Проблема морфологии
Для всех организмов характерно то или иное строение, и все они обладают определенными типами поведения и физиологических адаптации. В перспективе долгих эр геологического времени эти характеристики проявляют способность к видоизменению, почти достойную Протея: лопастной плавник кистеперых становится конечностью амфибии, крылом птицы, рукой и кистью человека. Это зримое достижение эволюции. Каковы же механизмы, при помощи которых совершаются эволюционные изменения морфологии?
Ответ на этот вопрос нам, в сущности, уже известен, во всяком случае в формальном смысле. Гарстанг (Garstang) дал его еще в 1922 г., обратив внимание на то, что эволюционный ряд, или филогения, это не просто последовательность взрослых форм. Каждое поколение взрослых особей возникало в результате последовательных процессов развития - онтогенеза - от, казалось бы, лишенного структуры яйца до сложной морфологии взрослого организма. Таким образом, для того чтобы некое эволюционное изменение проявилось в виде изменения структуры взрослого организма, некая новая морфология, некое измерение должно возникнуть в онтогенезе.
Можно было бы ожидать, что роль процессов развития в эволюции составляет один из главных компонентов современных эволюционных исследований; однако это не так. Эмбриональное развитие, составлявшее столь важную часть эволюционной теории в конце XIX в., в XX в. стало рассматриваться как не очень существенное. Позже в этой главе мы обсудим причины такого странного отчуждения. Конечно, значение зависимости между развитием и эволюцией никогда не было целиком предано забвению. Гарстанг, Гексли, де Бер и Гольдшмидт (Goldschmidt) определенно уделяли серьезное внимание этой зависимости в период 1920-1950-х годов. А сравнительно недавний выход книги Гулда (Gould) «Онтогенез и филогенез» показывает, что интерес к этой теме остается не только живым, но и острым.
Наше собственное увлечение этой проблемой разгорелось некоторое время назад под влиянием книги де Бера (de Beer) «Зародыши и предки», в которой так убедительно доказывается, что изменения сроков наступления различных процессов развития могут иметь глубочайшие эволюционные последствия. К сожалению, де Бер (de Beer) ограничился лишь кратким общим рассмотрением генов, регулирующих скорости процессов развития, уделив мало внимания роли генетической регуляции в развитии или эволюции. В то время когда де Бер (de Beer) писал свою книгу, первое издание которой вышло в 1930 г., о генетике развития было просто слишком мало известно, чтобы он мог излагать ее достаточно глубоко. К 1958 г., когда вышло третье и последнее издание «Зародышей и предков», о ней стало известно гораздо больше, но де Бер привел очень немногие из результатов, достигнутых генетикой развития после 30-х годов. Его основные интересы лежали в другой плоскости.
Фактически эмбриогенетические основы эволюционных изменений никогда подробно не разбирались. Именно ими мы и хотим заняться в этой книге. Наша исходная позиция состоит в том, что процессы развития находятся под генетическим контролем и что эволюцию следует рассматривать как результат изменений в генах, регулирующих онтогенез.
Интересно напомнить, что эту точку зрения впервые выдвинул в 1940 г. Гольдшмидт в своих «Материальных основах эволюции», хотя в то время о генах и об их функциях в развитии было известно слишком мало, чтобы получить успешный синтез эмбриологических и генетических данных. Идеи Гольдшмидта на протяжении последних 35 лет игнорировались из-за его своеобразного (и ошибочного) взгляда на природу генов, но сформулированное им определение эволюции дает совершенно ясное представление о теме этой книги:
«Эволюция означает переход одной достаточно стабильной органической системы в другую, но также стабильную систему. Генетическая основа этого процесса - изменение некой стабильной генетической конституции и превращение ее в другую — лишь одна сторона проблемы. Никакая эволюция невозможна без первичного изменения в зародышевой плазме, т.е. преимущественно в хромосомах, приводящего к новой стабильной структуре. Однако у этой проблемы есть и другая сторона. Зародышевая плазма держит под контролем тип данного вида, регулируя процесс развития индивидуума ... специфичность зародышевой плазмы - это ее способность обеспечивать протекание системы реакций, составляющих процесс индивидуального развития, в соответствии с некой постоянной программой, которая повторяется, ceteris paribus, с целенаправленностью и упорядоченностью автомата. Эволюция, следовательно, означает создание измененного процесса развития, регулируемого измененной зародышевой плазмой». Термин «зародышевая плазма», используемый Гольдшмидтом, означает генетический материал, т.е., пользуясь современной терминологией, ДНК генома.
Какого рода гены управляют онтогенезом и каким путем они участвуют в эволюции?
В настоящее время наиболее хорошо изучены гены, кодирующие различные специализированные виды РНК, или белки, жизненно важные для общей структуры и функции клеток; это рибосомные РНК, различные ферменты, структурные белки, как, например, тубулин или коллаген, или такие белки, как гемоглобин, служащие переносчиками других веществ. Оценки роли таких структурных генов для регуляции развития и морфогенеза колеблются в очень широких пределах. По нашему мнению, регуляторные функции структурных генов в процессах развития очень ограничены, однако высказывалась и прямо противоположная точка зрения. Примером морфогенетической гипотезы, приписывающей структурным генам и их продуктам весьма существенную роль, служит гипотеза, выдвинутая Моно (Monod) в его книге «Случайность и необходимость». По мнению Моно, структурная сложность возникает в результате того, что он назвал молекулярным эпигенезом белков. Под этим термином он понимал хорошо известную особенность белков, а именно, что аминокислотная последовательность данного белка определяет трехмерную конформацию, которую он принимает в среде данной клетки. Далее белки могут специфическим образом взаимодействовать с другими белками, образуя надмолекулярные структуры. Моно пишет: «Упорядоченность, структурная дифференцировка, приобретение функций - все это возникает из случайной смеси молекул, каждая из которых, взятая в отдельности, лишена какой бы то ни было активности или функциональной способности, за исключением способности узнавать партнеров, с которыми ей предстоит образовать определенную структуру». Далее он высказывает предположение, что этот процесс лежит в основе и служит парадигмой ряда автономных эпигенетических событий, объединяющихся и завершающихся развитием целостного организма. Доведенная до крайности эта идея вызывает в памяти эпигенетическую фантазию о том, что из смеси соответствующих макромолекул можно получить целую мышь.
Гипотеза Моно, даже не доведенная до крайности, неприемлема в качестве модели развития. И эволюцией структурных генов нельзя объяснить морфологическую эволюцию. Исследования Вилсона (Wilson А. С.) и его сотрудников показывают, что - во всяком случае применительно к таким ныне живущим группам организмов, как лягушки и млекопитающие, - эволюция структурных генов, кодирующих белки, имеет мало отношения к морфологической эволюции. Человек и шимпанзе быстро дивергировали морфологически, однако аминокислотные последовательности их белков на 99% одинаковы. В отличие от них у такой более древней группы, как лягушки, морфологическая эволюция протекает довольно медленно, но скорость эволюции их аминокислотных последовательностей сравнима с аналогичными скоростями у других организмов. На основании этих фактов Кинг (King) и Вилсон высказали предположение, что в основе морфологической эволюции, по всей вероятности, лежат изменения не структурных, а регуляторных генов.
Поскольку существует целая иерархия взаимодействующих контрольных механизмов, управляющих экспрессией генов и онтогенезом, регуляторные гены распадаются на ряд категорий, и дать им общее определение, как некой единой группе, труднее, чем определить структурные гены. Можно сказать, что в основном структурные гены обеспечивают поставку материалов, необходимых для развития, а регуляторные гены поставляют и расшифровывают рабочие чертежи. Структурные гены относительно легко исследовать, так как продукты, синтез которых они кодируют, нетрудно выделить, исследовать и определить их функции. Не удивительно, что найти подход к изучению регуляторных генов оказалось сложнее. Некоторые регуляторные гены или элементы не образуют никаких продуктов; другие образуют их, но лишь в чрезвычайно малых количествах. Наиболее хорошо известный пример - белок lac-репрессора (Е. coli); этот продукт одного из регуляторных генов контролирует экспрессию генов, определяющих метаболизм лактозы. В одной бактериальной клетке содержится всего 10 молекул репрессора.
