Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Считалось очевидным, что перья появились, чтобы птицы могли летать, а легкие – чтобы животные могли дышать на суше. Эти представления были логичными, очевидными – и ложными. Более того, мы знали об этом уже на протяжении столетия.

Не так уж тщательно скрываемый секрет заключается в том, что биологические инновации никогда не возникают во время кардинальных изменений, с которыми их связывают. Перья появились не во время эволюции полета, а легкие и конечности – не во время перехода к сухопутному образу жизни. Более того, эти и другие великие революции в истории жизни не могли произойти по-другому. Великие перемены в истории жизни не ждали одновременного появления множества новшеств. Такие значительные изменения происходят за счет переназначения уже имеющихся структур для новых целей. Ничто не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно начинается.

Это история о революциях, произведенных эволюцией. Изменения в истории жизни происходят по замысловатому пути с множеством поворотов, тупиков и изобретений, которые не использовались только по той причине, что возникли не вовремя. Два слова Дарвина о том, что многие изобретения появляются в результате смены функции уже существующих признаков, указали нам путь к пониманию происхождения органов, белков и даже ДНК.

Но тела рыб, динозавров и людей не возникают полностью оформившимися в момент зачатия. Они выстраиваются заново в каждом поколении по инструкции, полученной потомством от родителей. Изобретения зарождаются где-то в этих инструкциях и (как предвидел Дарвин) появляются в одних условиях, но, как мы увидим далее, могут менять назначение в других.

Глава 2

Эмбриональные идеи

Создатель современной классификации живых существ Карл Линней (1707-1778) изучил сотни растений и животных. Его научная классификация строга и несентиментальна – с одним исключением. Из тысяч изученных им животных по отношению к одному он выразил презрение и насмешку. Дети знают, что саламандры и тритоны – милые большеглазые существа с крупными головами, четырьмя ногами и длинными хвостами. Но Линней по какой-то непонятной причине называл их “грязными и противными” и считал удачей, что “создатель не тратил сил, чтобы произвести их в большом количестве”.

Хотя Линней считал саламандр худшим произведением Творца, другие объявляли их стихийными и почти магическими существами. Некоторые философы от Плиния Старшего до святого Августина полагали, что тритоны и саламандры рождаются в лаве, в аду или в огне. Для Августина саламандры были живым доказательством реальности адского огня. Его идея основывалась на убеждении, что саламандры не горят в огне или способны возрождаться из огня. Возможно, эти невероятные способности отражали некие биологические особенности животного. Как известно любителям животных и владельцам террариумов, некоторые виды саламандр любят поселяться в гниющей влажной части бревен. Возможно, во времена Августина люди, которые собирали бревна, этого не замечали. Поджигая населенные саламандрами куски дерева, они оказывались свидетелями неожиданного появления извивающихся существ, что, вне всяких сомнений, и породило страшные сказки о дьявольщине.

Хотя в мире насчитывается сравнительно немного видов саламандр, вероятно, около пяти сотен, по последним данным, их связь с человеком выходит далеко за пределы интуитивного неприятия, мыслей о преисподней или о зарождении жизни в огне. Эти существа стали катализатором нового подхода к пониманию главных превращений в истории жизни.

В XIX веке многочисленные зоологические экспедиции отправлялись на разные континенты, в горы и в джунгли. Были описаны тысячи новых минералов, видов живых существ и артефактов. На исследовательских судах часто были натуралисты, задача которых заключалась в сборе и описании видов живых существ, камней и ландшафтов тех мест, куда прибывал корабль. Люди, которые анализировали образцы, прибывавшие в порты и на вокзалы Лондона, Парижа и Берлина, и писали о них статьи, пользовались большим уважением.

