Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Как и Мюллер, Геккель понимал, что построение филогенетической истории по эмбриологическим данным далеко от совершенства. Отдельные стадии могут выпадать, но, что более серьезно, в развитии возможны интерполяции или появление новых стадий, представляющих собой результат эмбриональных адаптаций, или, как их называл Геккель, ценогенезов. Они, как утверждал Геккель, не имеют эволюционного значения, но искажают картину исторического развития. Он обратил также внимание на два других явления. Одно из них он назвал гетеротопией - изменение места закладки структуры, возможно в результате какого-то изменения в участии зародышевых листков при образовании данного органа или ткани. Другое явление Геккель назвал гетерохронией; оно состоит в сдвиге сроков или последовательности развития органов по сравнению с тем, чего следовало бы ожидать на основании филогенетических данных. Геккель не мог понять, что такие явления представляют собой потенциальные механизмы для существенных эволюционных изменений. Для него это были просто помехи, затрудняющие выявление филогении при помощи сформулированного им биогенетического закона. Геккель использовал свой биогенетический закон для интерпретации не только личиночных стадий развития, но и самых ранних событий эмбриогенеза. Яйцо было для него рекапитуляцией исходного одноклеточного предка всех животных. Бластула соответствовала «бластее» - гипотетической древней форме, образованной одним слоем клеток, окружавших внутреннюю полость. Гаструла, образующаяся путем впячивания стенки бластулы, в результате чего получается мешок, состоящий из двух слоев клеток с отверстием на одном конце, соответствовала «гастрее» с ее первичным ртом и двуслойным строением. Геккель считал кишечнополостных современными представителями животных, находящихся на стадии гастреи.

Широкое признание биогенетического закона и интерпретации Геккеля порождало убеждение, что, поскольку даже самые ранние стадии эмбрионального развития являются прямым следствием филогении, вряд ли имеет смысл искать непосредственные причины развития. Вместо этого следует заниматься поисками филогенетических данных. Такая точка зрения тормозила развитие экспериментального направления в эмбриологии.

Механика развития и менделевская генетика

К концу XIX в. ощущалась все большая напряженность во взаимоотношениях между двумя главными философскими подходами к биологии - Аллен (Allen) называет это расхождением между натуралистами и экспериментаторами. Натуралистов традиционно интересовал организм как целое, его строение и его приспособленность. Их методом было наблюдение. Следуя за Дарвином, ученые этого направления собирали данные, подтверждающие эволюцию, и были глубоко погружены в распутывание эволюционной истории ныне живущих и вымерших организмов. Решающую роль в их исследованиях играли изучение морфологии и наблюдения за эмбриональным развитием.

Экспериментаторов меньше интересовал организм как целое или его морфология; они сосредоточили внимание на лабораторном изучении отдельных аспектов функций, поддающихся анализу. В основе экспериментального подхода к биологии лежат два главных допущения. Первое из них состоит в том, что функцию изолированного органа, клетки или фермента, наблюдаемую в лаборатории, можно экстраполировать на живой организм. Согласно второму допущению, экспериментально вызванные нарушения системы могут дать информацию о ее нормальной функции. Экспериментаторы стремились превратить биологию в точную науку по образу и подобию химии и физики. Физиология и биохимия, иллюстрирующие экспериментальное направление в биологии, в конце XIX в. добились грандиозных успехов и могли бы служить примером для эмбриологии. В этот период господства взглядов Геккеля и его биогенетического закона эмбриология, натуралистическая по своим традициям и бывшая верным солдатом службы филогении, оказалась готовой перейти в другой лагерь и превратиться в экспериментальную науку со своими собственными задачами и подходами. Первый настоящий методологический вызов представлениям Геккеля бросил в 1874 г. Вильгельм Гис (Wilhelm His), искавший непосредственные механические причины онтогенеза в физических свойствах протоплазмы оплодотворенного яйца и в условиях той среды, в которой оно развивается. Эти работы вызвали сильные нападки и насмешки со стороны Геккеля и его последователей; во всеобщем стремлении применять биогенетический закон многие их просто игнорировали. В 1888 г. доведенный до раздражения Гис писал:

«Это противодействие применению основных законов науки к вопросам эмбриологии едва ли было бы понятным, если бы оно не упиралось в догматизм. Единственным допустимым объяснением развития живых существ считается наследственность, а любое другое объяснение, имеющее иную основу, отвергается. Между тем считать, что наследственность способна создавать живые существа без участия механических факторов - всего лишь ненаучная мистика».