Регуляторные гены функционируют на протяжении всего процесса развития, управляя онтогенезом тремя различными способами: во-первых, регулируя время наступления тех или иных событий; во-вторых, делая выбор из двух возможностей и тем самым определяя судьбу клеток или частей зародыша; в-третьих, интегрируя экспрессию структурных генов, с тем чтобы обеспечить создание стабильных дифференцированных тканей. Все эти три способа регуляции играют большую роль в эволюции.
Роль изменений в сроках наступления различных событий в процессе развития как важного и гибкого механизма для достижения существенной морфологической эволюции рассматривали де Бер (de Beer) в своем ценном труде «Зародыши и предки», а позднее Гулд (Gould) в книге «Онтогенез и филогенез». Эти авторы уделяли внимание не столько механизмам, осуществляющим генетическую регуляцию процессов развития, сколько определению типов возможных изменений в сроках событий, происходящих в онтогенезе, и демонстрации их эволюционных последствий. Различные эволюционные изменения рассматривались ими как последствия изменения этих сроков. Чаще всего в качестве таких примеров приводятся случаи неотении - возникновение новых планов строения взрослого организма в результате достижения личиночными стадиями половозрелости и утраты предковой взрослой стадии. Проблему изменения сроков различных событий в развитии как одного из способов регуляторной эволюции мы рассматриваем в гл. 6 этой книги.
Генетическая регуляция онтогенеза не ограничена, однако, воздействием на продолжительность процессов развития. Недавними работами, в особенности на плодовой мушке Drosophila melanogaster, ставшей для исследователей структуры и функции генов за это десятилетие чем-то вроде эукариотической Е. coli, установлено, что организация развивающегося зародыша контролируется целой иерархией регуляторных генов. Эти гены действуют как переключатели, от которых зависит, по какому из двух альтернативных путей развития пойдет данная клетка или группа клеток. После того как решение принято, возможности клеток в смысле дальнейшего выбора оказываются ограниченными, и их судьба в процессе развития становится все более и более определенной. Регуляторные гены такого типа доступны изучению благодаря очень ярко выраженным эффектам, которыми сопровождаются мутации этих генов, лишающие их функции двоичных переключателей или изменяющие эту функцию. У дрозофилы эти так называемые гомеозисные мутации вызывают трансформации, которые изменяют характер морфогенеза и приводят к замене одной структуры другой, например к возникновению ног вместо антенн или добавочных крыльев вместо жужжалец. Изменение наборов регуляторных генов этого класса или возникновение новых таких наборов создает значительные потенциальные возможности для радикальных эволюционных модификаций или возникновения новых морфологических структур. Ясно, что такой способ эволюции действительно имел место и сыграл решающую роль в эволюции насекомых и других организмов; в дальнейшем, в гл. 8 и 9, мы остановимся на нем гораздо подробнее.
Подобно изменениям регуляторных генов, влияющих на сроки или структурную интеграцию, изменения регуляторных генов, контролирующих тканевую дифференцировку, также обладают большим эволюционным потенциалом. Если изменения регуляторных генов двух первых типов вызывают изменения формы органов, то изменения генов этого третьего типа приводят к образованию новых тканей. Одним примером (подробнее см. гл. 12) служит млечная железа, возникновение которой сопровождалось появлением новой ткани, новых белков, новых регуляторных генов и целым набором поведенческих комплексов. Все это сыграло чрезвычайно важную роль в эволюции размножения млекопитающих и заботы о потомстве. Три способа регуляции развития, которые мы здесь бегло рассмотрели, неотделимы друг от друга. Все они участвовали в морфологической эволюции отдельных групп организмов.
Быть может, главная трудность, с которой мы сталкиваемся в нашей попытке понять морфологическую эволюцию в контексте эмбриогенетических механизмов, заключается в том, что формообразование на молекулярном уровне изучено крайне плохо. Дело здесь не только в том, что у нас мало сведений о самих механизмах морфогенеза (перемещения клеток, их взаимодействия, возникновение структурной организации), но и в различных концептуальных подходах к оценке информации, содержащейся в морфологической структуре, и в оценке генетической информации. В качестве иллюстрации этого различия рассмотрим морфогенез не с точки зрения молекулярной генетики, а воспользуемся подходом Д'Арси Томпсона (D'Arcy Thompson), который в своей книге «О росте и форме» (ее первое издание вышло в 1917 г.) впервые применил математику к проблемам формы (рис. 1-1).
Рис. 1-1. Изменения общей формы тела у некоторых равноногих рачков. А. Вид изображен в прямоугольной системе координат. Б и В. Деформация соответствующих решеток для двух других видов иллюстрирует изменения пропорций в процессе эволюции (Thompson, 1961).
Его цель была проста: «Мы хотим понять, как можно объяснить, по крайней мере в некоторых случаях, форму живых существ и частей живых существ, исходя из физических представлений, и установить, что органических форм, которые противоречили бы физическим и математическим законам, не существует». Томпсон изложил свою точку зрения в книге, которая изучалась несколькими поколениями биологов, познакомившихся с ее помощью с математическими законами, лежащими в основе формы поверхностей раздела между клетками и строения радиолярий или спирально закрученных раковин и бараньих рогов; с тем, почему скелет позвоночных и мосты построены в соответствии с одними и теми же инженерными законами, и как, используя преобразования декартовых координат, можно изображать эволюционные изменения формы таких сложных объектов, как черепа, рыбы и изоподы (равноногие рачки). Томпсон снял покров непроницаемой тайны с биологической формы и очень изящно показал, что сложные биологические объекты подчиняются физическим и математическим правилам, поддающимся проверке. Однако он уделял мало внимания событиям, происходящим на генетическом или молекулярном уровне (вероятно, это было разумно, потому что эти события и сейчас еще не вполне поняты), а вместо этого сосредоточился на действующих на организм физических силах как непосредственных факторах, определяющих его морфологию.
С изменениями формы, происходящими в период роста, Томпсон справился менее успешно. Математический анализ относительного роста частей организма в течение его развития (аллометрии) был разработан Гексли (Huxley) в начале 30-х годов нашего века. В основном зависимости, наблюдаемые при таком росте, описываются простым уравнением у = bxα, где x и у - размеры двух сравниваемых структур. Аллометрия представляет значительный интерес в смысле понимания эволюционных изменений, однако и в этом случае изменения пропорций организма, сопровождающие рост, не поддаются оценке на генетическом или молекулярном уровне, и, конечно, зависимости здесь значительно сложнее, чем подразумевает простое уравнение аллометрического роста.
Подобным же образом моделирование формы раковин моллюсков на вычислительной машине, произведенное Раупом и Михельсоном (Raup и Michelson), показывает, что для создания объектов с очень изощренной морфологией может оказаться достаточным лишь небольшое число параметров (рис. 1-2). Раковины брюхоногих моллюсков-это сужающиеся к одному концу трубки, закрученные в спираль вокруг неподвижной оси. Для того чтобы создать на машине аналоговую модель настоящих раковин, требуются всего четыре параметра: 1) форма сечения образующей кривой; 2) скорость расширения образующей кривой относительно вращения; 3) расположение и ориентация образующей кривой относительно оси; 4) скорость движения образующей кривой вниз по оси. Эти простые параметры описывают форму создаваемого объекта, но они не имеют отношения к генетической программе или к тем действительным механизмам, при помощи которых организмы реализуют генетическую программу морфогенеза.
Рис. 1-2. Моделирование формы закрученных раковин на вычислительной машине. Скорость машинного переноса по оси возрастает справа налево, а скорость расширения образующей кривой - сверху вниз. Форма образующей кривой и расстояние между ней и осью закручивания одинаковы во всех случаях (Raup, Michelson, 1965).
