Чтение онлайн

Существенный элемент модели, предложенной Гарсиа-Беллидо, состоит в том, что зародыш на стадии бластодермы содержит систему позиционной информации, определяющей положение по переднезадней и дорсовентральной оси. Степень экспрессии генов-активаторов, которые, возможно, соответствуют регуляторным генам extra sex comb и Poly comb, детерминируется локальным уровнем позиционной информации в небольшом участке поверхности бластодермы. Ширина полоски бластодермы, дающей начало одному сегменту, примерно соответствует диаметру трех или четырех клеток (Lohs-Schardin et al.). Уровень экспрессии гена-активатора в каждой узкой полоске клеток бластодермы детерминирует, какой из генов-селекторов (членов комплексов Bithorax или Antennapedia) должен быть в данный момент включен или выключен. Комбинация генов-селекторов, активных в каждом просегменте, регулирует экспрессию наборов генов, ответственных за реализацию подпрограмм, которые определяют морфологию отдельных сегментов. Продукты генов-активаторов действуют как репрессоры. Когда гены-селекторы комплексов ВХ-С (Bithorax) почти полностью репрессированы, активируется следующий набор генов, специфицирующих характер морфогенетических событий, ведущих к образованию структур среднегруди. По мере включения дополнительных членов комплекса ВХ-С активируются все более дивергентные наборы генов, действующих на уровне фенотипической реализации. Все это приводит к прерывистому морфологическому развитию от «исходного состояния», которым для сегментов, управляемых комплексом ВХ-С, является морфология среднегруди. Так, передне-грудь по многим признакам сходна со среднегрудью, тогда как брюшные сегменты отличаются от нее очень сильно. Наиболее резкие отклонения от исходного состояния наблюдаются в восьмом брюшном сегменте, в котором гены-активаторы бездействуют, а все члены комплекса ВХ-С активны.

Эта модель генетической регуляции обрисовывает иерархическую контролирующую систему, действующую при помощи каскада генов-переключателей. Гены-активаторы участвуют в ней в качестве контролеров, уровни активности которых детерминируются характеристиками позиционной информации в данном сегменте. Гены-селекторы дифференцированно активируются в зависимости от положения клетки в бластодерме и сами действуют как комбинаторные переключатели в завершающем наборе морфологических подпрограмм. Эта система не занимается интеграцией на тканевом уровне. Экспрессия структурных генов, входящих в те батареи, которые детерминируют ткани, несомненно, координирована с экспрессией генов, контролирующих морфогенез; однако, ввиду того что в тканях различных компартментов экспрессируются одни и те же или очень сходные генные батареи, они, вероятно, регулируются тканевыми интегрирующими системами, обособленными от организменной интегрирующей системы. Кутикулы средне- и заднегруди идентичны по составу, но различаются по морфологии. В самом общем смысле тканевые интегрирующие системы, очевидно, обеспечивают образование основных типов клеток, тогда как организменная интегрирующая система определяет становление формы. Существование этих координированных, но раздельных систем интеграции подтверждается многочисленными примерами, свидетельствующими о диссоциации между цитодифференцировкой и морфогенезом.

Если, как мы полагаем, существуют обособленные тканевые и организменные интегрирующие системы, то в таком случае их эволюция в процессе возникновения разнообразия Metazoa шла совершенно разными путями. Животные возникли в позднем докембрии, и никаких сведений о ранней эволюции первых Metazoa не сохранилось. Подобно Геккелю, мы должны строить наши предположения об их истории на основании того, что нам известно о ныне живущих организмах, и того, что по нашему ощущению (опасное занятие) можно считать общими принципами. Самые первые многоклеточные животные столкнулись с двумя важными проблемами: созданием и поддержанием стабильных тканей и изобретением онтогенеза. Как и при всех других эволюционных переходах, для решения этих проблем не было придумано чего-либо совсем нового. Необходимые для зачаточных процессов развития генетическая и клеточная системы уже существовали у их одноклеточных предков. Некоторые простейшие, такие как ресничные (инфузории), обладают чрезвычайно сложной морфологией; другие, такие как вольвокс, приближаются к многоклеточным организмам, поскольку их клетки дифференцированы на соматические и половые, и в процессе развития у них наблюдаются морфогенетические движения, напоминающие гаструляцию.

