Текст книги "Приспособиться и выжить!"
Автор книги: Шон Кэрролл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 21 страниц)
Биоразнообразие – результат использования одинаковых генов разными способами
Прежде чем я продолжу рассказ об эволюции формы, необходимо подчеркнуть принципиальное различие между белком Pax-6 и другими белками из эволюционного инструментария с одной стороны и различными типами белков, о которых я говорил в предыдущих главах, с другой. Опсины, глобины, рибонуклеазы, обонятельные рецепторы и другие белки непосредственным образом отвечают за физиологические функции – зрение, дыхание, расщепление пищи или обоняние. А Pax-6 и другие белки из «набора инструментов» необходимы для создания формы – они контролируют количество, размер и форму частей тела, а также типы клеток, участвующих в построении тела. Большинство белков этой группы прямо или косвенно воздействуют на то, где и когда самые разные гены используются в организме. Столь значительная роль гена Pax-6 (потеря глаз при его инактивации и появление глаз при его активации) связана с его влиянием на многие другие гены на разных стадиях развития. Более того, Pax-6 и большинство других генов этой группы выполняют при формировании тела и его частей не одну, а несколько обязанностей. Например, Pax-6 участвует также в построении головного мозга и носа млекопитающих. Некоторые гены из этого «набора инструментов» задействованы в формировании десяти, двадцати и большего количества различных частей тела.
По этой причине чрезвычайно важное различие между генами, связанными с физиологической функцией, и теми, что участвуют в формировании тела, заключается в последствиях мутаций этих генов. Мутации гена опсина могут вызвать изменение диапазона спектра, детектируемого палочками или колбочками глаза. А вот мутация гена, ответственного за формирование тела, может привести к полной потере глаза или какого-то другого органа. По этой причине мутации генов из «набора инструментов» часто вызывают катастрофические последствия и не могут сохраняться в геноме. В результате эволюция формы чаще происходит путем изменения способа применения генов из «набора инструментов», чем изменения самих этих генов.
Я приведу два примера, показывающих, что эволюция формы часто происходит в результате изменений тех участков ДНК, которые не кодируют белки, но содержат инструкции для использования инструментальных (регуляторных) генов. Именно в этих менее изученных последовательностях ДНК содержатся ключи к пониманию того, каким образом столь богатое архитектурное разнообразие смогло возникнуть при использовании одного набора инструментов.
Одной из очевидных отличительных особенностей крупных и сложных животных является то, что их тело построено из повторяющихся фрагментов. Как ткани и органы строятся из клеток-кирпичиков, так и тела животных в целом часто тоже составлены из отдельных кирпичиков. Например, сегменты – кирпичики тела членистоногих (насекомых, пауков, ракообразных, многоножек), а позвонки – кирпичики позвоночника человека и других позвоночных животных. Многие структуры, связанные с этими кирпичиками тела, также повторяются: ноги, когти, крылья, усики и т. д. у членистоногих и ребра и конечности у позвоночных. Одна широко распространенная тенденция в эволюции тела животных заключается в изменении количества и типа повторяющихся частей. Основным признаком, на основании которого выделяют отдельные классы членистоногих, является количество сегментов и количество и вид конечностей. Аналогичным образом классы позвоночных различаются по количеству и типу (шейные, грудные, поясничные, крестцовые) позвонков.
Различие в числе и форме повторяющихся элементов наблюдается не только между таксономическими группами, но встречается и среди представителей родственных видов или популяций. Например, во многих озерах Северной Америки водится трехиглая колюшка двух типов: в придонной части мелких водоемов живет колюшка с редуцированными шипами, а в открытой, глубокой воде – колюшка с хорошо развитыми шипами (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Эволюция брюшного плавника у трехиглой колюшки. Во многих озерах обнаружены две формы трехиглой колюшки. В популяции придонных рыб скелет брюшного плавника недоразвит. Это изменение скелета связано с изменением функции генетического переключателя, контролирующего участие гена Pitxi в развитии брюшного плавника (X). Рисунок Лианн Олдс.