Хотя организмы подчиняются законам химии и физики, существует дополнительный фактор, управляющий морфологией, - эволюционная история данного организма. По изящному выражению Жакоба (Jacob), эволюция действует путем «перелицовки» старого. Структуры не появляются de novo; эволюция предпочитает создавать новшества, видоизменяя уже существующие системы или структуры. Первые позвоночные, рыбообразные Agnatha, не имели челюстей. Возникновение челюстей - один из крупнейших шагов вперед в эволюции позвоночных - произошло путем превращения передней пары жаберных дуг в примитивные челюсти. Аналогичные переделки ранее существовавших структур имели место в эволюции специализированных конечностей, таких как крылья птеродактилей, птиц и летучих мышей, или при образовании слуховых косточек млекопитающих из остатков костей, при помощи которых у рептилий нижняя челюсть сочленяется с черепом.
Поскольку процессы онтогенеза высокоинтегрированы, они крайне консервативны и стабильны. Таким образом, онтогенез и морфогенез не только подчиняются физическим законам, не подчиняться которым они не могут, но и отражают эволюционную историю каждого процесса. Историческая случайность и необходимость поддержания интеграции явно налагают ограничения на типы эволюционных изменений, возможных в процессах развития, а тем самым и ограничивают морфологическую эволюцию.
Онтогенез, филогенез и рекапитуляция
В «Зазеркалье» Белая Королева сообщает Алисе, что в иные дни она успевала поверить в целых шесть невозможных вещей еще до завтрака. Для современного читателя история развития представлений о связи между онтогенезом и эволюцией носит примерно тот же оттенок, а между тем идеи, которые мы теперь можем считать абсурдными, оказали глубокое воздействие на наше понимание эволюционных механизмов. Каким живучим оказалось, несмотря ни на что, утверждение «онтогенез повторяет филогенез»! Трансценденталисты начала XIX в. верили, что жизнь в своей основе едина; это единство выражалось для них в параллелизме между эмбриональным развитием отдельного индивидуума и лестницей живых существ. Согласно концепции лестницы живых существ, ведущей начало от Аристотеля, все существующие в природе объекты - это звенья непрерывной цепи, соединяющей неорганические творения с рядом живых форм все возрастающей сложности. От неодушевленной природы совершается постепенный переход к растениям, затем к таким простым животным, как губки, к насекомым, рыбам, птицам, млекопитающим и, наконец, к человеку. Эта схема была статичной, и ее не следует истолковывать как эволюционную; она просто представляла план, по которому Господь сотворил мир. Согласно закону параллелизма, известного под названием закона Меккеля-Серре - по именам двух его создателей, J. F. Meckel в Германии и Etienne Serres во Франции, каждое живое существо в своем эмбриональном развитии повторяет взрослые формы животных, стоящих на более низких ступенях лестницы живых существ (В русской литературе его чаще называют «законом Мюллера-Геккеля».-Прим. ред.). И наоборот, низшие животные представляют собой перманентные личиночные стадии эволюционно более продвинутых форм. Меккель (Meckel), по словам Рассела (Russell), «робко верил в эволюцию», и в самом деле, его последняя (1828 г.) формулировка закона параллелизма была составлена в эволюционных терминах: «Развитие индивидуального организма подчиняется тем же законам, что и развитие всего ряда животных; это означает, что данное высшее животное в своем постепенном развитии (онтогенезе) проходит через перманентные стадии организмов, стоящих ниже него; это обстоятельство позволяет нам допустить, что различия, существующие между разными стадиями развития, весьма близки к различиям между разными классами животных».
Однако закон параллелизма, так же как и лестница живых существ, не содержал в себе ничего эволюционного. С равным успехом можно было бы рассматривать его как отражение божественного плана творения. Так считал Агассиц (Agassiz), ставший впоследствии одним из злейших противников Дарвина. Агассиц, выдвинувший гипотезу о ледниковом периоде и крупнейший в мире авторитет по ископаемым рыбам, распространил закон параллелизма на палеонтологические данные. К 1849 г. накопилось уже достаточное количество этих данных, чтобы Агассиц мог продемонстрировать, так сказать, тройной параллелизм, т.е. что данный высший организм проходит в своем развитии не только через стадии, сходные с взрослыми особями ряда ныне живущих низших родственных ему форм, но также через стадии, сходные с последовательным рядом ископаемых представителей его класса, обнаруженных в палеонтологической летописи. Конечно, Агассиц, в отличие от трансценденталистов, ясно понимал, что система классификации, созданная Кювье (Cuvier), перечеркнула единую лестницу живых существ. В системе Кювье (1812) животные делятся по типу строения на четыре глубоко различающихся класса: позвоночные, моллюски, членистые и радиально-симметричные; рекапитуляция и параллелизм возможны только в пределах одного класса.
Карл Бэр (Von Baer) проводил свои исследования, в значительной мере заложившие основы эмбриологии как науки, в атмосфере господства трансценденталистов, характерного для биологии 20-х годов прошлого века. Для того чтобы можно было оценить масштабы открытий Бэра в эмбриологии, напомним, что он впервые описал яйцеклетку млекопитающих и хорду и сформулировал теорию зародышевых листков. На основании результатов своих работ по сравнительной эмбриологии он сделал ряд обобщений, показавших полную бессмысленность идеи о том, что животные в своем развитии повторяют все ступени лестницы живых существ. Бэр, подобно Кювье, заметил, что существует не один последовательный ряд, а четыре основных плана строения животных. Эти четыре плана ясно отражаются в их развитии. Например, хорда и нервная трубка, характерные для позвоночных, возникают на ранних стадиях развития, и таким образом «зародыш позвоночного животного с самого начала представляет собой позвоночное животное и ни в какой период не соответствует животному беспозвоночному». Зародыши позвоночных похожи только на другие зародыши позвоночных; Бэр отрицает их сходство со взрослыми особями каких-либо других животных: «...зародыши Vertebrata не проходят в процессе своего развития через перманентные формы каких-либо (известных) животных».
Бэр опубликовал в 1828 г. следующие основные обобщения - свои знаменитые законы.
1. Более общие признаки, характерные для данной крупной группы животных, выявляются у их зародышей раньше, чем более специальные признаки.
2. Из самых общих форм развиваются менее общие и так до тех пор, пока наконец не возникнет наиболее специализированная форма.
3. Каждый зародыш данной формы животных не проходит через другие формы, а, напротив, постепенно обособляется от них.
4. В целом, следовательно, зародыш какого-либо высшего животного никогда не бывает сходен ни с каким другим животным, но сходен только с его эмбрионом.
Эти эмпирические законы сохраняют свое значение до сих пор, и их действие проявляется в развитии любого позвоночного животного, и в частности излюбленного объекта исследований Бэра - куриного эмбриона. На ранних стадиях развития куриного эмбриона можно лишь увидеть, что он относится к позвоночным, потому что ранние зародыши позвоночных всех классов выглядят почти одинаково; несколько позднее в нем можно опознать птицу, и лишь еще позднее становится очевидно, что это будущая курица.
Законы Бэра сделали неприемлемой идею о рекапитуляции всей цепи живых существ, однако, как указывают Осповат (Ospovat) и Гулд (Gould), эти законы на самом деле не были несовместимы с рекапитуляцией в несколько модифицированной форме, и в конечном счете Геккель включил их в свою концепцию эволюционной рекапитуляции. Причину этого понять нетрудно. Концепция Бэра была прогрессивной. Зародыши переходят от общего и простого к частному и сложному. Сходство между зародышами высших форм и взрослыми стадиями низших форм существует и представляет собой, по мнению Бэра, неизбежное следствие двух факторов. Бэр отметил, что степень морфологической сложности и дифференциации, характерная для высших форм в отличие от низших, совпадает с возрастанием гистологической и морфологической сложности в процессе индивидуального развития. Таким образом, хотя Бэр установил, что зародыши высших животных не повторяют взрослые стадии низших форм, он признавал, что они сходны с ними по степени сложности. Современному читателю может показаться, что это противоречит четвертому закону Бэра, однако сам он объяснял, что «только потому, что наименее развитые формы животных недалеко ушли от зародышевого состояния, они сохраняют некоторое сходство с зародышами высших форм животных». С этим связан второй его закон. Бэр считал, что примитивные формы более сходны с гипотетическим архетипом, или идеализированной исходной формой, данного плана строения. Так, взрослые рыбы ближе к исходному типу, чем взрослые млекопитающие. На ранних стадиях онтогенеза как те, так и другие сходны с архетипом позвоночных, но млекопитающие в своем развитии отклоняются от него дальше, чем рыбы (рис. 1-3).
