Эво-дево: следы макроэволюции

Креационисты нередко признают образование новых видов, но решительно отрицают существование макроэволюции, то есть возникновения таксонов (групп организмов) надвидового ранга. Действительно, трудно спорить с тем фактом, что под действием отбора в популяции могут появиться группы особей, резко различающиеся по множеству мелких признаков, а иногда и утрачивающие способность к скрещиванию между собой. Об этом свидетельствует и богатый опыт селекции растений, животных и микроорганизмов (см. раздел «Изменения видов при доместикации: от искусственного отбора к естественному«), и лабораторные эксперименты, и наблюдения над природными популяциями (см. раздел «Наблюдаемая эволюция«).

Мы легко можем представить себе изменчивость особей одного вида по размерам, форме, окраске (вспомним хотя бы про породы собак), но вот перестройки плана строения организмов, то есть числа, положения и идентичности их органов, для нас не столь уж очевидны. Каким же образом могут возникать глубокие различия в строении или поведении организмов, позволяющие говорить о появлении новых родов, семейств, классов, типов, то есть о макроэволюции? На первый взгляд, происхождение таких крупных новаций кажется неразрешимой загадкой. Для того, чтобы её разгадть, нам надо ответить на три вопроса:

1. Как и почему может измениться план строения организмов?

2. Способны ли организмы, имеющие необычный план строения, выживать и размножаться в природе?

3. Действительно ли известные нам механизмы перестроек плана строения имеют отношение к происхождению надвидовых таксонов, т. е. к макроэволюционным событиям?

Гомеозис и не только

Генетикам давно известны мутации, вызывающие резкие перестройки плана строения организмов, такие как гомеозис (изменение идентичности органов) и гетеротопии (образование обычных органов в несвойственных для них местах). Впервые такая мутация — появление второй пары крыльев у плодовой мушки дрозофилы — была описана К. Бриджесом ещё в 1915 году (она получила название bithorax, см. рисунок). К концу 20 века были подробно изучены гены, регулирующие индивидуальное развитие и формирование отдельных органов у ряда модельных организмов (дрозофилы, мыши, растения арабидопсис и некоторых других). Мутации этих генов и приводят к гомеозисным эффектам, а значит — указывают на возможные причины глубоких морфологических перестроек в эволюции.

Примеры:

Слева: плодовая мушка Drosophila melanogaster (http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/textlife/fruitfly.jpg), один из основных модельных объектов генетики животных. Справа: мутация bithorax у дрозофилы (http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIIC6Development.shtml): превращение третьего сегмента груди в дубликат второго, в результате чего у мухи появляется ещё одна пара крыльев, а также второй желудок.

Мутация antennapedia у дрозофилы (http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/112609): вместо усиков (антенн) у мухи формируется пара ног.

Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), важнейший модельный объект генетики растений, и её цветок.

Слева: мутант Arabidopsis по гену AGAMOUS: у него не образуются тычинки и плодолистики, а сам цветок может ветвиться подобно вегетативному побегу (http://chieffa.livejournal.com/54677.html). Справа: мутант Arabidopsis по гену APETALA1: на месте лепестков у него формируются тычинки, чашелистики превращаются в листьях, а в их пазухах развиваются цветы следующего порядка (http://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc731/flower/flower2.htm).

Итак, мутации лишь одного гена могут вызвать резкие изменения в строении дрозофилы и арабидопсиса, а значит и других организмов. Впрочем, подобные эффекты могут возникать и без изменения нуклеотидной последовательности гена — достаточно того, чтобы обычный ген заработал (стал экспрессироваться) в необычном месте и/или в необычное время. Иными словами, морфологические перестройки могут быть обусловлены не только генетическими, но и так называемыми эпигенетическими механизмами, связанными с управлением и регуляцией работы генов; примеры таких перестроек будут приведены ниже. Итак, появление организмов с измененным планом строения — это, можно сказать, «дело техники».

2.2. Безнадежны ли «обнадёживающие монстры»?

В 1940 году Рихард Гольдшмидт высказал гипотезу о том, что макроэволюция есть результат системных мутаций (макромутаций), то есть наследственных изменений, затрагивающих всю систему генотипа и несводимых к изменениям отдельных генов. Именно он ввел в обиход яркий образ «обнадёживающего монстра» (hopeful monster), то есть носителя такой макромутации. Долгое время концепция Гольдшмидта находилась на периферии внимания ученых. Интерес к ней оживился лишь в 1990-е годы, а сейчас тема hopeful monsters приобрела научную респектабельность.

