Антон Карпов

Британская Империя, Юго-Восточная Англия, графство Кент, Даун,

Grower Str., 14, мистеру Чарльзу Р. Дарвину.

17 мая 2008 года.

Дорогой мистер Дарвин!

С большим восхищением и, не смею скрывать, удовольствием намедни прочитал 6ое издание "Origin of Species". Думаю, что все изменения и Ваши дополнения к оригинальной книге пришлись как нельзя к месту, и столь фундаментальный и охватывающий почти все разделы естественной истории труд я бы непременно порекомендовал иметь в числе наиболее ценных книг в личной библиотеке каждому натуралисту и просто образованному порядочному человеку.

Книгу я сумел достать только неделю назад, потому что в университетской библиотеке на нее был большой спрос, чему, признаться, я не был удивлен. Поэтому за приятные 7 дней, проведенные за ее чтением, я живо заинтересовался довольно многими интереснейшими фактами естествознания, которые Вы приводите в свете построения теории происхождения видов, и Вашими не менее любопытными рассуждениями на этот счет. Более всего меня заинтересовала XIX глава, в которой Вы рассматриваете вопросы о поиске наиболее подходящего принципа для построения Естественной системы, собирающей воедино живые организмы, столь разные по своему характеру, но несомненно единые в своем существовании в природе; о поиске и объяснении аналогичных и гомологичных черт, присущих сотням и тысячам вариантов строения существ, и, наконец, что наиболее заинтересовало меня (возможно, вследствие близости затронутых тем к моей профессиональной деятельности на поприще эмбриологии и биологии процессов развития и роста) – об эмбриологических закономерностях в процессе развития живых организмов и их удивительной преемственности в истории возникновения тех или иных их форм. Поэтому, сэр Чарльз, с вашего позволения в этом письме я приведу свои скромные соображения на счет этих, несомненно, интереснейших вопросов.

Стоит сказать, что и спустя почти 150 лет со времени издания "Происхождения видов" ситуация с осознанием законов эмбрионального развития и их связи с историческим развитием тех или иных организмов, с пониманием механизмов, которые лежат в основе этих законов, да и вообще механизмов онтогенеза остается не столь ясной, как этого хотелось бы желать. Разумеется, за этот промежуток времени была проделана гигантская работа в попытке понять тайны индивидуального и исторического развития организмов – к солидному запасу накопленных ко второй половине 19 века фактов были добавлены не менее потрясающие и одновременно порой загадочные примеры того, как сложно и изящно природа смогла организовать развитие живых существ из мельчайших клеток, лежащих в основе каждой жизни и каждой ее формы. Более того, учеными разных стран и разных поколений были проведены эксперименты на ранее абсолютно недостижимом уровне (в своих рассуждениях я нередко буду ссылаться на эти работы), такие, как технически сложные манипуляции с зародышами, поэтапный анализ развития зачатков тканей и органов и сравнения естественных способов этого развития у животных и растений; в конечном счете – значительные и трудоемкие работы по выработке представлений о работе целых генетических систем и генетических инструментов, которые лежат в основе развития, целиком и полностью ответственны за него и составляют суть индивидуального развития во всем его многообразии.

Однако не стоит преувеличивать успехи современной биологии и считать тайну развития полностью раскрытой. Перешагнув в новый век, мы до сих пор не можем дать внятный ответ на многие существенные вопросы. Эволюционируют ли гены развития? Как организована сложнейшая система управления онтогенезом? Как она возникла и что заставило ее приобрести такую сложность? Универсальны ли ее законы, или же исключений больше, чем закономерностей? Можно ли вообще найти правила, по которым идет развитие живого существа?

Как видите, сэр Чарльз, ученые приблизились, и по отдельным вопросам ушли далеко вперед, но никак не перешагнули рубеж знаний об индивидуальном развитии. В дальнейшем я постараюсь изложить современное состояние дел в границах тех вопросов, которые Вы затронули в главе (хотя, думаю, оставаться в пределах конкретных тем мне будет довольно трудно, наверное, из-за их сложности, да и соблазнительной возможности изрядно поспекулировать на тот или иной счет, но, надеюсь, Вы простите мне мой, возможно, нестройный ход изложения).

Сразу хочу отметить, что нередко буду употреблять термин "эволюция", "эволюционные изменения", который Вы не так часто использовали в оригинальном труде, но который практически повсеместно произносится в наше время, в свете чего и мне так тяжело от него отказаться.

О построении Естественной системы живых существ и значения генеалогического принципа. Современные методы анализа филогении в теории эволюции.

Вопросы классификации живых организмов и установления их взаимного родства непременно, как Вами отмечалось, упираются в поиски необходимого исследователю правила, на основе которого эта классификация и должна строиться. Совершенно убедительным и лучшим таким правилом действительно является генеалогическое родство организмов, без которого любая современная классификация совершенно немыслима. На любом уважающем себя научном собрании или в любом научном труде, в котором решается проблема эволюционной стратификации организмов, в качестве итога работы приводится ни что иное, как филогенетическое, эволюционное древо организмов (и/или признаков, им присущих), где всякая группа связана с другими нерушимыми (может быть, не до конца понятыми, но от этого не менее абсолютными) узами родства и взаимоподчинения, основанного на этом родстве. Такие деревья могут быть весьма простыми или запутанными, и многие их ветви до сих пор остаются в тени, но так или иначе при попытке "вырастить" эти деревья мы пользуемся фактом общности происхождения включенных в них форм, и нередко не наблюдая ее непосредственно, но неизменно подразумевая, мы стараемся установить эту общность между теми или иными группами существ.

На какие признаки мы можем обратить внимание, чтобы выделить это сходство? Каким будет предмет нашего анализа? В настоящее время для любого ученого безусловна полная зависимость признака от гена (или генов); даже говоря о влиянии среды на признак (что обсуждается сейчас ни как не меньше, чем в Ваше время, сэр Чарльз), мы должны признать, что среда может изменить, трансформировать в течение жизни порой до неузнаваемости, но только то, что предсоздано геном, но никак не создать новое. Таким образом, в интересующей нас области биологии, будь то иммунологии, где могут изучать эволюцию защитных реакций организма, или в области эндокринологии, где исследователь устанавливает родство рецептора и сигнального вещества в их историческом развитии и эволюцию семейств гормонов, мы строим эволюционное древо как правило на основе сходств и различий, которые мы можем наблюдать в генах, обуславливающих тот или иной признак. Нас могут интересовать тысячи последовательностей – мы можем задаться вопросом, каковы, например, сходства в генах цитохромов дыхательной цепи и др. реакций; насколько различаются, например, гены, кодирующие глобулы гистонов в ультраструктурной организации ДНК, и многое-многое другое – во всех случаях мы более-менее удовлетворительно, а иногда и с блеском можем построить "родословную" соответствующих генов и понять, какие группы с тем или иным вариантом гена являются предковыми, а какие продвинулись более далеко. Таким образом, изучая дивергенцию нуклеотидных последовательностей выбранных нами генов (скорее, более-менее консервативных, о чем пойдет речь ниже), в итоге мы приходим к той или иной причудливой форме генеалогического древа.

В общем и целом, вопрос выбора генов для анализа очень близок и, по-существу, представляет собой тот же, но заданный Вами на другом уровне, вопрос о значимости тех или иных признаков для классификации. В действительности, как Вы пишите, и я с Вами совершенно солидарен, отнюдь не так важно, а часто и вовсе безразлично, насколько значим данный признак, данный орган в жизни взрослого животного, насколько активно оно его использует. Учитывая грандиозное количество самых невероятных приспособлений организма к жизни, столь большое, что даже крайне близкие виды можно с легкостью принять за разные, невозможно представить те дебри, в которые мы бы забрели, если бы отдавали таким признакам безоговорочное предпочтение в нашей классификации. Аналогично и протягивая, правда, довольно запутанную и редко однозначную нить от гена к признаку, мы тем не менее можем сказать, что наибольшую ценность в вопросах филогении не могут представлять гены, известные своей вариабельностью, но представляют ее (строго говоря, однако, в каждом конкретном случае) гены, по своей природе более-менее консервативные, которые явственнее сохраняют следы прошлого в своей структуре (Вы пишите: "…те признаки, относительно которых существует наименьшая вероятность, что они модифицировались в связи с теми условиями существования, в которых находился каждый вид в последнее время…"). И как значимыми признаками могут оказаться и стойко передающиеся от родителя к потомству, но ненужные в жизни рудиментарные органы и другие известные примеры консерватизма в развитии зародыша (по крайней мере, ранних стадий), так и значимыми последовательностями в ДНК могут оказаться самые разнообразные гены, однако также хранящие память о предках, более-менее консервативные. Например, анализ нуклеотидного состава микросаттелитных последовательностей в хромосомах мышей (Mus musculus и Mus caroli, например) может быть очень полезен для картирования их хромосом. В случае, например, получения клеточных гибридов выяснить по метафазной пластинке видовую принадлежность той или иной хромосомы невозможно – они все обладают крайне схожей морфологией. Однако в то же время сравнение дивергенции микросаттелитной ДНК у этих двух видов мышей и/или с вероятным их предком вряд ли прояснит вопросы филогении этих грызунов – микросаттелитные последовательности гипервариабельны, более того, они полиморфны даже в пределах вида и по этой причине являются очень неудачными сиквенсами для построения филогенетического древа, и мы должны постараться найти более подходящие районы для этой цели.

Уместным и лучшим, возможно, здесь примером являются известные исследования по построению эволюционного древа глобиновых генов. Ввиду несомненной важности этих генов у млекопитающих и человека крайне соблазнительным был бы ответ на вопрос: существовал ли ген-предок глобина, и возможно ли проследить за эволюцией существующих в настоящее время глобиновых генов от одного гена-предка? Современные методы филогении, подразумевая существование единой генеалогической схемы эволюции этих генов, основанной на факте их родства, позволяют с успехом сделать это. Так, поскольку у птиц и млекопитающих имеются раздельные кластеры генов альфа- и бета-глобинов, то, понимая их родство между собой через предковую форму, они, должно быть, были физически разобщены в геноме ДО дивергенции млекопитающих и птиц от их общего предка. Однако у Xenopus laevis эти гены сцеплены вместе (расстояние всего лишь 8 тыс. п.н.). В настоящее время известно как время разделения живых существ от предка на млекопитающих и птиц (270 млн. лет назад), так и время отделения амфибий от ветви "млекопитающие-птицы" (350 млн. лет назад). Эти же цифры можно использовать, и говоря о дивергенции генов глобинов (делая, разумеется, необходимые поправки).

В общем случае изучая аминокислотные (и делая необходимую поправку на соответствие их нуклеотидным) последовательности белков мы можем обнаружить совершенно различные варианты ситуаций: одни из белков крайне изменчивы и отличаются даже между особями популяции одного вида (полиморфны). По-видимому, здесь ни один аллельный вариант не превосходит другой по своему качеству, а возможно преимущества этого варианта уравновешиваются его недостатками. Другие же белки менее изменчивы, но все же различны у тех или иных филогенетических групп. Третьи же за миллионы лет дивергенции изменились настолько мало и настолько консервативны, что можно найти явственное сходство в их вариантах у самых древних (рано выделившихся в группы) и у сравнительно недавно возникших организмов (например, гомеозисные гены HOX-семейства у млекопитающих удивительно похожи на гены MAP-семейства дрожжей). Но от эфемерных понятий "сравнительно недавно" и "рано" мы можем перейти к довольно точным цифрам. Подразумевая принцип генеалогии и непрерывную и наиболее точную при анализе связь предка и потомка, при сравнительном изучении определенного белка у нескольких видов его дивергенция для каждой пары сравниваемых видов более-менее пропорциональна времени, прошедшему с момента их разделения. Тем самым мы получаем нечто, что можно назвать эволюционными часами, которые измеряют накопление мутаций в процессе эволюции данного белка и могут указать нам на время фиксации того или иного аллельного варианта гена, на основе, с некоторыми оговорками, времени образования той или иной филогенетической группы организмов. Таким образом возможно выяснить эволюцию тех или иных семейств генов и белков, зная характер и время дивергенции тех групп живых существ, которые являются носителями избранных вариантов этих генов.

Надеюсь, мистер Дарвин, мне удалось указать на совершенную убедительность, правильность и превосходство филогенетических систем, основанных на принципе генеалогии и общности происхождения, который, по моему мнению, является не только присущим каким-то биологическим системам и миру живого, но и материальному миру всего сущего как принцип развития многообразия из общего, преемственности в развитии, и воистину объективно понять таинство мироздания единственно возможно, только изучая историю его становления и развития.

Представления о генетической системе индивидуального развития и генах онтогенеза.

Надо сказать, мистер Дарвин, что и упомянутые Вами примеры явлений аналогии и гомологии различных черт в организации различных живых существ настолько ярко и отчетливо передают сущность этих фактов, что в наше время упоминаются в каждом учебнике по биологии, начиная с тех, по которым учатся бедные ученики средней школы, и кончая многотомными университетскими изданиями почтенных авторов. Конечно, за минувшее время количество примеров только возросло, причем самым невероятным образом, и скорее правильно будет считать явления гомологии и аналогии в морфологическом строении организмов общим принципом.

Разумеется, такая общность и повсеместная встречаемость этих явлений должна закономерно происходить из каких-то фундаментальных законов развития формы и функции; иными словами, аналогия и гомология являются непременным следствием работы системы развития организма и эволюции этих организмов (и их систем развития, стоит добавить) на протяжении времени. Останавливаясь подробно на Ваших замечаниях по поводу гомологичных и аналогичных органов, я постараюсь дать объяснение этим фактам с позиций современной биологии и используя ее открытия в важнейших областях естествознания: в генетике, биологии развития, эмбриологии.

Действительно, наблюдая две более-менее сходные структуры мы можем сделать два противоположных по своей сути вывода: а) Эти структуры различаются, но образовались по сходному, более старому общему плану, и сохранили черты сходства; б) Эти структуры образовались согласно различным инструкциям и не связаны в своем развитии общим планом, но несомненно похожи вследствие того, что схожи их назначения и функции. Оба этих процесса в действительности могут зайти очень далеко, возможно, до такой степени, что будет крайне трудно точно различить, каким же путем они образовались. Вероятно, это обстоятельство и смущало ранних систематиков и натуралистов, которые, увы, пытались подводить несомненное сходство по иронии столь же несомненно различных по происхождению органов под фундамент генеалогии.

Как с позиций существования генетической системы развития тех или иных структур объяснить существование аналогичных и гомологичных черт в их строении? Собственно, предложенное Вами убедительное объяснение и в этом случае не претерпело крупных изменений – идея осталась, изменился, пожалуй, лишь уровень, на котором мы раскрываем таинственный механизм. Объяснения и соображения, которые я постараюсь дать, касаются работы и организации все той же модели работы генов в онтогенезе, поэтому, как я думаю, будет уместно изложить некоторые общие основы работы этой модели.

Как я уже отмечал выше, всякий признак и, соответственно, всякая структура и всякий орган имеют в своей основе работу соответствующих генов. Как правило, в формировании более-менее выраженной структуры участвует не один, но множество генов. Поскольку орган – несомненно важное образование для жизни взрослого животного, то и работа генов, его формирующих, должна происходить с известной строгостью. Каждый процесс становления органа включает в себя грандиозное множество генов и их комплексов, подчиненных строгой последовательности в работе, взаимосвязанных между собой и регулирующих друг друга в своей функции.