Рис. 1-3. Зародыши рыбы, курицы, коровы и человека на разных стадиях развития. Ранние стадии (верхний ряд) более сходны друг с другом, чем более поздние стадии (нижний ряд) (Haeckel, 1879).
Несмотря на то что концепция архетипа, составляющая часть трансценденталистского подхода к биологии, вряд ли могла привлекать Дарвина и его последователей, она в известной мере продолжала оказывать значительное влияние на интерпретацию эмбриологических данных. Для эволюционистов конца XIX в. ценность эмбриологических данных заключалась в их филогенетическом содержании. Тройной параллелизм Агассица и обобщения Бэра были сформулированы заново в эволюционных терминах.
В первом издании «Происхождения видов», вышедшем в 1859 г., Дарвин писал: «...В глазах большинства натуралистов строение зародыша имеет для классификации даже большее значение, чем строение взрослого животного. Зародыш - это животное в его менее измененном состоянии; и тем самым он указывает нам на строение своего прародителя». Существование архетипа здесь так же ясно Дарвину, как оно было ясно Бэру, но, конечно, Дарвин использовал эту идею иначе, чем это делал Бэр, скептически относившийся к эволюции до самой своей смерти (1876).
Согласно Дарвину: «Если две или более группы животных, как бы сильно они не различались в настоящее время по строению и образу жизни, проходят через одни и те же или сходные стадии эмбрионального развития, мы можем быть уверены, что они происходят от одной и той же прародительской формы или от почти одинаковых форм и, следовательно, находятся в близком родстве. Таким образом, общность строения зародыша указывает на общность происхождения». Дарвин считал также, что существует рациональное эволюционное объяснение и для тройного параллелизма: «Так как зародыши данного вида или группы видов частично указывают нам на строение их менее измененных отдаленных прародителей, то мы можем понять, почему древние и вымершие формы жизни должны походить на зародышей своих потомков - ныне живущих видов».
В полезности такого принципа для выяснения эволюционных взаимоотношений можно убедиться на примере любопытного цикла развития морского желудя. Морские желуди - сидячие формы, заключенные в панцирь и добывающие пищу путем фильтрации воды. Кювье (Cuvier) считал их моллюсками, но после изучения их эмбриологии стало ясно, что морские желуди вовсе не моллюски, а ракообразные. Как и у креветок, у морских желудей первой личиночной стадией служит науплиус. Но этот науплиус, вместо того чтобы, пройдя через дальнейшие личиночные стадии, превратиться в креветкообразную взрослую форму, превращается в циприсовидную личинку, напоминающую остракоду, которая оседает на подходящем субстрате и прикрепляется к нему при помощи цементных желез, расположенных у основания первой пары антенн. Осевшая личинка метаморфизирует, превращаясь в типичного морского желудя (рис. 1-4).
Рис. 1-4. Развитие двух ракообразных-морского желудя и креветки. А. Науплиус морского желудя (Balanus). Б. Циприсовидная личинка морского желудя в разрезе. В. Взрослая особь морского желудя (в разрезе). Г. Науплиус креветки Penaeus. Д. Протозоэа. Е. Первая послеличиночная стадия. У морского желудя и креветки одинаковые личинки-науплиусы, но в последующем развитии они дивергируют (Bassindale, 1936; Rees, 1970; Dobkin, 1961).
Первую попытку найти механизм, связывающий онтогенез с эволюцией, сделал Фриц Мюллер (Fritz Muller), выпустивший в 1864 г. небольшую книжку под названием «За Дарвина». Мюллер на основе изучения развития ракообразных с позиций Дарвина выдвинул несколько важных идей. Он писал: «Таким образом потомки для достижения новых конечных результатов либо рано или поздно отклоняются в развитии, все еще направленном на повторение формы своих родителей, либо развиваются в этом направлении без отклонений, но затем, вместо того чтобы остановиться, идут дальше». Здесь рассматриваются два способа эволюции. В первом случае потомки проходят только начальный отрезок пути развития своих предков, а затем отклоняются от него, и их дальнейшее развитие протекает по новому пути. Например, можно представить себе, что именно таким образом развитие морских желудей отклонилось от развития других ракообразных. «Во втором случае потомки проходят весь путь развития предков, а поэтому в той мере, в какой возникновение нового вида зависит от этого второго способа продвижения вперед, история развития данного вида будет отражена в индивидуальном развитии его отдельных представителей». В этом случае эволюционный механизм состоит не в замещении прежней взрослой стадии новой, а в добавлении новой стадии. Прежняя взрослая стадия сохраняется, но теперь она представляет собой одну из ступеней индивидуального развития. В результате, в смысле характера развития потомка, - это рекапитуляция.
Мюллер понимал, что весь ряд предковых онтогенезов в их полном объеме и во всей их сложности не может рекапитулировать. Какие-то стадии должны уплотняться или выпадать. Таким образом, «летопись событий, происходивших в процессе эволюционного развития, сохранившаяся в истории индивидуального развития, постепенно стирается, по мере того как развитие открывает для себя все более прямой путь от яйца к совершенному животному, но, кроме того, она нередко изменяется в результате борьбы за существование, которую приходится претерпевать свободноживущим личинкам».
Идеи Мюллера о рекапитуляции подхватил и разработал Эрнст Геккель (Ernst Haeckel), которому было суждено слить воедино эмбриологию и эволюционное учение. По его представлениям, это должно было дать возможность не только построить надежные филогенетические истории видов, но и объяснить взаимоотношения процессов развития и эволюции. Геккель выдвинул свой знаменитый биогенетический закон в книге «Общая морфология организмов», опубликованной в 1866 г., и возвращался к нему вновь и вновь в своих последующих книгах. Биогенетическим законом Геккель назвал сделанное им обобщение, гласившее, что в онтогенезе данного организма повторяется его эволюционная история, или филогенез. Эта концепция была, в сущности, обновленной версией трансценденталистского закона Меккеля-Серре; она отличалась от своего предшественника, сформулированного проще, главным образом тем, что Геккель представлял себе эволюцию не как единичную цепь живых существ, а как множество дивергирующих линий. По иронии судьбы именно в таком выражении биогенетический закон обладает поверхностным сходством с теми самыми обобщениями, с помощью которых Бэр, как он считал, навсегда разделался с рекапитуляцией.
Геккель подвел итог своим представлениям в 1879 г. в книге «Эволюция человека»:
«Эти два раздела нашей науки - онтогенез, или история данного зародыша, и филогенез, или история данной трибы, - связаны самым тесным образом, и ни один из них не может быть понят без другого... Онтогенез - это рекапитуляция филогенеза; или, если говорить более определенно, ряд форм, через которые проходит отдельный организм в процессе своего развития от яйцеклетки до вполне сформированного состояния, - это краткое сжатое воспроизведение длинного ряда форм, через которые прошли животные предки этого организма... от самых ранних периодов так называемого сотворения органического мира до настоящего времени».
Хотя Геккель призывал к объяснению связи между эволюцией и развитием на основе законов физики и химии, он ни разу четко не выразил, что именно имеет в виду. Его высказывание относительно механических причин эволюции неопределенно, но тем не менее вызывает недоумение:
«Каузальный характер связи между историей зародыша (эмбриология или онтогенез) и историей трибы (филогенез) зависит от явлений наследственности и адаптации. Поняв сущность этих двух явлений и их важнейшую роль в определении форм организмов, мы можем сделать следующий шаг и сказать, что филогенез - это механическая причина онтогенеза».
