Гетерохрония - классический механизм эволюционных изменений

Попытки найти механизмы эволюции, связанные своими корнями с онтогенезом, сосредоточены главным образом на гетерохронии - изменениях относительных сроков процессов развития. Геккель подчеркивал зависимость между эволюцией и индвидуальным развитием, состоящую в том, что в онтогенезе потомка представлены в сжатом виде взрослые стадии его предков. Конечно, высказывались мнения, что эволюция может происходить в результате временных сдвигов в онтогенезе, отличных от тех, с которыми связана геккелевская рекапитуляция. Дюмериль (Dumeril) в 60-х годах прошлого века изучал аксолотля, соматическое развитие которого задержано относительно развития гонад, а другие биологи, в их числе Бэр (Baer) и Коллман (Kollman), предложивший термин неотения, описали другие примеры созревания гонад в организме личинки. В своей книге «Онтогенез и филогенез» Гулд (Gould) подробно изложил историю развития этих идей и показал, что в конце XIX в. ни один из этих случаев, явно не укладывающихся в теорию рекапитуляции, не оказал заметного воздействия на всеобщее увлечение биогенетическим законом.

Геккелевская теория рекапитуляции исходила из идеи Ламарка о том, что новые признаки могут приобретаться только у взрослых форм. Гарстанг (Garstang) своей критической статьей, опубликованной в 1922 г., решительно покончил с представлением о рекапитуляции как универсальном механизме эволюции, поскольку менделевская генетика ясно показала возможность появления и эффективного отбора признаков на любой стадии развития. Кроме того, в своих ранних исследованиях Форд (Ford) и Гексли, а также Гольдшмидт (Goldschmidt) установили способность генов регулировать скорость биологических событий. Например, Форд и Гексли в своей работе изучали скорость накопления пигмента в глазу развивающегося рачка-бокоплава (Gammarus). Они установили, что у бокоплавов, несущих идентичные аллели генов, контролирующих пигментацию глаз, окраска глаз в конечном счете оказывалась совершенно различной и зависела от того, представлен ли у них «ген скорости», регулирующий скорость накопления пигмента, доминантными или рецессивными аллелями.

Концепция генов скорости в начале 30-х годов обладала неотразимой привлекательностью для ряда биологов-эволюционистов, в число которых входили де Бер (de Beer), Гексли и Холдейн. Холдейн, например, рассматривал гены, которые, как это было установлено, действуют на разных стадиях жизненного цикла (гамета, зигота, личинка, ювенильная стадия, созревание репродуктивных органов и т.п.), и высказал мнение, что гетерохрония может быть сцеплена с изменениями в сроках действия генов, регулирующих скорости процессов развития. Поскольку гены могут действовать на любой стадии развития, глубокие эволюционные изменения морфологии, физиологических адаптации или поведения могут быть достигнуты просто за счет изменения сроков наступления тех или иных событий. Гексли, которого в это время интересовало явление аллометрии, мог объяснять относительный рост как результат действия генов скорости. Гены скорости явно могли служить средством изменения характера относительного роста в процессе эволюции. Таким образом:

«В общем ясно, что гены скорости могут мутировать либо в плюс-, либо в минус-направлении, либо ускоряя, либо замедляя процессы, на которые они воздействуют. В первом случае эффект будет, по крайней мере в некоторых отношениях, рекапитуляционным, поскольку через некое состояние, которого организм достигал прежде на взрослой стадии, он проходит теперь на более ранней стадии. Во втором случае эффект будет антирекапитуляционным, поскольку состояние, которое прежде характеризовало одну из более ранних стадий развития, теперь сместилось на взрослую стадию».

Этот новый взгляд на процессы развития как на способ эволюционного изменения создал основу для множества появляющихся в 20-е и 30-е годы филогенетических гипотез, отрицавших рекапитуляцию. Многие из этих теорий изложил де Бер (de Beer) в своей книге «Зародыши и предки». Среди них есть такие разнообразные точки зрения, как заключение Болк (Bolk) о том, что многие морфологические признаки человека - результат сохранения у взрослой особи признаков, имевшихся у зародышей ее обезьяньих предков; утверждение Гарстанга о происхождении позвоночных из головастикообразных личинок оболочников, достигших половозрелости, и предположение де Бера о подобном же происхождении насекомых из шестиногих личинок многоножек (пример, к которому мы еще вернемся). Де Бер особенно подчеркивал важность появления новых структурных признаков у не поддающихся фоссилизации личиночных стадий в качестве механизма возникновения новых групп Metazoa. Это очень соблазнительная возможность, потому что «...быть может, эти разрывы, эти прерывистости в филогенетических рядах взрослых форм до некоторой степени обусловлены „потайной“ эволюцией на ранних стадиях, за которой следовали неотения и внезапное проявление этих скрытых качественных новшеств». В этом свете некоторые из восьми типов гетерохронии, которые определяет де Бер в «Зародышах и предках», имеют очень глубокий макроэволюционный потенциал, тогда как другие типы, причем именно ведущие к рекапитуляции, дали лишь мелкие структурные модификации. Наиболее очевидные временные сдвиги связаны с диссоциацией между скоростями развития соматических признаков и скоростью созревания гонад. В сущности, классические определения категорий гетерохронии основаны на этих диссоциациях. Здесь мы придерживаемся данных Гулдом определений процессов, ведущих к рекапитуляции, и процессов, приводящих к педоморфозу. Различаемые им четыре типа гетерохронии и их результаты представлены в табл. 6-1. Если появление данного соматического признака ускоряется по сравнению с созреванием гонад, то это приведет к тому, что признак, принадлежавший прежде взрослой форме, превратится у потомков в ювенильный признак: это классический путь к геккелевской рекапитуляции. Второй путь возникновения рекапитуляции возможен в том случае, если созревание так задерживается, что признак, бывший прежде признаком взрослой формы, появляется на той же самой стадии развития, но эта стадия (в результате удлинения периода развития) оказывается теперь уже не взрослой, а «предвзрослой» стадией. Это явление носит название гиперморфоза. Увеличение размеров - обычное эволюционное направление, и оно чаще всего приводит к гиперморфозу. Ускорение соматического развития также служит способом увеличения размеров и может играть определенную роль в использовании положительных аллометрических зависимостей в эволюционных целях. Предковая морфология достигается при этом на более ранней стадии развития, а такие крайне резко выраженные структуры, как рога титанотериев или ветвистые рога Megaloceros giganteus, представляют собой следствие аллометрических зависимостей, экстраполированных на более крупные размеры тела.

Таблица 6-1. Типы гетерохронии (Gould, 1977; с небольшими изменениями)

Сдвиги сроков развития могут привести к эволюционным результатам, прямо противоположным рекапитуляции - к педоморфозу. При педоморфозе признаки, которые у предков были характерны для ювенильных стадий, сохраняются у их потомков во взрослом состоянии; это, однако, может произойти двумя совершенно различными способами. В наиболее хорошо знакомом случае - при неотении - соматическое развитие задерживается по сравнению с течением полового созревания. Например, аксолотлю - этой рабочей лошадке неотении (рис. 6-1) - требуется столько же времени для полового созревания, как и родственным ему ненеотеническим хвостатым амфибиям, но при этом многие соматические морфологические признаки остаются у него на личиночной стадии, так что половозрелый аксолотль продолжает жить в воде и выглядит как личинка-переросток. Существует и другой вид педоморфоза - прогенез, который возникает в результате совершенно иного процесса. При прогенезе созревание гонад ускоряется, так что половая зрелость достигается в маленьком и в, сущности, ювенильном теле: соматическое развитие урезано.

Рис. 6-1. Педоморфоз и рекапитуляция. А. Мексиканский аксолотль сохраняет жабры, уплощенный хвост и кожу, характерные для личинки, хотя он достигает размеров взрослой особи и половой зрелости. Если этой неотенической личинке вводить тироксин, то она претерпевает метаморфоз, превращаясь в типичную наземную взрослую форму (Б). В. У двустворчатого моллюска Hinnites наблюдается классическая рекапитуляция. На ювенильных стадиях Hinnites похож на других морских гребешков, но при дальнейшем созревании он прикрепляется ко дну и в результате продолжающегося роста раковины образует сходную с устрицей форму с менее упорядоченной структурой (Аксолотли с фотографий, любезно предоставленных G. M. Malacinski; Hinnites - с натуры).

