Эмбрионы и эволюция

Пытаясь разобраться в огромном многообразии животных, натуралисты первым делом попытались разбить их на группы, такие как позвоночные (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие) и членистоногие (насекомые, ракообразные, паукообразные и др.), однако между животными из разных групп, да и внутри одной и той же группы наблюдалось множество отличий. Что разнит рыбу и саламандру? Или насекомое и паука? Понятно, что леопард — это кошка, но ведь что-то отличает его от домашнего кота? А что отличает нас от наших двоюродных братьев шимпанзе?

Ключ к ответу на подобные вопросы — это четкое осознание того, что форма каждого животного является продуктом двух процессов: развития из яйца и эволюции от предковой формы. Для понимания того, как появилось все наблюдаемое разнообразие форм живых организмов, необходимо понять механизмы этих двух процессов и осознать их неразрывную связь. Попросту говоря, развитие — это процесс превращения яйцеклетки в эмбрион, а затем во взрослую особь. Эволюция формы происходит за счет эволюционных изменений самого процесса ее развития.

Оба эти процесса поразительны. Подумайте только, развитие сложного многоклеточного существа начинается с одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. А всего через день (у личинки мухи), через несколько недель (у мыши) или через несколько месяцев (у нас с вами) яйцеклетка превращается в миллионы, миллиарды или, как у человека, в триллионы клеток, формирующих органы, ткани и отдельные части тела. На свете не так много явлений (если они вообще есть), которые вызывали бы у нас такое удивление и благоговение, как превращение яйцеклетки в эмбрион, а затем во взрослый организм. Один из крупнейших биологов, последователь Дарвина Томас Гексли (Хаксли) писал:

Человек, изучающий Природу, восхищается все больше и удивляется все меньше по мере того, как знакомится с ее законами; но среди всех чудес, которые она представляет для изучения, возможно, наиболее достойным восхищения является развитие растения или животного из зародыша.

"Афоризмы и размышления", 1907.

О существовании связи между развитием и эволюцией биологам известно давно. И Дарвин в книгах "О происхождении видов" (1859) и "Происхождение человека и половой отбор" (1871), и Гексли в коротком шедевре "О положении человека в ряду органических существ" (1863) в значительной степени опирались на данные эмбриологии (те, что были известны в середине девятнадцатого века) для демонстрации связи человека с царством животных и для подтверждения теории эволюции. Дарвин призывал читателя представить себе, как мельчайшие изменения, происходящие в разные моменты и в разных частях тела, через тысячи или миллионы поколений, за временные промежутки длиной от десятков тысяч до нескольких миллионов лет, приводят к образованию множества форм, адаптированных к различным условиям и обладающих уникальными способностями. Именно к этому в двух словах сводится суть эволюции.

Суть доводов Гексли проста: мы можем удивляться превращению яйца во взрослое животное, но для нас это будничный факт. В таком случае, только отсутствие воображения мешает понять, каким образом изменения в этом процессе, накапливающиеся на протяжении больших временных отрезков, намного превышающих то, что может охватить человеческий опыт, создают разнообразие всего живого. Эволюция столь же естественна, как и развитие эмбриона.

Будучи естественным процессом того же рода, что и появление дерева из семечка или курицы из яйца, эволюция исключает творение и любое другое сверхъестественное вмешательство.

"Афоризмы и размышления", 1907.

Хотя Дарвин и Гексли были правы относительно роли развития в эволюции, на протяжении сотни с лишним лет после публикации их работ приблизиться к пониманию загадок развития практически не удалось. Вопрос о том, как простое яйцо дает начало полноценному организму, оставался одним из самых трудноразрешимых вопросов во всей биологии. Многие считали, что процесс развития безнадежно сложен и что для объяснения развития разных животных требуются совершенно разные подходы. Эта задача казалась настолько неразрешимой, что исследования в области эмбриологии, наследственности и эволюции, которые сто лет назад были тесно переплетены и формировали ядро биологического мышления, разделились и каждая из этих наук принялась изобретать собственные закономерности.

