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

Вы увидите, что четкая решетка, описывавшая детские черепа, расплывается, и эти деформации отражают изменения формы. Этот прием показывает, что рост шимпанзе и человека начинается с примерно одинаковых пропорций, но затем череп шимпанзе сжимается по сравнению с черепом человека, хотя надбровные дуги и нижняя часть лица выдаются на остальном фоне. Череп человека увеличивается в размере, но лицевая часть расширяется незначительно. По мнению Томпсона, различия между человеком и шимпанзе возникают в меньшей степени из-за появления новых органов, а в большей степени из-за изменения пропорций разных частей тела, примерно такого же, как при замедлении или ускорении развития.

Одна клетка руководит всеми

Изменение периодизации – лишь один из способов вызвать эволюционные изменения на уровне эмбрионального развития.

Когда Пандер разглядывал эмбрионы через увеличительное стекло, уже было известно, что развитие разных отделов тела часто строго координировано. Простое изменение в работе единственной клетки или группы клеток может стать причиной изменений многих частей тела взрослого существа. Это видно даже по названиям нарушений развития. Например, синдром рук, ног и гениталий вызван генетической мутацией, влияющей на поведение клеток на ранних стадиях развития. Одно-единственное изменение влияет на размер и форму пальцев рук, конфигурацию стопы и мочеточников, выводящих мочу из почек. Учитывая столь многосторонний эффект небольшого изменения, можно предположить, что какие-то клетки, которые отвечают за построение тела, содержат в себе ключ к разгадке некоторых революционных изменений в истории жизни.

Чтобы понять этот путь эволюционных изменений, нужно вернуться к разговору об асцидиях. Как показал Гарстанг и как подтвердили новые исследования ДНК, один ключевой этап на пути образования позвоночных животных из беспозвоночных – сохранение личиночных признаков асцидии в ходе эволюции предка позвоночных животных. Это похожее на головастика взрослое существо имело такое же базовое строение тела, как позвоночные животные. Но в эволюции позвоночных был еще один важный этап.

Позвоночные животные, такие как люди и рыбы, не похожи на простые личиночные формы асцидий. Поддерживающий тело костный скелет, покрытые жировой миелиновой оболочкой нервы, пигментные клетки кожи, а также нервы, контролирующие мышцы головы – у позвоночных животных есть сотни признаков, которых нет у беспозвоночных. В списке различий между позвоночными и беспозвоночными животными содержатся органы и ткани от головы до хвоста. Совершенно очевидно, что в этом превращении сыграли роль не только изменения периодизации эмбрионального развития.

Талантливый биолог Джулия Барлоу Платт (1857—1935) была воспитана матерью-одиночкой, овдовевшей вскоре после рождения дочери. Окончив за три года обучение в Университете Вермонта, Джулия Платт поступила в Гарвард, где погрузилась в изучение эмбрионов кур, земноводных и акул. Вполне в соответствии со своими талантами и амбициями она поставила перед собой трудную задачу. Очевидно, что голова – самая сложная часть тела. Не считая зубов, человеческий череп содержит почти 30 костей, а в черепе рыб и акул костей еще больше. Анатомическая сложность головы объясняется тем, что эти структуры обеспечиваются всем необходимым спутанным клубком специализированных нервов, артерий и вен, содержащихся в емкости сравнительно небольшого объема. Платт отслеживала происхождение структур взрослых организмов, таких как кости челюстей и скул, от начальных стадий эмбрионального развития. Может быть, изучая развитие черепа, она смогла бы выделить важнейшие сходные признаки в телах взрослых организмов? Знала она об этом или нет, но она занялась одной из самых спорных научных проблем.

Атмосфера в университетской науке того времени не благоприятствовала карьерному росту женщин. Поборовшись в Гарварде, Платт встретила более радушный прием в Европе и поступила в аспирантуру в Германии. Так началась ее кочевая жизнь, перебросившая ее через всю Европу в лабораторию биологии моря в Вудс-Хоуле в Массачусетсе. Здесь Платт познакомилась с директором лаборатории Ч. О. Уитменом и последовала за ним в Университет Чикаго, где позднее возглавила департамент зоологии.

