Новшества

В I860 г. Луи Агассиц (Louis Agassiz), который возглавлял научную оппозицию дарвиновской теории эволюции в Америке, выразил свое возмущение опубликованием «Происхождения видов» в гневной рецензии. В числе возражений, выдвинутых Агассицем против приводимых Дарвином доказательств эволюции, было следующее:

«Если бы только сторонники выдвигаемых за последнее время фантастических теорий вышли хоть немного за пределы изучения домашних животных, если бы они занялись исследованием чередующихся поколений у Acalephae, необыкновенных способов развития у гельминтов, размножения у сальп и т.д. и т.п., то они вскоре поняли бы, что в мире существуют гораздо более удивительные явления, вполне укладывающиеся в естественные пределы, очерченные неизменяемостью видов, чем незначительные различия между одомашненными животными, вызванные вмешательством человека, и, быть может, перестали бы так твердо верить, как они, по-видимому, верят сейчас, что эти различия служат надежными указаниями на изменчивость видов».

Возражение Агассица можно поставить с ног на голову, потому что как раз возможность разных путей развития на базе одного генома и сложности морфогенетических программ, обсуждавшиеся в гл. 9, поставляют сырье для эволюционного изменения. Благодаря гетерохрониям у репродуктивно зрелых взрослых особей могут сохраняться ювенильные признаки. Модификации временных связей между подпрограммами или разобщение индукционных событий, происходящие при морфогенезе, служат эволюционными механизмами, изменяющими течение развития и создающими тем самым новые стратегии личиночной жизни, такие как прямое развитие на суше у некоторых тропических лягушек или новые дефинитивные ткани и морфологии. Известно немало примечательных примеров таких трансформаций развития, и мы хотим понять их генетические и морфогенетические механизмы. Однако в замечании Агассица есть один важный момент, не утративший своей силы. В попытке свести сложность эволюционных явлении к поддающимся управлению парадигмам таится некая опасность. В нашем собственном анализе есть известный риск, поскольку мы допускаем сверхупрощение, когда полагаем, что только регуляторные, но не структурные гены играют важную роль в морфологической эволюции, а среди регуляторных генов действительно существенны только гены, обеспечивающие интеграцию на уровне организма в целом, но не на тканевом уровне. Это гораздо более «одномерное» заключение, чем нам хотелось бы. В сущности, во многих эволюционных событиях участвуют генетические изменения разного рода, которые тонко переплетаются друг с другом и приводят к возникновению новых структур и типов поведения, открывающих новые адаптивные возможности. Одним из таких событий было возникновение млечных желез.

Значение млечной железы состоит в том, что это относительно новый орган, возникший при переходе от звероподобных рептилий к истинным млекопитающим. Обладание млечными железами повысило эффективность размножения млекопитающих и через связь между матерью и детенышем положило начало ряду изменений поведения, которые могли внести определенный вклад в прогрессивное развитие мозга млекопитающих. Наиболее вероятными предшественниками млечных желез были потовые или другие кожные железы. Охлаждение путем испарения, осуществляемое благодаря потовым железам, было, возможно, одной из ранних адаптации в группе животных, у которых начала развиваться гомойотермия и изощренные механизмы терморегуляции. Как полагал Чедвик (Chadwick), предки млекопитающих были мелкими животными, и вполне возможно, что их детенышам в первые несколько дней жизни грозило обезвоживание. Потовые железы могли достигнуть особенно сильного развития у насиживавших яйца звероподобных рептилий как способ снабжения детенышей водой и минеральными веществами.

Морфогенез млечной железы у трех современных подклассов млекопитающих, которому посвящен обзор Рейно (Raynaud), отражает последовательные стадии возрастания сложности этой железы в процессе эволюции. У однопроходных, или яйцекладущих, млекопитающих нет четко выраженного соска; примерно 100 трубчатых желез просто открываются на брюшной поверхности, по обе стороны от средней линии. У отверстия каждой железы имеется жесткий волос. Секрет железы стекает по этому волосу, а детеныш слизывает его. У сумчатых предшественники млечной железы дифференцируются, образуя почки трех типов. Эти почки в свою очередь дают начало связанным с млечными железами волоскам (mammary hairs) или же млечным или сальным железам. У сумчатых такие волоски - временные образования, а у плацентарных млекопитающих зачатки млечных желез уже не связаны ни с зачатками волос, ни с зачатками сальных желез.