Если бы существовал почетный титул зоолога, его, безусловно, заслуживал бы профессор из Музея естественной истории в Париже Огюст Дюмериль (1812-1870). Как и его отец Андре Дюмериль, тоже долгое время служивший профессором в этом музее, Огюст всю жизнь страстно интересовался рептилиями и насекомыми. Отец и сын проводили совместные исследования и также совместными усилиями организовали в музее зверинец, где могли наблюдать за живыми животными, а не только изучать образцы. Дюмериль-старший опубликовал классификацию царства животных, используя анатомические описания, сделанные сыном. После смерти отца в 1860 году Огюст стал ревностно разыскивать новые виды.

В январе 1864 года группа исследователей, изучавших озеро в окрестностях Мехико, прислала ему шесть саламандр. Это были крупные взрослые особи, которые, в отличие от всех известных на тот момент саламандр, имели перистые жабры, отходившие от основания черепа подобно перьям. У них были даже спинные гребни, доходившие до хвоста, напоминавшего плавник. Вывод был очевиден: жабры и форма тела указывали на то, что эти взрослые саламандры жили в воде.

Исследователи этого не знали, но саламандры долгое время были частью культуры ацтеков. Возможно, для науки они были новинкой, но в Мексике это был известный деликатес, который часто готовили для праздничных торжеств и особых ритуалов.

Под влиянием недавно обнародованной теории Дарвина Дюмериль решил, что эти земноводные могут пролить свет на превращение рыб в наземных животных. Он поместил саламандр в построенный им с отцом зверинец. К счастью, там были и самцы, и самки, и примерно через год они спарились и отложили яйца. В 1865 году из яиц вылупились совершенно здоровые маленькие саламандры. За этими животными легко ухаживать, и при правильном содержании они долгое время могут обходиться без большого количества пищи. С подопечными все было в порядке, и Дюмериль предоставил их самим себе.

Две саламандры Дюмериля

Через какое-то время он все же к ним заглянул. Должно быть, в первое мгновение он подумал, что кто-то сюда заходил, поскольку теперь в клетке было два вида саламандр. Во-первых, родители – крупные водные существа с жабрами. Но, кроме них, здесь находились и другие животные. Они тоже были крупными, но выглядели как сухопутные: без жабр, без рыбьего хвоста – ничего, что могло бы напоминать об их способности жить в воде. Внимательно исследуя их анатомическое строение и сравнивая с уже описанными в научной литературе видами, Дюмериль понял, что этим существам несколько лет назад уже было присвоено имя. У них были точно такие же признаки, как у представителей рода Ambystoma — хорошо известных полностью сухопутных саламандр.

Животные настолько не походили друг на друга, что по системе Линнея их следовало отнести к разным родам, а не только к разным видам. Как будто Дюмериль посадил в клетку шимпанзе, а вернувшись через год, обнаружил мирно соседствовавших в клетке шимпанзе и горилл.

Появилась ли новая форма жизни из воздуха? Произошло ли в клетке Дюмериля в Париже крупное эволюционное превращение? Какую магию явили саламандры в этот раз?

Истории об эмбриональном развитии

На протяжении многих столетий, глядя на эмбрионы, люди на интуитивном уровне понимали, что процесс превращения яйцеклетки во взрослую особь содержит ключ к разгадке законов, определяющих различия между видами животных. На самом деле к тому времени, когда Дюмериль ломал голову над историей со своими саламандрами, развитие эмбриона – не важно, рыбы, лягушки или курицы – воспринималось как призма, через которую следовало рассматривать разнообразие живых существ на Земле.

Еще с тех пор, как Аристотель разглядывал содержимое куриного яйца, куриные эмбрионы были объектом восхищения. Куры зарождаются в собственном контейнере, который можно открыть, как окно. Вы можете пробить дырочку в скорлупе, просунуть внутрь источник света и посмотреть в микроскоп, чтобы увидеть эмбрион. Эмбрион начинает свое существование как небольшой сгусток белых клеток на поверхности желтка. Со временем он растет, и постепенно проявляются узнаваемые элементы: голова, хвост, спина, конечности. Этот процесс протекает как хорошо отрепетированный танец. Все начинается с того, что оплодотворенная яйцеклетка делится: одна клетка превращается в две, две превращаются в четыре, четыре в восемь и т. д. По мере увеличения их числа эмбрион превращается в шарик из клеток. Через несколько дней из полого шарика он превращается в клеточный диск, окруженный структурами, которые должны его защищать, обеспечивать питание и поддерживать правильные условия для его развития. Из простого диска клеток возникает целое существо. Ничего удивительного, что эмбриональное развитие всегда было источником гипотез и объектом научных исследований.