Называя носителей эволюционных новаций «монстрами» (хоть и «обнадеживающими»), Гольдшмидт понимал, что этим необычным существам в жизни должно быть нелегко. Речь ведь идет о тяжелых уродствах, которые, как кажется, не оставляют организмам шансов на выживание и размножение. Тем не менее в природе иногда встречаются популяции, в значительной мере состоящие из «монстров», и ученые знают о них очень давно.

Пример 1. Пелории у льнянки.

Льнянка обыкновенная (Linaria vulgaris) — невысокое растение с красивыми желто-белыми цветками, которое нередко можно встретить на пустырях, опушках, на песчанных дюнах и по обочинам дорог. По строению цветков льнянка очень похожа на львиный зев, с которым она состоит в близком родстве. Для них обоих характерны отчетливо двугубые цветки с длинным шпорцем.

В 1742 году Магнус Сёберг (M. Zi?berg), студент из Уппаслы, обнаружил на одном из островов к северо-востоку от Стокгольма заросли льнянки с радиально-симметричными цветками, несущими пять шпорцев. Когда выдающийся ботаник Карл Линней увидел это растение в гербарии, он был настолько поражен, что поначалу даже заподозрил подделку. Тщательная проверка показала, однако, что этот экземпляр был именно льнянкой, но с крайне своеобразными цветками, для которых Линней ввёл специальный термин «пелория» (т. е. по-гречески «монстр»). По его настоянию Сёберг совершил специальную поездку к месту своей находки, доставил оттуда в Уппсалу живые экземпляры странной льнянки, которые были высажены в университетском ботаническом саду. Линней же посвятил пелориям специальную диссертацию, опубликованную в 1744 году.

Пелорический цветок льнянки (http://www.uu.se/linne2007/index.php?option=com_content&task=view&id=51&Itemid=72&lang=en)

Почему же великого ботаника так заинтересовали эти цветки с пятью шпорцами? Прежде всего, находка Сёберга ставила под вопрос принципы той системы растительного царства, которую он разрабатывал. Обычная льнянка попадала в иной класс этой системы, чем льнянка с пелорией, хотя близость этих растений была очевидна.

Рисунок пелории у льнянки из диссертации К. Линнея (рисунок из статьи Gustafsson, 1979)

Но была и более важная причина. Как и его современники, шведский ботаник был последовательным креационистом («Столько насчитываем видов, сколько их изначально создало Бесконечное Существо» — писал он в «Философии ботаники»), но открытие пелорических цветков заставило его задуматься об изменяемости видов. Линней предположил, что такие цветки появляются из-за опыления льнянки чужой пыльцой — и тем самым вынужден был рассмотреть возможность появления в природе нового вида.

Итак, появление пелорических цветков сопряжено с изменением симметрии цветка (от двусторонней к радиальной), а также — с глубокой трансформацией сросшихся лепестков (на каждом из их появляется шпорец). При этом строение цветка приспособлено к определенным опылителям, и перестройки его плана строения влекут за собой рискованные перемены в способах размножения. Обычная льнянка опыляется пчелами; в пелорический же цветок пчела проникнуть не может, и такие «монстры» размножаются только вегетативно. Трудно судить, насколько они «обнадёживающи» в эволюционной перспективе, но факт их выживания в природе налицо.

Львиный зев большой (Antirrhinum majus), ещё один модельный объект генетики развития растений (http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/86937)

Та популяция на острове близ Стокгольма, в которой Сёберг нашел монструозные цветки, существует и по сей день, что позволяет исследовать этот феномен современными методами. П. Кубас, К. Винсент и Э. Коэн (Cubas, Vincent, Coen, 1999) обнаружили, что пелории у льнянки возникают в результате мутации гена LCYC — близкого по своей структуре и функции к гену CYCLOIDEA, отвечающего за формирование двусторонней симметрии цветков у львиного зева Antirrhinum (модельного объекта, генетика которого изучено гораздо подробнее, чем у льнянки). Чрезвычайно интересно, однако, что такая мутация не связана с изменением последовательности нуклеотидов в гене LCYC — работа этого гена обратимо блокируется путем его метилировования, и эта блокировка передается по наследству. Иными словами, пелорические цветки образуются не в результате «классической» мутации гена как такового, а из-за изменения системы запуска и остановки его работы — то есть вследствие эпигенетической мутации. Мы видим, насколько глубокие изменения строения организмов могут быть обусловлены эпигенетическими механизмами — при этом они обходятся без «порчи» ДНК, о которой так сетуют креационисты.