Педоморфоз как одного, так и другого типа обеспечивает легкую в генетическом отношении эволюционную реакцию на давление со стороны среды, потому что при этом может быть использована морфогенетическая система, которая уже интегрирована. И неотения, и прогенез приводят к педоморфозу, но они, по-видимому, возникают в ответ на разные условия. Неотения может, например, возникнуть в ситуациях, когда неотеническая особь получает возможность избежать перехода в суровую или неустойчивую среду, в которой должен обитать взрослый организм, и остаться в более мягкой и стабильной среде, где обитают личинки. Типичным примером этого служат неотенические личинки амфибий; у некоторых групп хвостатых амфибий в процессе эволюции возникли неотенические взрослые формы, продолжающие жить в воде.

Неотения открывает довольно неожиданные эволюционные возможности, как, например, у нелетающих птиц, питающихся на земле. Неспособность к полету часто встречается у птиц, обитающих на островах, где отсутствуют хищные млекопитающие. Поскольку, как указывают Олсон (Olson) и Федуччиа (Feduccia), летательные мышцы, кости плечевого пояса и грудина составляют примерно 20-25% массы обычной птицы, то на их рост и поддержание затрачивается значительная доля ее энергетического бюджета. Если полет не дает непосредственного преимущества, то отбор не будет благоприятствовать сохранению дорогостоящего в энергетическом выражении комплекса структур. Одним из механизмов, обеспечивающих быструю утрату этих признаков, может быть неотения, и нелетающие птицы действительно во многом сходны с птенцами летающих видов. Согласно Олсону и Федуччиа, у некоторых групп, таких как голуби и пастушки, грудина развивается на поздних стадиях онтогенеза, после вылупления. Разница между ними и куриными значительна: среди куриных нет ни одного нелетающего вида. У типичного представителя куриных - курицы - окостенение грудины начинается между 8-м и 12-м днями инкубирования, а не после вылупления, как у пастушков. Задержка части морфогенетической программы на такой ранней стадии развития привела бы, возможно, к летальному исходу, однако задержка развития грудины у форм, у которых эти процессы происходят лишь после вылупления, вряд ли вызовет серьезные осложнения. Таким образом нелетающие пастушковые возникали в процессе эволюции неоднократно, потому что в программе развития пастушковых имеется нреадаптация к изменению такого типа. После того как неотеническое изменение возникло, становится возможным достижение больших размеров и другие адаптации. К сожалению, дронты, моа, эпиорнисы и все другие многочисленные виды, составлявшие великолепный ряд нелетающих птиц, населявших большие и малые острова по всему земному шару, вымерли в результате вмешательства человека в природу.

Неотенические признаки обычны у птиц и млекопитающих с высокоразвитым общественным образом жизни, и было высказано предположение, что задержанное соматическое созревание, возможно, облегчает распознавание ранга отдельных особей, позволяя избегать столкновений и повышать стабильность сообщества. Неотенические признаки человека отражают в усиленной степени такие признаки приматов, как стабильность сообщества, интенсивная забота о потомстве и длительный период созревания. В строении черепа отражены также такие Неотенические признаки, как увеличение объема головного мозга, которое было достигнуто путем увеличения продолжительности внутриутробного развития с сопровождающими его аллометрическими тенденциями.

В отличие от этого прогенез представляет собой, по-видимому, типичную реакцию на такие условия среды, в которых высокий уровень размножения или малые размеры отдельной особи могут оказаться особенно выгодными. В некоторых из таких случаев отбор может идти не на какой-то определенный морфологический признак, а на малые размеры как таковые. В результате возникает зрелый в репродуктивном отношении организм, обладающий личиночной морфологией или же смесью личиночных и взрослых признаков. В средах, открытых для небольших организмов, некоторые морфологические признаки выходят из-под ограничительных воздействий отбора, которые испытывали на себе более крупные предковые виды. В условиях ослабленного или модифицированного отбора анатомические признаки могут накапливать изменения, делающие возможным переходы от одного плана строения к другому, осуществить которые в других условиях было бы крайне трудно. Подобная точка зрения вполне приложима также к происхождению насекомых от педоморфных многоножек, как это предполагает де Бер. На рис. 6-2 изображена личинка многоножки Glomeris, у которой в момент вылупления имеется только три пары ног и ограниченное число сегментов тела. Как правило, число ног и сегментов тела увеличивается у многоножек в процессе развития. Если, однако, такая личинка достигла бы половозрелости, то получился бы организм, очень похожий на примитивное насекомое.

Рис. 6-2. Только что вылупившаяся личинка многоножки Glomeris с тремя парами ног (Juberthie-Jupeau, 1974).

Существенный момент здесь состоит в том, что, хотя первоначальное прогенетическое событие сохранялось отбором ввиду его непосредственного значения для выживания, оно послужило также отправной точкой для очень крупного макроэволюционного события. Возможно, что таким образом начиналась эволюция насекомых. Однако насекомые - это не просто педоморфные многоножки. Вслед за педоморфозом должен был произойти целый ряд дальнейших генетических изменений. Необходимо было приобрести не только такое качественное новшество, как крылья, но и ряд генов, регулирующих дифференцировку всех сегментов тела. В результате детерминирующего воздействия этих генов на строение сегментов развивается насекомое с иной очень стабильной дифференцировкой передне-, средне- и задне-груди и связанных с ними придатков, причем развитие конечностей на сегментах брюшка у него подавлено. Роль этих генов в развитии насекомых и их эволюции подробно обсуждается в гл. 8 и 9. Многие гетерохронии состоят в изменениях сроков появления одного соматического признака по отношению к другому при незначительном изменении остального онтогенеза. Такие гетерохронические изменения могут быть неразрывно связаны своими механизмами с изменениями индукционных взаимодействий, рассмотренных в гл. 5. Изменения сроков клеточного деления или перемещения слоев тканей должны оказывать непосредственное влияние на индукционные взаимодействия. Это может повлечь за собой увеличение размеров индуцированной структуры. И наоборот, изменение сроков может привести к утрате какой-либо индуцируемой структуры, и вовсе не потому, что индуцирующая ткань не сумела произвести индукционный сигнал, или не потому, что индуцируемая ткань утратила компетентность, необходимую для того чтобы отреагировать на этот сигнал, а потому, что этим двум тканям не удалось вступить в контакт в нужное время. Подобные примеры известны среди обитающих в пещерах позвоночных с рудиментарными глазами. Например, Шламп (Schlampp) обнаружил, что у обитающего в пещерах слепого европейского протея (Proteus anguineus) инвагинация глазного пузыря с образованием глазного бокала протекает нормально; однако преждевременная миграция мезодермы, располагающейся между глазным бокалом и эктодермой, блокирует индукцию хрусталика на ранней стадии развития. Нарушение индукции обусловливает также развитие лишь зачаточных глаз у мексиканской пещерной рыбы (Astianax). Кан (Cahn) сравнивал развитие глаз у пещерной формы и у речного вида Astianax mexicanus, от которого она произошла. В этом случае имели место два гетерохронических события: задержка образования глазных пузырей и замедление митотических делений клеток сетчатки у слепой пещерной формы по сравнению с этими процессами у речной формы. Это приводит к нарушению индукции хрусталика, а следовательно, и к развитию зачаточных глаз.