Поскольку развитие эмбриологии задержалось очень надолго, она не принимала никакого участия в так называемом современном синтезе эволюционных идей (другое название этого направления — синтетическая теория эволюции), который возник в 1930-1940-х гг. Десятилетия спустя после выхода в свет трудов Дарвина ученые все еще пытались понять механизм эволюции. В момент создания "Происхождения видов" механизм передачи наследственных признаков не был известен. Работы Грегора Менделя были заново открыты биологами лишь спустя десятилетия после их публикации, и до начала 1900-х гг. генетика не развивалась. Специалисты в разных областях биологии использовали совершенно разные подходы к изучению эволюции. Палеонтологи концентрировались на очень больших временных интервалах, анализе окаменелостей и эволюции крупных таксонов. Систематиков волновали проблемы вида и видообразования. Генетики по большей части исследовали изменчивость признаков лишь у нескольких модельных видов. Эти области научных исследований не были связаны между собой, а порой и соперничали, пытаясь доказать, что каждая из них вносит больший вклад в эволюционную биологию. Гармония была достигнута постепенно, в результате интеграции взглядов на эволюционные процессы на разных уровнях. Книга Джулиана Хаксли "Эволюция: современный синтез" (1942) обозначила возникновение этого союза и признание всеми двух основных идей. Первая идея: постепенная эволюция может быть результатом небольших генетических изменений, создающих вариации, которые становятся материалом для естественного отбора. Вторая идея: эволюция на уровне крупных таксонов и в более крупных масштабах может объясняться теми же постепенными эволюционными изменениями, происходящими за более длительные промежутки времени.

Современный синтез в значительной степени заложил основы эволюционной биологии на последующие шестьдесят лет. Однако, несмотря на многообещающие слова "современный" и "синтез", эта теория была неполной. С момента ее возникновения до недавнего времени мы могли сказать, что формы изменяются и что движущей силой этого процесса является естественный отбор, но мы ничего не могли сказать о том, как изменяются формы, объяснить видимые проявления эволюции, запечатленные, например, в окаменелостях. С точки зрения современного синтеза эмбриология была своего рода "черным ящиком", который каким-то образом трансформирует генетическую информацию в трехмерный функциональный организм.

Эта патовая ситуация длилась несколько десятилетий. Эмбриологи были поглощены проблемами, которые можно было решить, работая с яйцеклетками и эмбрионами всего нескольких модельных видов животных, и проблема эволюционных изменений развития выходила за рамки их научных интересов. Эволюционисты изучали генетическую изменчивость в популяциях, игнорируя связь между генами и формой. Хуже того: в некоторых кругах к эволюционной биологии относились так, будто ее место — среди музейных древностей.

Это продолжалось до 1970-х гг., когда наконец были услышаны голоса, призывавшие к объединению эмбриологии и эволюционной биологии. Громче других звучал голос Стивена Джея Гулда, чья книга "Онтогенез и филогенез" оживила дискуссию о том, каким образом изменения развития могут влиять на эволюцию. Кроме того, Гулд встряхнул эволюционную биологию, когда вместе с Нильсом Элдриджем по-новому взглянул на палеонтологическую летопись и выдвинул идею прерывистого равновесия, согласно которой эволюция характеризуется длительными периодами стабильности (равновесие), прерывающимися короткими промежутками активных изменений (прерывистость). Книга Гулда и многие его последующие работы заставили пересмотреть "общую картину" эволюционной биологии и расставили акценты над оставшимися неразрешенными вопросами. Посеянные им зерна проросли в душе многих молодых ученых, к числу которых относился и я.

Для меня и многих других, кто рос в период расцвета молекулярной биологии, объяснившей механизм работы генов, ситуация в эмбриологии и эволюционной биологии казалась удручающей, однако обе науки обладали невероятным потенциалом. Отсутствие знаний в области эмбриологии приводило к тому, что дискуссия по поводу эволюции формы в эволюционной биологии практически полностью сводилась к беспредметным спекуляциям. Как можно достичь прогресса в понимании эволюции формы без научного представления о том, как вообще создается форма? Популяционным генетикам удалось установить, что эволюция происходит благодаря изменениям генов, но это положение не было подкреплено примерами. Не был охарактеризован ни один ген, изменение которого повлияло бы на форму тела и эволюцию какого-либо животного. Чтобы перейти на новый уровень понимания эволюции, был необходим прорыв в эмбриологии.