Вот, например, что связывает нас с вами, представителей типа хордовых, с разнообразными океанскими тварями, объединенными в составе типа иглокожих? Иначе говоря, с морскими звездами, морскими ежами, голотуриями и их родней. Внешний облик животных, входящих в эти типы, да и образ жизни, который они ведут, очень различны. И тем не менее на генеалогическом древе царства животных две ветви, соответствующие хордовым и иглокожим, располагаются довольно близко. «Глупый» морской ёж — гораздо более близкий родственник нам, гомо сапиенсам, чем такие «башковитые» существа, как муравьи или осьминоги. Откуда мы знаем об этом? Именно из сравнения зародышевого развития (мы еще вернемся к этому вопросу, чтобы разобраться в нем подробнее).
Еще одни неожиданные наши родственники — это асцидии. Существа, похожие на мягкий студенистый мешок и проводящие всю свою взрослую жизнь на дне морском. Типичная взрослая асцидия неподвижно сидит, прикрепившись к субстрату, и нет у нее других дел, кроме как мирно фильтровать морскую воду, отцеживая из нее всякие съедобные частички, да время от времени размножаться. Нет у асцидии ни головы, ни скелета, ни конечностей, да и потребности куда-то бежать, плыть или ползти тоже нет. Пища сама попадает к ней в рот, как вареники в рот гоголевскому Пацюку. Но так было не всегда. Личинка асцидии, которой предстоит, если повезет, превратиться в такой вот неинтересный мешок, способна к активному плаванию, а главное, анатомически устроена гораздо сложнее, чем взрослая особь. Например, у личинок есть хорда. Так называется особый эластичный тяж, идущий вдоль тела, который у нас с вами (как и у большинства других позвоночных) в ходе зародышевого развития замещается позвоночником. На этом основании все обладатели хорды считаются родственниками и помещаются в состав типа хордовых. Личинка асцидии имеет нечто вроде зачатка головного мозга, да и вообще по многим признакам похожа на раннюю рыбообразную стадию развития позвоночных. Правда, почти все это анатомическое богатство утрачивается после того, как личинка асцидии становится взрослой и переходит к сидячему образу жизни, при котором такие сложности ей уже не нужны. Нет потребности обладать хордой, мозгом, глазами (и вообще относительно развитой нервной системой), хвостом. Взрослая особь буквально деградирует в анатомическом отношении, и, не имей мы представления о том, как устроена личинка, вряд ли когда-нибудь причислили асцидий к типу хордовых, а значит, и к нашим (относительно) близким родственникам.
Само собой, эмбриологический метод применим не только к хордовым, его с успехом используют для установления родственных связей между различными группами беспозвоночных. Но в последние 20–30 лет популярность такого подхода несколько померкла, потому что в руках исследователей оказался еще более мощный и эффективный инструмент восстановления генеалогии. Возникла совершенно новая отрасль науки, именуемая молекулярной филогенетикой.
Примерно в те самые годы, когда Чарльз Роберт Дарвин в Англии трудился над рукописью «Происхождения видов», на другом конце Европы безвестный монах Грегор Мендель из города Брно (тогда называвшемся Брюнн) проводил опыты по скрещиванию гороха, которые спустя полвека принесут ему великую, хотя и посмертную, славу. Мендель доказал, что передача по наследству признаков живых организмов (всех, а не только садового гороха) происходит с помощью неких носителей информации, которые он назвал наследственными зачатками. Сейчас мы называем их коротко — гены. Прошло еще почти сто лет, и генетики определили, что каждый такой ген может быть представлен как своего рода «текст», записанный четырьмя буквами генетического алфавита — А, Т, Ц и Г (напомню, что эти буквы соответствуют четырем видам нуклеотидных оснований, из которых построена молекула ДНК, — аденину, тимину, цитозину и гуанину)[61]. С их помощью записана вся генетическая информация, которая содержится (и содержалась) во всех живых обитателях нашей планеты. Четыре буквы — это не мало. Фраза, которую я прямо сейчас набираю на клавиатуре компьютера, в памяти машины записывается с помощью всего двух символов — нуля и единицы. С помощью такой двоичной системы кодирования можно записать любой текст. Например, фраза из четырех слов «буря мглою небо кроет» на машинном языке выглядит вот так:
00001110001011000001101000001110001011110001110000001110001011110001100100001110001011110010111100010100000011100010111000101100000011100010111000011100000011100010111000101011000011100010111000101110000011100010111100101110000101000000111000101110001011010000111000101110000111100000111000101110000110100000111000101110001011100001010000001110001011100010101000001110001011110001100100001110001011100010111000001110001011100001111000001110001011110001101
