4538-1 (Кембрийский парадокс), страница 3

Совершенно иное биологическое объяснение кембрийского взрыва предложили в 1994 - 1997 годах американские биологи Валентин, Эрвин и Яблонский. По их мнению, этот взрыв произошел в силу того, что у некоторых примитивных предкембрийских организмов в результате случайных генетических изменений появилась способность резко расширить спектр возможных телесных структур. Действительно, одной из важнейших особенностей кембрийского эволюционного скачка.было как раз такое вот внезапное появление множества биологических форм с совершенно новыми телесными признаками. Некоторые из этих новых организмов обрели четко выраженные головы и хвосты, у других отчетливо выделились сегменты и брюшко, у третьих возникли конечности, еще какие-то оделись в панцири, некоторые обзавелись усиками-антеннами или жабрами - и так далее. В общей сложности исследователи насчитывают целых 37 новых телесных планов, возникших - и притом почти одновременно - в ту эпоху бурной эволюционной активности. И все основные принципы телесной архитектуры современных организмов зародились именно тогда.

При чем тут, однако, гены? На мысль о связи этого "архитектурного скачка" с генами авторов новой гипотезы натолкнули последние достижения так называемой биологии развития. Уже ранее было известно, что в ходе зародышевого развития любого многоклеточного организма его клетки проходят специализацию - из одних получаются, например, ноги, из других, скажем, мускулы, жабры или глаза. Было известно также, что команды на специализацию клеткам дают те или иные гены. Но в последние годы было установлено: для того, чтобы развитие шло по определенному плану - например, глаз не вырос там, где должна быть нога, - необходимо, чтобы эти гены "включались" в определенной последовательности, один за другим, в нужное время, и управляют таким планомерным включением особые, так называемые регулировочные гены. Наиболее изученной их разновидностью являются гены группы "hox". Они были впервые открыты при изучении дрозофил.

Было установлено, что гены этой группы регулируют процесс закладки самых основных и самых общих принципов телесной структуры организма. Восемь генов этой группы, имеющихся у дрозофил, расположены в одной из хромосом друг за другом, последовательно. Так же последовательно они и работают: первый по счету ген дает команду на построение головы, второй приказывает строить следующий сегмент тела вдоль его оси и так далее, до хвоста. Когда исследователи искусственно меняли последовательность этих генов, они получали мушек, у которых, например, ноги росли из головы.

Гены группы hox изучены также у лягушек. Это изучение показало, что, хотя лягушки и дрозофилы располагаются на двух разных ветвях эволюционного дерева (эти ветви различаются способом образования рта у эмбриона), шесть из их генов hox поразительно сходны. Например, один из них в дрозофиле отличается от своего аналога в лягушке только "знаком": у дрозофилы он регулирует появление брюшка, а у лягушки - спинки. Если пересадить его от дрозофилы лягушке, то ход развития совершенно не нарушится, только лягушачьи спинка и брюшко поменяются местами. Видимо, это различие возникло в результате мутации. Подсчитав, сколько таких мутационных различий накопилось в сходных генах hox за время раздельного существования мышей и лягушек, и зная среднее количество мутаций, происходящих за каждую сотню лет, исследователи определили, как давно жил общий предок лягушек и дрозофил. Это время оказалось настораживающе близко к времени кембрийского взрыва - порядка 565 миллионов лет.

Как мы уже сказали, у дрозофилы всего восемь hox генов; у млекопитающих, например, их целых 38. Но обнаружилось, что все эти 38 генов являются лишь слегка измененными дубликатами восьми первичных. Что же касается самих этих восьми первичных генов, то они оказались весьма сходными у всех современных типов организмов - от млекопитающих до насекомых. Как и в случае лягушки и дрозофилы, это сходство позволило вычислить, когда именно впервые появились эти восемь исходных hox генов, определивших (и до сих пор определяющих) самые общие принципы телесного строения всех современных организмов (конкретные различия в этом строении и форме их тел - скажем, между Мэрилин Монро и мушкой-дрозофилой - порождены различием в регулировочных генах других групп, появившихся позже, в ходе последующей эволюции).