В свободной обстановке лаборатории Уитмена к целеустремленным молодым исследователям относились как к младшим коллегам и позволяли проводить собственные изыскания. В этих условиях Платт расцвела. Используя собранные в Вудс-Хоуле образцы и методы, которым Уитмен обучил ее в Чикаго, она занялась исследованием формирования головы у саламандр, акул и кур. Выбор объектов объяснялся техническими причинами: эти существа имеют крупные эмбрионы, развивающиеся внутри яиц, так что за ними легко наблюдать и с ними легко экспериментировать.

При участии Уитмена Платт разработала трудоемкий, но точный метод отслеживания судьбы клеток в процессе развития. Отправной точкой послужили три эмбриональных листка, открытых Пандером и фон Бэром в 1820-х годах. Ко времени исследований Платт развитие этих листков фактически стало биологической аксиомой: клетки внутреннего листка формируют желудочно-кишечный тракт и связанные с ним пищеварительные структуры, из среднего листка образуются мышцы и скелет, а внешний листок дает начало клеткам кожи и нервной системы. Платт заметила, что клетки внешнего и среднего листков различаются по размеру и по количеству содержащихся в них жировых капель. Используя это различие в качестве маркера, она следила за небольшими группами клеток каждого слоя, чтобы понять, какой частью черепа они станут. Этот подход позволил ей увидеть, какие структуры головы образуются из каждого листка.

В то время общепринятое мнение сводилось к тому, что все кости черепа саламандры происходят из среднего листка. Но жировые гранулы Платт показывали нечто другое. Некоторые кости головы, даже дентин зубов, образовывались из внешнего листка, который, как считалось, давал начало только тканям кожи и нервной системы. Некоторые сочли это открытие ересью. Против Платт ополчились ведущие специалисты. Один известный ученый писал: “Изучение ряда серий и стадий не позволило мне обнаружить ни малейших доказательств в подтверждение заключений мисс Платт”. И это был лишь один голос в хоре критики, которая для молодой женщины-исследователя в XIX веке могла означать конец еще не начавшейся карьеры.

К счастью для Платт, на ее идею обратил внимание авторитетный руководитель Зоологической станции в Неаполе Антон Дорн (1840-1909). Поначалу он скептически отнесся к ее открытию, но тщательность работы Платт убедила его использовать ее маркеры для изучения развития акул. Он писал: “Я полностью согласен с гипотезой, которой мы обязаны мисс Платт… Излишне говорить, что я сам в это поверил и теперь не согласен с любыми критическими статьями и замечаниями, направленными против открытий мисс Платт”.

Во времена Платт в научной среде не было места для женщин, особенно таких, которые выдвигали идеи, противоречившие ортодоксальным представлениям. Не имея возможности найти работу в науке, Платт отправилась в городок Памифик-Гроув в Калифорнии, где организовала собственную небольшую исследовательскую группу. Она продолжала делать открытия и писала президенту недавно организованного Стэнфордского университета Дэвиду Старру Джордану. Отчаявшись найти работу в науке и зная, что сделала важнейшие открытия, она закончила письмо такими словами: “Без работы не стоит жить. Если я не могу получить такую работу, которую хочу, я должна выбрать лучшую из оставшихся”.

Без работы и без возможности найти работу в науке Платт сменила сферу деятельности. Со свойственной ей решимостью и независимостью она направила свои силы на выполнение других задач. Довольно быстро она стала первой женщиной-мэром в Пасифик-Гроув, где занялась организацией заповедной зоны, призванной защитить залив Монтрей от чрезмерного хозяйственного освоения. Жители региона и туристы и сегодня могут ощутить результат деятельности Джулии Барлоу Платт.

Платт умерла в 1935 году и не дождалась обоснования своих идей, подтвердившихся почти через 43 года после публикации ее первой статьи на эту тему. Идя по ее стопам, ученые усовершенствовали методы маркировки клеток в процессе развития. Они добавляли в клетки эмбрионов красители и следили за тем, где они окажутся на более поздних стадиях развития. При другом подходе группы клеток перепелки пересаживали в куриные эмбрионы на разных стадиях развития. Поскольку клетки перепелки легко отличить от клеток цыпленка, можно было понять, какие органы из них образуются. Оба метода подтвердили, что структуры головы, которые изучала Платт, происходили не из среднего листка фон Бэра. Эти клетки начинали развиваться из нервной трубки и перемещались к жабрам, где формировали жаберные кости.