Однако любой генетический материал (нуклеотиды и их последовательности, как его основа) подвержен случайным, стохастическим изменениям, т.е. мутабилен, и в действительности изменяется. Разрешите мне, сэр Чарльз, не останавливаться здесь на механизмах мутаций, т.к. этот вопрос носит чрезвычайно общий характер и довольно обширен, так что приводить его здесь будет, думаю, не слишком хорошей затеей. Не думаю, что разъяснен вопрос о степени подверженности всей протяженности сиквенсов (последовательностей) мутационным изменениям – я думаю, что из чисто физических причин весь генетический материал мутирует равномерно (это, например так, для воздействия радиационного излучения или большинства химических веществ, хотя, возможно, одни участки (например, функционально активные гены) подвержены изменениям больше (мутации происходят в них быстрее), чем другие). Однако вопрос стоит в другой плоскости – равномерно ли накапливаются эти изменения в различных участках генома? Он касается уже наследуемости и передачи единожды произошедших изменений в ряду поколений. Решение этого вопроса связано в первую очередь, с функциональной неоднозначностью участков в пределах генома – целостность одних из них совершенно необходима и критически важна для жизни организма, тогда как целостность других может быть поколеблена в известных пределах, а изменения в третьих не оказывают вообще никакого воздействия на жизнь существа и в известной степени нейтральны.

Что же может решать вопрос о критичности и роли мутаций в данном участке генома? Естественно предположить только один разумный ответ и сценарий (который и положен в настоящее время в основу эволюционной теории) – организм подвергается сотням и тысячам изменений (мутаций) в своем онтогенезе. Для нас, однако, значимы только те мутации, которые происходят в процессе или до формирования половых клеток, ибо кроме изменчивости абсолютно необходимо второе их свойство – наследственность, или наследуемость, что возможно только благодаря зародышевой плазме. Таким образом, мутации, затрагивающие материал сомы, или "вегетативного" вещества, в общем и подавляющем числе случаев (возможно, необходимо как-то учитывать вегетативное размножение) не передаются по наследству вследствие изоляции этих двух групп клеток). Мутации не направлены в какие либо стороны, а случайны и происходят просто вследствие естественной нестабильности генетического материала – возникновении и допущении ошибок в процессе его работы. Таким образом, сотни подобных изменений "атакуют" организм, изменяя его свойства.

Но что выносит вердикт носителю этих изменений и их собственной судьбе? Естественно, что это среда и ее условия. Из всего многообразия изменений шаг за шагом, постепенно (о чем Вы, мистер Дарвин, часто упоминаете) на основе их влияния на организм (на его способность к размножению, передаче признаков здоровому потомству вследствие известной конкуренции и борьбы за существование) в небытие уходят те формы, которые несли изменения, которые хотя бы немного преуменьшили "жизненные силы" организмов этой борьбе. Однако те редкие мутации, которые хотя бы немного увеличили (или, по крайней мере, не изменили) шансы на существование (и были способны к наследованию), будут сохранены в процессе такого отбора. Так, поколение за поколением, наследуются только такие изменения в генах, которые и составляют особенность организма и его отличие от всех остальных. То, что мы видим как удивительное многообразие форм и размеров, цветов и оттенков – ни что иное, как проявление генов и их наследуемых изменений на фенотипическом уровне. Таким образом, пока есть изменчивость и пока есть способность к наследованию этой изменчивости, описанный процесс отбора появляется самым естественным образом и обуславливает всю сложную картину исторического развития мира живых существ.

Согласно такой модели работы генов и сохранения отбором определенных их состояний (аллелей) и сведения на нет других аллелей возможно объяснить совершенно любые закономерности эволюционного процесса, в том числе и интересующие нас явления аналогии и гомологии органов среди разнообразных организмов.

О аналогичных признаках.

В действительности явления аналогии можно объяснить без дополнительных пояснений к предложенной схеме. Так, если отбор действует на организмы в определенном направлении (а это значит, отбирает для господствующих в данном месте и в данное время условий природы наиболее "подходящие", приспособленные под них организмы), т.е. оставляет к наследованию именно те мутации, которые так или иначе сделали организм более приспособленным к данным условиям, то естественно предположить, что хотя бы в сходных районах генома (ответственных за развитие сходных частей организма) у двух разных видов отбор будет сохранять подобные друг другу, сходные мутации. Поколение за поколением эти генетические изменения будут выливаться в определенный фенотип, в определенную морфу, в определенную структуру, и естественно предположить, что эти фенотипы, морфы и структуры будут сходны между собой. Мы можем сказать, что они эволюционировали в одинаковом направлении. Таким образом могут возникнуть аналогичные черты строения в органах, которые развивались достаточно различным способом и между которыми нет объективного родства. Так, например, Вы приводили удачный пример крыла птицы и крыла бабочки (или летучей мыши) – развитие этих органов шло крайне различными путями, но они удивительно сходны, и именно по той причине, что необходимость полета (лучше сказать – дарованная ими возможность, отточенная затем эволюцией) сделала их такими, и именно в таком направлении действовал на них отбор. Способы полета в воздухе не отличаются разнообразием – они все должны базироваться на свойствах крыла и свойствах воздушной среды – и консервативность и постоянность физических законов полета приводит таким образом к консервативности тех структур живых существ, которым назначена функция поднять их в небо. Отсюда и возникает аналогичность в строении органов, предназначенных для выполнения аналогичной цели.

Теперь становится понятным то обстоятельство, почему же крайне неразумно использовать такие аналогичные органы в качестве классификационного признака – их невозможно включить в нашу генеалогическую классификацию по той причине, что сами они не составляют генеалогического родства. Если, однако, вообразить себе такое "древо" (хотя вряд ли такая система будет его напоминать), то в итоге мы увидим, что все небесные создания составляют родство (и между ними сложились искаженные до бессмысленности "родственные" связи), равно как и все существа, обитающие в воде, тем же образом родственны между собой, но очень отдалены в этом родстве от обитателей неба. Таким образом, все живые организмы разобьются по тем местам, где они обитают, но наша странная классификация вряд ли будет иметь какую-то биологическую ценность – упоминать слово "происхождение" в ней будет неуместно, а вопросов будет больше, чем ответов, которые она была призвана дать.

Прекрасные примеры по мимикрии одних видов под другие и приобретение ими сходных окрасок и форм, неразличимых порой никаким специалистом, приведенные Вами, мистер Дарвин, лучшим образом доказывают те же самые соображения на счет аналогии и действия отбора в направлении укрепления сходства между изначально менее приспособленным (мимикрирующим) видом и более приспособленным. С тем же успехом виды, крайне родственные по происхождению, могут быть значительно изменены отбором вплоть до полной неузнаваемости друг с другом.

Основные закономерности онтогенеза. Работа генетической системы онтогенеза.

Примеры и вопросы, которые Вы, мистер Дарвин, рассматриваете в следующих разделах XIX главы, посвященных гомологичным органам и явлению гомологии в целом, редукции органов и рудиментам и важнейшим закономерностям в эмбриональном развитии организмов, являются очень удачными иллюстрациями работы какого-то очень важного процесса в развитии живых существ, специальной онтогенетической программы, с педантичного выполнения которой начинается каждая жизнь на Земле. В то же время несмотря на огромное значение и строгость прохождения онтогенеза в живой природе мы можем встретить немалое количество его различных вариантов – от разительных отличий яиц животных, состоящих даже в близком родстве, до совершенно разных программ развития взрослого организма и поведения ранних зародышей. Именно вопрос программы развития, ее генетической основы и особенностей ее исполнения в эмбриогенезе в настоящее время остается одним из самых главных и, смею добавить, наиболее туманных вопросов биологии. Без понимания онтогенетических процессов невозможно решить в наше время столь усиленно разрабатываемую проблему управления развитием и дифференцировкой клеток. Наблюдая, однако, за выходящими в свет работами по данной тематике, невольно задумываешься насколько невообразимые силы брошены на эти исследования, и какими все же мелкими шажками мы приближаемся к заветной цели. В неимоверной гонке между научными коллективами разных стран рождаются и настоящие прорывные работы, но в то же время легко видеть, как многие полученные результаты противоречат друг другу и как трудно бывает порой повторить те или иные эксперименты, получившиеся один раз, а потом приносящие неудачу (достаточно вспомнить 40-летний промежуток времени между клонированием первого и второго позвоночного животного). Иные же результаты приносят больше вопросов, чем ответов, заставляют переосмысливать и перепроверять казалось бы точно установленные прежде знания. Припоминаю случай, когда руководитель лаборатории, в которой я имею честь работать, однажды сказал, что несмотря, например, на почти 50-летний опыт работ по реконструкции клеток (ядра и цитоплазма могут принадлежать к совершенно разным клеточным линиям), поведение таких гибридов до сих пор непредсказуемо, и исследователь вынужден "ходить, как по тайге" в поисках объяснений неожиданных фактов и сюрпризов, которые может преподнести новый эксперимент. Это можно сравнить со знакомыми пожалуй Вам, сэр Чарльз, столь частыми в Британии утренними туманами, когда решительно ничего не видишь дальше своего носа и пробираешься вперед только на ощупь. Воистину, как сложно осветить даже стремительным и ярким светом весь тот сумрак, который охватывает процессы развития живого существа, сформированные за десятки миллионов лет эволюции.

Я думаю, что целесообразнее мне будет сначала представить общий взгляд на процессы онтогенеза, который выработался за последние, думаю, 70-80 лет изучения этого вопроса, на формы развития, на поиски его генетической основы. Более-менее разобравшись в генеральных особенностях развития, мне думается, будет легче далее обсудить каждый тот феномен, который Вы затронули во второй половине главы (гомологичные органы, рекапитуляция, рудиментарные и абортивные структуры животных) и попытаться дать ему объяснение с современных позиций.

В настоящее время предпринимаются активные попытки в теории придать онтогенезу и его ходу системный характер и рассматривать развитие живого существа как четкую и строгую последовательность следующих друг за другом процессов. Разумеется, в основе каждой такой составляющей общего сценария развития лежит функциональная активность тех или иных генов, поэтому биологию развития в какой-то мере можно назвать и генетикой развития. В конечном счете, понимание любого процесса сводится к пониманию его молекулярной основы и того, как те или иные белковые (или другие) вещества действуют на определенных его стадиях.

Какой момент можно считать началом индивидуального развития? Первое деление дробления? Слияние пронуклеусов или, возможно, оплодотворение яйцеклетки? Морган, увлекавшийся ранее экспериментальной эмбриологией и вернувшийся к ней под конец своей карьеры, справедливо заметил, что за точку отсчета надлежит принимать еще более ранний период времени, а именно – созревание яйцеклетки. В действительности, она является самой высоко специализированной клеткой в организме, поскольку она – есть его начало, и именно в ходе ее созревания закладывается план будущего строения организма.

Задолго до оплодотворения (за несколько лет до него, в случае млекопитающих и человека) в яйце уже намечается будущий сценарий всего развития. Не стоит преувеличивать роль овоцита, однако бесспорно то, что ранние стадии развития зародыша целиком и полностью определяются деятельностью яйцеклетки. Она – не просто необходимая половина генетического материала, но преформированная система, содержащая в себе сценарий раннего эмбриогенеза и запускающие механизмы более поздних стадий.

Многочисленные опыты школы Шпемана и его предшественников (В. Ру, Х. Дриш, С. Герстадиус, В. Конклин и др.) при работе над ранними эмбрионами доказали существование химической преформации овоцита, которая присутствует в нем до оплодотворения. Еще более удивительным является то, как за обманчивой внешней однородностью морул, бластул и ранних гаструл скрывается сложнейшая внутренняя организация их материала, где уже так рано определена будущая геометрия зародыша и места образования основных структур организма.

Как уже было мною отмечено, овоцит химически преформирован к будущему развитию, то есть с помощью определенных химических веществ (белков, мРНК и др.) в нем намечен план развития зародыша на ближайшее время. Естественно предполагать активность соответствующих генов на этих ранних этапах (которые называются ооплазматической сегрегацией; гены, в свою очередь, носят название генов материнского эффекта – формирование овоцита целиком и полностью регулируется фолликулярным соматическим окружением материнского организма). Но даже в настоящее время до конца не ясно поведение продуктов этих генов – крайне мало их выделено в чистом виде, для многих неизвестно ни строение, ни функция (известна лишь их незаменимая роль), ни топография и расположение в овоците (в цитоплазме? на структурах цитоскелета?). Однако на основе исключительной роли этих веществ для онтогенеза и судя по самой логике развития (постепенное построение из простого более сложного) продукты этих генов являются, по всей видимости, транскрипционными факторами, т.е. регулирующими функцию других генов и их комплексов, которые включатся в процесс развитие позднее. Они и составляют начало всем партитурам развития, как бы ни был сложна вся опера. Таким образом, начало онтогенеза обусловлено работой 1-ой системы генов развития – генами материнского эффекта.

Овоциты разных организмов, однако, содержат отнюдь не одинаковые инструкции к будущему развитию. Так, в ходе многолетних исследований были показаны два генеральных сценария развития и два основных типа яйцеклеток, лежащих в их начале – мозаичный и регуляционный тип яиц. Относительно первого действительно показано то, что яйцо исключительно сложно организовано уже в самом начале развития (таковы, например, яйца Drosophila, да и в принципе почти всех насекомых и некоторых беспозвоночных). Малейшее вмешательство в сложные градиенты химической преформации ведет к нарушению всего развития. В действительности же на основе такого сложного распределения каждая будущая клетка – продукт митозов оплодотворенного яйца – получит четкие инструкции к дальнейшему развитию (на основе доставшихся ей химических веществ), и будет подчинятся только им, но ничему другому.

С другой стороны, яйца второго – регуляционного – типа не обладают такой четкой химической преформацией. Перемешивая ли цитоплазму внутри овоцита или меняя ли положение бластомеров на стадиях морулы и бластулы, мы не нарушим естественных ход развития зародыша. Перемещенные части способны переориентироваться и осознавать свое клеточное окружение, и на основе этой информации (неизвестна ее природа – должно быть, те же химические вещества, но какие? и продукы каких генов?) регулировать свое будущее развитие.

Однако так или иначе, даже при существовании таких разных вариантов организации овоцита несомненна сама роль белков и мРНК, присутствующих в нем, и генетической системы, их кодирующей. Именно эти вещества способны начать работу всей системы индивидуального развития, включить ее и направить в нужное русло.

Дальнейшие исследования по генетической регуляции развития были проведены на насекомых и хорошо иллюстрируют их развитие, но полученные результаты дают прекрасную возможность показать течение аналогичных процессов и в эмбриогенезе позвоночных животных. Не останавливаясь подробно на составе генов отдельных генетических систем, позволю себе кратко привести сценарий развития яйца насекомого, делая необходимые ссылки на развитие позвоночных организмов.

После ооплазматической сегрегации рано или поздно наступает оплодотворение. Сам акт внедрения сперматозоида в оболочку яйца и слияния пронуклеусов мужской и женской гаметы является также триггерным механизмом для многих реакций, протекающих уже теперь в зиготе, причем на самых различных уровнях. Так, с момента оплодотворения начинаются загадочные процессы полного деметилирования генома зиготы, замены протаминов мужского пронуклеуса на гистоны и т.п. Деметилирование открывает доступ к генетическому материалу зиготы для его последующего включения в работу. С другой стороны, не менее загадочным образом ось, мысленно проведенная через центр зиготы и место внедрения сперматозоида, становится реальной дорзо-вентральной осью будущего зародыша, а само место внедрения - местом локализации важнейшей группы клеток – Ньюкоповского организатора – сигнализатора, посылающего индукционные сигналы ко всем другим клеткам бластулы.

