Увидеть прошлое
Настоящее - следствие и, если хотите, заложник прошлого. Глядя вокруг, мы видим факты, но не понимаем их причины, прячущиеся в прошедшем. Увы, прошлое нельзя наблюдать - его можно только реконструировать. Хорошо еще, если следы былых фактов лишь исказились, побывав под пятой разрушающего времени. Подавляющая часть событий прошлого просто-напросто стерта без следа.
Всеведущий демон Лапласа, выражение классической веры в силу науки, по положению и характеристикам движения всех существующих частиц мог полностью исчислить предысторию и постысторию Вселенной. Теперь мы осознали пугающую неопределенность будущего, скрывающуюся за терминами «детерминированный хаос», «странный аттрактор», «неопределенность Гейзенберга» и другими заклинаниями. С прошлым не легче. Раз настоящее не однозначно определяется своей предысторией, наблюдаемому настоящему может соответствовать бесконечное множество потенциальных прошлых, определяющих его своими свойствами!
Любое развитие -
Простите, я затянул обращение к примеру реконструкции прошлого, о котором расскажу. Речь идет о выходе позвоночных на сушу. Трудно осознать, сколь различны условия для жизни крупных животных в воде и на суше. Как наши предки перешли через эту границу? Счастливая случайность? Наверняка нет. Такой переход, по-видимому, происходил независимо в нескольких эволюционных ветвях рыб, давших начало нескольким группам первых четвероногих! Приспособления рыб к жизни в мелководных водоемах девонского периода оказались ключом к освоению суши. Не вдаваясь в детали, укажу, что конечности возникли как орган отталкивания от дна на мелководье, а легкие - как орган дыхания воздухом, когда голова находится над поверхностью воды. Хорошо, что мы имеем свидетельства строения конечностей у нескольких полурыб-получетвероногих. А как перестраивались другие системы?
Заглядывать в прошлое можно с помощью моделей. Исследователи из Швейцарского федерального политехнического института в Лозанне (EPFL) построили модель первых четвероногих. Тело - цепочка из девяти подвижных блоков; на втором и шестом - ножки1. «Нервная система» устроена по аналогии с нервной системой миноги2. Такое устройство, несмотря на примитивность нервной системы, может не только плавать, но и ползать. Интересно, только жаль, что отношения к действительному прошлому эти эксперименты практически не имеют.
Другая работа использует средства генетики. Nature опубликовала статью Маркуса Дэвиса (Marcus Davis) и соавторов из университета Чикаго (University of Chicago). Авторы исследовали Hox-гены - переключатели, отвечающие за формирование плана строения тела. Экспрессия Hox-генов, отвечающих за формирование конечностей у четвероногих, проходит две фазы. Первая связана с формированием самой конечности или плавника, вторая - с образованием пальцев. У четвероногих регистрируются обе фазы, у данио рерио (аквариумной рыбешки) - лишь первая. Авторы работы исследовали веслоноса, американского представителя осетровых, и обнаружили у него и первую, и вторую фазу экспрессии таких генов. Ну что ж, интересный факт. А вот вывод из него сомнителен: ученые считают, что развитие конечностей у древних рыб было предопределено, заранее «вшито» в их гены.
Веслонос находится с четвероногими примерно в таком же родстве, как и данио, - четвероногие произошли от другой группы рыб, лопастеперых. Наличие сходных генных последовательностей вовсе не говорит о сходстве функций: они могут быть переопределены. Аналогия: кости, находящиеся в среднем ухе человека и других млекопитающих (молоточек и наковальня), происходят от костей, формировавших челюстной сустав у наших рептильных предков. Означает ли это, что в челюстях рептилий «зашит» план среднего уха млекопитающих? Нет! Когда прежние функции этих костей оказались утрачены, они приобрели новые. А можно ли тогда утверждать, что гены, выполнявшие одни функции у древних рыб, содержали план тех функций, которые они начали выполнять у четвероногих?
Выходит, предопределенности в освоении суши не было? Как знать… То, что она не доказана в работе Дэвиса, не означает, что ее не существовало. Один пример. Есть такая рыба, илистый прыгун (кстати, скорее родственник данио, чем веслоноса, и, вероятнее всего, лишенный второй фазы экспрессии Hox-генов конечностей). В 1934 году Дж. Хармс (J. W. Harms) показал, что при введении гормона тироксина3 грудные плавники илистого прыгуна превращаются в нечто вроде конечностей, эдакие тонкие лапы. Предопределенность относилась к путям перестройки онтогенеза?
