Antennapedia, а второй – кластер Bithorax. Именно так гены размножаются в геноме (см. “Рассказ Миноги”). Однако чтобы понять, какую роль играют эти два гена в формировании тела кишечнополостных, необходимы дальнейшие изыскания.
Иглокожие, как и кишечнополостные, обладают радиальной симметрией, однако у них эта симметрия вторична. Сопредок № 25, который объединяет их с позвоночными, был двусторонне-симметричным, как червь. У иглокожих число Hox-генов варьирует: например, у морских ежей их десять. Что делают эти гены? Не скрываются ли в теле морской звезды следы предковой передне-задней оси? Или Hox-гены работают последовательно вдоль каждого из пяти ее лучей? Звучит вполне логично. Мы знаем, что Hox-гены экспрессируются в задних и передних конечностях млекопитающих. Я не хочу сказать, что Hox-гены от 1 до 13 экспрессируются по порядку от плеча до кончиков пальцев. Все гораздо сложнее, потому что конечность позвоночного не составлена из блоков. Она устроена так: сначала одна кость (плечевая в руке, бедренная в ноге), затем две кости (лучевая и локтевая в руке, большая и малая берцовые в ноге) и много маленьких косточек, последние из которых составляют пальцы рук и ног. Веерное расположение костей унаследовано от рыб и не сводится к прямолинейности Hox-генов. Однако Hox-гены все же участвуют в развитии конечностей позвоночных.
Поэтому не было бы удивительно, если бы Hox-гены экспрессировались в лучах морской звезды или офиуры (даже морских ежей можно представить как морские звезды, лучи которых завернулись вверх и, соединившись, сложили пятиконечный свод). Более того, лучи морских звезд, в отличие от наших рук и ног, имеют модульный план строения. Амбулакральные ножки с их гидравлической системой представляют собой блоки, которые повторяются двумя параллельными рядами вдоль каждого луча: как раз то, что нужно для экспрессии Hox-генов! А щупальца офиур и вовсе выглядят как пять червяков.
Гексли писал о “вечной трагедии науки – неприглядные факты убивают красивую гипотезу”. Факты касательно Hox-генов иглокожих, пожалуй, не назовешь неприглядными, однако они не укладываются в красивую схему. Здесь происходит нечто, неожиданно отличающееся красотой. У иглокожих крошечные двустороннесимметричные личинки, плавающие в планктоне. Донные взрослые особи с пятисторонней радиальной симметрией не развиваются из личинки. Они начинают формироваться в виде миниатюрной взрослой особи внутри тела личинки. Эта особь растет до тех пор, пока остальная часть личинки не будет отброшена. Hox-гены у растущей особи экспрессируются в правильном линейном порядке, но не вдоль лучей. Порядок экспрессии следует круговым маршрутом вокруг тела маленькой взрослой особи. Иными словами, если представить Hox-ось в виде “червя”, то у иглокожих не будет пяти “червей” – по одному на луч. У них лишь один “червь”, скрученный в кольцо внутри личинки. На переднем конце “червя” вырастает луч № 1, на заднем конце – № 5. Поэтому гомеозисная мутация у морской звезды должна приводить к появлению избыточных лучей. Так оно и есть, и мутантные морские звезды с шестью лучами описаны в книге Бэтсона. Существуют также виды морских звезд, имеющих гораздо большее число лучей. Предположительно они эволюционировали от предков с гомеозисными мутациями.
Hox-гены не обнаружены ни у растений, ни у грибов, ни у одноклеточных организмов, которых мы называем простейшими. Однако здесь мы сталкиваемся с терминологической проблемой: Hox- образовано от homeobox, однако Hox-гены – это не то же, что гены гомеобокса. Это подтип генов гомеобокса. У растений и грибов есть гены гомеобокса, но нет Hox-генов. Приставка гомео- образована от придуманного Бэтсоном слова “гомеозис”, а “бокс” указывает на блок из 180 пар нуклеотидов, который есть во всех генах гомеобокса. Он, собственно, и представляет собой диагностическую последовательность 180 пар нуклеотидов, а ген гомеобокса – это ген, который содержит последовательность гомеобокса на каком-нибудь участке. Название Hox используется лишь для линейных кластеров генов, которые определяют положение на передне-задней оси тела животного и которые гомологичны почти у всех животных.
