О новшествах

Существующие гены и структуры как средство и материал для усовершенствований

Мы видели, что насекомые, птерозавры, птицы и летучие мыши не изобретали "генов крыла" (глава 7), бабочки не изобретали "генов пятен" (глава 8), а люди не изобретали "генов двуногости" или "генов речи" (глава 10). Новшества, возникшие во всех этих группах животных, стали результатом модификации ранее существовавших структур и обучения старых генов новым приемам.

Генетическая основа новшеств — многофункциональность генов развития. Эта многофункциональность возникает оттого, что гены развития могут включаться в разное время и в разных местах при помощи генетических переключателей. Такие белки, как Distal-less, в одно время участвуют в формировании конечностей, а в другое — в формировании пятен-глазков на крыльях бабочки. Белок в обоих случаях один и тот же, а его функция меняется за счет того, что он действует на разные переключатели в разном контексте.

На уровне анатомии многофункциональность и избыточность — ключевые свойства структур, позволяющие понять механизм их эволюционных изменений. Это особенно хорошо видно на примере членистоногих, у которых передача какой-то функции (например, добычи пищи) одной паре из целого ряда идентичных конечностей привела к освобождению остальных конечностей для освоения других функций (ходьба, плавание и др.). Таким же образом, жаберные ветви конечностей водных предков членистоногих превратились в жаберные книжки, легочные мешки, трубчатые трахеи, паутинные бородавки и крылья.

Наука эво-дево позволила обнаружить непрерывный переход между формами, который был замаскирован или насчет которого мы не могли быть уверены, основываясь только на их внешнем виде. Демонстрируя сходства в развитии разных структур, эво-дево представляет новый класс более надежных доказательств, чем те, что основаны исключительно на морфологии. Это новое видение эволюции новшеств помогает понять самые сложные для восприятия идеи Дарвина.

История развития сложных структур также показывает, как происходила эволюция "бесконечного числа форм" за счет повторения цикла изобретение/распространение. Новые структуры открывают новые возможности для появления новых жизненных стратегий. Появление крыльев привело к эволюции стрекоз и поденок, бабочек и жуков, блох и мух и т.д. Распространению этих групп, в свою очередь, способствовали дальнейшие модификации крыльев и туловища: окраска чешуек на крыльях у мотыльков и бабочек, жесткие надкрылья жуков, сложные задние крылья мух.

Почему для инноваций чаще используются уже существующие структуры и гены? Все дело в вероятности. Вариации существующих структур и генов появляются чаще, чем новые структуры или гены, поэтому они более доступны для действия естественного отбора. По меткому замечанию Франсуа Жакоба, природа, подобно ремесленнику, работает с имеющимся материалом, а не изобретает, как инженер-проектировщик. Крылья возникли не с нуля, а стали результатом модификации жаберных ветвей конечностей (у насекомых) или передних конечностей (у трех групп животных). Эволюция следует наиболее доступным и, следовательно, наиболее часто повторяющимся путем.

Методы эво-дево позволили обнаружить, что эволюция может воспроизводить и воспроизводит саму себя на уровне структур и форм, а также на уровне индивидуальных генов. Если эволюция выбирает наиболее вероятный путь, основанный на уже существующих структурах и генах, то, сталкиваясь с давлением сходных векторов отбора, разные виды могут формировать сходные адаптации. Мы увидели это на примерах эволюции ротового аппарата ракообразных (глава 6), уменьшения брюшного шипа у трехиглой колюшки (глава 7) и в других случаях модификации конечностей у позвоночных. Мы убедились также, что меланистическая окраска шерсти или перьев у различных животных и птиц может возникать в результате мутации одного и того же гена и даже одного и того же нуклеотида этого гена (глава 9).

Повторяемость эволюционных событий помогает справиться с непониманием роли случайных мутаций в эволюции. Кому-то трудно представить, что новизна и сложность могут быть результатом "случайного процесса". Объяснение заключается в том, что, хотя генерация генетических вариаций за счет мутаций является совершенно случайным процессом, отсев неблагоприятных вариантов осуществляется при помощи мощного и совсем не случайного отбора. Все пары оснований из сотен миллионов или миллиардов, существующих в геноме животного, в одинаковой степени подвержены ошибкам копирования или физическим повреждениям, которые вызывают мутации. Но лишь небольшая часть мутаций может заметно изменить цвет меха млекопитающего или длину плавника рыбы, не приводя к катастрофическим последствиям для всего организма. В больших популяциях животных со временем такие мутации возникают просто в силу вероятности. Когда это происходит, положительный естественный отбор способствует их постепенному распространению.

Жак Моно отразил связь случайности мутаций и строгости отбора в заглавии своей знаменитой книги "Случайность и необходимость" (Моно использовал известные слова греческого философа Демокрита: "Все, что существует во Вселенной, является плодом случайности и необходимости"). Для эволюции нужна случайность, но в случайной лотерее мутаций некоторые варианты и их комбинации лучше соответствуют требованиям экологической необходимости, и поэтому они возникают и поддерживаются отбором неоднократно.

Однако в случае с мешотчатыми прыгунами мы видели, что один и тот же вид может решать проблему адаптации разными путями. Передние лапы птерозавров, птиц и летучих мышей превратились в крылья, но процесс превращения шел принципиально разными путями. Сходные экологические условия и возможности способствуют появлению одинаковых адаптаций, но пути развития этих адаптаций иногда различаются в деталях.

Выявляя механизмы изменений на уровнях развития и генетики, эво-дево позволяет сравнить между собой пути эволюции разных групп. Благодаря этому мы наконец можем подступиться к решению таких старинных загадок, как мимикрия Бейтса у бабочек, меланизм мотыльков и даже эволюция формы и размера клюва вьюрков. Вскоре мы получим полное представление о многих классических случаях действия отбора и поймем, как возникают вариации и как они отбираются.