Глава 7. Малые взрывы. Крылья и другие революционные изобретения

Я учусь летать, Но крыльев у меня нет Труднее всего Падать с небес

Том Петти и Джефф Линн Learning to Fly (1991)

В тех редких случаях, когда я оказываюсь в очень приличном ресторане, я прихожу в полное замешательство при виде столовых приборов... и я в этом не одинок. Какая вилка для салата, а какая для основного блюда? О боже, неужели я ел картошку-фри десертной вилкой? Ножи для масла, мяса и сыра, чайные ложки, столовые и суповые — как мы дошли до подобной суперспециализации?

В средние века обеденный этикет был куда проще, но постепенно он эволюционировал. В какой-то момент люди стали есть двумя ножами: одним ножом разрезали пищу, а другим отправляли ее в рот. Потом появились двузубые вилки, подхватывать куски которыми было гораздо удобнее, чем ножом с одним лезвием. Никто точно не знает, когда вилка начала заменять второй нож за обеденным столом, и одному богу известно, какой извращенный ум придумал все остальные столовые приборы, но именно этот маленький фрагмент из истории столового этикета имеет прямую аналогию в биологической эволюции. Дело в том, что структуры (такие как вилки), предназначенные для определенной функции (для накалывания еды), часто возникают на основе уже существующих структур (ножей), прежде выполнявших несколько задач (разрезание и накалывание). Удвоение исходной структуры (использование двух ножей) позволяет произвести разделение труда между двумя различными структурами. Более того, структура, выбранная для решения новых задач, может подвергаться дальнейшей модификации и специализации.

А еще можно привести пример с канцелярской скрепкой. Сначала скрепку придумали в качестве альтернативы булавке для скрепления фрагментов ткани, и лишь позднее ее основной функцией стало скрепление листов бумаги. На пути от исходного варианта к теперешней форме скрепка прошла множество промежуточных стадий. На одной она использовалась для скрепления газетных листов, на другой — для скрепления более толстых пачек бумаги (рис. 7.1). Эволюция канцелярской скрепки является примером того, как структура, изобретенная для одной цели, может приобретать новые формы и адаптироваться к новым функциям.

Рис. 7.1. Эволюция канцелярской скрепки. Пример адаптации формы к выполнению определенной задачи. Рисунок Лианн Олдс.

Истории вилки и канцелярской скрепки аналогичны эволюции конечностей животных. Группа конечностей, освобожденных от некоторых функций, приобретала новую форму и новые функции, что позволяло виду выжить в мире жесткой конкуренции. Сначала в море, потом на суше, а затем и в воздухе разыгрывалась эволюционная драма, настоящая гонка вооружений (точнее, гонка конечностей), в поисках более быстрых, легких, сильных или гибких конечностей, позволяющих лучше плавать, ходить, бегать, прыгать и рыть, или летать, или хватать, глотать, жевать, фильтровать и засасывать пищу.

Зачастую эти новшества открывали путь к совершенно новому образу жизни, что приводило к быстрому увеличению биоразнообразия — маленьким взрывам в эволюции животных. По мере появления новых возможностей некоторые нововведения подвергались дополнительным модификациям. Позвоночные животные выползли на сушу, пользуясь брюшными и грудными плавниками своих рыбообразных предков. У них были всего две пары конечностей, но они не менее трех раз поднимались в воздух и давали начало трем новым группам животных (птерозаврам, птицам и летучим мышам), много раз возвращались в воду (киты, дельфины, тюлени и др.) и значительно разнообразили вид своих конечностей, чтобы проворнее передвигаться по земле. Несколько миллионов лет назад, когда предки человека перестали ходить на четвереньках и встали на две ноги, для их передних конечностей открылись новые возможности. Когда руки перестали нести на себе тело, они освободились для самой разной работы — изготовления орудий, охоты, общения и даже для изображения окружающего мира. Эта активность сопровождалась и подкреплялась развитием более крупного и быстро действующего мозга, а также дальнейшей эволюцией скелета для вынашивания потомства и развитием семейных отношений для его воспитания.

Важная роль повторяющихся структур тела заключалась в том, что некоторые задачи можно было переложить с одной или нескольких пар этих структур на другие, а освободившиеся структуры занять чем-то новым. Позвоночные преуспели в этом направлении, но никто не может сравниться с изобретательностью членистоногих. Хотя все конечности членистоногих имеют одинаковый базовый дизайн, в ходе эволюции возник широчайший спектр вариаций на тему этого дизайна. В предыдущей главе я рассказывал об эволюции ногочелюстей у ракообразных животных. Так вот, эволюция этих ротовых структур освободила грудные конечности от обязанности фильтровать пищу и позволила им освоить новые способы передвижения, такие как ходьба, плавание или рытье. Это, в свою очередь, открыло новые возможности для эволюции ракообразных.

Открытие механизма диверсификации сериально повторяющихся структур, особенно конечностей, стало ключом к пониманию хода эволюционных преобразований. Биологи-эволюционисты долгое время пытались понять, каким образом совершались важнейшие изменения в далеком прошлом. Противники эволюционной теории утверждали, что промежуточные стадии эволюции тех или иных структур были бесполезны: "Зачем нужна половина ноги или половина глаза?" Следуя этой абсурдной логике, следовало признать, что все структуры были созданы единовременно и никакой эволюции не было и нет. Приверженцы этой точки зрения указывали на перечисленные самим Дарвином сложности в объяснении теории эволюции, однако отказывались воспринимать представлен-ное им же блестящее решение проблемы. Дарвин считал, что один и тот же орган в одно и то же время может выполнять разные функции, а два разных органа также одновременно могут работать над выполнением общей функции. Эта многофункциональность и избыточность создают возможности для специализации структур за счет разделения труда. Наличие повторяющихся структур позволяет животным "иметь ноги и при этом учиться ими есть".

В этой главе я сделаю акцент на преемственности у структур, адаптированных к совершенно разным функциям, особенно у членистоногих. Поскольку преемственность между различными структурами у разных групп животных (например, жабры водных ракообразных и конечности наземных членистоногих) часто скрыта за различиями формы, она не сразу стала очевидна для биологов. Однако благодаря новым методам и достижениям эво-дево удалось рассеять многие сомнения. Я расскажу о том, как простые ноги-трубочки кембрийских лопастеногих превратились в удобные приспособления для плавания, ходьбы и дыхания у ракообразных, жабры у водных насекомых, крылья у наземных насекомых, легкие и паутинные бородавки у пауков. Ни одна из этих структур не была создана с нуля — все они представляют собой вариации на тему примитивных древних конечностей.

Появление новой формы и новых функций конечностей происходило путем изменения географии конечностей в процессе развития эмбриона. Я покажу, каким образом изменение географии позволило насекомым научиться летать и найти новые способы полета, позвоночным — выйти на сушу, а змеям и другим группам адаптироваться к новым специфическим нишам.