Как я уже неоднократно отмечал, та химическая преформация, которой обладал овоцит, в состоянии регулировать работу теперь уже полного генома зиготы.. Позиционная информация – белки и мРНК – включают в работу следующие далее блоки генов. У насекомых все дальнейшие системы настроены на правильное сегментирование тела будущего организма. Так, в работу последовательно включаются GAP-система, организующая разбивку тела будущего организма насекомого (опять же, через химические вещества – продукты соответствующих генов) на 7 сегментов и несегментированные передние и задние части (акрон и тельсон); затем на основе информации, отданной GAP-системой, включается система Pair-rule (правила парности), дробящая каждый сегмент на 2 парасегмента; затем, включенная результатами работы Pair-rule, наконец начинает работать система сегментной полярности, белковые продукты генов которой четко очерчивают границы каждого парасегмента. Триумфом этого сложного, но когда-то запущенного всего несколькими генами материнского эффекта процесса, является включение в работу блока гомеозисных генов, которые на основе совершенно определенного распределения белковых продуктов работы предыдущих систем определяют специфику каждого парасегмента и формируют присущие только ему структуры.

У позвоночных животных, в организации тела которых метамерия не так заметна, происходят не до конца понятые и не столь изученные процессы, однако, вероятно, подобного типа. Так, триггерные вещества овоцита, распределяясь определенным образом по бластомерам бластулы, определяют ее анимально-вегетативную ось. Акт оплодотворения и кортикальная реакция сперматозоида, как я уже отмечал ранее, формирует дорзо-вентральную ось. Механизм, определяющий правую и левую сторону зародыша, до сих пор не известен, однако, по всей видимости, он начинает действовать после закладки осевых органов на более поздних этапах. После упорядоченного деления главная роль переходит к индукционно-реактивным взаимодействиям клеток, которые получили различные инструкции к выполнению за счет попадания в них определенных организующих начал тех или иных градиентов. Сложнейшие процессы приобретения способности к индукции одними бластомерами и компетенции к этой индукции другими четко разбиты по времени и сочетаются строгим образом, организуя работу недифференцированных прежде клеток бластулы согласно новым и новым генетическим программам. Продукт индукции сам является индуктором, и оказывает те же влияния на компетентные ткани, все более и более усложняя тканевую и геометрическую организацию зародыша по ходу всего развития.

Как видите, сэр Чарльз, молекулярно-генетические процессы развития яйца в целый дефинитивный организм довольно сложны, но строгим образом организованы в каждом отдельном онтогенезе. Мысль, которую я хотел очертить в своем кратком описании основных сценариев развития, принимает следующий вид:

Работа генетической программы всего онтогенеза есть последовательное и планомерное развертывание все более и более сложных процессов дифференцировки и морфогенеза. Продукты ране действовавших генетических систем, сформировавших наиболее простую, элементарную геометрию эмбриона, в нужное время включают в работу новые блоки генов, которые по мере своей работы еще более усложняют организацию зародыша. Прежне действовавшие каскады регуляторных генов включают новые каскады, и так далее по строгой цепочке, действующей до самого конца превращения зародыша во взрослый организм.

По-существу, филогенез есть череда онтогенезов (конечно, такой взгляд не лишен профессионального пристрастия к эмбриологии, но, надеюсь, Вы простите мне мою слабость), и мне думается, что приведенное мною выше молекулярно-генетическое понимание развития как системы способно дать возможные объяснения всем тем феноменами филогенеза, которые Вы приводите во второй половине главы.

Гомологичные органы.

Обширные явления гомологии в организации живых существ (по крайней мере, "одного и того же класса") позволяют мне на более современном уровне повторить тот убедительный вывод, который Вы приводите в книге. Действительно, несмотря на совершенно различную специализацию тех или иных органов в зависимости от образа жизни организма, они проявляют неоспоримое сходство в своем, так сказать, генеральном строении. Как нельзя лучше здесь подходит ваш пример с костями конечности будь то рыбы, лягушки или даже птицы. Как это можно объяснить? Мы должны понимать, что раз гомологии подобного сорта прослеживаются очень широко, а у позвоночных вовсе пронизывают весь этот подтип, то, следовательно, отбор благоприятствовал, но уместнее сказать – стойко защищал – соответствующие структуры от каких бы то ни было изменений. Понимая роль отбора мы должны сказать, что всякие изменения в этом генеральном плане органа ни на секунду не увеличивали шансов его обладателя в борьбе за существование, и именно поэтому были уничтожены отбором, который из поколения в поколение оставлял эти структуры интактными, неизмененными.

С другой стороны, выше я привел модель работы генетической системы развития как каскада все более широко развертывающихся процессов, которые все более усложняют организацию зародыша. На самых поздних этапах отдельные комплексы генов ответственны за самые определенные процессы развития (морфогенез отдельных органов и их частей), но тысячи этих процессов, действуя вместе, обеспечивают развитие всего организма. Следуя такой восходящей логике усложнения развития легко понять, что и развитие любого органа (в нашем случае пусть это будет конечность) идет по все более усложняющемуся сценарию. Ранее я уже говорил, что мутациям подвержен весь генетический материал организма, приблизительно в равной степени (но это даже не так существенно). Сюда, естественно, относятся и все комплексы и каскады генов, формирующие конечность от самого начала (презумптивного зачатка) до ее окончательного вида. Но сохранению и наследованию мутаций в каких генах будет благоприятствовать отбор? Естественно преимущественно в тех, которые действуют на более поздних (или, как вы пишите, "не самых ранних") стадиях развития конечности. Ведь если мутациям подвергаются гены ранних систем, то ввиду их роли индуктора всех остальных процессов органогенеза очень высока вероятность потери этой функции их мутантными аллелями. Благоприятную же мутацию и ее эффект на работу этих генов представить себе крайне трудно, и совершенно ясно, что число таких мутаций будет крайне мало. Именно поэтому структура и функция ранних генов в процессе органогенеза сохраняется отбором интактной. Следовательно, даже у последних потомков в ряду поколений работа ранних генетических систем останется той же, что была у их далеких предков.

Нетрудно догадаться, что чем раньше в онтогенезе работала та или иная система генов, тем выше была ее роль, если принимать во внимание всю последующую цепочку формообразовательных процессов, которые были ею запущены; следовательно, чем раньше в развитии работала эта система, тем во все более неизменном виде потомкам передадутся неизмененные, оригинальные аллельные варианты ее генов. Именно поэтому и сохраняется генеральный план той же самой конечности – малейшие изменения в ранних этапах ее формирования, начиная с изменений презумптивного зачатка и хода остеогенеза и заканчивая перетасовкой ее отделов нарушат образование всей структуры. Отбор, таким образом, стабилизирует реализацию этого генерального плана, и выработка приспособлений к условиям среды не затрагивает эти важнейшие процессы.

С другой стороны, расположение пальцев на конечности, слияние ее концевых отделов или даже вовсе редукция фаланг кисти может оказаться весьма полезным для тех или иных условий среды. Все эти изменения, достигаемые за счет, как Вы пишите, "отбора последовательных слабых модификаций", могут этап за этапом повышать шансы животного в борьбе за существование. Но если мы вспомним, пальцы конечности, ее концевые отделы и т.п. формируются в довольно позднем онтогенезе функцией тех генетических систем, которые включаются в последнюю очередь. Позитивные изменения аллельных вариантов генов здесь более вероятны (ведь основной план органа уже сформирован), и именно изменения в ответственных за поздний органогенез конечности генах и дают все то многообразие хватательных, гребных, плавательных, копательных и других приспособлений, которые так разнообразны у представителей живого мира. Иронично говоря, возможно несчастная ящерица и выиграла бы от того, если бы у нее особым образом изменился порядок костей в лапе или вовсе положение этой лапы (скажем, ближе к голове) – за эти изменения ответственны более ранние генетические системы органогенеза – но представить себе мутации – редкие и случайные события – которые бы так точно изменили работу этих ранних генов, просто невообразимо. Их вероятность очень мала. Поэтому в том или ином органогенезе никогда не встречается крупных изменений в строении органа или структуры - наука знает счетное число случаев этих явлений (позднее им дадут название архаллаксисов). И поэтому наша ящерица вынуждена довольствоваться не столь серьезными изменениями, например, в форме пальцев.

Таким образом, мистер Дарвин, я попытался представить Вашу же идею о неизменности генерального плана того или иного органа ("…при изменениях подобного рода лишь в очень слабой степени или совсем не обнаруживается наклонность к нарушению первоначального плана или к перемещению частей…"). Совершенно естественно, что гомологичные органы могут послужить важнейшим систематическим признаком в генеалогической классификации – на основании той идеи, что первоначальный генеральный план органа был унаследован от более предковых форм и был не так значительно изменен в связи с адаптацией этого органа к условиям среды. И если мы видим отчетливую гомологию конечностей птиц, млекопитающих, рептилий и рыб, то мы без всякого сомнения можем сказать, что все эти варианты произошли от единого первоначального плана конечности, обладателем которой был их возможный общий предок.

Сериальная гомология.

Особое внимание, сэр Чарльз, я обратил на Ваше упоминание феномена сериальной гомологии, то есть "сравнении разных частей или органов в одной и той же особи, а не одних и тех же частей или органов у разных членов одного и того же класса". Разрешите мне привести здесь полный текст фразы, произнесенной Вами в разделе "Морфология" 19 главы, которая наиболее привлекла мое внимание:

"…У уродливых растений мы часто находим прямое указание на возможность превращения одного органа в другой; и мы можем действительно наблюдать на раниих, или эмбриональных, стадиях развития цветков, а также ракообразных и других жифотных, что органы, становящиеся крайне различными по мере развития, первоначально совершенно сходны".

Удивительно, но за 150 лет до моего времени и за 35 лет до того, как Ваш соотечественник Уильям Бэтсон (Англия богата на светлые умы, не правда ли?) дал точное название явлениям подобного класса, Вы прямо указали на явление, которое позже назовут гомеозисом. В действительности, именно изучение примеров гомеозиса (как это было сделано на Drosophila) привело к революционному открытию общности в структуре генов, вовлеченных в развитие - общности как в пределах одного генотипа, так и филогенетическую преемственность, которая соединяет удивительной нитью даже таких невероятно далеких существ, как дрожжей и человека. Не буду останавливаться на этой интереснейшей истории, но попытаюсь дать современное толкование роли этих генов и феномену "сериальной гомологии", как называете его Вы.

Действительно, сериальная гомология есть ни что иное, как подтверждение происхождения всех органов (или их частей) взрослого организма из их общих зачатков, или, по крайней мере, общих преформированных к этому частей, или по сходным сценариям. Иначе выражаясь, это ясное указание на преемственность генетических систем в процессе органогенеза, где все более ранние системы индуцируют работу все более поздних, специализированных на том или ином процессе. Так, в ходе эмбриональной индукции (я касался этой темы выше) в сравнительно однородной массе клеток бластулы индуцируется образование хордомезодермы – специальной группы клеток. На этом действие генетической системы индукции (работа нескольких генов обеспечивает в ней синтез мезодермализирующего начала – белка активина и нескольких других) заканчивается – Ньюкоповский индуктор теряет свое мезодермализирующие влияние на прилежащие бластомеры. Но хордомезодерма (фенотип этих клеток) – это и есть результат работы следующей генетической системы, которая была запущена первой, Ньюкоповской, впоследствии отключенной. В свою очередь хордомезодерма сама является индуктором – кроме того, что она значительно перестраивает геометрию поздней бластулы и является ключевой тканью при гаструляции, местом продукции нового начала – теперь уже нейрализующего (Шпемановский индуктор) – белков noggin, notch и dorsalin. Они запускают все новые и новые процессы индукции, которые в конечном счете приводят к формированию нотохорда – центральной осевой структуры зародыша – его первого "позвоночника" и "мозга". В дальнейшем из всего материала нотохорда под влиянием уже более специфической, региональной индукции образуются специализированные части скелета – череп и позвоночник, затем все более разбивающийся на позвонки. Нейральная часть аналогичным образом даст cephalon (головной мозг), разбивающийся затем на три отдела, а также весь спиной мозг. Словом, чем далее пойдет процесс развития, тем очевиднее будет видна работа сначала общих, а затем все более специальных генетических систем, отвечающих за морфогенез и дифференцировку материала той или иной структуры, вплоть до образования сложной остистой формы позвонка, также специфичной в каждом отделе позвоночного столба. Но мы должны помнить, что все эти разнообразные структуры тела образовались из более простых презумптивных зачатков, и поэтому они, несомненно, родственны между собой, только не по филогенетическому, как мы говорили ранее, а по онтогенетическому происхождению. Каждый из них является результатом работы более ранних генетических систем, а в конце концов – и одного процесса. Сериальная гомология есть не что иное, как видимые нами следы, но лучше сказать, последствия, результаты работы этих ранних групп генов. Уместная здесь и приведенная вами в книге цитата профессора Хаксли только подтверждает эти слова.

Таким образом, естественно видеть сходство в строении различных частей одного организма (хотя бы передних и задних конечностей, позвонков различных отделов и т.п.). Однако лучше всего понять сущность сериальной гомологии в последовательном каскадном действии систем генов развития можно, рассмотрев строение организмов, обладающих более выраженной метамерией, и Вы совершенно верно указываете на это, приводя пример сначала однородного зачатка, а затем все более сложного в своем строении цветка или метамерии в классе Articulata. Я позволю привести себе один интересный пример, как нельзя лучше иллюстрирующий понятие гомеозисных генов и дающий исчерпывающий ответ на вопрос об их роли в развитии беспозвоночных и позвоночных животных, да и практически всех живых существ.

После анализа многих гомеозисных мутаций у Drosophila В. Герингом были открыты особенности молекулярной структуры таких гомеозисных генов (гомеобокс в нуклеотидной последовательности и гомеодомен в белковом продукте). Эдвард Льюис, признанный авторитет в этой области, подытожил особенности поведения этих генов и вызываемых ими мутаций в виде двух основных тезисов:

а) Аллели дикого типа продуцируют вещества, дающие морфогенетический эффект, тогда как мутанты неспособны синтезировать их;

б) Общий эффект гомеозисных мутаций – разворот развития той или иной структуры в иную сторону. Так, мутация bithorax ведет к превращению передней части заднегруди в переднюю часть среднегруди (на сегменте из жужжалец появляются зачаточные крылья); мутация postbithorax вызывает превращение задней части заднегруди в заднюю часть среднегруди (вкупе с bithorax рождаются 4х-крылые мухи). Другие мутации оказывают сходный эффект – сегмент все более и более тяготеет к грудным структурам (например, bithoraxoid вызывает превращение первого брюшного сегмента в заднегрудь так, что он несет жужжальца и ноги).