Брюшной шип является частью брюшного плавника, а брюшные и грудные плавники – это повторяющиеся структуры. Размер брюшного шипа находится под влиянием естественного отбора, поскольку он защищает колюшку от хищников. В открытых водоемах длинный шип защищает рыб от более крупных хищных рыб, а вот на дне озера он становится обузой, поскольку личинки стрекоз поедают молодых колюшек, хватая их за шипы.
Эволюция этих двух разновидностей колюшек имеет совсем недолгую историю. Озера, в которых они живут, образовались в результате таяния льдов в конце последнего ледникового периода, примерно 10 тыс. лет назад. Озера были заселены океанской колюшкой, которая несколько раз давала начало популяциям с длинными и с короткими шипами. Исключительно подробная ископаемая летопись подтверждает быструю эволюцию этих рыб.
Поскольку две популяции эволюционировали лишь недавно, их представители по-прежнему могут спариваться и давать потомство. Это позволяет генетикам обнаружить генетические изменения, лежащие в основе изменения формы тела. Недавно Дэвиду Кингсли, Дольфу Шлатеру и их коллегам из Университета Стэнфорда и Университета Британской Колумбии удалось идентифицировать гены, ответственные за эволюцию отдельных признаков у колюшки. Эволюция одного признака, длины брюшного шипа, демонстрирует, каким образом формирование повторяющихся структур зависит от способа использования регуляторных генов.
Уменьшение размера брюшного шипа у придонной популяции колюшки вызвано нарушением развития зачатка плавника. Недавно был идентифицирован ответственный за эти изменения ген, оказавшийся одним из генов «набора инструментов», известным под названием Pitxi. Это типичный «инструментальный» ген: в процессе развития рыб он выполняет несколько функций, контролирует другие гены и имеется также у других животных. Например, у мышей Pitxi отвечает за отличия задних конечностей от передних (конечности – это еще одна повторяющаяся структура).
Анализ окаменелостей показывает, что брюшной плавник был эволюционным предшественником задних конечностей четвероногих животных. Участие Pitxi в развитии брюшного плавника у рыб и задних конечностей у млекопитающих является прекрасным независимым подтверждением этого факта.
Но я хочу обратить ваше внимание на то, что брюшной плавник рыб редуцировался в результате изменения гена Pitxi, а в других частях тела, в формировании которых участвует Pitxi, изменений не произошло.
Чтобы понять, как это могло случиться, следует сравнить белки Pitxi у рыб с длинным и коротким брюшным шипом. Последовательности этих белков абсолютно одинаковы.
Но разве я не утверждал, что различия в строении брюшного плавника связаны с геном Pitxi? Да, утверждал. Этот кажущийся парадокс разрешается, если учесть, что кроме кодирующей последовательности каждый ген имеет некодирующую последовательность ДНК, выполняющую регуляторную функцию. Регуляторные последовательности, содержат элементы, работающие наподобие переключателей, которые определяют, где и когда будет или не будет использоваться соответствующий ген. «Инструментальные» гены могут иметь несколько отдельных переключателей, каждый из которых определяет работу гена в той или иной части тела. Функционирование этих переключателей определяется последовательностью их ДНК, и изменения в этой последовательности могут влиять на работу генов. Важной особенностью переключателей является то, что изменение в одном из них не влияет на функцию других. И именно это проливает свет на эволюцию формы тела и органов. Получается, что функция «инструментального» гена может изменяться в одном органе или структуре без изменения его функции в других структурах.
Действительно, у колюшки с укороченным брюшным шипом ген Pitxi не участвует в развитии брюшного плавника. Изменения в структуре переключателя, регулирующего его действие в задних конечностях, привели к специфическому изменению этой части скелета (рис. 8.6). Этот пример показывает, каким образом изменения на уровне ДНК могут способствовать быстрой эволюции анатомических признаков.
Редукция задних конечностей происходила в эволюции позвоночных несколько раз. У китообразных и ламантинов задние конечности в значительной степени редуцировались по мере превращения сухопутных предшественников этих животных в морских обитателей. Уменьшение размеров конечностей или их полное исчезновение произошло также у змей и безногих ящериц. Пример трехиглой колюшки и многие другие, которых я не привожу в этой книге, показывают, каким образом происходили подобные изменения формы тела и органов.