Простейшие развиваются и преуспевают в самых разнообразных направлениях, но все они имеют относительно небольшие размеры, что обусловлено физическими причинами и ограниченностью массы цитоплазмы, существование которой может поддерживаться одним ядром. Эти предельные размеры несколько превышаются у крупных ресничных, достигающих длины порядка 1 мм, т.е. достаточно крупных, чтобы нападать на самых мелких Metazoa. Ресничные увеличили свои размеры и сложность, оставаясь при этом одноклеточными организмами, благодаря тому что они приобрели себе полиплоидные макронуклеусы, контролирующие соматические функции. Эти ядра могут поддерживать скорости транскрипции, необходимые крупным клеткам, но процессы внутриклеточного транспорта протекают у них достаточно вяло, что ограничивает диапазон регуляторных возможностей даже макронуклеуса. Несмотря на успешное завоевание простейшими самых разнообразных сред - от приливных заводей до рубца коровы, - крупные размеры, которых им недостает, все же дают явные преимущества, особенно в тех случаях, когда решается вопрос о том, кто кого съест.

Клеточные преадаптации простейших были, возможно, наследством, которое получили первые многоклеточные формы. Этих преадаптации могло оказаться достаточно для обеспечения дифференцировки, необходимой самым простым Metazoa, каких себе только можно представить, т.е. не слишком далеко ушедшим по сложности от некоторых ныне живущих простейших. Такое животное, вероятно, было невелико, по меркам Metazoa и в некоторых отношениях походило на опалину-крупное жгутиковое одноклеточное, в цитоплазме которого содержится несколько сот ядер. Для превращения какого-либо опалиноподобного одноклеточного в многоклеточный организм достаточно было, чтобы эти ядра отделились друг от друга мембранными перегородками. Дифференцировка клеток на внутренние пищеварительные и наружные ресничные эпителиальные клетки требует введения всего лишь одного переключателя, который контролировал бы в двух пространственно разобщенных клеточных популяциях дифференциальную экспрессию программ тех функций, которые прежде выполнялись клетками одного типа. Возникшие таким образом зачатки тканевых и организменных интегрирующих регуляторов сделали возможным появление организма, внешне сходного с планулой (личинка кишечнополостных) или с бескишечными (Acoela) плоскими червями. Таковы последовательные ступени морфологической организации, которые по понятным причинам дороги тем, кто строит филогенетические гипотезы относительно происхождения Metazoa.

Наше гипотетическое животное обладает еще одним дополнительным признаком - обособленными первичными половыми клетками. Разделение клеток на соматические и половые лежит в основе организации Metazoa. Для Metazoa характерно половое размножение, а для образования гамет необходимы клетки, способные к мейозу и последующему слиянию с другой гаплоидной клеткой, с тем чтобы могло начаться развитие. Для того чтобы была возможна хоть какая-то дифференцировка клеток, не все клетки организма должны быть способны давать начало гаметам. В отличие от большинства простейших, у которых весь организм превращается в гаметы, у Metazoa для этого должна образоваться отдельная клеточная популяция. Предшественников подобного основного функционального разделения можно видеть у таких примитивных организмов, как клеточные слизевики Dictyostelium; у них в определенные периоды жизни образуются смертные соматические клетки, образующие стебель, на котором находится плодовое тело, несущее бессмертные половые клетки - споры. Согласно одной из книг Ветхого завета, Книги Бытия, смерть была расплатой за познание. На самом деле, как это не прозаично, она была расплатой за многоклеточность.

Эволюция необходимых индукционных систем в сочетании с эволюцией новых систем тканевого взаимодействия сделала возможным возникновение батарей новых генов для создания новых типов тканей. Поскольку даже у самых примитивных групп Metazoa имеются клетки нескольких разных типов, на этом уровне эволюции могли возникнуть многие из основных типов тканей. Такие ткани, как мышечная, нервная, эпителий кишечника, и покровный эпителий, по-видимому, возникли очень давно и оставались удивительно стабильными на протяжении длительных периодов эволюции, в то время как организменные интегрирующие системы подвергались модификациям. Поэтому изменения морфологии, столь ярко выраженные у млекопитающих и насекомых, возникли как бы в результате отливки прежних тканей в новые формы. Это краткое обсуждение происхождения Metazoa настолько упрощено, что может возникнуть мысль, будто объяснение процессов филогенеза и онтогенеза этих животных - задача тривиальная. На самом деле это не так, однако об истинном ходе событий сведений столь мало, что мы можем лишь строить гипотезы. Суть наших рассуждений сводится к тому, чтобы показать, что многие тканевые интегрирующие системы чрезвычайно древние. Основные организменные интегрирующие системы у животных тех типов, которые уже вполне сформировались к кембрию и ордовику, также возникли очень давно. Однако изменения именно организменных интегрирующих систем служат основной движущей силой морфологической эволюции.