В конце XIX в. эволюционисты оказались в затруднительном положении из-за того, что они не понимали механизма наследственности. Дарвин, так же как и другие, отступил назад, к теории Ламарка, согласно которой животные могут каким-то образом передавать своим потомкам полезные признаки, приобретенные в течение жизни. Эта теория выдвигала механизм прогрессивной эволюции и, кроме того, идеально соответствовала биогенетическому закону. Развитие носит характер рекапитуляции, потому что в процессе эволюции только взрослые стадии предковых форм жили достаточно долго, чтобы успеть приобрести и передать новые признаки. Эмбриональные стадии просто чересчур быстротечны. Как и можно было ожидать, Геккель от всего сердца принимал теорию эволюции Ламарка. Геккель считал, что в эволюции существуют три ключевых фактора: адаптация, наследственность и естественный отбор. По его мнению, истинным отцом эволюционной теории был Ламарк, открывший роль двух первых факторов - адаптации и наследственности. Под адаптацией Геккель понимал упражнение и образ жизни, которые, как считал Ламарк, вели к небольшим, но реальным усовершенствованиям, достигаемым индивидуумом. По представлениям Ламарка, наследственность заключается в передаче этих приобретенных свойств, что ведет к накоплению усовершенствований от поколения к поколению. Открытие третьего фактора - естественного отбора - принадлежит, конечно, Дарвину.
Геккеля не интересовала эмбриология как таковая; эмбриология поставляла данные для установления эволюционных историй - для построения филогенетического древа. Геккель обладал значительным влиянием, и сам он не сомневался в правильности своего подхода или в том, что предковые формы, воссоздаваемые им на основе биогенетического закона, действительно существовали в прошлом. Конечно, такое некритическое признание рекапитуляции неизбежно должно было привести к нелепостям; так, например, Дарвин в шестом издании «Происхождения видов» (1872) высказал предположение, что, поскольку самые разные ракообразные в своем личиночном развитии проходят через стадию науплиуса, это означает, что предковые ракообразные были сходны с науплиусом. Из такой интерпретации можно сделать гораздо более далеко идущие выводы, нежели простое отнесение морского желудя к ракообразным на основании характера его личинки. В действительности же тело самых древних и примитивных членистоногих состояло из многочисленных относительно недифференцированных сегментов и они совершенно не были похожи на несегментированного науплиуса (рис. 1-5).
Рис. 1-5. Два примитивных ракообразных - цефалокарида и щитень (Notostraca). Тела этих очень примитивных форм сильно сегментированы, и они мало похожи на несегментированного науплиуса (Waterman, Chace, 1960; Caiman, 1909).
Как и Мюллер, Геккель понимал, что построение филогенетической истории по эмбриологическим данным далеко от совершенства. Отдельные стадии могут выпадать, но, что более серьезно, в развитии возможны интерполяции или появление новых стадий, представляющих собой результат эмбриональных адаптаций, или, как их называл Геккель, ценогенезов. Они, как утверждал Геккель, не имеют эволюционного значения, но искажают картину исторического развития. Он обратил также внимание на два других явления. Одно из них он назвал гетеротопией - изменение места закладки структуры, возможно в результате какого-то изменения в участии зародышевых листков при образовании данного органа или ткани. Другое явление Геккель назвал гетерохронией; оно состоит в сдвиге сроков или последовательности развития органов по сравнению с тем, чего следовало бы ожидать на основании филогенетических данных. Геккель не мог понять, что такие явления представляют собой потенциальные механизмы для существенных эволюционных изменений. Для него это были просто помехи, затрудняющие выявление филогении при помощи сформулированного им биогенетического закона. Геккель использовал свой биогенетический закон для интерпретации не только личиночных стадий развития, но и самых ранних событий эмбриогенеза. Яйцо было для него рекапитуляцией исходного одноклеточного предка всех животных. Бластула соответствовала «бластее» - гипотетической древней форме, образованной одним слоем клеток, окружавших внутреннюю полость. Гаструла, образующаяся путем впячивания стенки бластулы, в результате чего получается мешок, состоящий из двух слоев клеток с отверстием на одном конце, соответствовала «гастрее» с ее первичным ртом и двуслойным строением. Геккель считал кишечнополостных современными представителями животных, находящихся на стадии гастреи.
Широкое признание биогенетического закона и интерпретации Геккеля порождало убеждение, что, поскольку даже самые ранние стадии эмбрионального развития являются прямым следствием филогении, вряд ли имеет смысл искать непосредственные причины развития. Вместо этого следует заниматься поисками филогенетических данных. Такая точка зрения тормозила развитие экспериментального направления в эмбриологии.
Механика развития и менделевская генетика
К концу XIX в. ощущалась все большая напряженность во взаимоотношениях между двумя главными философскими подходами к биологии - Аллен (Allen) называет это расхождением между натуралистами и экспериментаторами. Натуралистов традиционно интересовал организм как целое, его строение и его приспособленность. Их методом было наблюдение. Следуя за Дарвином, ученые этого направления собирали данные, подтверждающие эволюцию, и были глубоко погружены в распутывание эволюционной истории ныне живущих и вымерших организмов. Решающую роль в их исследованиях играли изучение морфологии и наблюдения за эмбриональным развитием.
Экспериментаторов меньше интересовал организм как целое или его морфология; они сосредоточили внимание на лабораторном изучении отдельных аспектов функций, поддающихся анализу. В основе экспериментального подхода к биологии лежат два главных допущения. Первое из них состоит в том, что функцию изолированного органа, клетки или фермента, наблюдаемую в лаборатории, можно экстраполировать на живой организм. Согласно второму допущению, экспериментально вызванные нарушения системы могут дать информацию о ее нормальной функции. Экспериментаторы стремились превратить биологию в точную науку по образу и подобию химии и физики. Физиология и биохимия, иллюстрирующие экспериментальное направление в биологии, в конце XIX в. добились грандиозных успехов и могли бы служить примером для эмбриологии. В этот период господства взглядов Геккеля и его биогенетического закона эмбриология, натуралистическая по своим традициям и бывшая верным солдатом службы филогении, оказалась готовой перейти в другой лагерь и превратиться в экспериментальную науку со своими собственными задачами и подходами. Первый настоящий методологический вызов представлениям Геккеля бросил в 1874 г. Вильгельм Гис (Wilhelm His), искавший непосредственные механические причины онтогенеза в физических свойствах протоплазмы оплодотворенного яйца и в условиях той среды, в которой оно развивается. Эти работы вызвали сильные нападки и насмешки со стороны Геккеля и его последователей; во всеобщем стремлении применять биогенетический закон многие их просто игнорировали. В 1888 г. доведенный до раздражения Гис писал:
«Это противодействие применению основных законов науки к вопросам эмбриологии едва ли было бы понятным, если бы оно не упиралось в догматизм. Единственным допустимым объяснением развития живых существ считается наследственность, а любое другое объяснение, имеющее иную основу, отвергается. Между тем считать, что наследственность способна создавать живые существа без участия механических факторов - всего лишь ненаучная мистика».
Другие эмбриологи также начинали проводить эксперименты с целью проверки механистических гипотез. В 1883 г. Пфлюгер (Pfluger) изучал роль силы тяжести в определении плоскости дробления оплодотворенного яйца. Его заключение, что плоскость дробления определяется силой тяжести, было неверным, однако здесь нас интересует не это. Значение его работ состоит в том, что он применил экспериментальный подход с тем, чтобы выделить и изучить один определенный механический аспект развития. Продвижение экспериментальных исследований ускорилось после того, как в 1887 г. Шабри (Chabry), работавший на оболочниках, а в 1888 г. Ру (Roux), работавший на лягушках, опубликовали результаты экспериментов, в которых они один из бластомеров двуклеточного зародыша разрушали уколом иглы и наблюдали за развитием оставшегося бластомера.
Бластомеры были не просто жертвами праздного любопытства. Целью экспериментов с их разрушением была проверка предположения, что прогрессивная и дивергентная специализация клеток развивающегося зародыша вызывается неравномерным распределением между ними хромосом, в результате чего разные клетки зародыша оказываются различными вследствие различий в тех наследственных частицах, которые они содержат. Ру полагал, что он продемонстрировал правильность гипотезы о строгой мозаичности развития, однако его взгляды подверг сомнению Дриш (Driesch), который в 1892 г. провел эксперименты, показавшие, что каждый из разделенных бластомеров дробящихся яиц морского ежа развивается в полноценного зародыша.