Как уже было сказано в гл. 5, морфогенез основной моноподиальной млечной железы индуцируется в покровном эпителии мезенхимой млечной железы. Для самого главного изменения в характере организменной интеграции необходимо было установление связи между регуляцией морфогенеза млечных желез и гормонами, стимулирующими пролиферацию железистых элементов в период полового созревания и беременности. Пролиферация на этих стадиях онтогенеза требует репликации основных компонентов железы. Эволюционные изменения в структурах млечных желез повлекли за собой концентрирование железистых элементов в дискретные агрегаты, соединенные с соском. Как и при всех эволюционных изменениях морфологии, изменения происходили в генетических системах, контролирующих морфогенез кожных желез, от которых произошли млечные железы. Однако мы выбрали для обсуждения этот пример именно потому, что в эволюции млечных желез столь большую роль явно сыграли изменения в тканевой интеграции и в эволюции структурных генов.

Описания развития млечных желез, подобные сделанным Форсайтом и Хайденом (Forsyth, Hayden), показывают, что для начальных стадий индукции и развития этих желез гормоны не нужны; однако на стадии перехода от юного возраста к зрелости необходима группа гормонов: эстроген, гормон роста и стероидные гормоны надпочечников. Для интенсивной пролиферации протоков и альвеол во время беременности необходимы несколько гормонов, в частности эстроген, прогестерон и пролактин. На поверхностях клеток млечных желез имеются мембранные рецепторы для этих гормонов. Очевидно, дифференцировка и функционирование ткани этих желез происходят в ответ на сигналы, которые, согласно модели Бриттена и Дэвидсона, должны взаимодействовать с сенсорными элементами.

Несмотря на давность этих событий, связь между пролактином и эволюцией млечных желез можно вполне представить в свете данных Берна (Bern), Дента (Dent) и Найкола (Nycoll) о разнообразии ролей, исполняемых пролактином. Пролактин - это белковый гормон, родственный по аминокислотной последовательности гормону роста, от которого, как полагает Найалл (Niall), он, вероятно, дивергировал после генной дупликации, возникшей на ранних стадиях эволюционной истории позвоночных. В отличие от большинства других гормонов роль пролактина у первых позвоночных не была ограничена выполнением какого-то определенного набора специализированных функций. Напротив, он сохранил способность участвовать в разнообразных процессах. У представителей всех классов позвоночных пролактин принимает большое участие в осморегуляции и оказывает существенное влияние на дифференцировку эпителиальных структур, связанных с размножением. У рыбы дискус (Symphysodon discus) пролактин стимулирует секрецию кожей слизи, которой питаются мальки; развитие брачных мозолей у самцов лягушек, развитие наседного пятна у птиц во время насиживания яиц и лактацию у самок млекопитающих. Возможно, что пролактин участвует в регуляции накачивания ионов в млечные железы. У млекопитающих пролактин стимулирует активность сальных желез, однако на потовые железы он, по-видимому, не влияет.

Если млечные железы возникли из потовых желез, что представляется вероятным, то их регуляция пролактином и другими гормонами установилась в процессе эволюции новой тканевой интегрирующей системы. Такое предположение разумно, поскольку предковая млечная железа должна была быть гормонально связана с регуляцией репродуктивных функций, тогда как у ее эволюционных предшественников такой необходимости не было.

По механизму своего действия пролактин, по-видимому, функционирует как сигнал, вызывающий активность специализированной батареи генов в млечной железе. Согласно Розену (Rosen), сделавшему обзор новейших исследований, проводившихся в его собственной и других лабораториях, пролактин, взаимодействуя с клетками млечных желез, повышает количество мРНК, кодирующих белки молока. В период лактации казеиновая и α-лактальбуминовая мРНК составляют свыше 80% всей мРНК этих клеток. Используя специальные пробы клонированной ДНК, Розен и его сотрудники установили, что содержание казеиновой мРНК у лактирующих крыс увеличено в 300 раз по сравнению с очень низким ее уровнем в млечных железах девственных животных. Нихаси и Казба (Nakhasi, Qasba) обнаружили тот же эффект для α-лактальбуминовой мРНК. Пролактин вызывает как повышение скорости транскрипции, так и понижение скорости распада этой мРНК.