Уменьшение размеров органов и их исчезновение – это лишь одна сторона эволюции формы. Конечно, нам хотелось бы узнать, как появляются новые признаки. И центром нашего внимания вновь станут регуляторные последовательности ДНК.
Бесконечное число самых прекрасных мушек
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.
Пришло время для нашей послеобеденной беседы.
Памятник Луи Пастеру на площади Бретей в Париже. Фотография любезно предоставлена Бенжамином Прюдоммом.
Глава 9
Видеть и верить
Мыслить – значит видеть! […] Все человеческое знание основывается на дедукции, на медленном движении от причины к следствию и от следствия к причине.
Оноре де Бальзак «Человеческая комедия» (1845)
Это место называли Домом смерти.
Клиника во французской провинции потеряла так много своих пациенток в результате инфекционных заболеваний (в какой-то момент умерло 16 из 16), что ее основатель обещал поставить золотую статую в честь того, кто решит эту проблему. Врачи, собравшиеся на заседание Медицинской академии в Париже, были в растерянности. Когда некий доктор презрительно отозвался на предположение о том, что болезнь распространяется руками самих врачей, один из присутствовавших в зале воскликнул, вскочив с места: «Женщин убивает то… что вы, врачи, переносите смертельных микробов от больных женщин к здоровым».
Человеком, который это произнес, был Луи Пастер.
Дело было в 1879 г., через 30 лет после того, как врачи Оливер Уэнделл Холмс и Игнац Земмельвейс назвали мытье рук лучшим средством борьбы с родильной горячкой. И уже более 20 лет прошло с тех пор, как Пастер продемонстрировал, что в воздухе тоже полно микробов, которые быстро размножаются в благоприятных условиях, и тем самым развеял миф о самозарождении жизни.
Но микробная теория все еще не получила широкого распространения, а простейшие антисептики не вошли в употребление.
Некоторые европейские доктора и представители духовенства считали, что родильная горячка является божьим наказанием за грех зачатия. Отказаться от этой точки зрения означало признать не только, что смертельную инфекцию вызывают какие-то невидимые существа, но и что переносчиками болезни являются сами врачи.
Это упрямое неверие можно было преодолеть лишь одним способом – предоставить еще больше доказательств. Как раз это и удалось сделать Пастеру и некоторым его современникам. Немецкий микробиолог Роберт Кох с помощью мощного микроскопа обнаружил и идентифицировал микробов, вызывающих сибирскую язву, холеру и туберкулез. Шотландский хирург Джозеф Листер использовал микробную теорию Пастера о брожении и инфекции и придумал средства обеззараживания ран и медицинских инструментов, тем самым на 70 % снизив смертность в результате хирургических операций.
Но, возможно, самыми убедительными оказались результаты деятельности самого Пастера. В 1870-х годах не менее половины овец и коров по всей Франции погибали от сибирской язвы. Несмотря на серьезные трудности, связанные с культивированием возбудителя этого заболевания, Пастеру удалось получить вакцину и успешно применить ее в 1881 г.
Микробная теория послужила основой многих нововведений в системе общественного здравоохранения, в числе которых пастеризация продуктов, а также предотвращение и контроль распространения инфекционных заболеваний. Но мы благодарны Пастеру не только за это, но также за его преданность научному методу. Он великолепно умел оценить все имеющиеся данные и составить на их основе научную теорию, тщательно построить эксперимент для ее доказательства и путем синтеза теории и эксперимента достичь нового знания.
Пастер сформулировал тезис, отражающий важнейшую роль экспериментального доказательства:
Воображение может дать крылья любым нашим мыслям, но всегда следует получить их экспериментальное подтверждение, и, когда приходит момент сделать выводы и интерпретировать наблюдения, то, что мы вообразили, необходимо проверить и подтвердить фактическими результатами эксперимента.
