительность и масштабы. Среди новых животных, появившихся на свет в начале кембрийского периода, были и те, кто мог — впервые за всю историю жизни на Земле — питаться водорослями. Эти беспозвоночные обзавелись специальными ветвистыми отростками, позволявшими им улавливать пищу, и добились невероятного успеха. (Сегодня их успех развивают громадные армии изящных креветок, водяных блох и других потребителей мельчайших водорослей.) Эти существа, став достаточно многочисленными, стимулировали появление крупных и быстрых хищников, которыми, в свою очередь, могли питаться еще более крупные хищники. В океане быстро сформировалась сложная сеть переплетающихся пищевых цепочек.

Новые факторы эволюционного давления — необходимость пастись или охотиться — могли вызвать еще большую диверсификацию, причем не только животных, но и водорослей. Из водорослей в древнейших слоях палеонтологической летописи чаще всего встречаются так называемые акритархи. В докембрии акритархи были мелкими и неинтересными, но в ходе кембрийского взрыва они внезапно отрастили себе шипы и другие украшения; кроме того, появились гораздо более крупные формы. Вероятно, так развивались механизмы защиты от поедателей водорослей, ведь проглотить нечто крупное и колючее гораздо труднее. Растительноядные развивали у себя механизмы обхода защитных приспособлений и собственные устройства защиты — шипы, раковины, панцири — от хищников, которым тоже приходилось искать новые методы охоты, обзаводиться когтями и мощными зубами, а также более тонкими органами чувств. Кембрийский взрыв превратился в самоподдерживающуюся цепную реакцию.