Открытие явления миграции клеток между листками было не просто неожиданным поворотом в изучении организации клеток в трехслойной структуре эмбриона; оно оказало глубокое влияние на наше понимание возникновения новых структур. Эти клетки отрываются от развивающейся нервной трубки и перемещаются через все тело эмбриона. А на новом месте из них начинают формироваться ткани. Они, среди прочего, становятся пигментными клетками, миелиновым защитным слоем нервов, костями головы – всеми теми структурами, которые есть только у позвоночных животных. Ключевое изменение в превращении предкового животного Гарстанга в позвоночное животное, сопровождавшееся образованием новых тканей во всем теле, могло быть связано с происхождением одного-единственного типа клеток – новых производных от внешнего листка фон Бэра и Пандера. Платт даже не подозревала, насколько она была права. Идентифицированные ею клетки были предшественниками всех тканей, отличающих позвоночных животных от беспозвоночных.

Джулия Платт после ухода с поста мэра города Пасифик-Гроув в Калифорнии

Гарстанг показал, что первым этапом на пути образования позвоночных животных было изменение периодизации эмбрионального развития, в результате которого личиночные признаки асцидий сохранились у взрослого потомства. Открытие Платт помогло выявить следующий переход и установить происхождение клеток нового типа. В обоих случаях сложные превращения разных органов и тканей происходят в результате относительно простых сдвигов в процесс развития. Изменение временных рамок одной стадии развития и появление нового типа клеток на другой стадии могут привести к новому плану построения тела.

Конечно же, возникает вопрос, как происходят изменения в развитии. Какие биологические сдвиги приводят к эволюции процесса эмбрионального развития?

Живые организмы не наследуют череп, хребет или клеточные листки от своих предков, они наследуют руководство для их построения. Как семейный рецепт, который передается из поколения в поколение с возможными модификациями, инструкции для построения тела постоянно менялись на протяжении миллионов лет при передаче от предков потомкам. Но, в отличие от кулинарного рецепта, инструкции для построения тела записаны не с помощью слов, а с помощью ДНК. Поэтому, чтобы понять биологический рецепт, нам нужно научиться читать на новом языке и рассмотреть новые примеры из истории жизни.

Глава 3

Дирижеры генома

“Мы открыли секрет жизни!” Рассказывают, что именно этим гордым восклицанием Фрэнсис Крик (1916-2004) в пабе “Орел” в Кембридже оповестил Джеймса Уотсона и весь остальной мир о начале эры ДНК. Через год, в 1953-м, научное объявление об этом открытии было сделано совсем в другом тоне. Статью в знаменитом журнале Nature Уотсон и Крик начали в характерной для британцев чрезвычайно сдержанной манере, которой с тех пор многие подражают. Как они отмечали, их открытие “содержит новые элементы, имеющие значительный биологический интерес”.

Оба объявления ознаменовали открытия, которые следующие поколения восприняли как догму. Дуэт Уотсон – Крик создал модель структуры ДНК, продемонстрировав, что она существует в виде пары нитей, разделение которых позволяет синтезировать белок или новые копии ДНК. Таким образом, молекула ДНК делает две замечательные вещи: она содержит информацию, необходимую для синтеза белков, из которых состоит тело, а также передает эту информацию следующим поколениям.

Основываясь на результатах Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, Уотсон и Крик обнаружили, что каждая нить ДНК состоит из других молекул, как ожерелье состоит из бусин. Эти молекулы, называемые основаниями, бывают четырех видов; их принято обозначать буквами А, Т, G и С. В каждой нити ДНК может содержаться миллиард букв, образующих последовательности типа AATGCCCTC с любым сочетанием четырех букв.