А можно ли вообще реконструировать прошлое, изучая нынешние живые системы, которые стали тем, чем они являются, только потому, что забыли существенную часть своего прошлого? Хоть мы и заложники прошлого, нам не дано точно знать, что и как определяет нашу судьбу. Так, догадки высказываем…
1 Совсем не похожие на ноги первых четвероногих… Обратно к тексту
2 Почему именно миноги? Она что, в родстве с первыми четвероногими? Ну, в каком-то смысле мы все родственники, но минога дальше от моделируемых животных, чем, к примеру, рыбы… Обратно к тексту
3 Гормона, который запускает созревание и выход на сушу у личинок земноводных. Обратно к тексту
Сумчатый интерес
Несколько новостей последнего времени имеют прямое отношение к сумчатым млекопитающим. Расшифрован геном первого сумчатого - домового голохвостого опоссума Monodelphis domestica. В Бразилии этот зверек живет в помещениях, как мышь, но питается не человеческими запасами, а грызунами и насекомыми (хищник, как-никак). Один из первых выводов изучения генома этого животного заключается в том, что эволюция плацентарных ("нашей» группы млекопитающих) была связана не с появлением новых белков, а с изменением механизмов регуляции развития (кому-то без специальных исследований это было непонятно). Изученный вид интересен и для медицины. У него, как и у человека,
Вообще, детеныши сумчатых - одно из чудес природы. Сколько поколений биологов удивлялось тому, как мелкий, недосформированный эмбрион сразу после появления на свет способен совершить путешествие к соску матери! Одно из интересных следствий ранних родов - мощные защитные свойства материнского молока. Иммунная система новорожденного еще не сформирована, и он был бы идеальной питательной средой для бактерий, если б не антибиотики молока. Австралийские биологи сейчас изучают защитные вещества в молоке филандера Евгении (кенгуру такого) - Macropus eugenii. Одно из этих веществ уже синтезировано и доказало высокую способность уничтожать бактерии (а не просто останавливать их рост, как большинство антибиотиков).
А вы знаете, что у самок сумчатых два влагалища и два рога матки, а у самцов, соответственно, парные или раздвоенные члены? Это, конечно, архаичный признак. А вот то, что масса детеныша не превышает 0,2% массы тела матери, не так уж и плохо. Сравните роды кенгуру, к примеру, с подвигом пятидесятикилограммовой роженицы, производящей на свет новорожденного весом в три с половиной кила! Но есть и одно печальное для сумчатых обстоятельство. Их мозг должен очень рано начать управление жизнедеятельностью детеныша: надо доползти до соска, удерживаться на нем, переваривать доступную пищу… У мозга сумчатых нет столь вольготного промежутка эмбрионального роста «на будущее», какой есть у плацентарных, и это серьезный недостаток.
Романтики до сих пор ищут в труднопроходимых лесах Тасмании сумчатого волка. Крупнейший из доживших до прихода человека видов сумчатых уничтожен не только охотниками, но и одичавшими собаками. По ТТХ сумчатый волк превосходил собаку динго во всех отношениях, кроме одного - гибкости поведения. Собаки способны согласовывать действия в стае и прогнозировать поведение своих жертв. Поскольку их жертвами были сумчатые, а все сумчатые, увы, тупы по сравнению с плацентарными, у собак все получалось хорошо. А вот тасманийские волки остались без пищи и отправились в небытие.
…Нет, то, что из двух параллельных ветвей эволюции к нам привела именно линия плацентарных, а не сумчатых - не случайно. Но это не основание относиться к сумчатым без уважения!
Эволюционная колея
В последние годы все больше подтверждений получает гипотеза о параллельности ключевых эволюционных событий. Становление новой группы происходит во многих эволюционных ветвях, проходящих через похожие этапы. Этот процесс условно называется «-ацией» (млекопитающие возникли в результате маммализации зверообразных рептилий, птицы — в результате орнитизации динозавров и их родственников, четвероногие — тетраподизации лопастеперых рыб, цветковые растения — ангиоспермизации голосеменных и т. д.). Как экспериментально изучить основы этого процесса? Модельной биосферы с ускоренным временем у нас нет, и приходится довольствоваться биохимической эволюцией бактерий. Кроме теоретического, бактериальные модели имеют и практическое значение, позволяя, например, изучать динамику развития устойчивости к антибиотикам.
В таких экспериментах используется жесткий отбор бактерий на устойчивость к воздействию, требующему изменения нескольких генов. Как мы недавно писали (см. «КТ» #637), одновременный отбор по многим генам неэффективен, поэтому генетические изменения бактерий выстраиваются «в цепочку». Вначале происходит одна мутация, повышающая устойчивость. После ее распространения по популяции становится вероятной закрепление второй мутации, и так продолжается до достижения конечного состояния. Естественно, для этого необходимо, чтобы последовательность мутаций могла выстроиться в последовательность, где на каждом следующем этапе бактерии лучше приспособлены к изменившейся среде.