В эволюционной интеграции новой батареи генов, определяющих специализированную цитодифференцировку млечных желез, участвуют два процесса. Это, во-первых, установление связи с гормональной регуляцией, с тем чтобы секреторная активность предковой железы была согласована с размножением. Первоначальная батарея активируемых таким образом структурных генов состояла из генов, типичных для желез, которые служили эволюционными предшественниками млечных желез. Клеточные механизмы секреции в млечных железах, описанные Мефемом (Mepham), сходны с механизмами других секреторных клеток и, по всей вероятности, существовали в предковой железе. Таким образом, новая регуляторная система, действующая на подмножество эпидермальных желез, могла захватить уже существующую батарею генов и использовать ее. Эволюция подлинной млечной железы, возможно, потребовала в дальнейшем эволюционной интеграции специализированных структурных генов для достижения секреции оптимального питательного вещества. Новые члены батареи генов млечной железы могли возникнуть двумя путями: путем мобилизации предсуще-ствующих генов и путем эволюции новых генов.

Интеграция предсуществующих структурных генов в батарею может быть достигнута при помощи новой активной в цис-положении регуляторной последовательности, помещенной рядом со структурным геном. Как это четко указал Диккинсон (Dickinson), модификация активных в цис-положении регуляторных элементов могла создать возможность для эволюционных изменений в программе экспрессии отдельных генов, не нарушая программы развития в целом. Появление нового активного в цис-положении регуляторного элемента могло быть результатом точковых мутаций в предсуществовавшем регуляторном элементе, активном в цис-положении; возможно, однако, что более быстрые изменения происходили с помощью совершенно иного механизма - транспозиции соответствующих предсуществующих регуляторных элементов из других мест генома. Эукариотические клетки содержат подвижные элементы, способные стабильно включаться в геном. Эчолс (Echols) высказал мнение, что система репрессии, поддерживающая эту стабильную интеграцию, при некоторых стрессах может быть преодолена. Один особенно интересный случай наблюдается у Drosophila melanogaster. При скрещивании некоторых выловленных в природе мух с линиями, долгое время содержавшимися в лаборатории, наблюдается высокая частота мутагенеза, кажущегося спонтанным. Этот гибридный дисгенез возникает в результате усиления подвижности прежде стабильно интегрированных подвижных элементов. Эчолс представил себе аналогичную индукцию новых генотипов в таких условиях среды, к которым популяция плохо приспособлена. Его предположения о быстрой эволюции регуляторных систем подтверждаются наблюдениями Диккинсона, что в тканях близкородственных видов гавайских Drosophilidae гомологичные структурные гены, кодирующие алкогольдегидрогеназу и альдегидоксидазу регулируются на резко различных уровнях. Использование клонированных проб на эти гены дало бы возможность провести непосредственную экспериментальную проверку предположения о том, что эти изменения возникли в результате перестановки регуляторных элементов, активных в цис-положении.

Последний компонент в эволюции млечных желез - возникновение новых структурных генов, определяющих функции, специфичные для этих желез. Молоко содержит несколько белков, встречающихся только в млечных железах. К числу этих белков, обзор которых дал Джиннесс (Jenness), относятся несколько казеинов, β-лактоглобулин и, что нам здесь особенно важно, α-лактальбумин. Именно этот белок, функция которого, как это ясно показал Джонс (Е. A. Jones), состоит в синтезе лактозы, служит наилучшим примером возникновения нового структурного гена как составной части эволюции нового органа. Критические статьи о функциях и эволюции α-лактальбумина принадлежат Бродбеку и Эбнеру (Brodbeck, Ebner) и Брю (Brew) и его сотрудникам. Ферментом, катализирующим синтез лактозы из уридин-5'-дифосфатгалактозы и уридин-5'-дифосфатглюкозы, является галактозилтрансфераза. Этот фермент обычно обладает низким сродством к глюкозе, за исключением тех случаев, когда он образует комплекс с α-лактальбумином. Этот комплекс обладает высоким сродством к глюкозе, что и обусловливает уникальную способность млечных желез синтезировать лактозу. Молекула α-лактальбумина обладает способностью модифицировать каталитические свойства галактозилтрансферазы из самых разнообразных организмов; оказалось, как это не удивительно, что α-лактальбумин способен заставить синтезировать лактозу даже галактозилтрансферазу, выделенную из лука (Powell, Brew).