К 1894 г. целое поколение эмбриологов, осознавших успешность экспериментального подхода в физиологии и биохимии и огорченных отсутствием точности в филогенетических спекуляциях, было готово откликнуться на призыв Ру к созданию новой науки - механики развития. В 1894 г. Ру опубликовал очень подробный проспект о задачах этой науки во вводной статье к новому журналу «Archiv fur Entwicklungsmechanik der Organismen», который он основал для публикации сообщений об исследованиях в области механики развития. Под механикой Ру понимал причинность; он писал: «...задачей механики развития должно быть сведение формообразовательных процессов развития к лежащим в их основе законам природы». Ру имел в виду не только элементарную химию и физику изучаемой системы, но и лежащие в ее основе биологические механизмы. Он отмечал, что «...все крайне разнообразные структуры многоклеточных организмов можно свести к нескольким modi operandi - росту клеток, их исчезновению, делению, миграции, активному формированию, элиминации и качественному метаморфозу». Программа, созданная Ру, призывала к изучению роли этих процессов в событиях, составляющих развитие, и к детальному исследованию самих этих клеточных событий.
Но к истинной революции в эмбриологии привело настойчивое утверждение Ру, что, хотя некоторые представления о механизмах развития можно вывести из наблюдений, доказать их существование можно только экспериментальным путем. Отдельные компоненты развивающейся системы можно изучать путем их «выделения, перемещения, уничтожения, ослабления» и наблюдать затем, какое влияние это оказывает на нормальный процесс. Созданная Ру механика развития преобразовала эмбриологию и привела к тому, что вопросы филогении стали играть все меньшую и меньшую роль в деятельности эмбриологов, занимающихся функциональным анализом развития. Механистический и редукционистский подход сулил реальную возможность разрешить проблемы развития, дав им объяснение на молекулярном уровне. В 1890-х годах у многих биологов появилась склонность к редукционизму. Как раз в это время, в 1896 г., Эдуард Бухнер (Eduard Buchner) опубликовал эксперименты, показавшие, что брожение, которое считали биологическим процессом, неотделимым от живой дрожжевой клетки, можно получить и вне клетки, при помощи изолированных ферментов. Работа Бухнера была достаточно убедительной, а о значении, которое она имела в то время, можно судить по тому, что Бухнер получил за нее в 1907 г. Нобелевскую премию по химии. Ферменты послужили прекрасной моделью, позволившей представить жизнь как сложный химический процесс. Оппенгеймер и Митчел (Oppenheimer, Mitchel), например, в своей книге «Ферменты и их действие», опубликованной в 1901 г., пространно обсуждали химическую природу и действие ферментов, а также различные основные их классы. Они рассматривали, между прочим, и ферменты, обнаруженные в зародышах. Молекулярные механизмы в эмбриологии затрагивают в своих работах Дриш (Driesch, 1894) и Уилсон (E.B.Wilson, 1898, 1904).
От наследственности и рекапитуляции, занимавших центральное место в умах эмбриологов, внимание переключалось на процесс, посредством которого происходит индивидуальное развитие организма. Это новое отношение к проблеме удачно резюмировал Уитмэн (С. О. Whitman) - один из основателей американской эмбриологии и первый директор Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе; в 1895 г. он писал:
«...нам больше не нужна филогенетическая Ahnengallerie (портретная галерея предков)... Нам ничего не дает понимание того, что глаза у нас есть, потому что они имелись у наших предков. Если наши глаза похожи на их глаза, то это объясняется не генеалогическими связями, а тем, что развитие молекулярной основы зачатков этих глаз происходило в сходных условиях».
Триумф механики развития вызвал внезапный и полный разрыв между эмбриологией и эволюцией, и, как мы увидим, в нем уже содержались семена еще и второго разрыва - между эмбриологией и генетикой. Любопытно, что эмбриологи не доказали ошибочности биогенетического закона, и в период расцвета механики развития они, в сущности, и не пытались этого сделать: эмбриологи были увлечены новыми проблемами, не связанными с биогенетическим законом. Лишь по прошествии целого поколения Гарстанг (Garstang) и де Бер (de Beer) вернулись к геккелевской рекапитуляции и доказали на эмбриологической основе ее непригодность в качестве универсального механизма эволюции. Механика развития не отрицала основу биогенетического закона. В сущности, некоторые аспекты рекапитуляции нетрудно было бы объяснить в механистической манере в полном согласии с новым подходом. Наилучшим примером этого служит высказанная Клайненбергом (Kleinenberg, 1886) мысль, что такие, казалось бы, лишенные функции эмбриональные структуры, как хорда или трубчатая закладка сердца у позвоночных, считавшиеся простыми примерами рекапитуляции, возможно, имеют жизненно важное значение для развития зародыша, принимая участие в формировании более поздних структур. Он писал:
«С этой точки зрения многие рудиментарные органы предстают в ином свете. Их упорное появление вновь и вновь на протяжении длинных филогенетических рядов было бы трудно понять, будь они в самом деле всего лишь напоминаниями об ушедших в прошлое и забытых стадиях. Их значение в процессе индивидуального развития может в действительности оказаться гораздо большим, чем принято считать... Под влиянием этих органов, ныне ставших рудиментарными, или с их помощью возникают и развиваются постоянные части зародыша; когда эти части достигают определенной самостоятельности, промежуточный орган, выполнивший свою миссию, может уйти в отставку».
Мысль Клайненберга по существу своему верна. Такие процессы действительно существуют; они были подвергнуты экспериментальному изучению и позволили объяснить большую часть тех возникающих в ходе развития признаков, которые кажутся рекапитуляционными.
В конечном счете роковые слабости биогенетического закона заключались в его зависимости от ламарковской теории наследственности и в его непременном условии, что новая эволюционная ступень может быть достигнута только как добавление к взрослой стадии непосредственного предка. Вторичное открытие и развитие менделевской генетики на рубеже двух столетий покажет, что в сущности биогенетический закон - это всего лишь иллюзия.
Мендель проводил свои общеизвестные эксперименты по скрещиванию на горохе Pisum sativum и опубликовал их результаты в 1865 г. Научная среда того времени, однако, еще не была готова к тому, чтобы признать его теорию наследственности, и его работа не привлекла внимания. К началу 90-х годов широкое использование микроскопа и его применение для исследования строения клеток и их компонентов, а в особенности ядра и хромосом (W. S. Sutton, Nettie Stevens, Ε. Β. Wilson), подготовило почву для революции в биологии. Первым шагом этой революции было упомянутое выше вторичное открытие законов Менделя Гуго де Фризом (Н. de Vries), K. Корренсом (С. Correns) и Э. фон Чермаком (Е. von Tschermak), произошедшее в 1900 г. Все они провели эксперименты по скрещиванию, сходные с экспериментами Менделя, и полученные ими результаты соответствовали тем, о которых Мендель сообщил на 35 лет раньше. Используя разные виды растений, де Фриз, Корренс и Чермак подчеркнули правильность законов Менделя и их всеобщую применимость. Было установлено, что гены дискретны и, судя по их поведению, имеют корпускулярную природу. Они передаются из поколения в поколение вполне предсказуемым и повторяющимся образом, и, что самое главное, слияния признаков не происходит. Гены встречаются в доминантной и рецессивной формах и определяют различные и контрастирующие признаки, или фенотипы. На эти свойства генов, по-видимому, не оказывают влияния ни условия среды, ни объединение различных генов в гибридных индивидуумах. Скрытый рецессивный признак может вновь проявиться спустя несколько поколений у определенной доли потомков в совершенно таком же виде, в каком он существовал до гибридизации.
