Шон Кэрролл - Приспособиться и выжить!
Хотя тропические рыбы, бабочки и птицы считаются, вероятно, самыми красивыми представителями царства животных, в царстве биологических исследований найдется мало существ, которые могли бы соперничать с плодовой мушкой, или дрозофилой. Открытие регуляторных генов дрозофилы возродило к жизни биологию развития и способствовало появлению нового направления биологии — эволюционной биологии развития (эво-дево). Не так давно разнообразие окраски крыльев дрозофил (хотя и менее нарядных, чем крылья птиц или бабочек) помогло прояснить механизмы эволюции новых признаков.
У лабораторной плодовой мушки Drosophila melanogaster крылья бледные, но ее многочисленные родственники из того же семейства обладают крыльями с разнообразным черно-белым рисунком (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Разнообразие окраски крыльев плодовых мушек. Крылья этих маленьких насекомых — прекрасный пример того, как с помощью одних и тех же генетических инструментов может возникнуть почти бесконечное разнообразие узоров. Монтаж Николаса Гомпела и Бенжамина Прюдомма.
У многих видов характерная окраска присуща только самцам и предназначена для демонстрации самкам в период ухаживания, когда самцы танцуют или прихорашиваются перед своими избранницами. Наиболее типичная окраска — одно черное пятнышко около кончика крыла.
Сотрудники нашей лаборатории в Университете Висконсина занимались изучением происхождения и эволюции пятен на крыльях дрозофил. Эти пятна — превосходная иллюстрация общей закономерности: новые признаки появляются тогда, когда «старые» гены учатся новым трюкам.
Появление пятен на крыльях связано с активностью фермента, синтезирующего меланин (черный пигмент, о котором мы уже говорили в главе 7). Этот фермент можно сравнить с кисточкой в генетическом «наборе инструментов». У насекомых с пятнистыми крыльями эта кисточка прокрашивает заранее заданный рисунок. Форму рисунка контролируют переключатели, окружающие кодирующую область каждого гена-кисточки. В ходе эволюции рисунка крыльев переключатели претерпели несколько изменений. Появление темных пятен с хорошо очерченными краями было не одностадийным процессом («пятен нет — пятна есть»), а последовательной серией изменений, в ходе которых эволюционировала форма рисунка и интенсивность окраски. Так что история «простого» пятна не так уж проста: оно сформировалось постепенно в результате сложения многих мелких вариаций. Мы считаем, что большинство физических признаков эволюционировали таким же образом.
Мы идентифицировали изменения в последовательности переключателя, регулирующего использование одного гена-кисточки в крыле (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Появление и исчезновение пятен на крыльях у дрозофил происходит при участии специфических переключателей гена-кисточки. Появление пятнистых крыльев у современных дрозофил, эволюционировавших из предшественника с неокрашенными крыльями, произошло в результате модификации генетического переключателя, контролирующего работу гена окраски в развивающемся крыле (звездочки). Селективная потеря пятен на крыльях (без каких-либо изменений в других частях тела) также произошла в результате модификации этого переключателя (X). Рисунок Лианн Олдс.
Этот ген имеет и другие переключатели, регулирующие его действие в других частях тела (например, в груди и брюшке) или на других стадиях развития (у личинок дрозофил). И вновь существование независимых переключателей позволяет модифицировать действие инструментального гена в одной части тела, не влияя на его действие в других местах. У других видов модификация других переключателей приводила к другим изменениям.
Появившееся на крыле темное пятно передалось по наследству многим дочерним видам. Интересно, однако, что некоторые виды мушек его потеряли. Потеря признака — гораздо более частое явление в природе, чем думают многие. Почему исчезли пятна на крыльях дрозофил? Возможно, самки перестали ориентироваться на этот признак при выборе партнера, половой отбор этого признака ослабел, и пятна исчезли. Мы исследовали механизм исчезновения пятен и обнаружили, что переключатель, позволивший образоваться пятнам на крыльях у предков, накопил мутации и инактивировался (этот сценарий напоминает образование ископаемых генов, о которых я рассказывал в главе 5). Переключатели, подобно белкам, также могут разрушаться под действием мутаций. Разница заключается в том, что инактивация переключателя не приводит к инактивации гена-кисточки, который продолжает участвовать в окрашивании других частей тела.
