Для чего же на самом деле необходимо усложнение генетической программы развития? Герберт Спенсер (1820–1903), философ и социолог, с легкой руки которого дарвиновское «наследование с изменением» (descent with modification) стали называть эволюцией, дал прекрасное определение тому, что мы сейчас назвали бы «прогрессивным развитием» или «развитием по пути усложнения». Спенсеровское определение таково: прогрессивное развитие — это переход от неопределенной несвязной однородности к определенной связной разнородности.
Так вот, усложнение программы развития необходимо для изменений, подпадающих под это определение. Этот вывод трудно обосновать экспериментально — мы пока слишком многого не знаем о програмах развития реальных организмов, — но он быстро становится очевиден пользователю, поигравшему немного с программой EvoDevo.
Усложнение генетической программы развития необходимо, во-первых, для клеточной дифференцировки. Если мы хотим, чтобы из одного исходного типа эмбриональных клеток получились клетки нескольких разных типов (а это и есть переход от однородности к разнородности), нам придется для каждого типа клеток написать свою «подпрограмму».
Во-вторых — это менее очевидно, хотя не менее важно, — усложнение программы необходимо для повышения упорядоченности фенотипа, для подавления «внутреннего хаоса» и роста устойчивости к внешним помехам. Повышение упорядоченности — это, по Спенсеру, переход от неопределенного состояния к определенному. Все эти «избыточные» регуляторные контуры и отрицательные обратные связи, которые приходится добавлять в программу, чтобы развитие стало стабильным, — это самое настоящее, подлинное усложнение, хотя на фенотипическом уровне оно может проявиться всего-навсего в снижении стохастической изменчивости, в более редком появлении всевозможных уродств. При этом каждый дополнительный регуляторный контур, развившийся «для стабильности», может в новых условиях сработать каким-то неожиданным, но интересным образом и стать источником эволюционных новшеств.
—————
Надзор за надзирателями: кто присматривает за регуляцией развития
К билатериям (двусторонне-симметричным) относится большинство животных, в том числе черви, моллюски, членистоногие и хордовые. Специалисты по сравнительной анатомии и эмбриологии в течение прошлого века разработали несколько альтернативных теорий происхождения и ранней эволюции билатерий. Решить, какая из них ближе к реальности, помогли новые данные, в том числе молекулярно-генетические (Малахов, 2004).
По современным представлениям, последний общий предок всех современных билатерий был сегментированным животным, имел вторичную полость тела (цело́м) и, возможно, парные конечности (параподии). Иными словами, из всех современных животных он был больше всего похож на кольчатого червя. Соответственно, кольчатые черви — наименее изменившиеся из всех его потомков, или, что то же самое, самые примитивные из современных билатерий. Это звучит удручающе непривычно для зоологов старой школы, которые привыкли считать самыми примитивными билатериями не кольчатых, а плоских червей. Однако эволюционные реконструкции, основанные на молекулярных данных, свидетельствуют о том, что плоские и круглые черви, устроенные проще кольчатых, произошли от более высокоорганизованных предков, т. е. подверглись вторичному упрощению.
Современный кольчатый червь Platynereis (слева) и загадочное ископаемое животное Spriggina (вендский период, около 550 млн лет назад). Некоторые авторы сближают сприггину с предками билатерий, другие оспаривают такую трактовку.
Подобно тому как ланцетник может служить живой упрощенной схемой хордовых (см. главу 5), кольчатые черви являются удобной моделью для изучения древнейших этапов эволюции билатерий.
Ранняя эволюция билатерий представляет особый интерес в связи с тем, что именно на этом этапе произошло радикальное усложнение и диверсификация планов строения и появилось много новых тканей и органов, в том числе центральная нервная система, разнообразные органы чувств, сквозной кишечник, специализированная мускулатура.
Чтобы понять, откуда взялись все эти новшества, необходимо прежде всего разобраться, как они возникают в онтогенезе современных животных. Дело тут не только в том, что индивидуальное развитие иногда отчасти воспроизводит («рекапитулирует») эволюционную историю, но и в том, что эволюция организма, как мы уже знаем, — это прежде всего эволюция программы индивидуального развития. Вопрос о том, как появились новые органы и ткани, сводится к вопросу об изменениях в программе онтогенеза, которые произошли у древних билатерий.