Другие эмбриологи также начинали проводить эксперименты с целью проверки механистических гипотез. В 1883 г. Пфлюгер (Pfluger) изучал роль силы тяжести в определении плоскости дробления оплодотворенного яйца. Его заключение, что плоскость дробления определяется силой тяжести, было неверным, однако здесь нас интересует не это. Значение его работ состоит в том, что он применил экспериментальный подход с тем, чтобы выделить и изучить один определенный механический аспект развития. Продвижение экспериментальных исследований ускорилось после того, как в 1887 г. Шабри (Chabry), работавший на оболочниках, а в 1888 г. Ру (Roux), работавший на лягушках, опубликовали результаты экспериментов, в которых они один из бластомеров двуклеточного зародыша разрушали уколом иглы и наблюдали за развитием оставшегося бластомера.

Бластомеры были не просто жертвами праздного любопытства. Целью экспериментов с их разрушением была проверка предположения, что прогрессивная и дивергентная специализация клеток развивающегося зародыша вызывается неравномерным распределением между ними хромосом, в результате чего разные клетки зародыша оказываются различными вследствие различий в тех наследственных частицах, которые они содержат. Ру полагал, что он продемонстрировал правильность гипотезы о строгой мозаичности развития, однако его взгляды подверг сомнению Дриш (Driesch), который в 1892 г. провел эксперименты, показавшие, что каждый из разделенных бластомеров дробящихся яиц морского ежа развивается в полноценного зародыша.

К 1894 г. целое поколение эмбриологов, осознавших успешность экспериментального подхода в физиологии и биохимии и огорченных отсутствием точности в филогенетических спекуляциях, было готово откликнуться на призыв Ру к созданию новой науки - механики развития. В 1894 г. Ру опубликовал очень подробный проспект о задачах этой науки во вводной статье к новому журналу «Archiv fur Entwicklungsmechanik der Organismen», который он основал для публикации сообщений об исследованиях в области механики развития. Под механикой Ру понимал причинность; он писал: «...задачей механики развития должно быть сведение формообразовательных процессов развития к лежащим в их основе законам природы». Ру имел в виду не только элементарную химию и физику изучаемой системы, но и лежащие в ее основе биологические механизмы. Он отмечал, что «...все крайне разнообразные структуры многоклеточных организмов можно свести к нескольким modi operandi - росту клеток, их исчезновению, делению, миграции, активному формированию, элиминации и качественному метаморфозу». Программа, созданная Ру, призывала к изучению роли этих процессов в событиях, составляющих развитие, и к детальному исследованию самих этих клеточных событий.

Но к истинной революции в эмбриологии привело настойчивое утверждение Ру, что, хотя некоторые представления о механизмах развития можно вывести из наблюдений, доказать их существование можно только экспериментальным путем. Отдельные компоненты развивающейся системы можно изучать путем их «выделения, перемещения, уничтожения, ослабления» и наблюдать затем, какое влияние это оказывает на нормальный процесс. Созданная Ру механика развития преобразовала эмбриологию и привела к тому, что вопросы филогении стали играть все меньшую и меньшую роль в деятельности эмбриологов, занимающихся функциональным анализом развития. Механистический и редукционистский подход сулил реальную возможность разрешить проблемы развития, дав им объяснение на молекулярном уровне. В 1890-х годах у многих биологов появилась склонность к редукционизму. Как раз в это время, в 1896 г., Эдуард Бухнер (Eduard Buchner) опубликовал эксперименты, показавшие, что брожение, которое считали биологическим процессом, неотделимым от живой дрожжевой клетки, можно получить и вне клетки, при помощи изолированных ферментов. Работа Бухнера была достаточно убедительной, а о значении, которое она имела в то время, можно судить по тому, что Бухнер получил за нее в 1907 г. Нобелевскую премию по химии. Ферменты послужили прекрасной моделью, позволившей представить жизнь как сложный химический процесс. Оппенгеймер и Митчел (Oppenheimer, Mitchel), например, в своей книге «Ферменты и их действие», опубликованной в 1901 г., пространно обсуждали химическую природу и действие ферментов, а также различные основные их классы. Они рассматривали, между прочим, и ферменты, обнаруженные в зародышах. Молекулярные механизмы в эмбриологии затрагивают в своих работах Дриш (Driesch, 1894) и Уилсон (E.B.Wilson, 1898, 1904).