Шарль Бонне (1720-1793) полагал, что эмбрион, по сути, представляет собой маленькое, но полностью оформленное существо. И время пребывания в матке затрачивается на то, чтобы увеличить уже существующие органы. Эти маленькие “гомункулусы”, как их назвали, были основой его теории эволюции. Женские особи носят в себе все будущие поколения своего потомства. Гомункулусы могут переживать катастрофы, и из предшествующих поколений женских особей со временем de novo образуются новые формы жизни. На конечном этапе когда-то в будущем из гомункулусов в человеческой матке должны выйти ангелы.

В следующем столетии в лабораториях появлялись разные типы эмбрионов, а для их изучения применялись новые оптические методы. Когда ученые смогли увидеть настоящие эмбрионы, идея Бонне умерла, но вопрос о том, каким образом возникают столь разные существа, как слоны, птицы и рыбы, оставался открытым.

В 1816 году два студента-медика стали одними из первых ученых, кто глубоко проник в проблему формирования биологического разнообразия на уровне эмбрионов. Карл Эрнст фон Бэр (1792-1876) и Христиан Пандер (1794-1865) росли в высокопоставленных семьях немецко говорящего населения Балтийского региона. В медицинской школе Вюрцбурга они последовали примеру Аристотеля и занялись изучением куриных эмбрионов. Пандер инкубировал тысячи яиц, вскрывал их в разных фазах развития и рассматривал под увеличительным стеклом, чтобы увидеть, как формируются органы. В первые годы исследований у него было очевидное преимущество: он происходил из состоятельной семьи[3] и мог позволить себе построить стеллажи для тысяч яиц, нанять помощника для извлечения эмбрионов и заказать высококачественные гравюры для публикации. Не имея таких средств, как Пандер, фон Бэр оставался на втором плане.

Карл Эрнст фон Бэр

Технологические новшества были на руку Пандеру: он сумел раздобыть лучшие увеличительные стекла для разглядывания тканей и клеток. Имея множество эмбрионов разного возраста и новые линзы, чтобы их рассматривать, он смог разглядеть то, чего до него не видел ни один человек. Эмбрионы на ранних стадиях развития не имели различимых органов, и меньше всего они походили на гомункулусов, о которых говорил Бонне. Ранние эмбрионы не были похожи на взрослых особей, а представляли собой просто клеточные диски на поверхности желтка.

Пандера интересовал не только внешний вид эмбрионов – он хотел знать, что происходит внутри. Сосредоточившись на этом, он отметил, что эмбрион зарождается как простой диск размером с несколько песчинок. Увеличиваясь в ходе развития, он приобретает три слоя ткани, похожие на три листка, расположенные один поверх другого. На этой стадии эмбрион напоминает круглый трехслойный кекс.

Имея в распоряжении тысячи яиц, Пандер проследил, что происходит в каждом из слоев куриного эмбриона, вырастающего из простого трехслойного диска до взрослой курицы с головой, крыльями и ногами. Он видел, как постепенно оформляются органы.

Работая с увеличительными стеклами и подробно зарисовывая все стадии развития, Пандер обнаружил простой общий принцип в основе этого сложного процесса. Строение тела определялось тремя слоями эмбриона. Внутренний слой в конечном итоге давал начало органам пищеварения и связанным с ними железам. Промежуточный слой превращался в кости и мышцы, а внешний становился кожей и органами нервной системы. По мнению Пандера, а также фон Бэра, который наблюдал за его открытиями, эти три слоя были важнейшим организующим принципом формирования тела курицы.

[3] Христиан Пандер происходил из купеческой семьи, а Карл фон Бэр был дворянином.