Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

Название книги цитирует последнее предложение книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов» 1859 года, в котором он описал эволюцию всех живых организмов от общего предка: «бесконечные формы, самые прекрасные и самые чудесные, развивались и продолжают развиваться»[7]. Дарвин не смог объяснить, каким образом происходит возникновение и развитие «бесконечных форм» разных организмов в живой природе. Современный синтез эволюции и генетики в начале XX века также в значительной степени игнорировал эмбриональное развитие для объяснения форм организмов, поскольку популяционная генетика казалась адекватным объяснением того, как они развивались. Эта задача была наконец решена в конце XX века с появлением технологии рекомбинантной ДНК, когда биологи смогли начать исследовать, как фактически контролируется развитие^[чего?][8].

Объяснение эволюционного процесса и того, как эволюционирует генная система, автор книги связывает с успехами в области эмбриональной биологии, которая приблизилась к пониманию того, каким образом из яйцеклетки развивается сложный организм, состоящий из многих миллиардов клеток. Почти двести лет учёные пытались решить одну из самых волнующих загадок биологии — превращение яйцеклетки в различные формы взрослого организма. В биологии произошли важные открытия: были открыты регуляторные участки генома (гомеозисые гены), которые играют ведущую роль в изменении формы и строения сложных организмов — например, Hox-гены у животных и MADs-гены — у растений (концепция номогенеза описана Л. С. Бергом как «направленное развитие жизни на основе закономерностей»)[9].

Автор разъясняет в книге, что эволюционные процессы могут происходить также за счёт изменений, регулирующих процессы в клетке на стадии эмбриона. По мнению автора, одни и те же гены, контролирующие развитие частей тела и органов у насекомых, контролируют развитие тела животных и человека. Новое направление генной эволюции и эволюционной биологии развития получило название эво-дево (от англ. evolutionary developmental biology, сокр. evo-devo)[10].

Тело трилобита состоит из множества одинаковых модулей (сегментов тела с парами придатков). Это может быть сделано путём многократного использования одних и тех же инструментальных генов.

Часть I. Эволюция животных

1. Архитектура животных: современные формы, древние образцы

Кэрролл утверждает, что многие животные имеют модульную конструкцию с повторяющимися частями, как в трилобите — с повторяющимися сегментами или повторяющимися пальцами руки человека.

2. Монстры, мутанты и главные гены

Эмбриологи изучают как развиваются тела, а также аномалии, когда что-то идёт не так, например, гомеотические варианты, когда одна часть тела превращается в другую (например, усик плодовой мухи становится ногой у мутанта Antennapedia).

3. От кишечной палочки до слонов

В этой главе рассказывается о генетическом коде и lac-опероне. Учёный связывает понятия среда и генетические переключатели, полагая, что они вместе контролируют экспрессию генов. Контроль экспрессии представляет набор инструментов для генов.

4. Создание детей: 25000 генов, требуется сборка

Кэрролл смотрит на то, как контролируется эмбриональное развитие плодовой мухи и описывает свои собственные открытия, сделанные в 1994 году.

5. Тёмная материя генома: инструкция по эксплуатации набора инструментов

В главе описывается, как гены включаются и выключаются в точно заданной временной последовательности и трёхмерном паттерне в развивающемся эмбрионе, и как эта логика может быть изменена эволюцией для создания различных тел животных.

Конечности раков являются узкоспециализированными, адаптированными к изменениям набором генных инструментов от простых придатков их трилобитоподобных предков.

Эмбрион плодовой мушки окрашивают, чтобы показать экспрессию некоторых генов (названных), которые контролируют его развитие.

Часть II. Ископаемые останки, гены и формирование разнообразия животных

6. Большой взрыв эволюции животных

Кембрийский взрыв вызвал вспышку в разнообразии телосложения животных, от плоских червей и моллюсков до членистоногих и позвоночных. Кэрролл объясняет, как изменение паттерна экспрессии гена Hox сформировало тела разных типов членистоногих и разных типов позвоночных.

7. Малые взрывы: Крылья и другие революционные изобретения

В этой главе объясняется, как эволюция работает внутри родословного древа, специализируясь на конечностях членистоногих от всех одинаковых существ до «всех различных орудий, которые несёт скромный рак», с (он пишет) «большим количеством штуковин, чем швейцарский армейский нож».

8. Как у бабочки появились пятна

Вторя названиям «Просто сказок» Редьярда Киплинга, Кэрролл показывает, как развивались узоры крыльев бабочек, основываясь на своём открытии роли гена Distal-less до того, как стала известна его роль в развитии конечностей. Очевидно, генетический переключатель можно было повторно использовать для разных целей.

9. Покрась в чёрное

Кэрролл рассматривает полосы у зебры, промышленный меланизм, берёзовой пяденицы и пятна больших кошек как примеры управления закономерностями у животных, вплоть до молекулярного уровня.

10. Прекрасный разум: создание Homo sapiens

В этой главе обсуждается, чем люди отличаются от других приматов и почему структурные гены, отвечающие за эти различия, не так многочисленны. По мнению учёного, большинство изменений связано с генетическим контролем, а не с белками.

11. Бесконечные формы — самые красивые

В заключение Кэрролл пересматривает «Происхождение видов» Дарвина, начиная с того, как Дарвин развивал последний абзац своей книги. Из него Кэрролл оставляет только эти четыре слова «полностью нетронутыми во всех версиях и изданиях». Он утверждает, что evo-devo является краеугольным камнем синтеза эволюции, генетики и эмбриологии, заменяя «современный синтез» биологии XX века.

Книга иллюстрирована фотографиями, например, развивающимися эмбрионами плодовой мухи, окрашенными, чтобы показать действие генов из инструментария, а также штриховыми рисунками, выполненными Джейми У. Кэрроллом, Джошем П. Клэйссом и Линн М. Олдс.