В Гарвардском университете изучали развитие устойчивости бактерий к
Исследователи из Университета Райса в Хьюстоне попытались отследить процесс преобразования «вживую» и выбрали бактерий из горячих источников. Дикий тип Geobacillus stearothermophilus живет при 73 °С. Экспериментаторы использовали мутантную линию, потерявшую термоустойчивость, и выращивали ее во все более горячей воде, так что бактериям приходилось восстанавливать поврежденный ген. Первым шагом стала мутация, позволяющая выдерживать температуру в 62 °С, после нее появилось пять модификаций, из которых две оказались устойчивее других. Увы, восстановить дикий тип так и не удалось. Но повторив эксперимент, исследователи получили те же этапы эволюции экспериментальной популяции.
Кажется, удалось доказать, что биохимическая эволюция бактерий идет накатанной колеей. Но обратите внимание: в обоих случаях моделировалось развитие уже существовавшего признака. Это относится и к широко распространенной (в результате нашей деятельности) устойчивости к антибиотикам и к естественной термофильности жителей горячих источников. А вот в случаях «-аций», с которых мы начали, возникает нечто принципиально иное, что не объяснишь точечными мутациями, выстроенными в цепочку. Тем интереснее узнать, что канализованность предопределяется еще на молекулярном уровне.
О длине морды
По мере расширения знаний о функционировании генома все яснее становится, что эволюционные изменения организма связаны не с появлением или уничтожением новых генов, а с изменением активности уже существующих регуляторных механизмов. Зачастую эволюционные изменения проявляются лишь в увеличении или уменьшении относительной скорости роста той или иной части тела.
Возьмем, например, подбородочный выступ. По мере становления современного человека подбородок у него становился все крупнее и отчетливее. Зачем же нужен этот орган? Естественно предположить, что он как-то связан с речью. Однако исследования артикуляции у людей, у которых на подбородок можно повесить чайник, как и тех, кто имеет скошенную назад нижнюю челюсть, показали, что на владение речью эти особенности не влияют. Все становится понятнее, если учесть, как шло развитие человека. Наш череп состоит из двух частей: лицевой и мозговой. Чтобы поместить большой мозг, пришлось ускорить развитие мозговой части и затормозить развитие лицевой. Нижняя челюсть состоит из двух относительно независимых блоков: зубного и несущего. Рост зубной части оказался заторможен сильнее, и быстрее растущая часть «выехала» вперед, образовав подбородок. Получается, что подбородок не орган (часть тела, выполняющая определенную функцию), а побочный продукт, отражающий наши эволюционные недоделки.
А какие модификации генома обеспечивают такие изменения? Ответить на этот вопрос помогут результаты, полученные в UT Southwestern Medical Center в Далласе. Здесь изучались характерные генетические последовательности у разных пород собак. Исследователи отметили корреляцию между длиной морды собак и характером так называемых тандемных повторов (множественных копий одинаковых последовательностей, расположенных одна за другой и ориентированных, в отличие от палиндромных последовательностей, в одном направлении). Разнообразие тандемных повторов зарегистрировано и у диких представителей семейства собачьих, но оно гораздо меньше, чем у домашних. Видимо, быструю эволюцию пород удалось обеспечить благодаря перестройкам высокоизменчивой части генома, к которой относятся тандемные последовательности.
Сообщения о полученных результатах, прошедшие по новостным агентствам, как и отчеты самих исследователей, отражают одну и ту же иллюзию. Авторы открытия решили, что описали не механизм, а причину эволюционных изменений. (Это свидетельствует о нежелании специалистов-молекулярщиков, «биологической элиты», тратить силы на ознакомление с современным состоянием эволюционного учения; их устраивает синтетическая теория эволюции, появившаяся в 40-х годах прошедшего века.)
Как появлялись породы собак? Человек сохранял тех производителей, которые обладали интересными для него качествами. Например, длинноногие-длинномордые собаки хороши для охоты на зайцев. При отборе таких особей преимущественно сохранялись все особенности генотипа, повышающие вероятность развития в желаемом направлении; перестройки тандемных повторов были в их числе. Только ли с ними связано, к примеру, удлинение морды? Оснований, чтобы это утверждать, нет. Кстати, эксперименты по отбору в определенном направлении показывают, что один и тот же внешний эффект может достигаться благодаря различным генетическим изменениям. Можно ли считать подобные изменения причиной наблюдаемых признаков? Нет, это всего лишь один из механизмов их проявления. К примеру, то, что целлюлозные волокна бумаги смачиваются типографской краской, — механизм, позволяющий вам читать эти слова, но вовсе не их причина.
Кстати, основные отличия геномов человека и шимпанзе также касаются высокоповторяющихся последовательностей. Ну что ж, у нас тоже укорачивалась морда…
Д. Шабанов. Увидеть прошлое // Компьютерра, М., 2007. – № 24 (692)
Д. Шабанов. Сумчатый интерес // Компьютерра, М., 2007. – № 19 (687)
Д. Шабанов. Эволюционная колея // Компьютерра, М., 2006. – № 22 (642)
Д. Шабанов. О длине морды // Компьютерра, М., 2005. – № 4 (576). – С. 14–15