Как видите, сэр Чарльз, поразительны эффекты этих мутаций. Но еще более поразительны выводы, которые можно сделать на основании их анализа. Так, Льюис предположил, что, возможно, мутации по типу bithoraxoid - bithoraxoid+ в историческом прошлом обусловили превращение многоножек в предков современных шестиногих насекомых, т.е. сначала брюшные сегменты имели способность образовывать ноги, но мутация подавила эту способность. Аналогичным образом, мутация bithorax – bithorax+ могла в давнем прошлом подавить развитие второй пары крыльев и обусловить переход от 4х-крылых насекомых к 2х-крылым. Действительно, как еще можно объяснить сходных эффект этих мутаций как не реверсией к старому типу развития, который частично сохранился теперь в виде мутантных аллелей гомеозисных генов и может быть вновь вызван к жизни через огомозигочивание этих мутаций? Таким образом, как пишет Льюис в своей монографии, "смысл гомеозисных мутаций кроется в изменении плана индивидуального развития, с возможным филогенетическим выходом".

Те же самые выводы мы можем распространить и на позвоночных животных. Примеров гомеозисных мутаций в этом случае крайне мало, видимо потому, что их эффекты почти всегда летальны и сильно нарушают развитие организма. Однако функции гомеозисных генов (я имею ввиду те, которые обладают гомеобоксом) у них крайне сходны - грандиозно, например, участие генов семейства HOX у мыши в процессе развития и дальнейшей дифференцировки частей нотохорда. Одновременно с этим многие гены приобрели и новые функции, утратив прежнее значение. Все же мы не должны забывать про ту разницу стратегий и сценариев онтогенеза относительно насекомых и позвоночных, о которой мы говорили выше (типы развития и типы яиц, если вы помните). Но несомненно здесь одно – феномен сериальной гомологии и более общее замечание о сходстве и гомологии разных частей одного и того же организма – это результат все той же последовательной работы новых и новых систем генов развития, иерархически включающих и замещающих друг друга по ходу нормального онтогенетического процесса.

Учитывая все вышесказанное мы можем теперь не только показать и убедительно доказать явную гомологию, скажем, конечностей (включая органы чувств) разных отделов тела речного рака, но и сделать выводы об их эволюционном происхождении. Так, вероятно, у тех же отдаленных предков рака все сегменты тела были более-менее одинакового типа (скажем, все несли один тип конечности, подобно многоножкам). Естественно предположить, что в каждом из этих сегментов действовали одни и те же гены, ответственные за органогенез таких конечностей. Но изменения в этих генах в случае выраженной метамерии не столь фатальны – благодаря наличию нескольких сегментов одного типа изменения органогенеза в одном из них не приведут к столь катастрофическим последствиям. Более того, если они скажутся "благоприятно" на судьбе их взрослого обладателя, то закрепятся отбором. Этап за этапом, они – сами по себе не направленные, но направляемые отбором в сторону большей приспособленности – выльются в конечность, которая, возможно, специализируется на какой-то новой функции (что отразится на их морфологии и утратят свое первоначальное назначение. Благодаря изначальному множеству одинаковых сегментов и известной случайности мутаций у изначально банального в своем строении животного могут сформироваться довольно сложные комплексы органов, каков, например, комплекс передних грудных и головных конечностей рака (антенны, мандибулы, максиллы, хватательные и др.). Но на эмбриональном уровне (или даже на морфологическом у взрослой особи) мы можем проследить явную сериальную гомологию этих разнообразных приспособлений, ведь они все произошли некогда по единому плану, закладывались по единой основе, и в основе этой лежат одни и те же структуры, модифицированные затем на более поздних этапах. И если мы даже не видим отчетливой гомологии в строении придатков сегментов тела у рака или омара, то этот факт не должен нас смущать в мысли о едином происхождении их всех из некогда однообразных эмбриональных структур.

О рудиментарных органах.

Разрешите теперь мне в своем изложении коснуться тех фактов и примеров, которые Вы приводите в части, посвященной процессу абортации и рудиментации органов в свете филогенетического развития живых существ. Я надеюсь, сэр Чарльз, Вы простите мне то, что я намеренно перешел к обсуждению этого материала, который в Вашем изложении идет уже после важнейших замечаний относительно развития и эмбриологии. Я решил оставить эту часть на самый конец моего, наверное, и без того не отличающегося системностью изложения, поскольку счел ее наиболее сложной и наиболее важной во всем вопросе о взаимосвязи онто- и филогенеза. Поэтому я позволю себе привести некоторые аргументы относительно специальных явлений рудиментации в живой природе, а затем вернусь к более общим вопросам.

Совершенно верно, как и отмечаете Вы, рудиментарные органы чрезвычайно широко распространены и встречаются почти у всех живых организмов. Следовательно, и я повторяюсь здесь в своем выводе, явление рудиментации должно сопутствовать и являться, так сказать, результатом, или, можно сказать, особенностью работы той же самой программы развития, которая преследует каждое живое существо, каждый организм. И снова моя трактовка этого явления в сущности повторяет Вашу, только лишь, возможно, на несколько другом уровне.

Что может вызвать рудиментацию той или иной структуры в эволюционном процессе? Видимо, стоит считать, что в результате изменчивости в других системах органов живого организма данная структура стала уступать тем преимуществам, которые даровали существу эти изменения, и постепенно стала бесполезной, иначе говоря, неиспользуемой. В ряде случаев, например, эта структура может приобрести другую роль либо сохранить какую-нибудь часть от той важности, что была присуща ей прежде. В иной ситуации, данная структура могла оказаться и "вредной", неблагоприятной – но, вероятно, такие структуры нельзя назвать рудиментарными, атрофированными. Возможность направленной редукции какого-либо органа из его нормально развитого состояния, которым организм обладал прежде, крайне низка. Ведь в этом случае наследственно должна была закрепиться такая мутация в одной из генетических систем морфогенеза, которая бы даровала ее обладателю больше шансов в борьбе за существование, чем стала бы приносить страданий эта ставшая вредной структура. В противном случае повышения жизнеспособности бы не произошло, и такие изменения элиминировались бы в первом же поколении мутантов. Шанс, что такие специальные изменения могли произойти, очень невелик, и вряд ли направленная дегенерация органа – распространенный пример в истории живого мира. Кроме того, этот вопрос выпадает из темы нашего разговора, поэтому я позволю себе не обсуждать его более.

Я согласен с Вами на тот счет, что главной причиной рудиментации органа становится его неупотребление. Уместным примером может здесь быть прогрессивная дегенерация пищеварительной, дыхательной и других систем в группах червей, перешедших к внутреннему паразитизму, скажем, в кишечнике млекопитающих. Другой подходящий пример, который я и буду использовать в дальнейшем – это рудиментация глаз у крота и сильное ослабление их функции. Интересно рассмотреть такой пример дегенерации и рудиментации, а потом, возможно, и полного исчезновения, с точки зрения поведения генов и генетических систем.

Я рискну предложить следующий механизм рудиментации (на предложенном примере "ослепевающего" крота). Возможно, что предки тех животных, которые затем дивергировали и образовали известное в настоящее время семейство Talpinae, имели хорошо развитые глаза. Ясно, что местом их обитания были освещенные и открытые пространства, поверхность земли, где они смогли бы реализовать преимущества отличного зрения. В противном случае развитый глаз никогда бы не образовался у этих животных. Вместе с тем, однако, изменчивость в других системах органов по ходу эволюции даровала предкам Talpinae возможность избежать конкуренции на густо заселенной поверхности земли (за место обитания, за пищу и др.). Шаг за шагом, на каждом этапе даруя сотые доли к шансам в борьбе за существование, эти изменения приспосабливали предков Talpinae вести более скрытый образ жизни, все теснее связанный с поверхностью земли и даже углублениями в ней. На протяжении многих тысяч лет такими постепенными изменениями был выработан комплекс признаков (гладкая шерсть, развитые для рытья конечности и пальцы и т.п.) для жизни под землей. Так, по-видимому, и сформировался знакомый мне и Вам современный вид крота.

Но вернемся к глазу. Чем прогрессивнее шли и наследовались изменения, способствовавшие переходу крота под землю, тем все более ненужным, лишним в этом процессе становился глаз. Его преимущества терялись, так как новые изменения даровали их больше, чем обеспечивал глаз в одиночестве. И как постепенно животное становилось все более приспособленным к подземному образу жизни, так же постепенно утрачивал черты своего прежнего строения глаз, приспособленный для открытой и освещенной местности.

Механизм этого явления становится ясным если помнить, что за формирование любого органа ответствен комплекс систем генов развития, а позднее – конкретно этого органогенеза. В то же время не стоит забывать, что сиквенсы этих генов по-прежнему подвергались мутациям – случайные и редкие изменения в них никуда не делись. Однако теперь для отбора эти изменения, вместо того, чтобы быть неблагоприятными и уменьшать приспособленность организма к жизни, стали безразличными и нейтральными. Отбор не препятствовал изменениям такого сорта, и они получили возможность наследоваться. Но доля благоприятных изменений от всех изменений в данном гене ничтожно мала, и большинство мутаций ослабляет "жизненные силы" их носителя. Именно поэтому все мутации, которые стали постепенно закрепляться в дегенеративной эволюции глаза, сами несли этот дегенеративный характер, но не отметались отбором. Даже если предположить, что случайно локусы, ответственные за формирование глаза, затронула бы редкая "положительная" мутация, то она несомненно бы скрылась под давлением всех тех мутаций, которые были пропущены к наследованию отбором и оказывали дегенеративное влияние на те же самые локусы. Ее положительный эффект сошел бы на нет. Вероятно так в действительности и происходило. Крот, возможно, и не прочь иметь хорошее зрение под землей как еще один плюс к его превосходным качествам рытья нор и поедания картошки, посаженной несчастным фермером. Но в реальности для жизни под землей этот плюс не стоит ни гроша и не принесет кроту возможностей рыть норы еще глубже и воровать еще больше картошки у честного фермера (я, конечно, иронизирую), и поэтому отбор не нацелен на его закрепление.

Таким образом, постепенное (и, как Вы справедливо пишите, "…виды в естественном состоянии не подвергаются большим и резким изменениям") накопление дегенеративных для организма, но нейтральных для отбора мутаций приводило к дисфункции тех или иных генов в морфогенезе глаза: нарушились процессы дифференцировки колбочек, утратилось цветное зрение, уменьшился объем хрусталиковой плакоды и т.п. В сущности, мы можем только догадываться, какие изменения могли происходить в глазе предков крота, но по всей видимости они охватывали множество процессов его (глаза) развития. В итоге глаз подвергся значительной атрофии и утратил свою главную функцию (не приобретя, по-видимому, никакой новой).

Как видите, мистер Дарвин, в таком взгляде на процесс рудиментации может быть рациональное зерно, а именно – ответ на ваш вопрос, который вы закономерно посчитали трудным – "в силу каких причин размеры его (органа) продолжают и дальше редуцироваться, пока в конце концов от него не остаются лишь ничтожные следы, и что приводит его в конце концов к полному уничтожению?". Я думаю, что это и происходит преимущественно потому, что орган продолжают разрушать дегенеративные изменения, накапливаемые в нем по причине нейтральности их для отбора в целом. И, как я уже говорил, из-за преобладания дегенеративной составляющей мутационного процесса над его куда более скромным положительным эффектом. В конечном счете по причине "попустительства" отбора этим дегенерациям орган регрессирует до своего самого ничтожного состояния.

Однако есть и второй вопрос – каков механизм того, что у зародышей орган, впоследствии будучи подвергнутый значительной атрофии, представлен довольно развитым, и на более-менее ранних этапах не обнаруживает признаков рудиментации? Ответ на него более сложен, однако базируется на тех же самых представлениях о преемственности и иерархии генетических систем развития, которыми мы пользовались выше для объяснения явлений гомологии.

Причин этого явления можно привести несколько. Во-первых, нужно обратить внимание на отсутствие "больших и резких изменений" в процессе эволюции вида. Разумно предположить, что если бы мутации, координирующие развитие глаза крота (хотя этот пример и не очень хорош в свете эмбриологического рассмотрения), на первом же этапе его длительного периода рудиментации сразу бы повредили, скажем, одну из первых генетических систем, ответственную за индукцию мезодермой эктодермы в хрусталиковую плакоду, то глаз вообще не сформировался бы как таковой – его развитие было бы полностью нарушено. Но, как мы с Вами видим, "про-крот" еще не "ушел под землю", он еще продолжает пользоваться своими глазами, поэтому изменения на таких ранних стадиях, в таких ранних генах никогда бы не зафиксировались отбором – они бы просто свели на нет жизнеспособность взрослого "про-крота". К наследованию возможны только происходящие шаг за шагом, небольшие, порой ничтожные изменения, и это не исключение для дегенеративных изменений. А к таким небольшим и ничтожным изменениям (точнее изменениям, приводящим к небольшим или ничтожным результатам) способны только относительно поздние стадии органогенеза. Разумеется, формирование глаза нарушается, но непременно сверху, путем нарушения самых последних его стадий. Дегенеративные изменения медленно (вообщем, с присущей эволюции скоростью) разрушают всю иерархию того или иного органогенеза сверху (это сравнимо с тем, если бы дом Вы разбирали с крыши), и столь же медленно охватывают нижележащие стадии в их порядке следования. Незатронутые основные стадии органогенеза по-прежнему работают в процессе развития, строя орган "снизу". Именно поэтому мы видим у зародышей нормальные зачатки тех или иных структур, ведь гены раннего развития этих зачатков не сохранили мутаций, и нормальный ход этих процессов не нарушился. Зубы кита присутствуют у зародыша именно вследствие неспешности этого дегенеративного процесса – нарушены, по-видимому, только конечные стадии прорезания этих зубов из челюстей, однако само формирование зуба осталось интактным, и поэтому зубы присутствуют у позднего эмбриона. Как Вы верно замечаете, "отчасти такие органы сохранились в силу наследственности и связаны с прежним состоянием".

Следуя такой логике, однако, можно задать вопрос: почему у того же кита, где не имеют никакого значения даже зачатки этих зубов, не нарушается генеральный план их образования? Почему этот признак остается консервативным из поколения в поколение? Казалось бы, отбор не препятствует накоплению мутаций даже в основных процессах формирования зубов, которые разрушили бы их до такой степени, что у зародыша мы бы не увидели и следа зубных зачатков. Как я уже говорил ранее, можно привести несколько доводов, почему рудиментарная структура консервативно проявляется у эмбриона. И здесь необходимо привести вторую тому причину.

Теоретически и вполне могло случится так, что у китов нарушились бы самые ранние стадии развития зуба – отбор бы не препятствовал этому – зубы не нужны ни эмбриону, ни взрослому киту ни в каком виде. То же самое я могу сказать и про приведенный Вами пример теленка, у которого никогда не прорезываются зубы верхней челюсти. Однако явственный консерватизм проявления зубов у зародыша заставляет нас признать, что что-то мешает этому дегенеративному процессу, заставляет ранний сценарий одонтогенеза сохраниться. Механизм отбора, действующего с момента появления жизни, и сама его логика говорит нам о том, что если у животного появляется или сохраняется какая-либо структура, то это обязательно имеет целесообразность – это нужно для выживания. Следовательно, одонтогенез или хотя бы его начальные стадии непременно необходимы для еще каких-то процессов развития, для генеза иных структур.