Схема происхождения билатерий по В. В. Малахову (2004). Темное пятнышко — орган равновесия (аборальный орган), маркирующий передний полюс развивающегося животного.
Важные шаги к пониманию этих изменений были сделаны в ходе изучения генов — регуляторов индивидуального развития животных, таких как Hox-гены. Наиболее очевидная функция белков, кодируемых этими генами, состоит в том, что они «размечают» эмбрион, определяя, где будет голова, а где хвост, где спина, а где брюхо, где расти ногам, а где быть границам между сегментами. Манипулируя работой белков-регуляторов, можно превратить, например, третий сегмент груди дрозофилы в дубликат второго, и тогда у мухи вырастет лишняя пара крыльев, можно превратить антенны в ноги или добиться появления зачатков конечностей на брюшных сегментах, где им быть не положено. Открытие сходных Hox-генов у разных типов животных заставило по-новому взглянуть на морфогенез животных и его преобразования в ходе эволюции. Стало ясно, что, изменив один ген (или только время и место его включения), можно трансформировать, создать, удалить или перенести в другое место сразу целый орган, сохранив при этом общий план строения.
Кроме регуляторных белков онтогенезом управляют маленькие молекулы РНК — микроРНК. Как и белки-регуляторы, микроРНК влияют на активность генов, причем под их контролем находятся также и гены, кодирующие те самые белки-регуляторы (как дополнительная система надзора за надзирателями). Во многих случаях удалось установить, какие именно гены регулируются теми или иными микроРНК, но как все это связано с конкретными планами строения билатерий и с их эволюцией, выяснить оказалось не так-то просто. Возможно, ключ к ответу на эти вопросы можно найти, исследуя работу микроРНК в ходе развития кольчатых червей.
Германские биологи изучили распределение микроРНК в органах и тканях развивающихся личинок кольчатых червей Platynereis и Capitella (Christodoulou et al., 2010). Для сравнения использовался морской еж Strongylocentrotus — представитель вторичноротых. Билатерии вскоре после своего появления подразделились на две группы — первичноротых и вторичноротых. К первым относятся кольчатые, плоские и круглые черви, моллюски, членистоногие и много всякой мелочи, ко вторым — иглокожие, полухордовые и хордовые. Обе группы билатерий — и первичноротые, и вторичноротые — сравнивались с представителем кишечнополостных актинией Nematostella, животным с радиальной симметрией.
Ранее было установлено, что у билатерий имеется более 30 уникальных микроРНК, которых нет у других организмов. Это подтвердилось в ходе поиска микроРНК у платинереиса. У этого червя обнаружилось 34 микроРНК, общих для первично- и вторичноротых. Значит, они уже имелись у последнего общего предка билатерий, но их не было у более древних радиально-симметричных предков (кроме одной-единственной микроРНК, которая называется miR-100 и которая есть у актинии).
Получается, что резкое усложнение организма и появление новых тканей у древних билатерий сопровождалось приобретением трех десятков новых микроРНК. Главный вопрос состоит в том, была ли между этими новоприобретениями связь. Если да, то следует ожидать, что в ходе онтогенеза у примитивных билатерий микроРНК распределяются неким закономерным образом по формирующимся тканям. Ранее это пытались изучить на «высших» животных, таких как членистоногие и хордовые, но картина получалась слишком сложная и запутанная.
Оказалось, что в ходе развития платинереиса микроРНК действительно четко распределены по дифференцирующимся тканям. В частности, древнейшая микроРНК miR-100 и три другие микроРНК обнаруживаются исключительно в двух группах клеток по обе стороны от личиночной глотки (передней кишки). Клетки при ближайшем рассмотрении оказались нейросекреторными. Это интересно, потому что у позвоночных одна из этих молекул (miR-375) маркирует нейросекреторные клетки гипофиза и поджелудочной железы, формирование которых в онтогенезе связано с передней кишкой.