 

Древесные саламандры и лягушки без головастиков. Гетерохрония и морфологическая адаптация

Почему гетерохрония может служить таким обычным способом эволюции? Ответ на этот вопрос, по-видимому, заключен в характеристике, которую дал эволюции Ф. Жакоб (F. Jacob). По его словам, эволюция действует путем «перелицовки старого». В отличие от проектирования новых машин, создаваемых с учетом оптимальных технических возможностей, возможности эволюции ограничены историей. В данном случае история - это отдельные признаки или структуры, которые уже имеются у данного организма и могут быть модифицированы. Примером того, к каким это приводит результатам, служит прогрессивная эволюционная трансформация рудиментарных элементов нижней челюсти звероподобных рептилий в специализированные слуховые косточки внутреннего уха у млекопитающих. Морфогенетические процессы чрезвычайно сильно взаимодействуют между собой, и эти взаимодействия приводят к канализации развития. Согласно определению, данному в 1942 г. Уоддингтоном (Waddington), канализация - это забуферивание или гомеостаз путей развития, противодействующий извращениям развития, которые могут вызываться средовыми или генетическими возмущениями. П. Олберч (P. Alberch) высказал мнение, что кажущаяся направленность некоторых эволюционных линий отражает, возможно, ограничения, налагаемые теми эпигенетическими взаимодействиями, которые создают канализацию. Некоторые эволюционные изменения приводят к небольшим нарушениям существующих морфогенетических взаимодействий, тогда как другие теоретически возможные морфологические решения потребовали бы таких коренных изменений процессов развития, которые, в сущности, невозможны. Ввиду стабильности путей развития гетерохрония служит для эволюционных изменений своего рода путем наименьшего сопротивления. Относительные сроки различных процессов нередко можно изменять назависимо друг от друга, не вызывая резких нарушений канализации отдельных процессов, но тем не менее это может привести в конечном итоге к значительным изменениям морфологии.

Некоторые из наиболее ярких примеров эволюционной роли гетерохронических процессов получены в результате исследований, проведенных на амфибиях, в частности на тропических видах саламандр и лягушек, у которых в процессе эволюции возникли необычные отклонения в стратегии размножения. Большинство семейств хвостатых амфибий - обитатели умеренного пояса. Однако, как отмечает Уэйк (Wake), неотропические представители одной группы - трибы Bolitoglossini - составляют 40% всех ныне живущих видов саламандр. В один из родов этой группы, обширный и разнообразный род Bolitoglossa, входят не только типичные наземные формы, обитающие на возвышенных местах, но и единственные формы, успешно обосновавшиеся на низменностях тропических областей Центральной и Южной Америки.

Многие виды Bolitoglossa, будучи не наземными, что более обычно, а древесными формами, вполне приспособились к жизни на деревьях, и у них имеется ряд морфологических адаптации, в том числе очень цепкий хвост и модифицированные стопы, что дает им возможность удерживаться на нижних поверхностях влажных стеблей и листьев. Эволюция этих древесных видов сопровождалась уменьшением размеров тела взрослых особей и характерным комплексом изменений в строении стопы, показанных на рис. 6-3: наличие перепонок между пальцами и редукция или слияние костей. Концевые фаланги редуцированы, третья фаланга четвертого пальца утрачена, а некоторые из плюсневых костей слиты. Олберч сумел показать, что редуцированные размеры и своеобразное строение стопы у древесных форм прямо связаны с их способностью лазать по гладкой поверхности. Саламандры удерживаются при лазаньи главным образом благодаря поверхностному натяжению и присасыванию, обеспечиваемому строением стоп. Благодаря особенностям строения стопы у древесных видов Bolitoglossa они лучше удерживаются на ветвях при помощи присасывания, чем наземные виды, охватывающие ветви своими длинными пальцами. Уменьшение размеров тела, наблюдаемое обычно у древесных видов, также следует считать функциональной адаптацией, поскольку поверхностное натяжение более эффективно при небольших размерах.

П. Олберч и Дж. Олберч сравнивали древесный вид Bolitoglossa occidentalis с двумя наземными видами, В. rostrata и В. subpalmata. Как и ожидалось, древесный вид мельче двух других видов, у него имеются характерные модификации стопы и изменения в черепе: предлобные кости отсутствуют, окостенение черепа выражено в меньшей степени. По общим пропорциям взрослые В. occidentalis похожи на ювенильных особей В. rostratus и В. subpalmata: важно указать, что у ювенильных особей наземных видов на ногах имеются перепонки. Такое сходство позволяет предполагать, что в процессе эволюции древесных видов происходил отбор на небольшие размеры и что это достигалось путем прогенеза - урезания соматического развития.

Рис. 6-3. Стопы наземных видов саламандры Boliloglossa (А и Б) и прогенетического древесного вида В. occidentals (В). Обратите внимание на относительно небольшие размеры стопы В. occidentalis, наличие у него перепонок и редукцию концевых фаланг (P. Alberch, J. Alberch, 1981).

Характер роста и аллометрические соотношения длины хвоста, массы тела, площади стопы и длины пальцев одинаковы у всех трех видов, как и следовало ожидать при простом прогенезе. В, occidentalis просто не вырастает до таких размеров, как другие виды. Рост у него прекращается на более ранней стадии, но при этом он достигает половозрелости. Возникновение педоморфной морфологии путем урезания развития представлено на рис. 6-4, где изображено изменение отношения длины пальцев к размерам перепонки в процессе развития разных видов Bolitoglossa. Вначале кинетика роста стопы из почки конечности практически одинакова у всех видов; однако пальцы растут быстрее, чем перепонки между ними. Но у В. occidentalis дифференциальный рост прекращается на той стадии, когда пальцы и перепонки оказываются одной длины. У двух других видов дифференциальный рост пальцев и межпальцевых участков продолжается, так что пальцы заметно выступают за пределы перепонок.

Рис. 6-4. Модели развития стопы у разных видов Bolitoglossa. У В. rostrata и В. subpalmata пальцы растут, удлиняясь и сильно выступая вперед и в стороны, тогда как у В. occidentalis пальцы никогда не выступают вперед, что приводит к развитию перепончатой лапы, наблюдаемой у взрослых особей (P. Alberch, J. Alberch, 1981).

При таком типе гетерохронии некоторые из ювенильных морфологических признаков древесных видов оказываются адаптивными, однако другие могут быть лишены адаптивного значения, будучи просто пассивными следствиями педоморфоза. Заключение о том, что рост Bolitoglossa occidentalis урезан, подтверждается существованием таких пассивных изменений, как зависимость между последовательностью появления костей стопы и черепа в процессе развития и отсутствие некоторых из этих костей у В. occidentalis. В черепе В. rostrata и В. subpalmata в последнюю очередь появляются предлобные кости, которые у В. occidentalis вообще не развиваются. Подобным же образом третья фаланга четвертого пальца в задней стопе В. rostrata и В. subpalmata развивается последней, а у В. occidentalis она совершенно отсутствует. Очевидно, развитие приостанавливается на стадии, непосредственно предшествующей появлению именно этих признаков.

Хотя уже глобальное изменение онтогенеза может открыть перед организмом новую адаптивную зону, для полной морфологической адаптации требуются последующие изменения в генетических системах, регулирующих отдельные аспекты морфогенеза. Р. Олберч и Дж. Олберч выявили такие дополнительные гетерохронии в морфогенезе стопы Bolitoglossa occidentalis. Развитие размеров и формы ноги разобщены, так что, когда длина животного (от кончика морды до анального отверстия) составляет 24 мм, изменение формы прекращается, но рост стопы продолжается, пока длина животного не достигнет 38 мм. В развитии стопы обнаружено разобщение и других процессов: скорость роста пястных костей повышена, а скорость роста некоторых фаланг понижена по сравнению с обычной для наземных видов скоростью. Это важный момент, поскольку он показывает, что гетерохрония не ограничена классическим глобальным типом, а может затрагивать любой отдельный процесс развития.

Подобно саламандрам, тропические лягушки проникли в некоторые адаптивные зоны, сильно отличающиеся от тех зон, в которых обитают виды, типичные для умеренного пояса. В тропиках популяция головастиков, развивающихся в водной среде, по-видимому, чрезвычайно сильно страдает от хищников и от конкуренции. Этот факт, а также наличие разнообразных влажных наземных микроместообитаний сыграли решающую роль в эволюции способов размножения, при которых лягушки не откладывают яйца просто в воду. В табл. 6-2 сопоставлены способы размножения у лягушек умеренного пояса США и у обитателей двух неотропических зон - в Панаме и Эквадоре. Почти все представители северных видов размножаются в открытых водоемах. Несколько видов, относящихся к тропическим группам, встречаются на юге США. Они дают представление о репродуктивном поведении, обычном для тропических фаун. Откладка яиц у поверхности воды или вблизи воды, так чтобы головастики попадали в пруд или реку после вылупления, сокращает время, в течение которого потомство подвергается превратностям жизни в воде. Эти адаптации возникли независимо в нескольких семействах лягушек.