С другой стороны, в мире живой природы можно встретить несколько примеров и обратной ситуации, когда зародыши не обнаруживают ни малейшего следа структур, редуцированных у взрослого. Дегенеративные мутации затронули здесь настолько ранние этапы органогенеза, что не позволили сформироваться даже презумптивным зачаткам этих органов, не говоря уже о каких-то оформленных структурах. Так например, ситуация обстоит с развитием слепых пещерных рыбок родов Amblyopsis, Astynax, Aroptichthys. Отсутствие ненужных в условиях полной темноты глаз обеспечивается у них серьезнейшими нарушениями в работе самых ранних генетических систем образования органов зрения. Так, в их эволюционном развитии индукционное влияние мезодермы разошлось с приобретением эктодермой компетенции к нему – произошел сдвиг дифференцировок индуктивной и реактивной тканей и разобщение этих в норме строго сочетаемых процессов. Вследствие этого эктодерма не в состоянии принять сигнал от мезодермы к формированию хрусталиковых плакод. В этом случае не образуются даже зачатки органов зрения, и мы не видим ни малейшей подобной глазу структуры ни на одной из стадий эмбриогенеза. Видимо, развитие органов зрения у этих животных не связано с другими процессами и не оказывает влияний на дифференцировку и морфогенез остальных структур организма, и поэтому было полностью уничтожено в самом своем основании.

Однако такие примеры – исключительны. Индукционные взаимодействия в организме крайне распространены, и, во всех известных вариантах развития именно им принадлежит главенствующая роль в онтогенезе. Бесконечные циклы индукции и компетенции, влияния и реакции на это влияние захватывают все клетки зародыша, пересекаются между собой, влияют друг на друга, формируя неотъемлемую черту онтогенеза – его целостность, его окончательность от первой клетки до последней. Ни один процесс, ни одна система органов и ни одна генетическая система развития в данное время не изолирована от других. Поэтому вполне возможно, что программа развития зубов и ранние этапы этого развития влияют на работу каких-то других программ, ответственных за выполнение иных задач. Это может быть и правильная васкуляризация неба, и связанное с этим формирование миндалин и лимфатических узлов верхних отделов глотки; это может быть влияние на дифференцировку слюнных желез и их морфогенез – мне, к сожалению, не удалось найти достоверных данных об индукционной роли различных стадий одонтогенеза на другие процессы развития. Сомневаюсь, что такие данные вообще есть на сегодняшний момент ввиду сложности этих явлений и трудностей в экспериментальном подтверждении или опровержении наличия такой индукции.

Поэтому, мистер Дарвин, я могу только предполагать возможный механизм этого явления консервативности ранних стадий эмбриогенеза и органогенеза в эволюции. Но, собственно, этот вопрос теснейшим образом связан с главным эволюционным вопросом биологии развития – существованию биогенетического закона, рекапитуляции предковых форм. На нем я и собираюсь остановится в заключительной части моих рассуждений и обязательно вернусь к более подробной расшифровке механизма наследования эмбрионального состояния рудиментарных органов.

Об общих закономерностях развития. Рекапитуляция предковых форм.

Тысячи отмеченных случаев странного, но несомненного сходства эмбрионов одних видов со взрослыми формами (а более всего – с эмбрионами) других видов представляют собой проявление общего правила развития, пронизывающего своим постоянством все филогенетическое древо от корней, уходящих вглубь на миллионы лет, до самых окончаний листиков на его ветках. Невозможно предположить случайность такого сходства и считать его не заслуживающим внимания побочным эффектом. Я убежден, и, думаю, сэр Чарльз, Вы со мной согласитесь, в огромной значимости этих явлений для понимания, без преувеличения скажу, самой сути процесса развития. Ведь если такие "побочные эффекты" можно видеть практически на всех примерах эмбриогенеза каких бы то ни было живых организмов, то они неизменно должны быть следствием самых фундаментальных закономерностей, которыми характеризуется развитие. И разумно предполагать, что закономерности эти есть следствие общего для всех устройства генетических систем, контролирующих онтогенез. Даже немалое количество примеров, так или иначе выпадающих из общей закономерности, никогда не нарушают ее полностью и на других этапах эмбриогенеза только блестяще подтверждают ее. Но и эти исключения вряд ли являются нарушением в механизме, обеспечивающем явления рекапитуляций, но скорее сами являются результатам особых взаимодействий внутри него, специальными примерами работы систем генов, ответственных за развитие.

В настоящее время явления рекапитуляции предковых форм более не обсуждаются в научной литературе, и связанные с ними темы не так часто всплывают в ходе дисскуссий на научных собраниях. Вероятно, это связано с тем, что теории, пытающиеся объяснить их, так или иначе уже сложились (на рубеже XIX и XX веков) и какие-то поверхностно, а какие-то и совершенно убедительно дают объяснение филогенетическим эффектам эмбриогенеза. Какие-то механизмы в виде генов и их взаимодействий действительно найдены и показана их прямая роль; другие возможные объяснения предполагают реальное, по всей видимости, существование тех или иных генов с соответствующими функциями (так, далее я затрону тему реальности генов "времени", прямые мутации в которых могут сдвигать относительно друг друга целые фазы эмбриогенеза). Иные объяснения остаются до сих пор чисто теоретическими, безусловно возможными, но к сожалению не подтвержденными экспериментальными исследованиями. В ходе изложения в разумной краткости я попытаюсь изложить эти наиболее значимые умозаключения, которые были сделаны исследователями на этот счет.

Общая идея повторения зародышами отдельных этапов развития предковых форм была окончательно сформулирована Вашими современниками Ф. Мюллером и Э. Геккелем (за 10 лет до того, как Вы получите это письмо, в 1864 году) в виде так называемого основного биогенетического закона, как его начали называть немногим позднее. В действительности, в общих чертах он подытоживает выраженную Вами в "Происхождении видов" мысль о взаимосвязи онто- и филогенеза и те тезисы, которые выразил мой соотечественник К. Бэр ("закон эмбрионального сходства Бэра"). Правило, трактующееся как "онтогенез (эмбриогенез) есть краткое и быстрое повторение филогенеза", в настоящее время не встречает возражений, но значительно переосмыслена степень указанной рекапитуляции, которая имеет место в развитии организмов (так, сам Геккель считал этот закон куда более абсолютным, чем он есть на самом деле). Более детальными поздними исследованиями показан скорее общей, нежели нерушимый характер проявления этого закона, вместе с тем, однако, нисколько не умаляя его ценности для науки.

На чем основан механизм рекапитуляции? Я думаю, что в попытке ответа мы вновь должны рассмотреть все развитие как планомерное чередование иерархично следующих друг за другом стадий, в основе каждой из которых лежит активность определенной генетической системы – этой идеей мы не раз пользовались выше. В данном случае мои рассуждения, увы, не будут отличаться разнообразием.

Как я уже отмечал выше, эволюционный процесс не в столь значительной степени затрагивает ранние стадии индивидуального развития ("не самые ранние", как пишите Вы). "Положительные" мутационные изменения в них настолько редки, что почти не попадают под действие отбора. Действительно, возможно другие почтенные деятели науки со мной не согласятся, но по крайней мере мне сложно даже предположить, какие мутации в генах, ответственных за ранние стадии онтогенеза, могли привести к общему "улучшению" всего развития и отобраться к наследованию во взрослой форме животного. Все гены активных комплексов с этих стадий представляют собой регуляторные гены, а малейшие изменения в функционально необходимых районах их белковых продуктов приведет к существенным (и поэтому в большинстве своем – в будущем летальным). Таков, например, гомеодомен в регуляторных белках – крайне консервативная последовательность, ничтожно мало изменившаяся в эволюции – представляет собой участок специфической структуры "спираль-поворот-спираль", которая являет собой пример общего и для эу-, и прокариот способа взаимодействия белка с двойной спиралью. Это взаимодействие может приводить к разным результатам – ограничивать доступ к тем или иным промоторам, локально менять характер упаковки ДНК и "укрывать" от полимераз необходимые гены и т.п., но аминокислотная в гомеодомене и нуклеотидная в гомеобоксе последовательности носят ультраконсервативный характер – именно по причине важности этих участков генома. Более того, ультраконсервативен и порядок этих генов в кластерах, так как обеспечивает самую строгую последовательность их включения и действия – не случайно для гомеозисных генов характерно довольно редкое в молекулярной геномике свойство колинеарности. Даже для генов развития с поздних стадий онтогенеза этот принцип уже не имеет места – они могут быть расположены даже в разных хромосомах.

Аналогичные соображения можно привести и для близко следующих стадий эмбриогенеза, где основную роль принимают на себя процессы индукции и компетенции к ней, осуществляемые на молекулярном уровне через взаимодействие вещества-регулятора с белком-рецептором к нему. Нуклеотидные замены, вызванные мутациями, могут сильно повлиять на сродство регулятора к рецептору и преуменьшить, если вообще не свести на нет, их связывание.

В некотором смысле, сэр Чарльз, можно сравнить приводимые мною доводы с, например, строительством дома. Я думаю, что этот пример будет Вам в какой-то степени близок – насколько я знаю, новый дом в Дауне вам пришлось несколько перестроить в плане большего числа детских комнат после рождения очаровательной Мэри. Итак, строительство любого дома начинается с закладки прочного фундамента – без него решительно немыслимо любое строение. Этот фундамент является, так сказать, результатом усердного труда многих рабочих, одни из которых готовят раствор, другие же размечают землю согласно чертежам, а третьи роют сам котлован. Группа рабочих, специализирующихся на заливке фундамента, вряд ли так же хорошо может, скажем, положить добротную и непротекающую крышу позднее – во всяком случае, в момент закладки фундамента они думают только о самом фундаменте. Их можно сравнить с теми же генами – они специализируются на раннем этапе, закладывают основу развития (как, например, материнские гены), производя из окружающих аминокислот (песка, воды и цемента) строго необходимые белковые продукты (раствор) и столь же строго его размещая в пределах клеток данной стадии (заливка раствора в строго отмеренный по чертежу котлован). Представьте же теперь, что хотя бы один из рабочих перед началом дня выпил в пабе лишнего. Он вряд ли с тем же качеством выполнит свою работу – насыплет в раствор на унцию больше песка, чем этого требуют правила. От этого бетон станет только более хрупким. Иной же рабочий неверно вобьет колышек при рытье котлована – и одна сторона станет шире другой, пускай даже на дюйм. А третий неверно зальет раствор – уровень дома станет ниже, даже на тот самый дюйм. Это отражает ошибки в работе указанных генов – из-за всего одной мутации, но в важном регионе, они неверным образом выполнят свою функцию.

Представьте же теперь, когда дом будет завершен (если и вовсе будет), как он сможет противостоять влажному английскому климату, редким, но разрушительным ураганам в Восточной Англии или просто самому времени? Малейший наклон фундамента из-за неправильной его заливки рано или поздно вызовет съезжание всего строения на один бок – скорее всего, это приведет к обрушению стен из-за постоянной нагрузки собственного веса дома на одну сторону. Если же одна стена будет длиннее другой (ошибка землемера), то вы никогда не сможете состыковать соседние стены – вам рано или поздно не хватит кирпича, скажем, даже 1/16 его части. Кроме того, вы не сможете нужным образом уложить деревянный пол – в нем будет ужасная дырка. Но вы будете абсолютно не готовы к такой неприятности - ведь вы купили ровно столько кирпича, сколько требовал план, и ни единым больше, и точно столько дощечек для паркета, сколько было необходимо для всего пола, но ни одной запасной. Если же ошибся рабочий, приготавливавший раствор, то бетон фундамента станет более хрупким, и дом может не выдержать влажности сырой почвы графства Кент, и случится оползень всего здания.

Как видите, даже малейшие изменения на ранних стадиях будь то строительства дома, изготовления лекарства аптекарем или, в нашем случае, онтогенеза в ранних генах, затрагивающих развитие, может привести к колоссальным нарушениям всего процесса. Кроме сказанного нужно еще учесть то, что вы не раз подчеркивали в книге – "в каком бы возрасте вариация не появилась впервые у родителей, она склонна появится вновь в соответствующем возрасте и у потомства". Это отражает свойство гена – он активен в строго определенное время (и в строго определенном месте в дополнении к тому). Грандиозную роль это обстоятельство играет именно для генов развития, которые и выделены в класс генов, ответственных за онтогенез, именно на основе указанного свойства – дифференциальной активности, как по пространству (ткани), так и по времени. Я позволю себе привести мою любимую фразу вашего соотечественника Дж. Гердона, который приобретет известность на поприще клонирования через 85 лет после прочтения Вами этого письма. Рассуждая про общие закономерности работы генов при детерминации и дифференцировке, по аналогии с известным библейским напутствием "Faith, Hope and Charity" он предложил фразу "Time, Space and Concentration" – три "столпа", три определяющих развитие фактора. Но, возвращаясь к филогенетическим особенностям развития, мы не должны забывать, что в большинстве своем отбору подвергаются взрослые особи, которые смогут реализовать все сформированные в завершенном онтогенезе преимущества (вы пишите "…Каково бы ни было влияние положительного употребления или неупотребления на модификацию конечностей, предпочтительно или исключительно оно должно сказаться только в совершенно взрослом состоянии, когда организм будет пользоваться всеми своими силами для поддержания своего существования…"). Никто не скажет, что есть какая-то конкуренция, например, между яйцами кукушки, нахально подложенными ею в гнездо, и собственными яйцами, положим, камышевки. Птенец кукушки может вытолкнуть почти все оставшиеся яйца из гнезда, но только после того, как вылупится из него сам. Даже если бы такой фактор, как окраска яиц в гнезде, имел бы значение (например, мимикрия одних яиц под другие), то мы должны были бы вспомнить, что окраска скорлупы формируется во время прохождения оплодотворенного яйца по яйцеводу матери продуктами генов специальных, далеко ушедших от эмбриональных клеток яйцевода, но отнюдь не пигментами, производимыми самим яйцом. Принимая все это во внимание предположить эффект мутации в ранних генах развития, который бы положительно сказался на фенотипе относительно взрослого животного, становится еще трудней. Принципиально это возможно, но чрезвычайная редкость этого события, как видно, способна в итоге придать всему развитию характер рекапитуляции.

Итак, сценарии ранних стадий онтогенеза наследуются потомками в практически неизмененном состоянии, что мы и видим в проявлении сходства зародышей между даже эволюционно отдаленными организмами. Встает, однако, вопрос: почему зародыши, но не взрослые формы животных, напоминают в своем строении взрослое состояние предковых форм? Его можно задать и в иной форме: каким образом происходило изменение фаз онтогенеза в эволюционном процессе?

В оригинальной трактовке биогенетического закона Геккель был убежден в том, что эволюция идет путем надстроек к позднейшим стадиям развития. Действительно, не противоречит нашей логике то, что раз наибольшие отличия между собой проявляют взрослые формы, т.е. последствия завершившегося онтогенеза, то суть этих отличий – в позднейших стадиях индивидуального развития, которые значительно видоизменены или даже возникли вновь, надстроились к старым, более консервативным. Однако необходимо отметить, что в живой природе можно встретить довольно большое количество отклонений от того варианта, который имел бы место при единственно возможном механизме модификации онтогенеза исключительно через надстройки. Вы и сами, сэр Чарльз, приводите яркий тому пример: "…птенцы короткоклювого турмана отличаются от птенцов дикого скалистого голубя и других пород настолько же, насколько разнятся между собой взрослые птицы". Следовательно, нам надлежит задуматься – является ли путь надстроек единственным способом модификации индивидуального развития, или в исторической перспективе нередки случаи подхватывания отбором изменений и на других его стадиях?

