Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия

Идея об общности набора генов, регулирующих формирование плана строения, и о сходстве нашего генома с геномами других животных постепенно распространяется среди широкой публики. При этом, однако, остается без внимания некий парадокс. Если наборы генов у разных видов так похожи, откуда берутся различия? Разрешение этого парадокса и выводы из него составляют основную тему моей книги. Парадокс генетического сходства различающихся видов разрешается с помощью двух ключевых идей, которые я изложу и к которым буду постоянно возвращаться по ходу повествования. Эти идеи имеют огромное значение для понимания того, каким образом инструкции, специфичные для каждого вида животного, записаны в ДНК, и как создается и эволюционирует форма. Эти идеи весьма скудно отражены в средствах массовой информации, но они очень важны для понимания таких важнейших эпизодов истории жизни на Земле, как взрыв биоразнообразия в кембрийском периоде, эволюция разнообразия внутри отдельных групп животных, таких как бабочки, жуки или вьюрки, а также наша с вами эволюция от общего предка с шимпанзе и гориллами.

Первая идея заключается в том, что биоразнообразие связано не только с тем, какие именно гены входят в набор генов развития, сколько, говоря словами Эрика Клэптона, "it's in the way that you use it" — с тем, как они используются. Создание формы происходит посредством включения и выключения генов в разное время и в разных местах в процессе развития организма. Различия формы являются следствием изменения времени и места использования генов, особенно тех, которые регулируют количество, форму и размер структур. Мы увидим, что гены могут использоваться множеством способов, и именно за счет этого создается невероятное разнообразие форм тела и его частей.

Вторая идея касается того, где в геноме искать непосредственных виновников, ответственных за эволюцию формы. Так вышло, что в последние сорок лет их искали совсем не там, где надо. Давно было известно, что гены построены из длинных последовательностей нуклеотидов, которые декодируются универсальным способом при производстве белковых молекул, и именно белки совершают основную работу в клетках и тканях организма. Генетический код, с помощью которого закодированы все двадцать слов белкового словаря, известен уже более пятидесяти лет, и мы легко справляемся с задачей расшифровки последовательностей нуклеотидов и их переводом в белковые последовательности. Но гораздо менее понятно, почему лишь крошечная доля нашей ДНК, всего около 1,5%, кодирует все 25 000 белков нашего организма. Зачем тогда нужна вся остальная ДНК? Около 3% ДНК (содержит примерно 100 миллионов бит) выполняют регуляторную функцию. Эта ДНК определяет, когда, где и каким образом синтезируется основная часть продуктов того или иного гена. Позже я расскажу о том, как регуляторная ДНК организована в удивительные маленькие устройства, которые интегрируют информацию о положении клеток в эмбрионе и о сроках развития. На выходе эта информация трансформируется в элементы, из которых и состоит форма животного. Регуляторная ДНК содержит инструкции для построения тела, и эволюционные изменения именно этой ДНК приводят к разнообразию формы.

Чтобы понять роль регуляторной ДНК в эволюции, нужно сначала усвоить некоторые основные законы биологии. Необходимо понять, как устроены животные и какую роль в эмбриональном развитии играют гены. Этим вопросам, которые и сами по себе интересны, посвящена первая часть книги. Я расскажу о некоторых общих принципах архитектуры животных, а также о тенденциях в эволюции плана строения, общих для нескольких групп животных (глава 1). Я познакомлю вас с рядом удивительных мутантных форм, которые помогли биологам обнаружить набор генов, регулирующих развитие организма (главы 2 и 3). Мы проследим за работой этих генов и увидим, как она отражает логику и порядок построения тела животных и составляющих его сложных структур (глава 4). Наконец, мы узнаем о тех устройствах в геноме, которые содержат инструкции для создания анатомических структур (глава 5).

Во второй части книги я собрал воедино все, что нам известно о возникновении разнообразия животных на основе изучения ископаемых животных, генов и эмбрионов. Я расскажу о некоторых наиболее важных и интересных эпизодах эволюции животных, которые показывают, как из небольшого количества строительного материала природе удалось смастерить столько отличных друг от друга форм. Я произведу фундаментальный анализ кембрийского взрыва (когда возникли основные современные типы животных и известные нам сегодня части тела) с точки зрения генетики и биологии развития (главы 6 и 7). Мы поговорим о происхождении вариантов рисунка на крыльях бабочек, что является блестящим примером того, как природа умеет изобретать, обучая старые гены новым трюкам (глава 8). Я расскажу несколько историй об эволюции оперения островных птиц и окраски шерсти млекопитающих (глава 9). Все это очень убедительные и красивые примеры, которые помогают глубже проникнуть в суть эволюционного процесса. Но есть из них и более прямое следствие: эти прецеденты демонстрируют процессы, лежащие в основе происхождения человека. В десятой главе я расскажу о формировании нашего вида, главным образом, на примере развития нашего удивительного мозга. Мы начнем с происхождения наших предков от человекообразного предшественника примерно шесть миллионов лет назад и проследим те физические изменения и изменения в развитии, которые привели к появлению Homo sapiens. Мы поговорим о генетических изменениях, произошедших в ходе нашей эволюции, в том числе об изменениях, вероятнее всего повлиявших на эволюцию качеств, которые, по нашему мнению, делают нас людьми.