Литература:

Cubas P., Vincent C., Coen E.. 1999. An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral symmetry. Nature. 1999 Sep 9;401 (6749):157–161.

Gustafsson ?. 1979. Linnaeus' Peloria: the history of a monster. Theor. Appl. Genetics 54: 241–248.

Пример 2. Десятитычинковые цветки пастушьей сумки.

Важнейшим модельным объектом генетики растений была и остается резуховидка Таля, более известная под своим научным названием Arabidopsis thaliana. Это невзрачная однолетняя травка, относящаяся к семейству крестоцветные, служит своего рода «растительной дрозофилой»: именно её изучение позволило сформулировать современные представления о механизмах генетического контроля развития растений. Мы уже говорили про некоторые гомеозисные мутации у Arabidopsis; они вполне могут претендовать на эволюционную роль «обнадёживающих монстров». Правда, природные популяции резуховидки, в которых «монстры» встречались бы в заметном количестве, пока неизвестны.

Такие «монструозные» популяции, однако, найдены у пастушьей сумки (Capsella bursa-pastoris), близкого родственника Arabidopsis. Ещё в 1821 году П.М. Опиц (P.M. Opiz) описал необычную форму этого растения, у которой все 4 лепестка преобразовались в тычинки (их, соответственно, стало не шесть, как обычно для крестоцветных, а десять). Позже безлепестные экземпляры (иногда в значительном количестве) были обнаружены на территории ряда европейских стран и в США. Две природных популяции пастушьей сумки вблизи Гау-Одернхайма и Варбурга, в которых преобладают безлепестные формы, обстоятельно изучаются немецкими ботаниками во главе с Г. Тайсеном (G. Thei?en).

Соцветия пастушьей сумки с цветками дикого типа (а) и с цветками без лепестков (b) (фото из статьи Hintz et al., 2006).

Утрата лепестков не фатальна для пастушьей сумки, семена которой могут образовываться и после самоопыления. Как показали специальные исследования, безлепестные растения существенно не отличаются по количеству семян от растений дикого типа. Не исключено, однако, что такая гомеозисная мутация может привести к смене опылителей: из-за замены лепестков на тычинки цветок становится менее заметным для пчел, но более привлекательным для жуков и других насекомых, питающихся пыльцой. Вообще говоря, утрата околоцветника — это первый шаг на пути к ветроопылению: такую перспективу для пастушьей сумки исключать тоже нельзя.

Но каков может быть генетический механизм замены лепестков тычинками, наблюдаемой у пастушьей сумки? В поисках ответа на этот вопрос большую помощь оказывают данные по Arabidopsis, у которой механизмы контроля развития цветка изучены очень подробно. Десятитычинковые цветки у резуховидки были получены Т. Джеком с соавторами (Jack et al., 1997) путем экспериментального расширения области экспрессии (то есть активной работы) гена AGAMOUS (отвечающего за формирование тычинок и плодолистиков) на ту зону формирующегося цветка, на которой обычно располагается венчик. Вероятно, подобный механизм действует и у пастушьей сумки: эта гипотеза (а также ряд других предположений) проверяются сейчас группой Г. Тайсена.

Литература:

Hintz M, Bartholmes C., Nutt P., Ziermann J., Hameister S., Neuffer B., G. Thei?en. 2006. Catching a ‘hopeful monster’: shepherd’s purse (Capsella bursa-pastoris) as a model system to study the evolution of flower development. J. Exp. Bot. 57 (13): 3531–3542.

Nutt P., Ziermann J., Hintz M, Neuffer B., G. Thei?en. 2006. Capsella as a model system to study the evolutionary relevance of floral homeotic mutants. Plant Syst. Evol. 259:217–235.