В 1912 году А.Н. Северцов предложит понятие "филэмбриогенезов" – наследственно закрепившихся мутационных изменений на различных стадиях эмбриогенеза, которые не подчиняются основному закону. Путем изменения в основном на них шла эволюция тех или иных структур организма. Надставки, по Северцову, называются "анаболиями. К ним, например, относят групповые особенности дифференцировки мышц, распределения кровеносных сосудов на поздних стадиях васкуляризации и т.п. Примеров анаболий – крайне много и подавляющее большинство, так как вероятность анаболий – наивысшая. Анаболии могут и не только служить надстройками общего онтогенеза, но и разрушать ход последних его стадий – так называемые отрицательные анаболии, или аббревиации. Несомненно они подчиняются той же логике поведения в филогенезе.

Вторая градация филэмбриогенезов – девиации: изменения на средних стадиях онтогенеза. Останавливаться подробно на них нет смысла, поскольку в известной мере такое деление условно для реального течения процесса, но может быть удобным для ссылок на те или иные этапы развития в научной литературе. Наконец, самые фундаментальные изменения онтогенеза – архаллаксисы – происходят на ранних этапах развития организма. Они, логично думать, являются самыми редкими. С учетом вышесказанного кажется странным, что они вообще имеют место в процессе развития, однако с учетом грандиозного количества лет, где мутации и силы отбора действуют на организм каждый год и каждый день, практически такие преобразования вполне возможны. Архаллаксисы оказывают гигантское значение на все развитие именно по причине своего фундаментального положения в его основании – так, по-видимому, изменилось количество закладок мезодермы (сегментарно) у предков змей, выразившееся в увеличении числа их позвонков. Иной пример – волосяной покров млекопитающих или превращение двудольных растений в однодольные.

Нет, я считаю, большого прока от описания всего множества примеров филэмбриогенезов, сэр Чарльз. Я думаю, что Вы согласитесь с этим - мы должны лишь вынести несколько важных принципов из всего этого количества, которые помогут ответить на более сложные и неочевидные вопросы в дальнейшем. Позволю себе привести эти два общих соображения:

а) Основной путь эволюционных преобразований, касающихся онтогенеза – более вероятные изменения путем надстроек к конечным стадиями развития; этим объясняется подавляющее число примеров развития, которые так или иначе подчиняются основному биогенетическому закону;

б) Чем более глубокие системы генов развития затрагивает та или иная мутация(и), тем ниже ее шанс к наследованию. Такие изменения редки и являют собой случаи несоответствия хода эмбриогенеза общей закономерности, описываемой основным законом (Геккель дал им название "ценогенезов");

Становится теперь более ясным ответ на вопрос о том, почему в эмбриогенезе рекапитулируется взрослая форма предкового животного. Вообще говоря, повторение морфологии именно взрослой формы предка эмбрионом потомка – случай значительно большей редкости, чем если бы мы говорили о сходстве зародышей этих двух организмов. В действительности, К. Бэр выразил это обстоятельство в одном из своих тезисов к закону эмбрионального сходства:

"По существу, зародыш высшей животной формы никогда не бывает похож на другую животную форму, но лишь на ее зародыш". Это воистину так, и еще больше описывает наблюдаемую ситуацию, но закон Геккеля-Мюллера подразумевает сходство и со взрослой формой возможного предка. Ответ на заданный вопрос в этом случае простой – потому что эволюция по отношению к индивидуальному развитию идет по механизму надстроек, и поэтому наблюдаемая стадия эмбриогенеза у данного вида была, по всей видимости, взрослой (или, по крайней мере, одной из самых конечных) стадией у предковой формы этого же вида.

Именно в этом принципе гигантская ценность биогенетического закона – наряду с палеонтологическим доказательством эволюции, морфологическим данным данные сравнительной эмбриологии являются также одним из основных подтверждений эволюционной теории. Анализируя очень раннюю, так сказать, гомологию на зародышевых стадиях мы в большинстве случаев можем провести прямые линии к возможным предкам данного вида организмов, опровергнуть или подтвердить его родственность к другим видам. Скажем, при грандиозном отличии двух морских форм их личинки являются почти копиями друг друга – в этом случае мы можем не сомневаться в общности их происхождения. Не думаю, что нужно вновь показывать важность эмбриологических данных - Вы, мистер Дарвин, уже дали превосходные примеры и оценки таким фактам. Позволю привести несколько строк из вашего оригинального труда:

"….можно считать вероятным, что эти животные (птицы, рыбы и рептилии – мое прим.) представляют собой модифицированных потомков общего древнего предка, который во взрослом состоянии имел жабры, плавательный пузырь, две пары конечностей в виде плавников и длинный хвост – приспособления к водному образу жизни.

….Если две или более группы животных, как бы сильно они не различались по строению и образу жизни во взрослом состоянии, проходят близко сходные стадии эмбрионального развития, мы можем быть уверены в их происхождении от общей прародительской формы и, следовательно, в их близком родстве. Таким образом, общность строения зародыша связана с общностью происхождения…"

В высшей мере соглашаюсь с этими глубокими по смыслу и значению утверждениями.

Однако, сэр Чарльз, мне хотелось бы указать на те ошибки естествоиспытателей, которые они совершали не в столь отдаленном прошлом и которые довольно легко позволить себе сделать сейчас. Как не следует фанатично предаваться одному делу, забывая обо всех остальных, так нельзя следовать и одному закону, закрывая глаза на факты, немногочисленные, но истинно существующие, ему противоречащие. Сказанное – не исключение и для основного биогенетического закона. Несоблюдение его в отдельных случаях может быть объяснено следующими причинами:

а.) Как я указывал ранее, закон Геккеля-Мюллера базируется в основном на механизме надстроек к поздним стадиям, в то время как явления девиаций, а тем более архаллаксисов могут значительно нарушить его проявление;

б.) В случае крайних форм специализации (в сущности, те же филэмбриогенезы) избранные эмбриональные стадии могут измениться до крайней неузнаваемости так, что мы с трудом сможем провести верные филогенетические нити к предковым формам. Самым лучшим примером здесь, мистер Дарвин, будет Ваш пример относительно личиночных и куколочных стадий насекомых. Несомненно, вопрос об их эволюционном возникновении у насекомых крайне сложен. Вполне возможно, что они действительно возникли путем адаптации и не являются эмбриональными гомологами, хуже сказать, повторениями взрослых форм их предков. Так, вполне уместен вариант уменьшения трофической конкуренции за счет разной пищевой специализации личинки и имагинальной формы. Кроме того, личинки каждого возраста ведут очень специфический образ жизни – одни, например, вовсе не могут питаться и нацелены на расселение, другие же, напротив, едят очень много и могут стать настоящей головной болью для фермера. Так или иначе, такой вариант разделения по способу существования может быть в известной степени разумным, так как конкуренция различных развивающихся форм насекомого минимальна. Поэтому мы можем ложно представить себе предковые формы насекомых, если примем биогенетический закон как неукоснительно соблюдающийся в эволюции.

Однако достаточное количество примеров отклонения от закона зародышевого сходства все же может обнаруживать признаки рекапитуляции, но не в том ее качестве регулярности и отчетливости. Так, возникновение полного превращения у насекомых, как я показал выше, может быть объяснено как вторичное приобретение в эволюции (аналогичные преобразования, очень похожие на более ранние формы развития с метаморфозом, могут по иронии являть собой тот же пример принятия истинно аналогичных признаков за гомологичные). Но не менее жизнеспособна и иная гипотеза – с учетом наличия полного превращения у более древних организмов вполне возможна "гомологичная", предок-потомковая связь этой же формы развития у насекомых. Известна общая эволюционная тенденция онтогенеза к эмбрионизации –обобщение всех наблюдаемых фактов в исторической перспективе. Изначально в развитии живых существ присутствовал метаморфоз. Затем продукция желтка компетентной к этому тканью возросла (мутации такого рода также нельзя исключить – вполне возможно, путем дупликаций соответствующих генов). Все процессы развития стали склоняться к переходу под яйцевые оболочки и обездвиживанию личиночных форм. Активные стадии превратились в одни из стадий эмбрионального развития, из которого выпали ненужные более этапы. Таким образом, вполне возможно, что у насекомых произошла такая своеобразная реверсия к старому плану развития с метаморфозом – в действительности наверняка вся генетическая основа полного превращения была сохранена (скажем, в виде мутантных аллелей или другим возможным способом), и эволюция онтогенеза произошла из-за изменения чередования каких-либо его стадий, реактивации указанных генов и т.п. (о чем я буду ниже в зкалючительном вопросе об эволюции самого онтогенеза). Возможно, это индуцировалось потерей желтка – отбор счел поэтапную реверсию более "благоприятным" направлением изменений, покрывающим недостатки уменьшенного количества желтка. Именно на такой возможности построена теория Берлизе-Ежикова о возникновении Holometabola.

Крайне интересен другой вопрос – если весь отдельно взятый эмбриогенез повторяет некогда существовавшие (предковые) взрослые формы организмов, то с учетом исключений из биогенетического закона стоит ли искать реально существующие такие формы организмов, как хордея (первые стадии после завершения нейруляции), гастрея (организм, соответствующий гаструле), бластея (бластуле), морея (моруле), цитея (одной клетке), к которым рекапитулируют все их потомки? Такие безусловно красивые названия этим возможным существам дал Геккель, но существовали ли они когда-нибудь в предполагаемом качестве взрослых форм? Я думаю, сэр Чарльз, есть несомненно определенный смысл в этих догадках. Первая истинно многоклеточная форма организмов очень похожа на гастрею в ее представлении. Аналогично бластея может соответствовать, скажем, однородному шару Volvox. Несомненно смело и красиво представлять себе такие рекапитуляции, но мы не должны забывать о том, что имеем дело с двумя одинаковыми по смыслу процессами – развитие из простого сложного при эмбриогенезе, и то же развитие из простого сложного при филогенезе, но в миллиарды раз медленнее. Не может ли быть между ними только такого, диалектического сходства? Почему обязательно думать, что эти процессы связаны между собой? Вполне возможен вариант, что нет. Не думаю, например, что в настоящее время Volvox считается предковой для всех многоклеточных существ формой. Гаструла с ее тремя зародышевыми листками (а первоначально – и вовсе двумя) вполне может быть очертаниями гастреи – первоначально колониального, а потом и окончательно многоклеточного организма (Геккель назвал описанную впервые Ковалевским гаструлу "кишечной личинкой" за ее удивительно точное сходство с зародышевой формой кишечнополостных). Но не стоит забывать не менее убедительную теорию фагоцителлы, как другого, но очень сходного возможного пути образования многоклеточности. В то же время Кишечнополостные крайне напоминают саму гаструлу и процессы ее появления. Личинки известковых губок даже называются по названию той эмриональной стадии позвоночных, на которую они похожи – амфибластулы.

Рассуждать о единственности и точности той или иной теории многоклеточности и самого раннего эмбриогенеза как повторения стадий ее (многоклеточности) развития – весьма опасное занятие. Чем глубже та или иная историческая эпоха организмов, тем более она скрыта от нас туманом лет, порой настолько густым, что мы не можем рассеять его никаким ярким светом знания. Все, что остается нам – это лишь пытаться угадать дорогу и робко сделать первый шаг. Я думаю, что в подобных вопросах эволюции мы были и остаемся похожими на того же путника – все больше и больше в наших утверждениях возникает неуверенности, все больше догадок и вопросов. Вследствие показанных еще Вами, и в какой-то мере подытоженных мною погрешностей в соблюдении закона Геккеля-Мюллера им нельзя пользоваться как путеводным фонарем. В одних случаях он светит так ярко и далеко, что мы за десятки миль можем сказать то, что видим, и даже догадаться о том, что недоступно нашему взору. В иных же случаях в сыром тумане фонарь гаснет, а таинственная мгла не расступается ни на метр. Даже если бы логика биогенетического закона была бы безоговорочно применима в вопросе гастреи или фагоцителлы, то тогда мы должны были бы учесть, что такие стадии онтогенеза являются самими старыми в процессе эволюции многоклеточного существа до, скажем, млекопитающих, и прошли наибольшее эволюционное время. И раз мы видели на примере змеи, что в ее развитии произошел крупный архаллаксис за не столь большой промежуток времени в эволюции предковых форм рептилий, то мы должны признать, что за такое колоссальное время произошедшие изменения вполне могли захватить самые ранние стадии эмбрионального развития, причем не один и не два раза. Например, ход гаструляции – самого что ни на есть основного процесса развития – весьма различен среди разных групп живых существ. У одних механизмом гаструляции является инвагинация, у других не менее распространена иммиграция; наконец, существуют и совсем иные способы образования гаструлы – эпиболия (пролиферативная активность верхнего пласта клеток и обрастание бластульного шара), инволюция, деламинация (расслоение). Такие кардинально разные механизмы гаструляции не обнаруживают явной преемственности между собой, словно возникли каждый сам по себе. В то же время, однако, есть факт того, что в бластулах амфибий в начале гаструляции происходит явление, которое носит название "invagination attempt" – "попытка инвагинации". Она не приводит ни к каким значительным последствиям в раннем развитии эмбриона, но стойко происходит при каждой гаструляции у зародышей земноводных (механизм, приводящий к нормальной гаструле амфибий – эпиболия). Возможно, это рекапитуляция гаструляции ланцетника (равно как беззубки, морского ежа и др.)? Красивая теория, имеющая право на жизнь. Но в то же время, однако, единственный существующий вид Coelacanthiformes – латимерия – обнаруживает в своем эмбриональном развитии гаструляцию по типу инволюции. Но земноводные, вероятно, произошли от древних кистеперых, а в то же время архаллаксис структуры гаструлы в не столь многочисленной группе Кистеперых рыб – событие маловероятное. Тогда как можно трактовать реверсию механизма гаструляции амфибий к древним хордовым?

Столь же разнообразна по своему осуществлению нейруляция – не менее важный процесс, не отличающийся особой преемственностью стадий и рекапитуляцией ранних сценариев. Как объяснить все ее варианты? Как видите, сэр Чарльз, вопросов больше, чем ответов. Не думаю, что в ближайшем будущем ученый мир получит на них убедительные ответы.

Эволюционные перестройки индивидуального развития. Эволюция онтогенеза как самостоятельного процесса.

В заключительной части своего письма я позволю себе коснуться современного взгляда на интереснейшую проблему биологии развития: как сам по себе эволюционирует онтогенез? Каковы способы такой эволюции?

Я думаю, что дать ответ на эти вопросы может следование вновь тем же представлениям об индивидуальном развитии. Но говоря об эволюционных изменениях, которые касаются эмбриогенеза, мы, я думаю, должны большее внимание уделить проблеме взаимодействия и преемственности его этапов – насколько, положим, вариабелен порядок смены друг другом генетических систем при их работе? Возможно ли замещение одних этапов на другие или вовсе выпадение каких-либо стадий?

Неоднократно в своих рассуждениях я пытался сравнить эмбриогенез с театральной постановкой, спектаклем. Мне думается, такое метафорическое сравнение оправдает свою смелость – ведь иногда научные истины приходят к исследователю из повседневной жизни. Наблюдая за ее неспешным или порой стремительным течением, за явлениями в природе мы можем случайно увидеть в них именно такое, аллегорическое и изысканное повторение тех сложных процессов, которые происходят, например, в атомах, молекулах, живых организмах или, наконец, самой Вселенной. Аналогии с более обыденными и знакомыми явлениями могут помочь лучше понять таинственный предмет наших научных поисков, а нередко и внезапно дать ответ к неподступным прежде вопросам. История знает не мало таких примеров.