Эти расчеты привели к тем же результатам, что и сравнение этих генов у лягушек и дрозофил. Оказалось, что первичные гены группы hox, сходные у всех современных организмов, восходят к общим предкам этих организмов, возникшим примерно 565 миллионов лет тому назад, то есть в эпоху, непосредственно предшествовавшую кембрийскому эволюционному взрыву. Как мы уже знаем, те планы строения тела, которые сохранились по сей день в виде самых общих принципов телесной архитектуры современных организмов, возникли в кембрийскую эпоху. А теперь мы видим, что регулировочные гены, ответственные за такие общие планы, появились незадолго до этого. Вполне естественно предположить, что именно появление первой полной группы генов hox (состоявшей из восьми первичных генов) сыграло роль триггера того уникального взрыва форм, который мы называем кембрийским взрывом.

Поначалу Валентин и его соавторы утверждали, что история развивалась следующим образом: до поры до времени существовали только простейшие организмы, у которых вся группа hox исчерпывалась одним-единственным геном, в предкембрийскую эпоху возникли первые многоклеточные, у которых число этих генов постепенно возросло до пяти-шести (у плоских червей); а в кембрийскую эпоху это число скачком увеличилось до восьми, и именно этого оказалось достаточно для возникновения поразительного разнообразия форм.

Более поздний вариант их теории выглядит намного сложнее. Теперь они считают, что появление всего необходимого набора регулировочных генов произошло уже в докембрийскую эпоху, 565 миллионов лет назад. Но при всей биологической фундаментальности этого события оно, тем не менее, было всего лишь необходимым, но недостаточным условием кембрийского взрыва. Вполне возможно, что даже при наличии одного из тех генов, его первый обладатель, какой-нибудь плоский червь, обладал не глазом, а всего лишь "потенцией глаза" - чем-то вроде светочувствительного пятна на голове.

Организмы - не механические игрушки, которые достаточно толкнуть, чтобы получить автоматический ответ; скорее всего потребовалось сложное сочетание различных условий, чтобы возможность стала действительностью и произошел скачок эволюции, подобный кембрийскому взрыву.

Иными словами, в кембрийскую эпоху должно было произойти что-то дополнительное, сыгравшее роль "триггера" для запуска этих генов в работу, то есть для создания множества разнообразных форм и типов, столь характерное для того времени. Валентин и его коллеги не уточняют, что могло быть таким "дополнительным триггером". Они только пишут, что "предположения варьируются от резкого роста атмосферного кислорода выше некоторого критического уровня до экологической "гонки вооружений", в которой эволюционное взаимодействие хищников и жертв могло породить целый спектр различных новых видов".

В этих словах легко распознать намеки на "кислородную гипотезу" Беркнера - Маршалла и "гипотезу хищника-жнеца" Стенли. С другой стороны, создатель "гипотезы земного кувырка" Киршвинк считает, что и его объяснение кембрийского взрыва одновременным сползанием всех земных материков тоже может сочетаться с теорией "скачка регулировочных генов", предложенной Валентином, Яблонским и Эрвином. Поэтому, подводя итоги, можно сказать, что новейшие теории кембрийского взрыва имеют тенденцию объединять в себе несколько разных гипотез и тем самым объяснять это уникальное и загадочное явление не одной какой-либо причиной, а взаимодействием нескольких различных факторов, как физико-химического, так и биологического характера.

На этом мы могли бы подвести черту под рассказом о загадках кембрийского взрыва и попытках их объяснения. Но в нашем перечне этих загадок осталась еще одна нерешенная проблема.

Как мы уже говорили, кембрийский эволюционный скачок составляет принципиальную трудность для "ортодоксальной" теории Дарвина, в которой эволюция считается обязательно "плавной" и "непрерывной". Чтобы обойти эту трудность, одни биологи вообще отрицают реальность кембрийского взрыва, а другие предлагают внести довольно радикальные изменения в "ортодоксальный дарвинизм". В самые последние годы каждая из сторон выдвинула новые доводы в свою пользу, и это резко обострило спор вокруг основ дарвинизма. Спор этот определенно заслуживает отдельного рассказа.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://vivovoco.nns.ru/