Таблица 6-2. Разнообразие способов размножения лягушек умеренной и тропической фаун (Salthe, Duellman, 1973)

С большей частью прогрессивной последовательности таких адаптации, устраняющих зависимость тропических лягушек от открытых водоемов, можно ознакомиться на примере одного рода Leptodactylus, рассмотренного Гейером (Heyer). В этот род входит пять групп видов. У групп видов Melanotus и Ocellatus наблюдается биология размножения, характерная для примитивных Leptodactylus, когда яйца откладываются в гнездо из пены, плавающее на воде. Представители эволюционно несколько более продвинутой группы Pentadactylus помещают свои пенные гнезда в рытвины, находящиеся поблизости от стоячих водоемов. Ливневые дожди разрушают эти гнезда, освобождая личинок и смывая их в водоем. Следующий шаг сделала группа Fuscus: самец роет норку и призывает к себе самку; яйца откладываются в гнездо из пены, помещаемое в норку. Развитие начинается в норке, но завершается в прудах, куда головастики смываются дождями. Полная независимость развития от водоемов достигнута в группе видов Marmoratus. Эти виды откладывают яйца в пенные гнезда в подземных камерах. Однако (в отличие от группы Fuscus) их яйца содержат достаточные запасы желтка, так что и развитие зародышей, и метаморфоз происходят в гнезде. Головастики все же образуются, но у них нет роговых челюстей с зубчиками и дыхалец, как у типичных водных головастиков.

Ряд эволюционных модификаций размножения, подобных описанным здесь на примере видов Leptodactylus, логически завершает прямое развитие с утратой личиночной стадии. Этого достигли представители нескольких семейств бесхвостых амфибий; новозеландская Liopelma (сем. Amphicoelidae), южноафриканская Arthroleptella (сем. Ranidae), африканские Breviceps и Ahydrophrene (сем. Brevicipitidae) и центральноамериканская Eleutherodactylus (сем. Bufonidae). Бесхвостые амфибии, у которых нет свободноживущей личиночной стадии, должны снабдить яйцо достаточным количеством желтка, чтобы обеспечить развитие ювенильной особи. Наиболее важная преадаптация, как считает Лутц (Lutz), состоит, по-видимому, в повышении содержания желтка в яйцах видов, цикл развития которых сходен с таковым некоторых видов Leptodactylus. Повышение содержания желтка, очевидно, служит еще одним примером генетически несложного изменения, создающего возможность для нового эволюционного направления. Интересно напомнить высказанное 50 лет назад предположение Нобля (Noble) о том, что увеличение содержания желтка в яйцах амфибий могло произойти внезапно, поскольку известны виды бесхвостых амфибий, продуцирующие как крупные, так и мелкие яйца.

Прямое развитие возникло в результате элиминации личиночных структур и ускорения развития признаков взрослого организма. В целом процесс этот не соответствует ни одному из классических определений гетерохронии, потому что при прямом развитии в результате коренным образом модифицированного онтогенеза образуется совершенно типичная лягушка. Наилучшее описание прямого развития дал Линн (Lynn) на примере тщательно исследованного им Eleutherodactylus nubicola. На рис. 6-5 развитие этой лягушки сопоставлено с развитием северо-американской Rana pipiens. В отличие от лягушек с хорошо выраженной водной личиночной стадией у Eleutherodactylus не развиваются органы боковой линии, кишечник никогда не бывает свернутым, а у Е. nubicola не развиваются и жабры. У некоторых других видов Eleutherodactylus жабры появляются, например у Е. portoricensis, которого изучал Гитлин (Gitlin). Утрата личиночных структур не была результатом некой глобальной гетерохронии, потому что одна очень существенная личиночная структура - хвост у представителей этого рода сохранилась, хотя и в модифицированном виде. Весьма вероятно, что утрата личиночных признаков отражает подавление индукционных систем, ответственных за появление отдельных личиночных структур. Одновременно происходила акцелерация появления некоторых дефинитивных структур. Наиболее ярко выраженная гетерохрония, проявляющаяся во внешних признаках, затрагивает зависимость между сроками развития конечностей и других структур. Сравнение относительных сроков развития конечностей и хвоста у Eleutherodactylus и Xenopus (рис. 6-6), у которой происходит типичный метаморфоз, позволяет выявить ряд различий в этих сроках. У Eleutherodactylus почки конечностей появляются очень рано - к концу замыкания нервной трубки. Рост конечностей у Eleutherodactylus начинается до начала дифференцировки главных отделов головного мозга и глаз, а у Xenopus и Rana - после нее. У Xenopus и Rana почки конечностей появляются только после начала быстрого роста хвоста, тогда как у Eleutherodactylus рост конечностей начинается до появления хвоста. Рост конечностей и хвоста протекает у Eleutherodactylus более или менее параллельно, а у Xenopus хвост растет быстрее, чем конечности, в росте которых происходит скачок лишь во время метаморфоза. У обоих видов конечности достигают полной длины, свойственной ювенильной стадии, после начала резорбции хвоста.

Рис. 6-5. Сопоставление развития, сопровождающегося метаморфозом, и прямого развития у лягушек Rana pipiens (А-Г) и Eleutherodactylus nubicola. А. Дробление яйца R. pipiens. Б. Нейрула. В. Головастик с жабрами и хвостом. Г. Взрослая особь. Д. Дробление яйца Е. nubicola. E. Нейрула с преждевременными почками конечностей и хвостовой почкой. Ж. Готовый вылупиться лягушонок, у которого хвост модифицирован в орган дыхания. З. Взрослая особь (эмбриональные стадии по Hamburger, 1960, и Lynn, 1942; взрослые особи - с натуры).

Рис. 6-6. Относительные сроки различных событий в процессе развития Xenopus и Eleutherodactylus. А. У Xenopus - лягушки, проходящей в процессе развития через стадию головастика и метаморфоз, - хвост появляется задолго до конечностей. Развитие головного мозга также успевает достаточно продвинуться до того, как начинается рост конечностей. У головастика конечности растут очень медленно. За этой фазой медленного роста конечностей следует взрыв их роста во время метаморфоза, причем хвост в это время быстро рассасывается. Б. У Eleutherodactylus - лягушки с прямым развитием - рост конечностей начинается до появления хвоста и до развития головного мозга. За исключением хвоста, рассасывающегося незадолго до вылупления, все остальные признаки достигают дефинитивного состояния путем прямого развития, и метаморфоза не происходит. I - хвост; II - задние конечности; III - передние конечности; IV - длина тела. (По данным Neiuwkoop, Faber, 1956, и с рисунка и по данным Lynn, 1942.)

Ускорение развития почек конечностей не обязательно отражается на других признаках. Так, например, Линн сравнивал последовательность и сроки окостенения черепа у Eleutherodactylus с таковыми у Rana temporaria, которую изучал Эрдман (Erdmann). Развитие черепа у Eleutherodactylus отличается от его развития у Rana одним очень заметным признаком - полным отсутствием у Eleutherodactylus супраростральных и инфраростральных хрящей, которые поддерживают ротовое отверстие головастиков Rana, самостоятельно питающихся до метаморфоза. У Rana до начала метаморфоза окостеневают только пять хрящей; во время метаморфоза окостеневают другие хрящи; несколько последних хрящей окостеневают после окончания метаморфоза. Порядок окостенения у Eleutherodactylus позволяет выявить несколько гетерохронических изменений по сравнению с Rana. В период примерно между 16-м и 19-м днями развития окостеневают первые хрящи. Появление угловой и чешуйчатой костей ускоренное по сравнению с их появлением у Rana. Вслед за этим происходит еще ряд окостенений, так что за четыре дня до вылупления окостенение черепа у Eleutherodactylus находится примерно на том же уровне, что у Rana при метаморфозе. Однако появление некоторых костей запаздывает. Septomaxillare, переднеушная и подбородочная кости, появляющиеся у Rana при метаморфозе, а также кости, появляющиеся у Rana вскоре после метаморфоза, у Eleutherodactylus спустя 10 дней после вылупления еще отсутствуют.