В 1860 г. Луи Агассиц (Louis Agassiz), который возглавлял научную оппозицию дарвиновской теории эволюции в Америке, выразил свое возмущение опубликованием «Происхождения видов» в гневной рецензии. В числе возражений, выдвинутых Агассицем против приводимых Дарвином доказательств эволюции, было следующее:

«Если бы только сторонники выдвигаемых за последнее время фантастических теорий вышли хоть немного за пределы изучения домашних животных, если бы они занялись исследованием чередующихся поколений у Acalephae, необыкновенных способов развития у гельминтов, размножения у сальп и т.д. и т.п., то они вскоре поняли бы, что в мире существуют гораздо более удивительные явления, вполне укладывающиеся в естественные пределы, очерченные неизменяемостью видов, чем незначительные различия между одомашненными животными, вызванные вмешательством человека, и, быть может, перестали бы так твердо верить, как они, по-видимому, верят сейчас, что эти различия служат надежными указаниями на изменчивость видов».

Возражение Агассица можно поставить с ног на голову, потому что как раз возможность разных путей развития на базе одного генома и сложности морфогенетических программ, обсуждавшиеся в гл. 9, поставляют сырье для эволюционного изменения. Благодаря гетерохрониям у репродуктивно зрелых взрослых особей могут сохраняться ювенильные признаки. Модификации временных связей между подпрограммами или разобщение индукционных событий, происходящие при морфогенезе, служат эволюционными механизмами, изменяющими течение развития и создающими тем самым новые стратегии личиночной жизни, такие как прямое развитие на суше у некоторых тропических лягушек или новые дефинитивные ткани и морфологии. Известно немало примечательных примеров таких трансформаций развития, и мы хотим понять их генетические и морфогенетические механизмы. Однако в замечании Агассица есть один важный момент, не утративший своей силы. В попытке свести сложность эволюционных явлении к поддающимся управлению парадигмам таится некая опасность. В нашем собственном анализе есть известный риск, поскольку мы допускаем сверхупрощение, когда полагаем, что только регуляторные, но не структурные гены играют важную роль в морфологической эволюции, а среди регуляторных генов действительно существенны только гены, обеспечивающие интеграцию на уровне организма в целом, но не на тканевом уровне. Это гораздо более «одномерное» заключение, чем нам хотелось бы. В сущности, во многих эволюционных событиях участвуют генетические изменения разного рода, которые тонко переплетаются друг с другом и приводят к возникновению новых структур и типов поведения, открывающих новые адаптивные возможности. Одним из таких событий было возникновение млечных желез.

Значение млечной железы состоит в том, что это относительно новый орган, возникший при переходе от звероподобных рептилий к истинным млекопитающим. Обладание млечными железами повысило эффективность размножения млекопитающих и через связь между матерью и детенышем положило начало ряду изменений поведения, которые могли внести определенный вклад в прогрессивное развитие мозга млекопитающих. Наиболее вероятными предшественниками млечных желез были потовые или другие кожные железы. Охлаждение путем испарения, осуществляемое благодаря потовым железам, было, возможно, одной из ранних адаптации в группе животных, у которых начала развиваться гомойотермия и изощренные механизмы терморегуляции. Как полагал Чедвик (Chadwick), предки млекопитающих были мелкими животными, и вполне возможно, что их детенышам в первые несколько дней жизни грозило обезвоживание. Потовые железы могли достигнуть особенно сильного развития у насиживавших яйца звероподобных рептилий как способ снабжения детенышей водой и минеральными веществами.

Морфогенез млечной железы у трех современных подклассов млекопитающих, которому посвящен обзор Рейно (Raynaud), отражает последовательные стадии возрастания сложности этой железы в процессе эволюции. У однопроходных, или яйцекладущих, млекопитающих нет четко выраженного соска; примерно 100 трубчатых желез просто открываются на брюшной поверхности, по обе стороны от средней линии. У отверстия каждой железы имеется жесткий волос. Секрет железы стекает по этому волосу, а детеныш слизывает его. У сумчатых предшественники млечной железы дифференцируются, образуя почки трех типов. Эти почки в свою очередь дают начало связанным с млечными железами волоскам (mammary hairs) или же млечным или сальным железам. У сумчатых такие волоски - временные образования, а у плацентарных млекопитающих зачатки млечных желез уже не связаны ни с зачатками волос, ни с зачатками сальных желез.