Страница 20 из 85
Mutatis mutandis [85]
Власть гомеозисных генов над количеством и типом частей тела позволила некоторым ученым предположить, что они должны были играть важную роль в эволюции; что они каким-то образом определяли потрясающее разнообразие форм у животных – от червей до китов. В этом наверняка что-то есть. Люди с дополнительными ребрами, в особенности те, у кого эти ребра расположены там, где должна быть шея, несколько напоминают, к примеру, змей. У змей шеи вообще нет: у них есть позвонки, несущие ребра вдоль всего тела, до самой головы. Это происходит потому, что характер активности Hox-генов в сомитах эмбрионов змей совершенно отличен от такового у рептилий, которые обладают шеей, у птиц и млекопитающих. Кстати, это различие также объясняет тот факт, почему у змей нет рук. Положение рук, или шире – верхних конечностей, диктуется тем же самым генным калькулятором, который принимает решение о судьбе позвонков от шеи до грудной клетки. Нет шеи, нет и рук – просто, как апельсин. [86]
Однако притягательность гомеозисных генов состоит не столько в различиях между видами, сколько в их сходстве. Универсальность этих генов попросту поразительна. Мухи пользуются ими, чтобы навести порядок в своих сегментах; мы используем их, чтобы отсортировать позвонки, но в обоих случаях общим является то, что и там и здесь происходит формирование органов вдоль оси тела голова-хвост. Кроме того, сходство между гомеозисными генами позвоночных и насекомых лежит гораздо глубже примеров их общего использования: оно касается непосредственно генома.
Гомозисные гены образуют кластеры – группы генов, расположенные друг подле друга на одной хромосоме. Первые несколько генов в гомеозисном кластере плодовой мушки определяют идентичность ее головных сегментов, следующие – выполняют ту же функцию для торакальных, и последние – для абдоминальных сегментов. Существует, по-видимому, довольно-таки немудреное соответствие между порядком расположения генов в хромосоме и структурной последовательностью самой мухи. Так же, с соответствующими изменениями (mutatis mutandis),обстоит дело и у человека. У нас имеется четыре кластера гомеозисных генов на четырех хромосомах, а не один, как у мухи, но внутри каждого кластера сохраняется тот же порядок расположения генов вдоль хромосомы, что и у мухи. В точности, как у мухи, первые гены каждого кластера необходимы для формирования нашей головы, последние – хвостового отдела, а остальные – для образования расположенных между этими двумя полюсами частей.
Почемугомеозисные гены должны действовать таким образом и почему они по-прежнему сохраняют эту свою способность, не вполне ясно. Тем не менее они указывают на систему построения организма, которая сформировалась, возможно, сотни миллионов лет назад у какого-то червеобразного предка и до сих пор сохранилась. Действительно, гомеозисные гены были всего лишь первым указанием на то, что многие молекулярные механизмы, задействованные в формировании нашего тела, отличаются большой древностью. На протяжении последних десяти лет стало ясно, что мы во многих отношениях – всего лишь черви, но разросшиеся. Ген под названием ems нужен плодовой мушке для того, чтобы у нее образовался крошечный мозг. Эволюционная пропасть – и по времени, и по структурной сложности, – отделяющая мушиный мозг от того сооружения в сотни миллионов нейронов, которое сидит у нас на плечах, столь огромна, что трудно представить себе возможность использования в обоих случаях тех же самых механизмов. И тем не менее мутации в человеческом аналоге ems вызывают наследственное расстройство, выражающееся в появлении избыточных борозд на мозге (а следовательно, в умственной отсталости и нарушении моторики). [87]Еще один мушиный ген, так называемый "eyeless" ("безглазый"), необходим для формирования фасеточных глаз дрозофилы. Мухи, лишенные гена eyeless, в общем, да, безглазы. То же, по сути, происходит и с людьми в случае наличия у них наследственной мутации в родственном гене. Они рождаются без радужной оболочки глаза. [88]
В соответствии с циклическим характером интеллектуального развития все это уже было высказано ранее, хотя и не в столь прямой форме. Более ста пятидесяти лет назад Этьен Жоффруа Сент-Илер – этот эксцентрический гений и Линней мира уродств, открыватель универсального закона взаимного сродства – пытался создать новую отрасль науки, анатомическую философию,которая бы продемонстрировала, что животный мир, с виду столь обширный и разнообразный, по существу един.
Его изначальные цели были достаточно скромными. Жоффруа стремился показать, что структуры, возникающие у млекопитающих, являются по существу теми же, лишь модифицированными по сравнению с другими позвоночными, как то: рыбы, рептилии и амфибии. Другими словами, он пытался идентифицировать то, что мы сейчас называем гомологами, доказывая, к примеру, что оперкулярные кости рыб (прикрывающие жабры) – это, по сути, то же, что и мельчайшие косточки среднего уха у млекопитающих (молоточек, стремечко и наковальня).