Если считать рост конечностей и резорбцию хвоста морфологическими показателями метаморфоза у Xenopus и Rana, то следует считать, что зародыш Eleutherodactylus достигает стадии, соответствующей метаморфозу, за несколько дней до вылупления. Однако к этому времени он отстает от метаморфизирующих личинок Rana не только по степени окостенения черепа, но и по развитию некоторых других элементов скелета. Например, Линн указывает, что, если у Rana во время метаморфоза седалищная кость, грудина и надгрудинник уже имеются, у Eleutherodactylus к моменту вылупления окостенение соответствующих хрящей не начиналось. Наиболее резко выраженное ускорение наблюдается у Eleutherodactylus в развитии дуг аорты. У зародышей позвоночных образуется шесть пар артериальных дуг, или дуг аорты, в соответствии с шестью парами глоточных, или жаберных, мешков. У челюстноротых рыб и высших позвоночных первая пара дуг во взрослом состоянии никогда не сохраняется полностью; у некоторых рыб сохраняется вторая пара, а у большинства - дуги III-VI. У четвероногих дуги I и II исчезают во время развития, так же как и дуга V, сохраняющаяся только у хвостатых амфибий. Дуги III, IV и VI образуют соответственно каротидную дугу, системную дугу и легочную артерию. Судьба артериальных дуг у бесхвостых амфибий показана на рис. 6-7, А-В, взятом из работы Милларда (Millard) no Xenopus laevis. У этого вида первая артериальная дуга появляется на ранней стадии личиночного развития, а вскоре после нее одна за другой появляются третья и четвертая дуги. Вторая артериальная дуга появляется лишь в виде зачатка. Первая и вторая дуги начинают дегенерировать еще до появления шестой дуги. Дуги III-VI снабжают кровью жабры. На более поздних стадиях развития исчезает пятая дуга, так что у взрослого животного сохраняются только дуги III, IV и VI.

На рис. 6-7 сопоставляется развитие артериальных дуг у Eleutherodactylus и Xenopus. Как и у Xenopus, артериальные дуги появляются у Eleutherodactylus на относительно ранних стадиях развития, но происходит это совершенно иначе. Первая и вторая дуги не появляются вовсе. Третья дуга появляется первой, за ней следует четвертая, а затем шестая. Таким образом, у этой лягушки ускоренным способом непосредственно образуется кровеносная система взрослого организма на ранних стадиях развития зародыша, у которого никогда не развиваются жабры и которому поэтому не нужна кровеносная система, связанная с жабрами. Особенно интересно, что дуги I, II и V не появляются у Eleutherodactylus даже в качестве временных структур. Для всех высших позвоночных - рептилий, птиц и млекопитающих - характерно прямое развитие и отсутствие жабер, тем не менее у зародышей рептилий и птиц появляются все шесть артериальных дуг, а у зародышей млекопитающих - все дуги, кроме пятой. Как и у Xenopus, у высших позвоночных во взрослом состоянии сохраняются только дуги III, IV и VI. Временное появление артериальных дуг у рептилий, птиц и млекопитающих позволяет предполагать, что они выполняют какую-то функцию в развитии, возможно, в качестве элементов каскадных индукционных взаимодействий, необходимых для появления каких-то других структур. У Eleutherodactylus эта функция, по-видимому, отпала.

Рис. 6-7. Развитие артериальных дуг у Xenopus и у Eleutherodactylus. У Xenopus (А-В) появляются все 6 пар артериальных дуг, хотя дуги I и II сохраняются у нее очень недолго. Петли в дугах у Xenopus схематически изображают кровеносную систему жабр. Дефинитивная форма сердца и артериальных дуг после метаморфоза у Xenopus сходна с изображенными на схеме Ж. У зародышей Eleutherodactylus (Г-Ж) дуги I и II не появляются вовсе. Дефинитивное состояние достигается сразу в результате развития дуг III, IV и VI. Жабры совершенно не образуются (Millard, 1945; Linn, 1942).

Прямое развитие, наблюдаемое у Eleutherodactylus, иллюстрирует эволюционный переход к наземному образу жизни, независимый от того пути, по которому следовали в палеозое предки амниот. Однако представляется вероятным, что переход от размножения с прохождением через личиночную стадию, обитающую в воде, к размножению на суше у предков рептилий мог происходить таким же образом - путем ускорения развития важнейших признаков взрослой стадии. Гетерохрония при этом привела не к иной дефинитивной морфологии, а к иному типу онтогенеза, который в сочетании с эволюцией яйца амниот сделал возможной всю последующую эволюцию наземных позвоночных.

 

Механизмы гетерохронии у амфибий

Гетерохронические изменения в развитии амфибий особенно хорошо поддаются экспериментальному исследованию, потому что такие изменения встречаются часто и их легко охарактеризовать по отношению к нормальным процессам метаморфоза у родственных форм. Кроме того, метаморфоз амфибий, несмотря на всю свою сложность, регулируется относительно простой последовательностью гормональных процессов. В 1912 г. Гудернач (Gudernatsch) показал, что главная роль в регуляции метаморфоза у амфибий принадлежит гормонам щитовидной железы. Регуляция функции самих этих гормонов у амфибий, по-видимому, сходна с ее регуляцией у млекопитающих, о чем писали в своем недавнем обзоре Додд и Додд (Dodd, Dodd). Гипоталамус млекопитающих вырабатывает тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ), который переносится к гипофизу, где он вызывает секрецию тиреотропного гормона (ТТГ), стимулирующего активность щитовидной железы. В свою очередь тиреотропин действует на щитовидную железу, стимулируя выделение в кровь тироксина. У амфибий тироксин оказывает далекоидущие воздействия на многочисленные ткани-мишени и индуцирует разного рода морфологические и биохимические изменения, в том числе резорбцию хвоста и жабер, изменения в структуре покровов, в системах пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения, размножения и в нервной системе. У амфибий, так же как и у млекопитающих, гипоталамус регулирует активность гипофиза, а следовательно, и щитовидной железы. Сами гормоны, выделяемые этими железами, могут несколько различаться в некоторых отношениях, поскольку, хотя амфибии реагируют на ТТГ и тироксин, однако, как показали Таурог (Taurog) и его сотрудники, ТРГ млекопитающих не оказывает действия на амфибий.

Наиболее последовательную гипотезу гормональной регуляции метаморфоза у амфибий выдвинул Эткин (Etkin). В отношении гормональной активности личиночное развитие можно разделить на три периода: ранний период личиночного развития - преметаморфоз - ТТГ и тироксин находятся на низком уровне; следующий период - прометаморфоз - быстрое повышение уровней ТТГ и тироксина; и наконец, после кратковременного климакса, соответствующего метаморфозу, быстрое снижение уровней гормонов. В основе этой гипотезы лежит допущение, что в период преметаморфоза щитовидная железа личинки секретирует небольшое количество тироксина, которое по принципу обратной связи подавляет вырабатывание ТТГ гипофизом. Гипофиз секретирует также большие количества другого гормона - пролактина, который действует и как гормон роста, и как ингибитор, подавляющий реакцию тканей-мишеней на тироксин. Сначала вплоть до позднего преметаморфоза гипоталамус, по-видимому, не оказывает никакого регулирующего действия на гипофиз. Однако к концу преметаморфоза гипоталамус начинает реагировать на низкий уровень тироксина, активизируется и, следовательно, начинает стимулировать гипофиз к секреции больших количеств ТТГ. Уровень тироксина повышается, и наступает метаморфоз.