Это довольно уничижительная мысль: многое из того, что мы собой представляем, определяется последовательностью химических молекул. Но если вы думаете о ДНК как о носителе информации, можно сказать, что в каждой клетке нашего тела содержатся миллионы сверхмощных компьютеров. Человеческая ДНК представляет собой цепочку, содержащую примерно 32 миллиарда оснований. Эта цепочка разделена на хромосомы, свернутые и упакованные в ядре каждой клетки. ДНК очень плотно упакована, но если ее развернуть и соединить все фрагменты, каждая нить окажется длиной около шести футов[6]. И каждая из триллионов наших клеток содержит молекулу длиной шесть футов, скрученную так плотно, что она становится в десять раз меньше размера самой маленькой песчинки. Если развернуть ДНК из всех четырех триллионов клеток вашего тела и соединить их в одну нить, эта ДНК дотянется почти до Плутона.

В результате слияния яйцеклетки и сперматозоида в момент зачатия оплодотворенная яйцеклетка получает ДНК от обоих родителей. И так генетическая информация передается из поколения в поколение. Наша ДНК содержит ДНК наших биологических родителей, ДНК наших родителей – ДНК их родителей и т. д., до самого глубокого прошлого. ДНК обеспечивает непрерывную связь во времени между живыми существами. Одна из величайших догадок Дарвина состоит в применимости простого понятия о семейном родстве в более широком историческом масштабе. На молекулярном уровне это означает, что, если мы имеем общих предков с другими видами, следовательно, существовал непрерывный поток их ДНК в нашу ДНК. Как наша ДНК передается от одного поколения следующему, от родителей детям, так же она должна была передаваться от предковых видов потомкам на протяжении всех четырех миллиардов лет истории жизни на Земле. Если это так, ДНК представляет собой библиотеку, хранящуюся в каждой клетке каждого живого существа на планете. В последовательности всех этих А, Т, G и С должны быть записаны миллиарды лет эволюции живой природы. Самое трудное было научиться эти записи читать.

Эмиль Пукеркандль (1922-2013) родился в Вене в атмосфере идей, науки и искусства, поскольку среди его родственников были известные ученые, философы, художники и врачи. Когда в Германии к власти пришли нацисты, семья попыталась найти убежище в Париже и Алжире. Друзья познакомили их с Альбертом Эйнштейном, который использовал свои связи, чтобы юному Эмилю разрешили въехать в США на учебу. Пукеркандль оказался в Университете Иллинойса, в лаборатории, где занимались изучением белков. Он интересовался жизнью океанов и поэтому проводил лето в морских лабораториях США и Франции. Здесь внимание Пукеркандля привлекли крабы и те молекулярные механизмы, которые позволяют им расти и линять, превращаясь из малюсеньких зародышей во взрослых особей.

Пукеркандль занялся биохимией в правильное время. В конце 1950-х годов исследователи из Национальных институтов здравоохранения, а также Фрэнсис Крик, начали разгадывать смысл последовательностей букв А, Т, G и С. Каждая последовательность ДНК содержит инструкции для синтеза другой последовательности молекул. В зависимости от ситуации ДНК может служить матрицей для синтеза белка или копировать саму себя. Для синтеза белка последовательность букв А, Т, G и С транслируется в последовательность, состоящую из молекул другого типа – аминокислот. В свою очередь, разные последовательности аминокислот образуют разные белки. Существует 20 основных видов аминокислот, и любая из них может находиться в любой точке белковой последовательности. Такой способ кодирования позволяет создавать гигантское количество разных белков. Проведем простой расчет: если есть 20 аминокислот, которые могут соединяться в любом сочетании, а последовательность белка состоит примерно из юс аминокислот, получаем, что количество разных белков такой длины равно единице с 130 нулями. Но реальное количество возможных белков еще больше, поскольку мы выбрали для расчета белок сравнительно небольшой длины (100 аминокислот). Самый крупный белок в теле человека, титин, насчитывает 34350 аминокислот.

Постарайтесь запомнить, что ДНК состоит из последовательности оснований, обозначаемых буквами, и эта последовательность кодирует последовательность аминокислот, из которой формируется белок. Поскольку разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот, последовательности ДНК кодируют самые разнообразные белки, что позволяет заново создавать живые организмы в каждом следующем поколении.

[6] То есть около 1,8 м.