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

Одна из особенностей работы Уэйка заключалась в использовании ДНК для воссоздания семейного дерева саламандр – для установления родственных связей между разными видами. Следуя традиции, начавшейся с Цукеркандля и Полинга, он сравнивал последовательности генов разных видов животных, чтобы понять, где и когда они эволюционировали. Используя образцы тканей практически всех видов, Уэйк построил самое полное на сегодняшний день семейное дерево саламандр. Результат ошеломил даже его самого.

Саламандры с самыми быстрыми выстреливающими языками не являются близкими родственниками. На самом деле они располагаются на семейном дереве далеко друг от друга, живут на расстоянии сотен миль и имеют разных предков. Изобретение выстреливающего языка – этого сложного биологического чуда, потребовавшего многих согласованных изменений головы и тела, – происходило независимым образом как минимум три раза или даже больше. И во всех случаях у животных исчезла подбородочно-язычная мышца, жаберные кости превратились в снаряды, а мышцы живота – в пружину, возвращающую снаряды в рот. Эти языки – примеры обнаруженной сэром Рэем Ланкестером множественности из области действия гормонов[18].

Независимое изобретение столь высокоспециализированного органа – не случайность. Все виды саламандр с таким языком имеют несколько общих признаков. Большинство саламандр используют жаберные кости для дыхания – чтобы раскрывать рот и проталкивать воздух в легкие. А на стадии личинки они также активно используют эти жаберные кости для питания: движение костей создает всасывающий эффект, необходимый для проникновения пищи внутрь организма. Если жаберные кости нужны для дыхания и питания, как же можно использовать их для стрельбы языком? Так вот: виды с самыми дальнобойными языками не имеют легких и не проходят стадию личинки. При отсутствии этих признаков жаберный аппарат не имеет конкурирующих функций и может использоваться для новой цели – служить снарядом для захвата добычи.

Но как возникает множественность? И что эти примеры говорят нам о внутренних механизмах работы живых организмов?

Ученые, как и большинство людей, ненавидят путаницу. Ученые любят графики, на которых точки аккуратно укладываются на кривой или прямой линии. Нам хочется ставить такие эксперименты, которые давали бы окончательный ответ. Наши идеальные наблюдения четки, аккуратны и в точности следуют предсказаниям. Мы любим сигнал и не переносим шум.

Анализ дерева жизни в этом смысле ничем не отличается. Построение семейного дерева жизни сродни поиску ключей к идентификации видов в дикой природе: мы отслеживаем специфические особенности, которые являются общими для некоторых животных. Чем больше у какого-то вида таких специфических особенностей, тем легче отличить его от остальных. Каждый может назвать различия между чайкой и совой. У обеих птиц есть идентификационные признаки, такие как круглая форма головы у совы и специфическая окраска клюва и тела у чайки. А родство между ними определяется по наличию признаков (от анатомии до ДНК), общих для разных групп. У всех людей есть признаки, которых нет у других приматов, у всех приматов есть признаки, которых нет у других млекопитающих, а у всех млекопитающих есть признаки, которых нет у большинства пресмыкающихся, и т. д.

Рэй Ланкестер вскрыл проблему курицы и яйца: как отличить сходство, возникшее независимым путем (множественность признаков), от сходства, объясняющегося общностью генеалогии? Если языки саламандр с множеством сложных деталей возникли независимым путем, как можно быть уверенным, что наличие того или иного признака доказывает родственную связь? Выясняется, что язык саламандр – лишь часть истории. Множественность проявляется в разных органах.

Так как же ведущий мировой специалист по саламандрам анализировал их эволюцию? Дэвид Уэйк, как и большинство других исследователей в этой области, практически не использовал анатомические признаки в качестве индикатора родства. Почему? Сколько бы ни накапливалось данных, выяснялось, что саламандры из разных частей света в разное время приобрели одинаковые элементы строения независимым путем.

Может быть, наличие биологической множественности – не помеха, а ключ к каким-то фундаментальным закономерностям? Может быть, то, что мы считаем шумом, на самом деле сигнал? Что, если какие-то пути эволюции не случайны?

Множественность в живых организмах проявляется в двух вариантах. Первый вариант – наличие ограниченного числа решений какой-то проблемы. Например, способность летать. Всем летающим существам для действия подъемной силы нужна большая площадь поверхности частей тела, так что у всех летающих существ есть крылья. Крылья птиц, летающих пресмыкающихся, летучих мышей и мух выглядят одинаково, но у них разные внутренние структуры и разные истории происхождения. Строение костей в крыльях птиц отличается от такового у летучих мышей или птерозавров. Крыло летучей мыши представляет собой мембрану, натянутую между пятью удлиненными пальцами, тогда как крыло птерозавра опиралось на очень длинный четвертый палец. Крылья насекомых совсем другие и поддерживаются тканью иного типа. Физическая необходимость и история привели к возникновению этих структур: все это крылья, но у них разная конфигурация, отражающая разную эволюционную историю млекопитающих, птиц, пресмыкающихся и насекомых.

Мы знаем множество примеров такого рода физических закономерностей; ученые прошлого называли их “правилами”. Правило Аллена, сформулированное в 1877 году Джоэлом Асафом Алленом, гласит, что теплокровные животные, живущие в условиях более холодного климата, имеют более короткие придатки тела (конечности, уши, носы и др.), чем те, которые живут в условиях более теплого климата. Объяснение заключается в потере тепла: животные с более длинными придатками теряют больше тепла, чем животные с короткими придатками. А в соответствии с правилом Бергмана, названным в честь Карла Бергмана в 1844 году, в более холодном климате в среднем живут более крупные животные, чем в теплом. Это тоже связано с потерей тепла, поскольку мелкие животные имеют сравнительно большую по отношению к массе поверхность тела, через которую уходит тепло. Правила Аллена и Бергмана в целом справедливы для разных видов животных, обитающих в разных местах.

Но множественность может возникать и в другом варианте. Дарвин признавал, что в популяции не бывает двух одинаковых существ и что какие-то изменения могут позволить организму более успешно существовать в его среде обитания – быть здоровее и производить более многочисленное потомство. Эти различия – основа эволюции за счет естественного отбора: пока в популяции существуют вариации признаков и какие-то из них влияют на успешность существования организмов в их среде, неизбежно будут происходить эволюционные изменения. Естественный отбор действует только при условии разнообразия популяции. Если между особями нет различий, нет и эволюции. Но что, если вариации каким-то образом предопределены? Что, если генетические и эволюционные механизмы, ответственные за построение тел и органов, легче создают одни варианты структуры, чем другие, или вообще не имеют альтернатив? Если это так, знание законов построения органов животных в процессе эмбрионального развития может помочь предсказать их вариации в популяции и, как следствие, вероятные пути их эволюции.