Принимая во внимание гормональную основу метаморфоза, вряд ли можно удивляться тому, что изучение причин неотении у хвостатых амфибий было сосредоточено главным образом на исследовании функции щитовидной железы. Дент (Dent) разбил неотенических хвостатых амфибий на три группы. Эти группы не совпадают с таксономическим разделением, потому что неотенические формы возникли в нескольких семействах хвостатых амфибий. К первой группе относятся формы, перманентно пребывающие в личиночном состоянии: у них нельзя вызвать метаморфоз даже путем введения им тироксина. Их ткани, по-видимому, неспособны реагировать на тироксин. В 1931 г. Нобль (Noble) рассмотрел ряд морфологических признаков, таких как развитие конечностей и верхнечелюстных костей, утрата жабер и редукция жаберных дуг, и обнаружил, что между этими перманентно неотеническими формами существуют различия в отношении стадий нормального метаморфоза, которым они соответствуют. Так Siren (название которого создает совершенно неверное представление о его внешнем облике) походит на раннюю личиночную стадию, Proteus - на более позднюю стадию преметаморфоза, Cryptobranchus - на личинку в начале метаморфоза, a Andrias (Megalobatrachus) сходен по своему строению с особью, почти завершившей метаморфоз.

Вторая группа педоморфных видов состоит из форм, устойчиво неотенических в естественных условиях, но которых можно заставить метаморфизировать в лаборатории. К этой группе относится аксолотль. Исследования, проведенные на аксолотле и на сходных с ним неотенических формах, показали, что их ткани нормально реагируют на тироксин, а щитовидная железа и гипофиз способны функционировать у них так же, как у ненеотенических форм. Неотения представляет собой, по-видимому, результат нарушения механизмов выделения гипоталамусом рилизинг-факторов. Эту мысль подтверждают данные Норриса и Герна (Norris, Gern) о возможности индуцировать метаморфоз у неотенических Ambystoma tigrinum, вводя им в гипоталамус небольшие количества тироксина и активизируя тем самым ось гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа, что приводит к повышению секреции тироксина. Этот довольно простой эндокринный механизм согласуется с генетическими данными Хамфри (Hamphrey), которые обсуждает Томпкинс (Tompkins), о том, что неотения у видов Ambystoma контролируется двумя аллелями одного гена.

Наконец, к третьей группе относятся виды хвостатых амфибий, которые обычно проделывают метаморфоз, но при некоторых условиях среды оказываются неотеническими в природе. Например, хвостатые амфибии, которые метаморфизируют в теплых водоемах, могут стать неотеническими в холодных водоемах, таких как горные озера. Как указывает Дженкин (Jenkin), это может быть вызвано задержкой развития оси гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа под действием холода или же, как предполагает Дент, тем, что ткани этих амфибий, возможно, не реагируют на тироксин при низких температурах. Возможно, что в этих случаях участвуют также генетические факторы, потому что в горной местности с ее низкими температурами неотеническое состояние явно дает хвостатым амфибиям селективное преимущество.

Становится очевидным, что гетерохрония у амфибий более разнообразна, чем неотения с ее очень простой эндокринной основой. Например, роль тироксина в прямом развитии саламандры Plethodon и лягушки Eleutherodactylus изучали Линн, а также Линн и Пидон (Peadon), подавлявшие действие тироксина у этих амфибий при помощи тиомочевины. Plethodon завершал развитие, хотя жабры у него не рассасывались. Зародыши Eleutherodactylus, обработанные тиомочевиной, также развивались почти нормальным образом, если не считать того, что у них не происходило дегенерации пронефроса, резорбции хвоста и утраты яйцевого зуба. Противоположное воздействие - введение зародышам Eleutherodactylus тироксина - приводило к преждевременной резорбции пронефроса и хвоста, практически не вызывая других изменений. Таким образом, у видов с прямым развитием тироксин все еще контролирует сохранившиеся у них метаморфизирующие признаки, почти не влияя на последовательность большинства событий, из которых слагается прямое развитие.

Потенциальные возможности эволюционных изменений в процессах, контролируемых гормонами и приводящих к гетерохрониям, не ограничиваются теми из этих процессов, которые связаны с тироксином; однако на примере системы тироксина можно хорошо показать все эти возможности. Так, изменяя время активизации гипоталамуса тироксином, можно регулировать размеры тела при наступлении метаморфоза, а также продолжительность времени, в течение которого происходит развитие анатомических признаков в период преметаморфоза. Гетерохронические эффекты могут возникать также в результате изменения относительной чувствительности отдельных тканей к гормонам. В сущности, изменение реактивности тканей, не сопровождающееся существенными изменениями в системе гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа, по-видимому, представляет собой обычный способ. Возможно, что при этом происходит изменение чувствительности отдельных тканей к активности пролактина как гормона роста, а тем самым и к изменению относительных скоростей роста. Возможно также изменение чувствительности тканей к антагонистическим эффектам пролактина и тироксина. Наконец, может изменяться и относительная чувствительность различных тканей к самому тироксину. Например, потребность в более высоких уровнях тироксина может вызвать задержку какого-либо зависящего от тироксина события или даже вовсе исключить его из всей последовательности процессов развития. Действие тироксина на клеточном уровне является сложным, а поэтому вполне возможно, что изменения чувствительности к тироксину связаны с разобщением разного рода тонких процессов, происходящих в клетках. Бакстер и др. (Baxter et al.) рассмотрели действие тироксина на культуру клеток гипофиза. Эти клетки синтезируют пролактин и гормон роста, и тироксин вызывает у них изменения клеточной поверхности и индуцирует синтез гиалуронидазы и гормона роста. Гиалуронидаза синтезируется в клетках хвоста головастика под действием тироксина и участвует в разрушении гиалуроновой кислоты при резорбции хвоста. Параллель с клетками, выращиваемыми в культуре, поразительна.

В процессе развития разные ткани приобретают клеточные рецепторы для тироксина и чувствительность к его действию в разные сроки и реагируют на этот гормон биохимически различными способами. Так, в ответ на введение тироксина ткани хвоста дегенерируют (см., например, работы Beckingham-Smith и Tata), а другие ткани изменяют свои функции. Например, кожа превращается из характерной для личинки в характерную для взрослой особи. Частично это превращение состоит в замене личиночных кератинов кератинами взрослых особей. Как показал Ривс (Reeves), у Xenopus кожа личинок реагирует на тироксин, синтезируя кератиновую мРНК взрослой особи и образуя - путем трансляции этой мРНК - белок, свойственный взрослой особи. Кожа личинки приобретает способность реагировать таким образом на тироксин за 20-24 дня до того, как в результате нормального повышения уровня тироксина запускается синтез «взрослых» кератинов при метаморфозе.

Разобщенность биохимических и морфогенетических процессов, сопровождающих метаморфоз, совершенно очевидная у некоторых неотенических форм, свидетельствует о том, что педоморфоз не сводится к развитию личинок гигантских размеров; неотенические личинки обладают смесью ювенильных признаков и признаков взрослых особей, что может создавать новые эволюционные возможности. Как показал Дучибелла (Ducibella), у аксолотлей, сохраняющих морфологию, характерную для личинок, происходят такие же изменения в свойствах эритроцитов, в сывороточных белках и гемоглобинах, как и у родственных им неотенических видов во время метаморфоза. У других неотенических форм, таких как Friturus helveticus, обнаружена более сложная биохимическая ситуация: как установили Карделлини (Cardellini) и его сотрудники, они содержат и личиночные гемоглобины, и гемоглобины, типичные для взрослых особей, проделавших метаморфоз. Как предполагает Дучибелла, поскольку неотенические аксолотли продуцируют небольшие количества тироксина, возможно, что порог чувствительности к тироксину у тканей, ответственных за биохимические изменения, гораздо ниже, чем у тканей, создающих анатомические изменения, характеризующие метаморфоз.

