Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Теперь, зная последовательности генов, ученые могли применить те же методы в более широком масштабе и посмотреть, в каких частях тела мухи эти гены проявляют активность в процессе развития и где они располагаются на хромосомах. Используя все те же приемы, которые были придуманы в начале работы с мутантами, ученые из разных лабораторий мира обнаружили нечто неожиданно прекрасное: все эти гены располагаются на хромосоме рядком, и каждый из них активируется в конкретном сегменте тела мухи.

В процессе этой экспериментальной гонки Ливайн беседовал с исследователем из другой лаборатории, и тот заметил, что мухи – не единственные животные с сегментированным строением тела. Тело земляного червя представляет собой трубку, состоящую из сегментов-блоков. Почему бы не посмотреть и на червей? Может быть, их гены тоже соответствуют сегментам тела.

После этого случайного замечания Ливайн и Макгиннис бросились в сад позади здания лаборатории и начали собирать всех противных ползучих существ, каких только смогли найти: червей, мух и разных других насекомых. Выделив из каждого из них ДНК, они стали проверять, нет ли и у них подобной последовательности генов. Такая последовательность нашлась. Но на этом ученые не остановились. Последующие эксперименты показали, что такая последовательность есть в ДНК лягушек, мышей и даже человека.

Дальнейшие исследования на червях, мухах, рыбах и мышах продемонстрировали универсальный принцип строения тел животных. Версии мушиных генов, ответственных за построение тела, обнаруживаются буквально у всех видов, от червей до человека. Все эти гены собраны на хромосоме вместе, как бусины на нитке. И каждый ген, по-видимому, проявляет активность в специфическом сегменте тела – головном, грудном или брюшном. Кроме того, как первым заметил Льюис, положение каждого гена на хромосоме соответствует порядку расположения сегментов от передней до задней части тела.

Статьи об этих генах относились к числу тех, которые повлияли на направление моей работы в области генетики и молекулярной биологии почти четыре десятилетия назад.

В 1995 году Нобелевский комитет признал заслуги Эдварда Льюиса в открытии нового мира в биологии. Принимая награду, Льюис, как обычно, выразился осторожно. В своей Нобелевской речи он сказал, что никакие премии нельзя сравнивать с его первой любовью – “мухами и занятиями наукой”.

Гены Нох, собранные как бусины на нитке, участвуют в построении сегментов тела и мухи, и мыши

Мир жуков, мух и червей – это сборная солянка существ с разным числом сегментов и разными отходящими от них придатками. Представьте себе лобстера с антеннами на лбу, с большими клешнями, малыми клешнями и ногами. Каждый из этих придатков отходит от определенного сегмента тела. У многоножек от всех сегментов тела отходят одинаковые ноги. Летающие насекомые в некоторых сегментах имеют не ноги, а крылья. В теле человека есть позвонки, ребра и конечности. Теперь, зная о существовании этих генов, ученые начали искать ответ на вопрос, как развивалась и эволюционировала базовая архитектура тел животных.

Кэлвин Бриджес обнаружил участок хромосомы, ответственный за появление дополнительного набора крыльев. Эдвард Льюис показал, что в участке содержится несколько генов, каждый из которых активен в определенной части тела. А Ливайн, Макгиннис и Скотт продемонстрировали древнейшее происхождение этих генов у всех видов животных. Появилось новое поколение ученых, вдохновленных этими идеями и решительно взявшихся за выяснение механизмов работы этих генов.

Когда мои дети были совсем маленькими и проводили время на пляже Кейп-Кода, они часто находили в песке крохотных животных, по форме напоминающих креветок. Подталкивая их и наблюдая за реакцией, дети прозвали их “прыгунами”. Эти существа, которых вообще-то называют бокоплавами, или песчаными блохами, имеют светлоокрашенное тело длиной около сантиметра и обычно живут в прибрежном песке. Если их подтолкнуть, они сжимаются и выпрыгивают вверх на несколько десятков сантиметров. Эта известная всем пляжная разновидность – лишь один из восьми тысяч видов. Все они обладают удивительной способностью перемещаться самыми разными способами: они плавают, роют, подпрыгивают. Для этого у них есть все необходимое, как в швейцарском армейском ноже: большие ноги, маленькие ноги, ноги, повернутые вперед, и ноги, повернутые назад. Их название – амфиподы – имеет греческое происхождение и указывает на наличие ног, повернутых вперед и назад: amphi означает “двоякий”, pod — “нога”.

Организовав собственную лабораторию в Чикаго в 1995 году, биолог Нипам Патель пытался найти идеальное животное для изучения функции генов в построении тела. Поскольку амфиподы имеют множество разнообразных ног, он счел их подходящим объектом для изучения генов Льюиса. Несколько лет он провел за исследованием немецких монографий XIX века в поисках лучшего вида амфипод для лабораторной работы. XIX век прославился качеством анатомических иллюстраций и описаний – целые отделы библиотечных комнат посвящены описаниям различных групп животных. Вооружившись знаниями, почерпнутыми из текстов и литографий, Патель разработал план, который превосходным образом совмещался с его давнишним хобби.

Посещение дома Пателя в Чикаго подразумевало осмотр гигантского аквариума с соленой водой, установленного посреди гостиной. Патель был страстным любителем аквариумных животных, и опыт налаживания системы фильтрации для собственного аквариума подсказал ему одну идею. Очень трудно поддерживать систему в чистоте, особенно избавляться от мелких беспозвоночных животных, собирающихся и размножающихся на фильтре. Патель ничего не мог с этим поделать, но заметил, что в глубине ила живут мелкие беспозвоночные. По-видимому, это убежище привлекало их тем, что на фильтре скапливались частицы пищи.

Так у Пателя родилась идея. Если этим мелким существам нравится фильтрационная система его домашнего аквариума, представьте себе, какое разнообразие существ можно найти в иле из гигантских бассейнов в аквариуме Шедда в Чикаго. В бассейнах жили акулы, скаты, более пятидесяти видов крупных рыб, а время от времени туда даже спускался экскурсовод с аквалангом. Патель отправил в аквариум студента с ведром, чтобы проверить, что можно найти в фильтрационной системе. Он рассчитывал, что в этой грязи скрываются живучие маленькие существа, которых можно использовать в лаборатории.

Фильтры аквариума Шедда оказались раем для мелких беспозвоночных. Студент Пателя целыми днями скоблил фильтры и разглядывал под микроскопом поселившихся там существ. Одно из них, бокоплав под названием Ратку ale, казалось наиболее подходящим объектом для исследований. Это мелкое существо быстро размножается и быстро достигает взрослого возраста. Кроме того, оно имеет множество разных придатков – словом, могло стать идеальным экспериментальным животным. Патель начал размножать Parhyale в лаборатории и ставить на них эксперименты. Морган использовал мух, чтобы понять механизмы наследования; Патель решил использовать амфипод, чтобы выяснить, как на основании генов формируются тела.