Нечто похожее можно увидеть, если получить расшифровку нуклеотидных последовательностей какого-либо гена. Вот так выглядит расшифрованная последовательность гена цитохромоксидазы из митохондрий небольшой пресноводной улитки, известной как болотный прудовик (Stagnicola palustris):
aggtttatat tttaatttta cctggatttg gaatagtttc acatatttta agaaatttct cggctaaacc agcttttggt actttaggga tgatttatgc aatagtttca attggaattt taggttttat tgtatgagct caccatatgt ttacagtagg gatagatgta gatactcgag cttacttcac agctgcaact atagttattg ctgtcccaac tggaattaaa gtatttagtt gacttataac attatatgga agtcagtgta gatttagtgc tcctatatac tgagtcctag gttttatttt tctttttaca ttaggaggtt taacaggaat tgttctttca aattcatctt tagatattat attgcatgat acatactatg tagtagcaca ttttcatt[62]
Выглядит не более информативно, чем нашумевшие некогда «заумные» стихи поэта-футуриста Алексея Кручёных:
Дыр бул щыл
убеш щур
скум
вы со бу
р л эз
Сам по себе такой генетический текст, возможно, значит немного, но если сравнивать его с аналогичными текстами, взятыми у других организмов, у которых тоже имеется ген цитохромоксидаза, мы можем выяснить немало интересного. Общий принцип состоит в том, что чем ближе по степени родства сравниваемые виды, тем выше должен быть процент совпадений в этом генетическом тексте. Почему это так, помогает понять уже известный нам принцип дивергенции. Оказывается, дивергируют не только морфологические признаки, но и геномы.
Рассмотрим воображаемый — и донельзя упрощенный для ясности — пример, нарисовав небольшой фрагмент некоего филогенетического древа (рис. 3.5). У нас есть вид-предок (А), который дал начало двум видам-потомкам (B и C), каждый из которых, в свою очередь, стал родоначальником еще двух видов (D — G). Виды B и C унаследовали от своего прародителя один и тот же генетический текст (в данном случае мы говорим только о небольшой последовательности, скажем, длиной в 13 нуклеотидных оснований), но у одного из них этот текст остался неизменным, а у другого произошла элементарная точечная мутация — третья слева буква А заменилась на букву Г. Такие мутации при передаче генетической информации происходят довольно часто, их можно сравнить с опечатками в книге или в тексте, который вы набираете на клавиатуре «вслепую». В результате получилось, что два вида, произошедшие от А (на языке филогенетики такие виды именуют сестринскими), отличаются по данному фрагменту гена всего на одно нуклеотидное основание. Шло время, происходили новые мутации, и вот мы видим, что у видов D — G, являющихся эволюционными «внуками» вида А, исходный текст еще более изменился, так что если сравнивать меж собой D и G, то у них варианты этого гена окажутся наиболее различными. Но если рассчитать скорость молекулярной дивергенции, то она окажется неодинаковой, потому что у вида F этот ген эволюционировал медленнее всех, сохранив нуклеотидную последовательность, наиболее близкую к унаследованной от общего предка.
Это воображаемый и совершенно элементарный пример, но он помогает понять принцип генетической дивергенции, который сослужил большую службу молекулярной филогенетике. Сравнивая последовательности нуклеотидов, из которых состоят аналогичные «тексты» у разных видов, или даже целые геномы, можно путем соответствующих расчетов проследить родословную генов, на основе которой сделать некоторые обоснованные выводы о генеалогии их владельцев.
Постепенное накопление различий в текстах за счет ошибок копирования (мутаций или опечаток) — это широко распространенное явление, встречающееся не только в живой природе. Когда в Античности или Средневековье книги переписывали от руки, каждый писец, независимо от других работавший с исходным текстом, непроизвольно вносил в него какие-то искажения, например если очень спешил или неправильно прочитывал то или иное слово. Затем каждая из рукописей первого поколения могла стать источником для последующих переписчиков, и в каждый скопированный с нее текст вносились новые искажения. Современные филологи тщательно сравнивают тексты дошедших до нас манускриптов одного и того же произведения, выискивают разночтения в них и порой могут даже определить, в какой именно копии текста возникла досадная ошибка, которая потом пошла гулять по позднейшим рукописям.
Еще один подобный пример дает эволюция языков, которую тоже можно изучать и реконструировать филогенетическим методом. Как известно, живые и мертвые языки классифицируют, разделяя их на ветви, семьи, группы, подгруппы, совершенно так же, как Линней разделил все виды животных на классы, отряды и роды. В лингвистической классификации тоже используется принцип (хотя и не абсолютный), что степень сходства между языками, например в лексике или грамматике, является отражением степени их родства. Особенно хорошо это видно на примере слов, принадлежащих базовой лексике и обозначающих привычные объекты повседневного опыта, — тех слов, которые должны были возникнуть в каждом языке очень давно, еще в дописьменную эпоху.