 

Морфологическая и молекулярная рекапитуляция. «Треснувшее зеркало»

Джордж Уолд (G. Wald) начинает свое обсуждение молекулярной рекапитуляции со следующего утверждения: «Живые организмы представляют собой сильно увеличенные выражения тех молекул, из которых они слагаются». Такое утверждение - одновременно и трюизм, и преувеличение, но в нем выявлен некий общий принцип, приложимый как к молекулярным системам, так и к зародышам. В системах, в которых происходят сложные взаимодействия, эволюционные изменения сдерживаются необходимостью сохранения функциональной интегрированности. Это проявляется на самых фундаментальных уровнях генной экспрессии: от бактерий до млекопитающих генетический код остается почти неизменным. Лишь обратившись к митохондриям, этим во многом загадочным продуктам эволюции, можно обнаружить хоть какие-то изменения смысла кодонов. Такие сложные надмолекулярные структуры, как рибосомы, также глубоко консервативны, и их строение в своей основе одинаково у про- и эукариот. Аналогичные ограничения эволюционных модификаций процессов развития существуют в ситуациях, связанных с индукционными взаимодействиями между развивающимися структурами внутри зародыша. Если, как это часто случается, индукционные взаимодействия образуют сложный каскад, то он сохраняется на протяжении всей чрезвычайно длительной истории той крупной группы, у которой он имеется. Результатом является морфологическая рекапитуляция.

Если в основе морфологической рекапитуляции лежат конкретные механизмы, то не представляет ли собой последовательность активирующихся генов, участвующих в развитии, аналогичную молекулярную рекапитуляцию? Вопрос этот совершенно закономерен, потому что морфологические преобразования, например метаморфоз, обычно сопровождаются включением и выключением генов, и это может свидетельствовать о наличии связи между морфогенетическим событием и сопутствующими ему биохимическими изменениями. И наоборот, если в какой-либо последовательности процессов развития можно продемонстрировать отсутствие рекапитуляции в последовательности молекулярных процессов, то это могло бы свидетельствовать о разобщенности путей морфологической и молекулярной эволюции. Как и в случаях диссоциаций, рассмотренных в гл. 5, разобщение биохимических событий от консервативной последовательности морфогенетических процессов открывает реальные возможности для эволюционной модификации онтогенеза.

Главная задача при экскреции азотсодержащих конечных продуктов обмена веществ у позвоночных состоит в удалении из организма аммиака - высокотоксичного продукта реакций дезаминирования, осуществляющих начальные этапы катаболизма аминокислот. Водные животные, и в том числе большинство рыб, просто выделяют аммиак через жабры в окружающую воду. Для наземных животных такой способ непригоден, потому что они не переносят высокого содержания аммиака в организме и не могут позволить себе расходовать большие количества воды, которые потребовались бы для выделения разбавленного аммиака непосредственно с мочой. Наземным животным приходится превращать аммиак в менее токсичное соединение, которое может накапливаться в организме в концентрированной форме, а затем выделяться. У кистеперых предков амфибий в процессе эволюции выработался так называемый цикл мочевины, в процессе которого происходило превращение аммиака и двуокиси углерода в относительно нетоксичное соединение - мочевину. Кистеперые, которые, подобно своим ныне живущим родичам - двоякодышащим, дышали при помощи легких, совершили переход к наземной жизни во время длительного периода засухи, охватившей большую территорию. Когда реки и пруды, в которых они обитали, пересохли, кистеперые смогли, неуклюже перемещаясь по суше, отправиться на поиски других водоемов. Последствия такого рода активности для выделения азота можно до сих пор наблюдать у ныне живущих двоякодышащих Protopterus и Lepidosiren, которые при нормальной жизни в водной среде являются аммониотелическими (т.е. выделяют аммиак). Однако в сезон засухи эти рыбы впадают в летнюю спячку, забираясь в трещины, образующиеся в затвердевшем иле при высыхании водоемов. Летняя спячка представляет собой еще одну стратегию, позволяющую пережить период засухи; она отличается от стратегии, к которой прибегали древние кистеперые, но приводит к тому же результату - к невозможности выделения в таких условиях аммиака. Во время летней спячки выделение аммиака у двоякодышащих прекращается и они превращают аммиак в мочевину, которая накапливается в организме, а затем при наступлении сезона дождей выделяется. Коэн и Браун (Cohen, Brown) высказали предположение, что кистеперые были преадаптированы к уреотелии (выделению мочевины) тем, что ферменты, участвующие в цикле мочевины, уже существовали и, возможно, использовались при синтезе аминокислоты аргинина. Уреотелию кистеперых унаследовали амфибии. Ныне живущие амфибии повторяют в своем развитии переход от водного к наземному образу жизни, совершенный их предками. У них наблюдается также интересный, очевидно рекапитуляционный, переход в отношении способа выделения азота. Головастики выделяют его в виде аммиака, но при метаморфозе у них происходит переход к уреотелии. Коэн и Браун изучили ферментную основу этого перехода. Активности отдельных ферментов, участвующих в цикле мочевины, резко повышаются в процессе метаморфоза. Они считают, что в этом случае имеет место рекапитуляция, потому что переход к уреотелии совершается до того, как головастик действительно выходит из воды.

Не все амфибии после метаморфоза переходят к наземному образу жизни. Как указывают Андерхей и Болдуин (Underhay, Baldwin), для Xenopus laevis, постоянно живущей в воде, на стадии головастика характерна аммониотелия, но во время метаморфоза начинается переход к уреотелии. Однако по завершении метаморфоза лягушка вновь становится аммониотелической, хотя ферменты, участвующие в цикле мочевины, у нее имеются и функционируют. Является ли этот переход к уреотелии рекапитуляцией или адаптацией? Возможно, и тем и другим. Xenopus, как правило, обитает в воде и вполне может обходиться без выделения мочевины. Но во время засушливого сезона эта лягушка может впадать в спячку, что было бы невозможно, если бы она не обладала способностью переходить от аммониотелии к уреотелии, подобно тому как это делают двоякодышащие рыбы. Сохранение аммониотелии у взрослых особей Xenopus типично для других водных амфибий, в том числе для педоморфных хвостатых амфибий, которые фактически никогда не претерпевают метаморфоза. Концепция рекапитуляции снова привлекла к себе внимание в связи с обнаружением любопытного вторичного метаморфоза у американского тритона Notophthalmus (Triturus) viridescens. Этот тритон начинает личиночную жизнь как неприметное оливково-зеленое водное животное, снабженное жабрами. Как и следует ожидать, он выделяет аммиак. Спустя несколько месяцев этот тритон метаморфизирует в полностью наземную уреотелическую форму с ярко-красной окраской и легочным дыханием. Через два-три года достигший дефинитивных размеров тритон претерпевает вторичный метаморфоз, возвращаясь к водному образу жизни в качестве половозрелой формы. В результате этого вторичного метаморфоза тритон вновь приобретает некоторые личиночные признаки - зеленую окраску, плавниковую складку на хвосте и функционирующие органы боковой линии. Жабры не восстанавливаются. При вторичном метаморфозе происходят также биохимические изменения. Например, в главном зрительном пигменте происходит переход от витамина A1 к витамину А2. Уолд показал, что наличие витамина A1 типично для наземных позвоночных, а витамина А2 - для пресноводных форм. Так, тритон в личиночном состоянии использует витамин А2, при первом метаморфозе переключается на витамин A1, а затем при вторичном метаморфозе вновь возвращается к витамину А2. Подобным же образом Наш и Фанкхаузер (Nash, Fankhauser) обнаружили, что в то время как половозрелый тритон остается главным образом уреотелическим, после второго метаморфоза 25% азота выделяется у него в виде аммиака.