Но такому склонному к обобщению мыслителю – истинному "синтезатору", каким был Жоффруа, оперкулярных костей показалось мало. Он продолжал искать гомологии между на удивление несхожими структурами у самых что ни на есть различных существ. Сопоставляя наружный скелет насекомого и позвонки рыб, он высказал суждение, что это одно и то же. Никто не спорит, насекомые имеют наружный скелет (все их внутренности окружены твердыми частями), а рыбы – внутренний (у них кости окружены мягкими частями). На этом основании другие анатомы считали возможным разделять эти существа. Жоффруа, с откровенной убежденностью визионера, объяснял, что "каждое животное существует внутри или вне своего позвоночного столба". Не удовлетворившись этим, он пошел дальше, дабы показать, насколько анатомия омара сходна с таковой позвоночного – стоит только перевернуть первого на спину. Если у омаров их основной нервный тяж расположен на вентральной (брюшной) стороне, а основные кровеносные сосуды на дорзальной (спинной), то у позвоночных все происходит ровно наоборот. А ведь был еще и любопытный пример с головоногими: если взять утку и свернуть ее пополам, так чтобы хвост коснулся головы (надеюсь, что этот эксперимент проводился только на бумаге), разве ее анатомическое строение не напомнит таковое каракатицы?
Нет, не напомнит. Рассуждения Жоффруа вызвали приступ ярости у Кювье, его могущественного соперника по Музею, в результате чего в 1829 году были организованы публичные дебаты в присутствии членов Французской академии наук. Жоффруа потерпел поражение: утка не похожа на каракатицу, как бы вы ее ни свернули; даже его рассуждения о сходстве между оперкулярными костями рыб и косточками среднего уха не выдерживали серьезной критики. И все же если конкретные приведенные им примеры гомологий иногда выглядели абсурдными даже для того времени, то предложенный им метод таковым не являлся. Различные организмы действительно наделенысходными, хотя и модифицированными, структурами. Представление о гомологиях является общим местом в сегодняшней биологии (мы говорим о гомологичных генах с той же легкостью, как о гомологах конечностей), и потому легко вычитать в рассуждениях Жоффруа тот эволюционный смысл, который сам он в них не вкладывал. Гомологии, которые он наблюдал, или думал, что наблюдает, были, по его мнению, сотворены Создателем. Это был век, если так допустимо выразиться, Трансцендентной Анатомии. [89]
Сегодня едва ли возможно изучать развитие какого бы то ни было существа, не сравнивая его с другими. Это происходит потому, что животные, сколь бы разными они ни выглядели, по-видимому, наделены общими комплексами молекулярных механизмов, которые являются наследием общей эволюционной истории. Они используются снова и снова, часто с различными целями, но остаются узнаваемо схожими, где бы мы их ни встретили. Действительно, именно об этом говорят результаты проектов по секвенированию геномов. У людей имеется 30 тысяч генов, у мух – 13 тысяч. Разница в количестве генов значительно меньше, чем можно было бы предположить исходя из огромных различий, по крайней мере кажущихся, и в размерах, и в усложненности строения у представителей двух видов. Другое существо, к которому с нежностью относятся специалисты по биологии развития, – круглый червь Caenorhabditis elegans – имеет 19 тысяч генов, хотя взрослые особи достигают всего лишь 1,2 миллиметра в длину, а в их организме насчитывается только 959 клеток.
85
С соответствующими изменениями (лат.).
86
Эволюцию потери конечностей у змей описывают Кон и Тикл (Cohn and Tickle, 1999). Их толкование утраты передних конечностей у змей не объясняет отсутствия задних конечностей, причина которого заключается в неспособности почек конечностей к росту. Сходные изменения в паттернах экспрессии Hox-генов, в особенности у артропод, продемонстрированы во многих исследованиях. В некоторых новейших работах действительно показано, что мутации Hox-генов напрямую ответственны за эволюционные изменения морфологической структуры (в случае со змеями пример изменения экспрессии Hox-гена подразумевает мутацию некоего предшествующего регуляторного фактора). — прим. авт.
87
Мутации в Emx2 ( 600035), гомологе ems у человека, отвечают за шизофрению ( 269160). Роль ems и других консервативных генов мозга обсуждается в работе: Reihart and Simeone, 2001. — прим. авт.
88
Мутации Pax6 ( 607108), человеческого гомолога "eyeless", вызывают аниридию ( 106210) (Ton et al., 1991). Обзор причин эволюционного сохранения генов eyeless / Pax6 см.: Gehring and Ikeo, 1999. — прим. авт.
89
Основные идеи Жоффруа по поводу того, что мы сейчас именуем гомологией, можно найти в "Философии анатомии. Дыхательные органы при установлении идентичности их костных частей" ( Philosophie anatomique. Des organes respiratoires sous de la determination et de I'identité de leurs pièces osseuse, 1818) и в труде "Общие соображения. О позвоночных" ( Considerations générates. Surla vertèbre,1822). Собранные вместе, эти высказывания приводятся в одной работе (Le Guyader, 1998), где обсуждается также спор между Жоффруа и Кювье. Этой же темы касается Аппель (Appel, 1987). Возрождением гипотезы дорзо-вентральной инверсии мы обязаны, среди прочих, де Робертису и Сасаи (De Robertis and Sasai, 1996); современный критический взгляд на эти идеи дает Герхарт (Gerhart, 2000). — прим. авт.