Вторым шагом в биологической революции были работы Саттона (W. S. Sutton) и Бовери (Т. Boveri), которые в 1903 г. независимо друг от друга опубликовали данные, указывающие на сходство в поведении генов и хромосом. Эта «хромосомная теория наследственности» нашла поборника в лице Моргана (Morgan), который сначала был ее противником, а затем стал ее самым влиятельным сторонником и основателем американской школы современной генетики. Морган, специализировавшийся в области экспериментальной эмбриологии, перенес присущий этой области механистический и экспериментальный подход на изучение наследственности. Кульминационной точки его исследования достигли в 1915 г., когда он опубликовал вместе со своими учениками книгу «Механизмы менделевской наследственности». Общее признание взглядов Менделя на наследственность было, конечно, несовместимо с ламаркизмом, а следовательно, серьезно противоречило биогенетическому закону.
Последовало еще одно событие, способствовавшее утрате веры в рекапитуляцию. В 1893 г. Август Вейсман (August Weismann) опубликовал свою «Теорию зародышевой плазмы». Он обратил внимание, что у зародышей многих животных на ранних стадиях развития обособляется группа клеток, которые у взрослого организма дают начало репродуктивным тканям. Эти репродуктивные, или зародышевые, клетки отделены поэтому от остального организма, или сомы, и именно одни лишь эти клетки передают следующему поколению детерминанты (гены). Поэтому, для того чтобы зародышевые клетки могли в соответствии со схемой получить признаки для передачи следующим поколениям, они должны каким-то образом общаться с сомой. В 1909 г. Кастл и Филлипс (W. Е. Castle и J. С. Phillips) поставили эксперимент с целью проверки такой возможности. Они скрещивали две линии морских свинок белую и черную. Это были чистые линии и при скрещивании давали потомков в соотношениях, соответствующих законам Менделя. Скрещивания показали также, что черная окраска доминирует над белой. Затем Кастл и Филлипс пересадили яичники от черных самок белым, а от белых - черным. По достижении зрелости этих самок скрещивали с чистопородными белыми самцами. Полученное потомство соответствовало типу яичников, имевшихся у самок: если яичники происходили от белой самки, то все потомки были белыми, несмотря на то что яичник находился в теле черной самки. Точно так же, если яичник был трансплантирован от черного донора, то все потомки были черными. Такая автономия клеток зародышевой линии в сочетании с чистотой и постоянством гена, определяющего данный признак, конечно, противоречит представлению о наследовании приобретенных признаков.
Последний удар биогенетическому закону был нанесен тогда, когда стало ясно, что морфология и морфологические адаптации имеют важное значение не только для взрослого организма, но и для всех стадий его онтогенеза. Работы де Бера (de Beer), Гарстанга (Garstang) и Гексли, проведенные в первой половине XX в., сыграли решающую роль в становлении этой идеи. Если морфология развивающегося организма имеет такое же важное, а может быть, и еще более важное значение, как его морфология во взрослом состоянии, то это трудно согласовать с геккелевской моделью эволюции. В совокупности менделевская генетика, обособленность клеток зародышевой линии и важность морфологических признаков на всем протяжении развития положили конец рекапитуляции sensu stricto.
В то время как экспериментальная эмбриология перестала заниматься эволюционными проблемами, генетика, напротив, оказалась в самой гуще распрей по проблемам эволюции. С развитием менделевской генетики появилась надежда дать новое объяснение дарвиновских принципов. Экспериментальная парадигма школы Моргана была привлечена к изучению эволюционных проблем, и начался расцвет основанной Фишером, Холдейном и Райтом (R. A. Fisher, J. В. S. Haldane и S. Wright) школы популяционной генетики. Эти ученые видели в законах и соотношениях, установленных Менделем, количественный и математический подход к эволюции. Новая научная школа оперировала группами или популяциями организмов в общем так же, как школа Моргана оперировала отдельными особями.
Генетика развития
Не вызывает сомнений, что генетика развития представляет собой сейчас одну из наиболее активных областей биологии в отношении как теоретических построений, так и эксперимента. Однако в течение трех первых десятилетий XX в., когда и генетика, и биология развития находились в центре внимания ученых, мало кто пытался объединить эти науки. Эмбриологи были поглощены механикой процесса онтогенеза, а генетики занимались выяснением законов, по которым происходит передача признаков. Эти две области биологии развивались в значительной степени разобщенно. Более того, хотя открытия генетиков играли важную роль в развитии неодарвинизма, об экспериментальной эмбриологии этого сказать нельзя.
Такое, казалось бы, странное отсутствие синтеза этих двух наук было вызвано двумя обстоятельствами. Первым, которое уже обсуждалось, было отрицание экспериментальными эмбриологами биогенетического закона, а вторым - отрыв эмбриологии от генетики. Созданная Ру механика развития представляла собой попытку более точно определить механизмы развития, т. е. выявить в онтогенезе причинно-следственные зависимости, которые можно определять экспериментально. Прямой параллелью этой экспериментальной механистической парадигме служила основанная Т. Г. Морганом и развивавшаяся американская школа генетики. Группа Моргана вобрала в себя многие методологические предпосылки эмбриологов, в частности предпочтение отдавалось экспериментальным методам. Однако слияние генетики с эмбриологией задерживалось из-за того, что эмбриологи отказывались признавать менделевскую генетику важным компонентом онтогенеза. Этот отказ был весьма категорично сформулирован в 1928 г. в статье Лилли (F. R. Lillie) «Ген и процесс онтогенеза»:
«В настоящее время генетика постулирует, что на протяжении всей жизни данного индивидуума его гены в любом месте и в любое время всегда одинаковы, если не считать возникновения мутаций или аномальных расхождений хромосом, которые в дальнейшем подчиняются все тем же законам. Важнейшая проблема развития - это именно та дифференцировка в пространстве и во времени на протяжении всей жизни данного индивидуума, которую генетика, по-видимому, явно игнорирует. Успехи генетики и физиологии развития могут привести лишь к более резкому разграничению этих двух областей науки, и все надежды на их объединение (в вейсмановском смысле), по моему мнению, тщетны. Тем, кто желает, чтобы генетика легла в основу физиологии развития, придется объяснить, каким образом некий неизменяющийся комплекс может направлять течение упорядоченного потока развития».
Такое категорическое отрицание было обусловлено тремя причинами. Во-первых, ранние менделисты представляли себе ген как некую частицу, передаваемую потомкам в сперматозоиде и яйце. Именно эти корпускулярные гены, или факторы, обеспечивают развитие индивидуума в процессе онтогенеза. Такое представление, по мнению экспериментальных эмбриологов, попахивало преформизмом - теорией, давно уже впавшей в немилость.
Во-вторых, менделевское направление молчаливо допускало, что при делении соматических клеток компоненты ядра-хромосомы, а следовательно, и гены, точно реплицируются и все клетки получают совершенно идентичные их наборы. Это бросало вызов результатам, полученным экспериментальной эмбриологией. Было хорошо известно, что процесс онтогенеза состоит в последовательном распределении цитоплазмы яйца между клетками, которое сопровождается постепенным сужением ее морфогенетических потенций. Эти два факта, с точки зрения эмбриологов, означали, что гены не могут управлять онтогенезом. Эмбриологи считали, что главная роль принадлежит не ядру, а цитоплазме, о чем свидетельствует приведенная выше цитата из статьи Лилли (Lillie).
И наконец, в-третьих, между менделистами и эмбриологами существовало глубокое изначальное расхождение: менделевскую генетику интересовала главным образом передача признаков из поколения в поколение, тогда как эмбриология занималась развитием признаков в пределах одного поколения. Те и другие исследования достигли быстрых успехов в начале XX в. Школа Моргана добивалась гигантских успехов в изучении передачи признаков; столь же успешно развивались исследования американской (Lillie, Ε. В. Wilson, Conklin, Harrison) и европейской (Spemann, Boveri, Hertwig) групп экспериментальных эмбриологов. Каждое из этих направлений оценивало по достоинству работы другого, но, к сожалению, перекинуть мост через разделявшую их пропасть было невозможно.