В марте 2006 года я имел честь присутствовать на двух замечательных лекциях профессора Джона Гердона (я упоминал о нем выше), которые его пригласили прочесть в Берклеевском Университете. Я с большим уважением отношусь к этому исследователю и как к блестящему ученому, и как к интеллигентному и порядочному человеку, и всегда стараюсь внимательно слушать его интереснейшие беседы о той или иной проблеме в области эмбриологии, а сейчас и регенеративной медицины и клонирования, "крестным отцом" которого его иногда иронично называют. Мне запомнился один из примеров как раз такого обращения к знакомым любому человеку природным явлениям в объяснении сложных биологических процессов, протекающих при детерминации и дифференцировке клеток. Привожу этот пример я еще и потому, что далее он понадобится нам для ответа на вопрос о возможных преобразованиях стадий эмбриогенеза. Так, во взаимодействии индуктора с реактором крайне важен объем ("volume") индуцирующей ткани и то, насколько направлен и велик поток вещества-индуктора через клеточный материал. Понять эти мудреные особенности индукционного процесса, давая только сухие научные объяснения, довольно трудно (я подозреваю, сэр Чарльз, что и Вы не все поняли из этой части моего изложения). Однако можно обратится к двум показательным и красивым примерам из природы. Вы, я уверен, слышали или, возможно, даже видели собственными глазами великолепное зрелище мощного водопада Victoria Falls – настолько грандиозно и завораживающе это зрелище. Но если обратить внимание на характер потока воды в нем, то можно заметить, что на вершине горы имеется только небольшое русло, по которому текут и сбрасываются со значительной высоты водопада большие объемы воды. Колоссальное и захватывающее зрелище.

В то же время есть и другой не менее величественный водопад - Iguasu Falls. Я думаю, что его Вы точно могли видеть, ведь Вы путешествовали по Южной Америке – вероятно, ваш маршрут пролегал по границе современного Парагвая, Уругвая и, я думаю, Бразилии, где и находится это подлинное чудо природы. Он отличается тем, что целая река во всей ее широте низвергается с огромной высоты. Иными словами, Iguasu Falls – это скорее целая система водопадов, где масса воды сливается очень широким фронтом с почтительной высоты. Если сравнивать эти два великолепных водопада между собой, то становится ясным, что при их практически одинаковой высоте именно объем сбрасываемой воды будет крайне различным. В действительности, именно "объем" индуктора и "объем" производимого им индуцирующего вещества играет самую большую роль в процессах эмбриональной индукции. Скорость потока вещества-индуктора через ткань или какие-то иные параметры абсолютно не влияют на сам индукционный процесс. Именно поэтому в подобном библейскому выражении "Time, Space and Concentration" наиглавнейшим является именно "concentration", отражающая удивительную особенность всех веществ-индукторов – одни и те же молекулы при различных концентрациях оказывают принципиально разный эффект на компетентную ткань.

Вернемся к эмбриональному развитию. Действительно, его и вправду можно уподобить спектаклю, где гены – это актеры, каждый этап эмбриогенеза – это отдельный акт постановки (со всеми играющими в нем персонажами), а качественное исполнение пьесы (строгое следование роли) актерами в конце спектакля позволяет зрителю сложить полное впечатление о самом произведении (сформировать нормальный взрослый организм в конце развития). Становится понятным важность правильного чередования актов пьесы, реплик актеров и действий – если бы точные инструкции отсутствовали (не было бы сценария), то весь процесс – будь то постановка или онтогенез – превратился бы в ужасный сумбур, что, конечно, было бы фатально как для организма, так и для актерской трупы. Как после такого безобразия актеров бы, скорее всего, выгнали из театра, так и генотип (такое его состояние) в данном организме был бы отброшен отбором и не допущен к дальнейшему наследованию.

В настоящее время онтогенез рассматривается как самая целостная система. Ни на одной стадии, как говорил профессор Шмальгаузен, организм не есть мозаика изолированных частей. Это имеет место быть при, прошу прощения за повтор, "мозаичном" типе развития яйца, но только в силу крайней степени автоматичности работы генетических систем – они настолько точно выполняют свои задачи в каждом бластомере, нет нужды в сверяющем эти отдельные процессы взаимодействии между ними. Однако стоит сказать, что и такая автоматия, приводящая к мозаицизму, характерна лишь для самых ранних стадий развития – как я уже говорил, во всех известных примерах онтогенеза главную роль вскоре принимают на себя индукционные взаимодействия.

Так или иначе, именно в интеграции и соподчинении частей проявляется целостность всего индивидуального развития. Силы, движущие онтогенезом – это результаты постоянного взаимодействия дифференцирующихся частей, появления нового и вновь включения его в систему связей, и так до самого конца. Ясно, что соблюдение сценария развития – порядка действия генетических систем в эмбриогенезе – является здесь совершенно необходимым условиям.

Но, предположим, один из актеров при исполнении пьесы более эмоционально произнес одну из выразительных фраз в своем монологе. Такая уместная экспрессия персонажа только положительно сказалась бы на общем впечатлении от спектакля по его окончании, и зрители одобрят его и с удовольствием, возможно, придут на постановку еще раз. Аналогично этому отбор сохранит благоприятные изменения в работе гена в онтогенезе, и они смогут перейти в следующее поколение. Пример по моему мнению, очень показателен и хорош еще тем, что как спектакль оценивается зрителями только целиком, после его окончания, так и онтогенез представляется отбору по его итогу, по особенностям взрослой особи. Иными словами, онтогенез всегда эволюционирует как целое, ибо как у целого оцениваются его последствия.

Вечер за вечером представляется публике все тот же спектакль (как Вы знаете, "Отелло" Шекспира идет в Статфордском "Глобусе" с момента написания самой пьесы уже в течение многих десятков лет), описанным образом оттачивается и его исполнение – в нужных местах репликам прибавлена интонация, а в других диалогах разговор идет полушепотом. Однако если актеры много сотен раз играют ту же самую пьесу, то исполнение за исполнением могут измениться многие ее особенности. Так, существенно может измениться продолжительность всей постановки – она может стать короче или длиннее. Более того, основываясь в своих действиях на мнении публики о спектакле, актеры постепенно могут и изменить порядок следования отдельных эпизодов в произведении - если каждый маленький сдвиг реплики будет благотворно сказываться на общем впечатлении зрителя. Так, по прошествии многих-многих театральных вечеров изначальный сценарий пьесы может значительно измениться – так сказать, адаптироваться к театру, стать именно таким, как лучше его воспринимает зритель. Не так вероятно, но возможно и то, что местами могут быть заменены целые акты пьесы – разумеется, и такие масштабные изменения будут происходить поэтапно. Вполне возможно, актеры и сами не заметят этого, но по прошествии сотен выступлений заглянув в сценарий они увидят, что нынешнее исполнение произведения существенно отличается от самой первой их игры.

Вы, сэр Чарльз, наверное уже догадались, к чему я клоню своими, может быть, излишне дотошными и подробными описаниями театральной постановки. В действительности, это и вправду крайне напоминает эволюционные преобразования в индивидуальном развитии. Почти каждое предложение, сказанное мною о театре, можно с легкостью аппроксимировать и на онтогенез, стоит лишь представить актеров в виде генов, акты пьесы в виде этапов развития, а зрителей – в виде действующих сил отбора, которые оценивают результат онтогенеза и то, к чему он приведет после своего завершения. Именно поэтому мне нет нужды описывать все возможные эволюционные преобразования онтогенеза сухими терминами из фундаментальных трудов известных ученых – в сущности, они все уже были описаны мною выше в виде модификаций изначального плана спектакля. Изменения в том числе чередования актов пьесы – это примеры архаллаксисов – событий маловероятных, но все же возможных. Так же дело обстоит с девиациями и анаболиями. Конечно, есть некоторая разница в этих примерах – анаболии, например, осуществляются путем надстроек, не столь значимыми изменениями на любых стадиях онтогенеза. В то же время актеры могут изменить произношение реплики на любом этапе спектакля. Вероятно, причина отличий в том, что театральная постановка не является чем-то очень усложняющимся по своему ходу исполнения – играть начало спектакля и играть финальные сцены может быть одинаково сложно – в отличие от онтогенеза, который идет по пути усложнения. Однако несмотря на такие различия, я думаю, что теперь будет значительно легче понять механизмы перестройки и эволюционирования развития как самостоятельного процесса.

Довольно сложна и замысловата теория этих возможных перестроек и их путей, и за время бурного развития эмбриологии и биологии онтогенеза таких представлений сформировалось крайне много. Я думаю, сэр Чарльз, что рассмотрение их всех займет крайне много времени, да и вряд ли это нужно в этом письме. Я попытаюсь изложить лишь два, как мне кажется, наиболее существенных механизма преобразования индивидуального развития в эволюции.

Гетерохрония.

Первый довольно распространенный механизм преобразований онтогенеза Вы, мистер Дарвин, приводите сами. Позволю себе процитировать несколько строк из главы "Происхождения видов": "…У некоторых животных последовательные вариации могут наступать в очень раннем периоде или эти ступени могут передаваться по наследству в более раннем возрасте, чем появились впервые….В этом случае естественный отбор благоприятствовал бы постепенному приобретению взрослых черт во все более раннем периоде, и в конце концов все следы прежнего метаморфоза были бы утрачены…".

По-видимому, речь идет о "гетерохронии" – изменении темпов эмбриогенеза различных органов и их систем. Многими исследователями гетерохрония считается мощнейшим механизмом и самой главной движущей силой эволюционных изменений в онтогенезе. После убедительного подтверждения крайней распространенности гетерохронии в мире живых организмов ее даже стали считать основным способом эволюционирования развития, отставляя рекапитуляции и анаболии на задний план. Не думаю, что стоит следовать такому направлению мысли и преувеличивать значение гетерохронии, но несомненно она имеет значение. Я постараюсь не описывать детально этот механизм, но коснуться здесь наиболее интересного вопроса, который я упоминал выше – существуют ли гены скорости, функцией которых является регулирование времени, которое отпущено на ту или иную стадию индивидуального развития?

В самом деле, существование таких генов довольно вероятно. По всей видимости, на основе концентраций отдельных биохимических продуктов (например, концентрации индуктора в какой-либо ткани и т.п.) они оценивают каждый этап онтогенеза в отдельных его точках (проверочных, критических). В зависимости от положения дел через определенные молекулярные механизмы они принимают решение о продлении либо, напротив, ускорении идущей стадии. Таким образом, довольно банален вывод о том, что гены времени – это типичный пример регуляторных генов онтогенеза. Их, вероятно, стоит отнести даже к так называемым "генам-господам", как предложил назвать гены с колоссальным значением в развитии шведский биолог Ян Эдстрем. Действительно, эволюционный процесс над онтогенезом может привести к изменению хода развития просто путем изменения сроков наступления тех или иных событий. Уместным здесь будет привести фразу профессора Гексли относительно работы генов скорости:

"«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".

Как видите, сэр Чарльз, с помощью гетерохроний можно объяснить и рекапитуляционный эффект, который прежде объяснялся лишь механизмом анаболий. В самом деле, в живой природе крайне распространены как акселерации – например, сдвиги на ранние стадии онтогенеза эмбриональных закладок сердца, головного мозга, глаз и т.п. – так и редартации – например, более поздний эмбриогенез кишечника и половой системы. По-видимому, приведенные примеры акселерации связаны с тем, что отбор налагает ограничения на общую продолжительность онтогенеза. Ведь он должен быть сочетаем с определенными природными условиями (температурным режимом и др. факторами), но даже и при значительной эмбрионизации развития и приобретения относительной независимости хода онтогенеза от внешних условий ограничения могут касаться количества питательных веществ, которые должны поступать от матери к плоду и т.п. Поэтому закладка более сложных систем органов (которые, поверхностно выражаясь, прогрессировали у потомков) была начата более рано, чтобы полностью завершиться при сохранении прежних сроков всего развития.

Большое эволюционное значение имеет синхронизация процессов полового созревания и завершения развития, так сказать, соматической части организма. Разумно предположить, и это подтверждается большим количеством примеров, что гетерохрония могла затронуть взаимодействие этих двух процессов. Стоит сказать, что вызываемые перемещением полового созревания на более поздние/ ранние этапы онтогенеза явления неотении, педоморфоза, фетализации и др. были изучены первыми в свете построения теории гетерохроний. Каков эволюционный эффект таких изменений – скажем, неотении? Вероятно, неотения может возникнуть в ситуациях, когда неотеническая особь получает возможность избежать перехода в суровую и неустойчивую среду, в которой должен обитать взрослый организм, и остаться в более мягкой и стабильной среде (с соответствующими морфологическими приспособлениями), где обитают личинки. Типичным примером сказанного служат личинки амфибий – у некоторых групп хвостатых амфибий (например, мексиканский аксолотль шутливо вовсе называют "рабочей лошадкой" неотении) в процессе эволюции возникли взрослые неотенические взрослые формы, продолжающие жить в воде.

Другим примером того, как механизмом гетерохронии можно значительно преобразовать взрослое состояние организма, не затрагивая самой генетической основы того или иного органогенеза, а лишь смещая время ее активности, является, например, неотения нелетающих птиц (это часто обитатели островов, на которых нет хищных и опасных для самих птиц видов животных). Морфо-анатомическая основа полета очень сложна, и онтогенез предназначенных для этого структур сложен и требователен в ресурсах. При отсутствии явной необходимости к полету быстрая утрата способности летать возможна путем сдвигания основных этапов формирования приспособлений к полету (морфогенез грудины, развитых грудных мышц) на более поздние этапы онтогенеза и задержка их там. Так это имеет место быть, к примеру, у пастушковых. В действительности, если бы задержка развития грудины происходила после сдвигания ее на ранние стадии (еще яйцевого развития), то это бы катастрофически сказалось на эмбриогенезе всего скелета и соматической мускулатуры - и было бы летальным. В случае пастушковых приобретение описанной неотении (которое, возможно, могло происходить несколько раз) удивительно хорошо решает все "проблемы".

В дополнение к вышесказанному хочу отметить, что существует любопытная теория, согласно которой неотения у общественных животных могла значительно повысить стабильность таких обществ. У общественных животных общественное положение той или иной особи сильно зависит от ее способности размножаться и особенностей полового развития (вторичные половые признаки и т.п.). Возможно, такие механизмы имеют место быть среди приматов или даже человека, когда половозрелый период (согласно которому идет стратификация в обществе) наступает раньше, чем организм полностью заканчивает свое развитие.

Модификации уже сложившегося плана строения. Диссоциабельность.

Ранее я уже говорил о том, что процесс онтогенеза предъявляется на проверку отбором как единое целое, где по завершению всего развития испытываются, можно сказать, жизненные способности особи. Не удивительно поэтому, что работа генетических систем в эмбриогенезе строгим образом скоординирована. В настоящее время все же нет ясного представления о механизмах такой координации. Возможно, немалую роль играют, как я уже отмечал выше, гены времени, проверяющие продолжительность тех или иных стадий развития. Существуют и специальные системы контроля работы гомеозисных генов (polycomb-ингибирующая система, trithorax-модулирующая система и др.). За счет сложных взаимодействий разные процессы развития собираются воедино и обусловливают его целостность.