В результате игр с переключателями генов пигментации у дрозофил появилось множество вариантов окраски крыльев, чему способствовал как естественный, так и половой отбор. Пример этого маленького насекомого очень важен, поскольку показывает, как с помощью одного и того же набора генетических инструментов можно добиться большого разнообразия.
Создаем сложное
Я начал первую главу книги словами Дарвина: «Когда в каждом произведении природы мы будем видеть нечто, имеющее длинную историю; когда в каждом сложном строении или инстинкте мы будем видеть итог многочисленных хитроумных приспособлений, каждое из которых полезно их обладателю… как неизмеримо — говорю на основании личного опыта — возрастает интерес, который представит нам изучение естественной истории!»
Дарвин выбрал термин «хитроумное приспособление» (contrivance) для усиления своей мысли. Ту же терминологию использовал преподобный Уильям Пейли в знаменитой книге «Естественная теология» (Natural Theology, 1802 г.). В существовании «хитроумных приспособлений» в природе Пейли видел доказательство божьего промысла: «Изобретение должно иметь изобретателя, а создание создателя». Дарвин, который был страстным поклонником книги Пейли и утверждал, что почти выучил ее наизусть, оформил многие аргументы в своей книге «О происхождении видов» как прямое опровержение аргументов Пейли в пользу существования создателя.
Преимущество Дарвина перед Пейли и другими мыслителями того времени заключается в способности охватывать большие временные промежутки. Благодаря своим изысканиям в области геологии Дарвин получил представление о мощной кумулятивной силе постепенных изменений, происходящих на протяжении чрезвычайно длинных отрезков времени. Его воображение и, что еще важнее, способность быстро схватывать суть явлений позволили ему выбраться из смирительной рубашки библейской интерпретации возраста Земли. Дарвин понимал, что ему придется собрать огромное количество фактов, отыскать наиболее яркие аналогии и метафоры и изложить материал самым убедительным образом, чтобы преодолеть мощное сопротивление и сомнения ученых и широкой публики. Он предвидел трудности, которые должны возникнуть у людей при попытке понять происхождение сложных структур или «хитроумных приспособлений». Но он знал, что этот труд окупится сторицей.
Количество фактов, касающихся эволюции, продолжает множиться во всех направлениях. Большие достижения в области биологии развития и эво-дево, а также расшифровка летописи ДНК открыли новые перспективы в изучении эволюции и ее истории. Биология развития позволяет исследовать формирование сложных структур в доступном для восприятия временном диапазоне. Киты, черепахи, рыбы, крабы и кораллы барьерного рифа являются сложными существами, но все они начинают свою жизнь со стадии оплодотворенного яйца. Через несколько дней, недель или месяцев они превращаются в целые организмы с многочисленными сложными органами, и суть этого процесса теперь известна нам в мельчайших подробностях. Эво-дево связывает различия между видами, находящимися в ежедневном процессе развития, с длительным процессом эволюционных изменений формы, то есть со «сложением» всех изменений, произошедших в ходе развития видов за многие тысячи и миллионы поколений. А информация, заключенная в ДНК, позволяет реконструировать каждый отдельный этап эволюции.
Идея о создании живых существ усилием какого-то внешнего разума лишилась всех оснований.
Трудно представить, что человек, знакомый со всеми этими фактами, все еще может сомневаться. Эти данные получены благодаря тем же научным и технологическим достижениям, которые позволили выявить генетические причины сотен заболеваний, создать десятки новых средств для генной терапии, реформировать криминалистику и сельское хозяйство. И все же вопреки всем научным доказательствам сомнения и отрицание реальности биологической эволюции по-прежнему нередки. Чтобы понять, откуда эти сомнения и это неприятие, нужно выйти из сферы научных исследований, поскольку причины этих сомнений не могут быть научными и не являются таковыми. Их суть кроется в культурной традиции. Чтобы это понять, лучше всего обратиться к тем моментам в истории человечества, когда некоторые группы людей по личным или идеологическим соображениям отказывались принимать новые научные открытия.