Как показано на рис. 6-8, цикл мочевины сохранился у млекопитающих, но у большинства рептилий и у всех птиц он утрачен. Один из наиболее часто приводимых примеров возможной молекулярной рекапитуляции связан с наблюдениями, которые первоначально сделал Нидхем (Needham), изучая выделение азота у куриных зародышей. Однако в этом случае изменения в развитии, которые на первый взгляд кажутся рекапитуляционными, на самом деле при более подробном изучении происходящих при этом молекулярных событий оказываются иными. По данным Нидхема, куриный зародыш в первые несколько дней развития выделяет аммиак, затем мочевину и наконец мочевую кислоту. Мочевая кислота представляет собой пурин, и ее образование никак не связано с циклом мочевины. У взрослых кур цикл мочевины отсутствует и азот выделяется исключительно в виде мочевой кислоты. Все эти изменения путей выделения азота в процессе развития очень сходны с их изменениями в процессе эволюционного развития птиц. Однако подробное изучение последовательности реакций, участвующих в выделении азота, позволяет предполагать лишь самую поверхностную рекапитуляцию. Как показало решающее исследование этой проблемы, проведенное Фишером и Икином (Fischer, Eakin), содержание аммиака в яйце мало изменяется в процессе развития и активного выделения его не происходит. Содержание мочевины действительно повышается, и она экскретируется в аллантоис. Но цикл мочевины отсутствует; мочевина образуется в результате распада аргинина желточного происхождения под действием фермента аргиназы. Активность аргиназы - единственного концевого фермента цикла мочевины - ограничена не только печенью, как это можно было ожидать для уреотелического организма, а, по-видимому, присутствует во всех тканях организма.

Рис. 6-8. Цикл мочевины и филогения позвоночных. Группы со значком «плюс» обладают функционирующим циклом мочевины; у групп со значком «минус» такой цикл отсутствует. Эти же значки в скобках означают постулированные наличие или отсутствие цикла мочевины. «Делеция» указывает на утрату одного или нескольких ферментов цикла мочевины (Brown, Cohen, 1960).

Аналогичный комплекс изменений метаболизма азота потенциально рекапитуляционного характера происходит в процессе развития змей. Взрослые змеи - урикотелические организмы, и у них нет цикла мочевины, хотя в их организме имеется аргиназа. Однако у зародышей змей выделение азота происходит совершенно иначе, чем у взрослых особей. Как установили Кларк (Clark) и его сотрудники, зародыши и черного полоза (Coluber constrictor), развивающиеся в типичном для рептилий яйце, и обыкновенной подвязочной змеи (Thamnophis sirtalis), развивающиеся в теле матери, прикрепившись к плаценте, выделяют большие количества мочевины. К сожалению, остается неизвестным, действительно ли у этих зародышей имеется цикл мочевины или же мочевина образуется у них, как у куриных зародышей, под действием одной лишь аргиназы.

Если в развитии путей выделения азота у куриного зародыша рекапитуляция отсутствует, то в морфологическом развитии самой почки у него наблюдается явно выраженная рекапитуляция. У позвоночных существуют три главных типа почек: пронефрос, мезонефрос и метанефрос. Почка позвоночных образуется из мезодермы, расположенной на каждой стороне тела. Передняя часть нефрогенной ткани дифференцируется в несколько канальцев, расположенных посегментно; от каждого канальца отходит трубочка; все вместе они образуют проток пронефроса, открывающийся на поверхности задней части тела животного. Пронефрос, или предпочка, функционирует у личинок рыб и амфибий и связан с выделением аммиака. В процессе развития у некоторых видов рыб пронефрос дополняется, а у всех остальных позвоночных замещается сдвинутым дальше от переднего конца тела мезонефросом, или первичной почкой. По мере дегенерации канальцев пронефроса проток пронефроса переходит в проток мезонефроса, или вольфов проток. Мезонефрос служит дефинитивной почкой у рыб и амфибий, у которых через нее выделяется аммиак или мочевина. У рептилий, птиц и млекопитающих развитие почки протекает сложнее. Сначала образуются нефункционирующие канальцы пронефроса, которые замещаются функциональным мезонефросом. Мезонефрос в свою очередь замещается развивающимся позднее метанефросом, или вторичной почкой, которая становится дефинитивной почкой взрослого организма. У млекопитающих метанефрос выделяет мочевину, а у рептилий и птиц - мочевую кислоту.

В процессе развития курицы эти три почки последовательно сменяют друг друга. Пронефрос появляется на второй день развития, и его канальцы никогда не становятся функциональными. Однако проток пронефроса, из которого образуется вольфов проток, имеет важное значение для дальнейшей дифференцировки почки. Как показано на рис. 6-9, вольфов проток индуцирует развитие части репродуктивной системы, мюллерова канала, а также канальцев мезо- и метанефроса. Мезонефрос начинает функционировать примерно на 4-й день развития куриного зародыша, а к 14-му дню достигает максимальной активности. Затем он дегенерирует. Его функции принимает на себя метанефрос, который начинает функционировать на 11-й день. Если молекулярная рекапитуляция протекала бы в этой системе в соответствии с морфологической рекапитуляцией, то мезонефрос должен был выделять мочевину, а не мочевую кислоту.

Рис. 6-9. Схема развития куриной почки. Нефункционирующие канальцы пронефроса (на схеме не показаны) появляются на второй день развития. Развитие почки продолжается, когда примерно на 4-й день появляется функционирующий мезонефрос, а примерно на 11-й день-постоянная почка (метанефрос). Вольфов проток возникает как проток пронефроса. Он необходим для индукции развития почечных канальцев и роста мюллерова канала. Как схематически показано на правой стороне рисунка, если разрушить вольфов проток, то образования этих других структур не происходит (Gruenwald, 1952).

Второй возможный тип молекулярной рекапитуляции Цуккеркандль (Zucherkandl) сформулировал следующим образом: «Не являются ли полипептидные цепи, функционирующие в зародыше, эволюционно более древними, чем полипептидные цепи взрослого организма?» Имеются данные, позволяющие проверить, существует ли рекапитуляция такого типа. Цуккеркандль создал очень простой тест для проверки этого явления. Основываясь на гемоглобинах, для которых последовательность аминокислот установить легко, Цуккеркандль предположил, что достаточно лишь сравнить последовательности гемоглобина плода и гемоглобина взрослого типа с общей для них предковой последовательностью. Если глобин плода рекапитулируется, то он должен дивергировать от предковой последовательности меньше, чем соответствующий глобин взрослого типа. Поскольку у β-глобинов (включая фетальную γ-цепь) и α-глобинов человека имеется общая предковая последовательность, можно проводить прямые сравнения последовательностей β- и α-глобинов и γ- и α-глобинов человека (рис. 6-10). Оба отличаются от α-последовательности примерно по 55 замещениям. Таким образом, между скоростями эволюции β-и γ-цепей нет разницы. У коровы обнаружена такая же степень сходства между «γ»- и β-цепями и α-глобином, причем «γ»-цепь коровы даже ближе к β-цепи, чем к γ-цепи человека.

Рис. 6-10. Эволюционное древо генов человека, определяющих β-подобные глобины. Дивергенция между генами α- и β-глобинов произошла примерно 500·106 лет назад. Эфстратиадис и др. предполагают, что дивергенция гена β-глобина взрослого типа от предкового гена эмбрионального глобина произошла в ранний период эволюции млекопитающих от звероподобных рептилий, а дивергенция гена эмбрионального ε-глобина от генов эмбриональной цепи - в начале радиации плацентарных млекопитающих (Efstratiadis et al., 1980).

Цуккеркандль не только не подтвердил наличия рекапитуляции в последовательности γ-цепи фетального гемоглобина, но и упорно настаивает, что γ-цепь гемоглобина человека возникла сравнительно недавно. Он приводит следующие доводы: судя по скорости замены аминокислот, типичной для глобинов, и по различиям в последовательностях γ- и β-цепей, общий предок γ- и β-цепей человека не может быть старше примерно 200 млн. лет, или, грубо говоря, относится к концу триаса. Примитивные млекопитающие того времени происходят от рептилий, происхождение которых можно проследить еще на 100 млн. лет назад, а затем еще на 150 млн. лет назад, до древней формы, послужившей предком всех позвоночных. Эмбриональные гемоглобины имеются у рептилий, амфибий и рыб, и вполне вероятно, что они имелись и у их предков. У форм, составлявших эволюционную линию, ведущую к человеку, эмбриональные гемоглобины имелись задолго до возникновения нынешней γ-цепи. Таким образом, фетальные «не-α-цепи», по-видимому, возникли в результате независимых генных дупликаций и сменяли одна другую в процессе эволюции гемоглобина.