Эволюционное происхождение α-лактальбумина ясно. Этот белок в значительной степени гомологичен лизоциму, который гидролизует мукополисахарид, образующий стенку бактериальной клетки, и содержится во многих жидкостях организма млекопитающих. Гены α-лактальбумина и лизоцима встречаются у одного и того же животного. Брю и др. (Brew et al.) высказали предположение, что эти гены, возможно, возникли путем дупликации предкового лизоцимного гена и последующей дивергенции.

Эволюция млечных желез сопровождалась рядом генетических изменений. Модификации тканевой интеграции сделали возможным установление связи между группой кожных, вероятно потовых, желез и гормональной системой, регулирующей размножение. Таким образом возникла новая тканевая интегрирующая система, а вслед за этим началась эволюция новых структурных генов, кодирующих белки. Хоппер и Мак-Кензи (Hopper, McKenzie) обнаружили, что в молоке ехидны (однопроходное) содержится не типичный α-лактальбумин, а лизоцимоподобный белок с α-лактальбуминовой активностью, и высказали предположение, что этот белок является «живым ископаемым». Эволюция этого и других новых белков молока сопровождалась интеграцией нового набора структурных генов в батарею, экспрессируемую в железе, которая подпадает под контроль новой интегрирующей системы. При этом должны были происходить также сопутствующие изменения в интегрирующих системах, участвующих в морфогенезе, с тем чтобы обеспечить как образование самих специализированных желез, так и их интеграцию в организованную структуру, соединенную с соском. Знаменательно, что для ранних независимых от гормонов ступеней в развитии млечной железы было необходимо индукционное воздействие мезенхимы на железистый эпителий. Эксперименты Сакакуры и др. (Sakakura et al.), рассмотренные в гл. 5, позволяют считать, что для этого потребовались также изменения генов, регулирующих индукцию в этой системе, но, поскольку предшественники уже существовали, сравнительно небольшого числа генетических изменений могло оказаться достаточно. В целом создается впечатление, что, хотя эволюция нынешней структуры могла быть результатом многочисленных генных изменений на нескольких регуляторных уровнях, а также возникновения новых структурных генов, для первоначальных шагов, возможно, оказалось достаточным сравнительно небольшое число модификаций уже существующих морфогенетических и гормональных процессов, а также процессов тканевой интеграции.

Если концепция о морфогенетических ограничениях, удерживающих эволюционные направления в известных рамках, имеет какое-то значение, то лишь в том смысле, что наиболее доступный путь для эволюционного изменения - это модификации уже существующих процессов развития. Такая модификация, после того как она утвердилась, в свою очередь делает изменения в одних направлениях более приемлемыми, чем в других. Но если определенные типы морфогенеза налагают ограничения, то они вместе с тем создают и возможности для быстрых эволюционных отклонений в случае изменения давлений, оказываемых отбором на морфологию, ввиду способности к диссоциации и, по-видимому, относительно простой генетической регуляции.

С того времени, когда влияние идей Геккеля о связи между онтогенезом и филогенезом достигло своей высшей точки, прошло сто лет. С тех пор эмбриология и эволюционная теория развивались в значительной мере своими путями. Эволюционная теория сильно интегрировалась с одним из разделов генетики, тогда как биология развития следовала программе, созданной Ру (Roux) для экспериментальной эмбриологии, и в общем и целом игнорировала генетику. Рихард Гольдшмидт понял, что общую основу для понимания эволюции следует искать в применении генетики к изучению развития. Его представления не получили своевременного признания и модифицировались, но они сохранились. Однако центральной и все еще неразрешенной проблемой остается вопрос о том, каким образом гены направляют процесс создания организма. Решение этой проблемы позволит нам ответить на все еще очень актуальный вопрос, поставленный Шарлем Боннэ более 200 лет назад: «Так скажите мне, пожалуйста, каковы механизмы, управляющие формированием мозга, сердца, легкого и столь многих других органов?»