Когда мы заглядываем в прошлое, кажется странным, что врачи так долго не верили в микробную природу инфекции. Однако нужно понять, что их призывали поверить в то, чего они не могли увидеть. Для них, как и для многих из нас, увидеть – означает поверить. Мы гораздо легче верим в то, что видим собственными глазами. На протяжении всей истории развития науки появление новых открытий и новых идей в значительной степени зависело от новых методов наблюдения. Доказательства справедливости микробной теории – под микроскопом, на фермах и в больницах – устранили все сомнения.
Чарльз Дарвин, без сомнения, придерживался той же точки зрения на научные исследования, что и Пастер, но проблема заключалась в том, что в его время его великую теорию не так-то легко было проверить или доказать. Подобно Пастеру, Дарвин постулировал существование в природе невидимых сил, но он не мог сделать животному укол, от которого оно превратилось бы в иное животное, или увидеть в микроскоп, как идет эволюция. Дарвин привлекал в поддержку своей теории все доказательства, какие только мог найти: данные геологии и палеонтологии, результаты селекции домашних животных, сведения натуралистов, исследовавших различные виды растений и животных. Однако длительность эволюционных процессов делала невозможными прямые наблюдения за происходящими изменениями. И, подобно микробной теории, теория эволюции столкнулась с упорным недоверием.
Сегодня, спустя почти 150 лет, мы можем все увидеть своими глазами. Мы больше не смотрим на природное многообразие, как дикарь смотрит на корабль. Заключенная в ДНК информация содержит в себе множество подтверждений эволюции. Но многие – очень многие! – люди либо не видят того, что видят ученые, либо не верят их выводам.
Название этой главы я позаимствовал из замечательной книги Ричарда Панека «Видеть и верить» (Seeing and Believing) об изобретении телескопа и о том, как это изобретение изменило наше отношение к небу и к восприятию своего места во Вселенной. Подобно идеям Дарвина идеи Галилея не были приняты властями, которые не знали, как использовать эти новые факты и теории в своих интересах. Но в конечном итоге зримые доказательства пересилили идеологическое сопротивление. Для всех, кто видит бесспорные доказательства работы естественного отбора и происхождения видов от более древних предков, кто осознает, сколь велик промежуток времени, в течение которого разворачивалась история жизни, кажется, мягко говоря, непостижимым, что столько людей по-прежнему этого не видят и не осознают. Поражает и порой приводит в ярость, что многие люди до сих пор отрицают прочнейшие основы этих доказательств и отметают все великие научные достижения, на которых строятся эти основы.
Если на стороне эволюции факты, отчего эти сомнения и недоверие не исчезают и даже распространяются еще шире – сейчас, в начале XXI в.?
Я выскажу свою точку зрения по поводу неприятия эволюции позже в этой главе. Но сначала я хочу сделать для вас понятнее мотивацию и тактику такого неприятия: мы обратимся к другим моментам в истории, когда научные факты и доказательства упорно игнорировались. Обычно главной иллюстрацией конфликта между наукой и религиозной косностью становится эпизод с Галилео Галилеем. Эту историю пересказывали много раз, да и происходило это очень давно. Кроме того, хотя неприятие эволюции имеет религиозную мотивацию, религия не всегда является причиной сопротивления научным знаниям. И не все религиозные конфессии в штыки воспринимают идею эволюции – на самом деле это далеко не так. Вместо того чтобы ворошить старое, я приведу два удивительных и показательных, хотя и не очень широко известных примера сопротивления развитию биологии в XX в. Первая история относится к периоду 1930–1950-х гг. в Советском Союзе и описывает противодействие генетике и представлениям о ДНК как о носителе наследственной информации. Находившиеся под покровительством власти фанатики практически уничтожили биологию в СССР, что привело к трагическим последствиям для науки, ученых и всей страны. Вторая история рассказывает о мануальных терапевтах (хиропрактиках), их неприятии микробной теории болезней и активном сопротивлении развитию науки и медицины, в частности проведению вакцинации.
Французские врачи, советские биологи и хиропрактики, о которых я расскажу далее, поставили идеологию и личный интерес выше истинного научного знания, как и современные противники эволюции. Луи Пастер говорил: «Знания – это наследие человечества». Сохранение и умножение этого наследия требует от нас понимания мотивов и стратегии тех, кто ему угрожает. А если требуется, то и открытого противостояния их заблуждениям.