Однако целостность онтогенеза – вопрос, далекий от окончательного решения. Крупным достижением экспериментальной эмбриологии явилось открытие феномена диссоциабельности – возможности экспериментального разобщения процессов морфогенеза какого-либо органа и дифференцировки клеток, его составляющих. В действительности, ранее считалось, что эти два процесса обусловливают друг друга и неразрывно связаны. Тем не менее, экспериментальная база исследований диссоциабельности очень широка; более того, диссоциабельность может быть столь же важным механизмом эволюционных преобразований индивидуального развития. В самом кратком виде я попытаюсь представить эту проблему.

Сама идея о диссоциабельности возникла еще в конце XIX века, но отсутствие должной инструментальной базы не позволяло проверить смелые предположения. В 1933 году Нидхем попытался сформулировать понятие диссоциабельности и ее эффект. Я думаю, что не лишним было бы привести его слова здесь полностью:

«При развитии зародыша того или иного животного, протекающем нормально и при оптимальных условиях, составляющие его основные процессы образуют превосходно интегрированное единое целое. Они подогнаны друг к другу таким образом, что конечный продукт развития возникает в результате точно скоординированных реакций и событий. Однако, по-видимому, во всем этом важную роль играет одно обстоятельство, которое, вероятно, недооценивается: эти фундаментальные процессы неразделимы лишь в нашем представлении; на самом деле их можно экспериментально диссоциировать (разобщить) или нарушить существующую между ними координацию. Эта концепция нарушения координированности пока еще не получила удовлетворительного названия, но за неимением лучшего термина мы в дальнейшем изложении будем пользоваться словами диссоциабельность или разобщение. Уже ясно, что можно приостановить рост зародыша, не нарушая его дыхания, и что, наоборот, в известных условиях рост и дифференцировка могут, вероятно, продолжаться в отсутствие нормальных дыхательных процессов. Известно также немало примеров, когда рост и дифференцировку можно разобщить, так что, хотя их механизмы остаются неповрежденными, тот или другой из них «работает вхолостую».

Действительно, работы многих исследователей подтверждают то, что диссоциабельность не так редка при индукционных взаимодействиях, на которых построено практически все развитие. К сожалению, сложность экспериментов с самыми ранними стадиями развития животных не позволяет проверить наличие свойства диссоциабельности на этих этапах, но работы по органоспецифичной индукции позволяют сделать это.

Так, например, диссоциабелен процесс индукции при образовании хрусталиковых плакод. Клетки плакод претерпевают морфологические изменения – вытягиваются в длину, но также становятся и более специализироваными вследствие дифференцировки – приобретают способность к синтезу кристаллинов. Однако эти два (в каждом отдельном онтогенезе неразрывных) процесса можно достаточно легко отделить друг от друга – так, колхицин вызывает прекращение роста клеток в длину, но синтез кристаллинов в них не изменяется ни на долю. В то же время добавление к эксплантатам плакод насыщенной сыворотки (bovine serum) вызывало резкую пролиферацию клеток, однако они не вытягивались в нужную форму. Кристаллин не появлялся в увеличенном количестве, но содержание кристаллиновой мРНК возрастало.

Морфогенез желез также можно отделить от дифференцировки их клеток. В развитии индукционные взаимодействия и побуждения эктодермы к развитию железы исходят из мезодермального окружения. Именно характер мезодермы определяет характер развивающихся желез. Однако влиние регион-специфической мезодермы сказывается только на морфогенезе железы. Так, если эктодермальный эксплантат молочной железы культивировать вместе с мезодермальным эксплантатом слюнной, то будущая железа, как это ни удивительно, будет гибридной – она будет обладать морфологией типичной слюной железы, но производить молочный секрет. На гистологических препаратах таких гибридов мы не увидим типичных для слюнных желез полулуний Джоануцци. Я думаю, что такой феномен может быть объяснен так: дифференцировка эктодермы молочной железы происходит из-за протекания более раннего индукционного процесса, а ее морфогенез – запускается другим, следующим за ним взаимодействием. Таким образом, казалось бы единый и неразделимый процесс индукции эктодермальных желез, по-существу, представляет два теснейших, но экспериментально делимых события – цитодифференцировку и морфогенез.

Открытие и примеры диссоциабельности должны подтолкнуть нас к мысли, что эволюционные перестройки онтогенеза могут происходить без изменений в генетических основах того или иного процесса, но затронутые мутациями регуляторные гены могут изменить порядок стадий индивидуального развития, перестроить общую схему индукции. Эволюционные преобразования, как я это показал на сравнительном примере чередования эпизодов в театральной постановке, способны перестроить связи между индукционными событиями – например, наряду с одной тканью компетенцию к индуктору может начать проявлять другая. Затем, через множество поколений, она может стать и единственным реактором на сигнальные вещества. Примеров тому можно придумать крайне много.

Каждое индивидуальное развитие строго, но вполне возможна перестройка отдельных блоков взаимодействий между собой, где процессы в каждом блоке идут в известной степени автоматийно. Это даст эволюционный выход в значительном изменении морфологии взрослого животного. Рихард Гольдшмидт высказал, мне думается, разумную гипотезу о том, что реально в эмбриогенезе у различных процессов есть немалая автоматийность, и они идут независимо. Но неизменно все эти процессы образуют сложную картину перекрывания и проверки совместимости между собой в узловых периодах развития, критических точках. Например, абсолютно критический период – это взаимодействие индуктора с реактором – если один созреет раньше или позже, то индукции не состоится, и развитие ждет крах. Но с точки зрения эволюции возможно изменение этих двух структур вместе, в паре или более сложных комплексах, и перемещение одних комплексов относительно других. Отчасти это же я пытался показать на примере гетерохронии, где гены времени как раз и проверяют состояние системы развития в узловых точках, но тем не менее возможны сдвиги целых процессов относительно друг друга.

Разумеется, нельзя не признать, что такие перестройки – событие отнюдь не частое. Возвращаясь к уже много раз примененной мною логике и в данном случае будет естественным сказать, что легче (в плане эволюционных последствий) всего перестройке подвергаются наиболее поздние процессы. Чем более на ранних этапах идут такие перестройки, тем ниже их шанс наследуемости по причине фундаментальных изменений, которые они привносят в развитие. Как видите, сэр Чарльз, это вновь ссылка на анаболии как наиболее вероятный тип преобразований онтогенеза. Здесь на секунду можно вернуться к тому вопросу, который я затрагивал выше - если вы помните, я рассуждал, почему сохраняются зубы у детенышей кита. Выдвинутая мною гипотеза имеет хорошие шансы на существование в связи с вышесказанным – они сохраняются именно по той причине, что критически необходимы для цепочки индукционных взаимодействий между процессами. Морфогенез и дифференцировка зубов, по видимому, являются необходимым условием, чтобы онтогенез прошел узловую точку, в которую вплетены еще с десяток других органогенезов. Без него развитие не двинется дальше, и все это количество параллельно текущих процессов не получит продолжения. Так, хорда вряд ли выполняет в зародыше ту же роль, что и у, положим, ланцетника – у зародыша вообще нет нагрузки на собственный осевой скелет. Но хорда является, по видимому, индуктором дальнейших преобразований нотохорда, и поэтому эта стадия никак не может быть исключена из эмбриогенеза. Она сохраняется, и мы видим это как пример рекапитуляции. Однако, как и в случае с архаллаксисами и гетерохронией, диссоциабельность и основанная на ней перестройка может затронуть глубокие процессы развития, хотя с очень малой вероятностью.

Итак, преобразования развития на базе изменения взаимодействия процессов онтогенеза и их блоков могут привести к значительным изменениям морфологии взрослых особей с, как говорил Льюис, "эволюционным эффектом". Генетическая основа "внутренности" каждого процесса остается в известной мере нетронутой. Нас может заинтересовать вопрос - коль скоро это так, то не существует ли примеров того, как у организмов возрождается старый тип развития (предковый тип) при соответствующих мутациях?

Так сказать, на последок, с Вашего позволения, мистер Дарвин, я приведу наиболее интересные мне два опыта, которые наиболее заинтересовали меня и имеют важное эволюционное значение.

Вам, должно быть, известен археоптерикс – удивительная находка, сделанная в 1861 году, за 13 лет до получения вами этого письма. Судя по литературным источникам, которыми я пользуюсь сейчас, единственный обнаруженный экземпляр отпечатка скелета этого существа хранится в Ваше время в 1874 году в Берлинском музее Естественной Истории. Как бы то ни было, археоптерикс сейчас считается большинством авторов как предковая форма всех птиц. Это, откровенно признаюсь, страшное существо сочетает удивительную смесь рептилии и птицы – имеет перья, но в то же время является обладателем и длинного хвоста и зубов. Понятно то, что с течением эволюции все подобные признаки рептилий исчезли и образовался типичный общий вид представителя Aves. Если предположить, что генетическая основа онтогенеза, например, зубов или костей была сохранена, но такие органогенезы были подавлены, то теоретически возможно вызвать образование зубов, например, у курицы. Самое поразительное, что это было сделано экспериментально.

Как я уже говорил выше, в большинстве случаев именно характер мезенхимы определяет дифференцировку и морфогенез компетентных к ее индукционному влиянию структур. Чем различаются процессы развития зубов у млекопитающих (наследство от рептилий) и птиц, которые их утратили? Не вдаваясь в ненужные подробности развития зуба, скажу только, что оральная мезенхима индуцирует эпителий к образованию эмалевого органа. Реактор становится новым индуктором, и обратно индуцирует в мезодерме ее дифференцировку в однонтобласты. Если эмалевого органа не возникает (данная индукционная система была подавлена у птиц, но сохранился ее генетический состав), то мезодерма дает лишь губчатую костную ткань. Профессор Коллар и профессор Фишер соединили оральный эпителий курицы с молярной мезенхимой млекопитающих (суть индукционной функции которой осталась прежней – ведь она унаследовалась от рептилий). В итоге эпителий курицы претерпел чудесные морфогенетические превращения – он стал давать эмалевый орган, затем одонтобласты, а затем и амелобласты, секретирующие эмаль. Таким образом, мы можем наблюдать реверсию к старому плану развития, которая возможно исключительно потому, что эволюция зубов и клюва шла путем разделения соответствующих индукционных взаимодействий и подавлению индукции эмалевого органа у птиц, но не утратой генов, ответственных за его формирование.

Блестящие результаты были получены и на эксперименте по возрождению развития малой берцовой кости у курицы. В эмбриогенезе проспективные зачатки большой и малой берцовой кости птицы теснейшим образом взаимодействуют между собой. В понимании этого взаимодействия стоит вернуться к приведенному мною выше примеру о водопадах – Victoria и Iguasu Falls. Как Вы, может быть, помните, сэр Чарльз, вывод из такого сравнения был следующий: крайне важен объем материала индуктора и объем индуцирующего вещества. В данном случае при развитии берцовых костей объем подлежащей к презумптивным зачаткам мезодермы является самым определяющим фактором. Большая и малая берцовые кости конкурируют между собой за материал мезодермы. По-видимому, в эволюционном прошлом у рептилий соответствующая генетическая система вырабатывала достаточное для обоих остеогенезов количество индуцирующей (позднее она принимает на себя роль реактора) мезодермальной ткани. У птиц именно способом его уменьшения стало превалировать развитие только большой берцовой кости – на развитие малой не хватало презумптивного материала. Если экспериментально убрать из области презумптивного зачатка достаточное количество мезодермальной ткани, то большая и малая берцовая кости начнут развиваться вместе, однако до крайне рудиментарного состояния. Если имплантировать дополнительную мезодерму, то обнаружится удивительный эффект – обе кости разовьются до нормального их размера, малая берцовая чуть позднее, но в сравнимом с рептилиями размере. Следовательно, искусственно убрав решающий для остеогенеза фактор – нехватку мезодермы – мы в сущности развернули развитие малой берцовой кости вопреки истории ее эволюции –мы действовали противоположно тому механизму, который обеспечил ее редукцию.

Но наиболее поразительные результаты можно получить иным способом. Презумптивные зачатки малой и большой берцовой кости пинцетом можно развернуть в разные стороны: если не будет тесного взаимодействия костей – не будет и конкуренции между ними за материал мезодермы. Если теперь также ввести дополнительное количество мезодермы, то вновь разовьются обе кости, вначале большая берцовая, а очень вскоре – малая берцовая кость. Но что поразительно – малая берцовая не только достигнет своих размеров у рептилий, но в зародыше курицы на ней разовьется специальная суставная поверхность для костей предплюсны (tibшlae и fibulare), которые у курицы никогда не представлены в самостоятельном виде и срастаются с голенью. Таким образом, этот эксперимент подтверждает механизм эволюционной утраты малой берцовой кости – путем перестройки индукционного взаимодействия, но не путем утраты генов, которые лежат в основе ее развития и могут специальным образом быть реактивированы.

________________________________

Таким образом все явления, касающиеся закономерностей эмбрионального развития в эволюционном отношении, такие, как явления гомологии, аналогии, рудиментации и абортации органов, наконец, закона зародышевого сходства и исключений из него, могут с достаточным успехом быть объяснены на основе механизмов, которые и сами базируются на тонких молекулярных взаимодействиях, составляющих незримую сущность и таинство процессов развития.

Хочется надеяться, что в будущем появятся новые приборы, новые методики, которые позволят еще глубже заглянуть в процессы, имеющие микроскопическую локализацию, но гигантскую роль. Они век за веком, секунда за секундой меняли облик взрослых форм живых существ и их зародышей до неузнаваемости миллионы и миллионы лет.

А возможно, наблюдая за чудесами окружающей нас природы, мы случайно откроем для себя новые истины, которые еще более убедительно укажут нам на верную логику наших рассуждений, на новую дорожку, ведущую к истине.

Ведь изучить живой мир нельзя, не обращая внимание на его развитие, на историю его удивительных преобразований. Понять развитие материи – это словно найти стрелку, началом своим уводящую в глубь веков, а концом – указывающую на то, куда движется весь мир и к чему идем мы сами. Величие этих процессов завораживает.

Дорогой мистер Дарвин!

Я надеюсь, что Вам было интересно выслушать мои соображения по поводу проблем, которые Вы осветили в своем труде вот уже как 150 лет назад. Темы, поднятые тогда, не потеряли своей значимости ни на йоту до сегодняшнего дня. Вряд ли они когда-нибудь забудутся и в будущем. В моем, увы, получившимся совсем не кратким, письме я постарался познакомить вас с судьбой и развитием представлений о связи онто- и филогенеза, которые Вы обобщили в "Происхождении видов" и дали свое оригинальное их толкование. Я надеюсь, что мое неумелое повествование не разочаровало Вас и не оказалось временем, потраченным впустую.

Я знаю, что многие современники обрушивали на Вас потоки нескончаемой критики за Ваши смелые теории.

Но я знаю и то, как много из них признавали Ваши мысли, Вашу логику, и благодарили Вас за научный труд. С высоты времен, из нового века с вами имел честь общаться всего лишь студент третьего курса, которому прочли курс эволюционного учения, но и я хочу сказать вам огромное спасибо, выразить признательность за ту стойкость, которую вы проявили и как ученый, и как человек; за ту огромную работу, которая выпала на вашу долю и за то научное наследие, которые Вы оставили нам.

From all scientists and all students, trying their forces in science, from nowadays to you.

Thank you very much.

С большой благодарностью, Антон В. Карпов,

Российская Федерация Суверенных Республик, Центральная Сибирь,

Академгородок, ул. Н.Иванова, 48.

17.05.2008.