Хотя большинство экспериментальных эмбриологов не занимались проблемами эволюции и генетики, было несколько ученых, предпринимавших попытки к их синтезу с эмбриологией. Первым среди них был Дриш (Driesch), пытавшийся примирить расхождение, связанное с противопоставлением друг другу ядра и цитоплазмы. В 1894 г. он построил гипотезу, в которой постулировал, что развитие не обусловливается одним лишь ядром или одной лишь цитоплазмой, а представляет собой результат взаимодействия между ними. Эта гипотеза звучит вполне разумно даже сегодня, спустя почти 90 лет, однако современники Дриша, по-видимому, ее игнорировали.
Вторую попытку синтеза сделал спустя несколько лет, в 1932 г., Морган. Его книга «Эмбриология и генетика» была написана с этой целью. Одни ее главы посвящены эмбриологии, а другие - генетике, однако связь между ними, к сожалению, почти отсутствует.
Вероятно, самую значительную попытку полного синтеза предпринял Рихард Гольдшмидт (Richard Goldschmidt). Он начал свою научную деятельность как анатом; склонность к классической биологии он сохранил на всю жизнь, и этим, возможно, объясняются некоторые проблемы, с которыми столкнулись его идеи. Его интересовала не только передача признаков, но также и физиологические аспекты генетики: каким образом унаследованные факторы реализуются в фенотипе, т.е. как функционируют гены. Эти идеи суммированы в его книге «Физиологическая генетика», опубликованной в 1938 г. Главный вклад в науку этой и других его работ - концепция, согласно которой гены регулируют скорость процессов развития и могут таким образом оказывать сильное влияние на зависящие от них события в течение онтогенеза. Такое постулирование «генов скорости» близко идее Гексли о гетерогоническом росте при аллометрии. Если данный ген способен влиять на скорость роста какой-то определенной структуры, то он будет контролировать размеры этой структуры относительно размеров остального организма. Кроме того, можно представить себе, что гены скорости регулируют абсолютные сроки появления любой данной структуры. Онтогенез слагается из связанных между собой и взаимозависимых процессов; т.е. формирование каждой отдельной структуры зависит как во времени, так и в пространстве от формирования других структур. Таким образом изменения в сроках возникновения одного морфогенетического события могут иметь глубокие последствия, изменяя многие дальнейшие зависящие от него ступени онтогенеза. И Гольдшмидт, и Гексли понимали важность изменений в ходе эволюции сроков морфогенетических процессов, особенно если это касается неотении, наличия рудиментарных органов и формирования крупных специализированных структур. Несмотря на успех выдвинутых им концепций, с одной проблемой Гольдшмидт справиться не мог. Ему трудно было представить себе, как крупное морфологическое изменение, а в особенности эволюция новой структуры, может быть достигнуто путем отбора мутаций, возникающих в генах, которые контролируют мелкие структуры или короткие отрезки онтогенеза.
«Рассмотрим в качестве примера птицу... Возможно, что первоначальный вид был зерноядным, тогда как в наличии имелась свободная ниша для формы, питающейся нектаром. В результате адаптивной радиации возникает такая форма, которая может быть названа новым родом. Но каким же образом такое сложное генетическое изменение, ведущее путем накопления мелких мутационных изменений в строении клюва и языка к возникновению совершенного механизма для высасывания нектара, появляется именно в то время, когда имеются шансы на то, что оно будет подхвачено отбором? При попытке разработать эту проблему во всех деталях очень скоро становится ясно, что для объяснения такого макроэволюционного процесса необходимо помимо принципов неодарвинизма что-то еще».
Для того чтобы преодолеть эту проблему, Гольдшмидт постулировал два типа эволюционных изменений, которые он обсуждал в своей книге «Материальные основы эволюции». Изменения частот генов, наблюдаемые и изучаемые популяционной генетикой, он относил к микроэволюции, а возникновение крупных морфологических изменений, которые он любил называть «перспективными монстрами», - к макроэволюции. Гольдшмидт превосходно уловил самую суть этой основной проблемы эволюционной теории, однако предложенное им объяснение двух типов изменений было далеко не столь удачным. В сущности, его объяснение способствовало его изоляции от тех самых групп ученых, которых ему хотелось бы убедить. Он утверждал, что микроэволюция ведет лишь к повышению приспособленности и изменчивости в пределах вида. Но этими мелкими изменениями, возникающими в результате генных мутаций, нельзя объяснить морфологические изменения, наблюдаемые в процессе эволюции крупных групп растений и животных. На основе этого заключения работа всей школы популяционной генетики, например Холдейна (Haldane), Фишера (Fischer), Райта (Wrigt) и Добржанского, представлялась хотя и интересной, но не имеющей отношения к эволюции.
Поскольку Гольдшмидт не мог найти объяснения крупным морфологическим изменениям в рамках доктрины, принятой менделевской генетикой, он создал собственную теорию наследственности. Он воспользовался только что открытым явлением эффекта положения, т.е. обнаружением того, что в некоторых случаях положение данного гена в хромосоме сильно влияет на его экспрессию. Для того чтобы объяснить далеко идущие морфогенетические изменения в чрезвычайно сложной взаимодействующей системе - развивающемся зародыше, он допустил возможность столь же далеко идущих глобальных изменений в пределах ядра. Он предположил, что макроэволюция осуществляется путем макромутаций. Изменению подвергается «хромосома как целое», и изменение этого целого изменяет зародыш тоже в целом. Эта гипотеза, конечно, противоречила широко распространенному представлению о корпускулярной природе менделевского гена. Экспериментальные данные подтверждали это преобладающее мнение, и гипотеза Гольдшмидта приобрела мало сторонников. К сожалению, по причине выдвинутого Гольдшмидтом нетрадиционного объяснения механизма макроэволюции его убеждение о существовании различия между макро- и микроэволюцией оказалось неприемлемым для неодарвинистов.
Почему было так трудно произвести последовательный современный синтез эмбриологических и генетических представлений? Для того чтобы убедительно показать, что гены контролируют онтогенез и, что важнее, как они это делают, необходимо было сначала понять, как функционируют гены и как регулируется их функция. Данные об этом появились, в сущности, лишь после зарождения современной молекулярной биологии. Ограничимся перечислением лишь немногих из тех предпосылок, которые были абсолютно необходимы для подлинного понимания генетического контроля онтогенеза: гипотеза Бидла и Татума «один ген - один фермент» (Beadle, Tatum), расшифровка структуры ДНК Уотсоном и Криком (Watson, Crick), модель оперона Жакоба и Моно. После всего этого объединение эмбриологии и генетики стало не только возможным, но и весьма плодотворным. Наиболее четко это проявилось в недавнем расцвете школ, которые были основаны в 30-х и 40-х годах Уоддингтоном (С. Н. Waddington) в Англии, Куртом Штерном (Curt Stern) в США и Эрнстом Хадорном (Ernst Hadorn) в Германии. Генетика развития как экспериментальная наука разрабатывалась подобно тому, как это происходило с механикой развития Вильгельма Ру, с той разницей, что скальпелем ей служили не нарушения процесса онтогенеза путем физических воздействий, а мутации. Заключительный абзац книги Хадорна «Генетика развития и летальные факторы», вышедшей в 1955 г., свидетельствует о том, что единение генетики и эмбриологии действительно произошло:
«В хромосомном веществе любого организма имеются постоянные места для многих тысяч функциональных единиц, или генов, способных мутировать. Любое изменение или утрата того или иного гена угрожает жизни развивающегося организма. Самым убедительным доказательством значения этих хромосомных факторов служит установление того, что утрата одного-единственного гена может полностью нарушить развитие, а то обстоятельство, что ни один из многих тысяч остальных генов не может принять на себя роль этого недостающего фактора, свидетельствует о высокой индивидуальности структуры и функции отдельного гена. Кроме того, процесс развития, очевидно, предъявляет огромные требования к гармоничному сотрудничеству многочисленных отдельных процессов, берущих начало в генетической субстанции хромосом».
Мы полагаем, что настало время совершить последний шаг в современном синтезе - слить воедино эмбриологию, генетику и эволюцию.