Из генов гомеобокса первым было открыто семейство Hox-генов. Сейчас известно множество других родственных семейств. Так, существует семейство генов ParaHox, которое впервые было выявлено у ланцетника, но которое, опять-таки, встречается у всех животных, кроме (на сегодняшний день) гребневиков и губок. Судя по всему, ParaHox-гены родственны Hox-генам в том смысле, что они расположены в том же порядке, что Hox-гены, и соответствуют им. Они явно возникли путем дупликации предкового набора генов, из которого образовались Hox-гены. Другие гены гомеобокса меньше связаны с Hox- и ParaHox-генамии образуют отдельные семейства. Гены семейства Pax найдены у всех животных. Самый заметный член этого семейства – Pax6, который соответствует гену дрозофилы, известному как e7. Я упоминал, что Pax6 дает клеткам сигнал к образованию глаза. Этот же ген отвечает за формирование глаз у столь различных животных, как дрозофила и мышь, притом что глаза у этих животных совершенно разные. Как и Hox-гены, Pax6 не сообщает клеткам, как строить глаза. Он лишь указывает место.
Сходный пример – небольшое семейство генов tinman. Они есть и у дрозофилы, и у мыши. У дрозофилы эти гены отвечают за формирование сердца и в норме экспрессируются как раз там, где должно находиться сердце дрозофилы. Вполне предсказуемо, что у мыши гены tinman указывают клеткам, где создавать сердце.
Гены гомеобокса очень многочисленны и подразделяются на семейства и подсемейства. Из “Рассказа Миноги” мы узнали, что человеческий альфа-глобин ближе, например, к альфа-глобину ящерицы, чем к человеческому же бета-глобину (который, в свою очередь, более близок к бета-глобину ящерицы). Точно так же tinman человека ближе к tinman дрозофилы, чем к Pax6 человека. Можно построить полное филогенетическое древо генов гомеобокса, параллельное филогенетическому древу животных, у которых эти гены есть. Оба древа одинаково надежны. Оба представляют собой настоящие генеалогические схемы, отражающие точки расхождений в определенные моменты геологической истории. На филогенетическом древе животных точки ветвления соответствуют событиям видообразования. В случае генов гомеобокса (или генов глобинов) точки ветвления соответствуют моментам дупликации генов в геномах.
Древо генов гомеобокса животных разветвляется на два крупных класса, AntP и PRD. В класс PRD входят Pax-гены и другие подклассы. Класс AntP включает Hox, ParaHox и другие подклассы. Помимо этих двух крупных классов генов гомеобокса животных, существуют другие гены гомеобокса, которые называют дивергентными: они найдены не только у животных, но и у растений, грибов и “простейших”.
Настоящие Hox-гены есть лишь у животных, и выполняют они одну функцию: предоставляют клеткам информацию о положении в теле – независимо от того, разделено оно на сегменты или нет. У губок и гребневиков Hox-гены пока не обнаружены, но это не значит, что их нет. Не удивлюсь, если выяснится, что они есть у всех животных. Это понравилось бы моим оксфордским коллегам Джонатану Слэку, Питеру Холланду и Кристоферу Грэму, предложившим новое определение животного. До сих пор животных определяли как противоположность растениям, но такое определение явно неполно. Слэк, Холланд и Грэм предложили новый критерий, который объединяет всех животных и исключает всех неживотных, таких как растения и простейшие. История с Hox-генами указывает, что животные – не пестрое собрание типов со своими планами строения тела. Если забыть о морфологии и рассматривать лишь гены, оказывается, что все животные демонстрируют незначительные вариации одной схемы. Как же приятно в наше время быть зоологом!
Рассказ Коловратки
Физик-теоретик Ричард Фейнман однажды якобы сказал: “Если вы думаете, что понимаете квантовую теорию, значит, вы не понимаете квантовой теории”. Осмелюсь предложить аналогию: “Если вы думаете, что понимаете, что такое половое размножение, значит, вы не понимаете, что это такое”. Три современных дарвиниста, которые, как я считаю, могут нас многому научить – Джон Мейнард Смит, Уильям Гамильтон и Джордж Уильямс, – много занимались вопросом полового размножения. Уильямс начал свою книгу “Секс и эволюция” так:
Преобладание полового размножения у высших растений и животных несовместимо с современной эволюционной теорией… Нас ждет своего рода кризис эволюционной биологии.
Мейнард Смит и Гамильтон говорили нечто подобное. Над разрешением этого кризиса и трудились эти три выдающихся дарвиниста, а также следующее поколение ученых. Я не буду пытаться рассказать о всех исследованиях. Нет у меня и альтернативного решения. Вместо этого я предлагаю послушать “Рассказ Коловратки”.
Bdelloidea – крупный класс типа коловратки (Rotifera). Само существование бделлоидных коловраток – эволюционный скандал (см. вкладку). (Эта острота принадлежит не мне: здесь безошибочно угадывается стиль Мейнарда Смита.) Многие коловратки размножаются бесполым способом. В этом отношении они напоминают тлей, палочников, многих жуков, некоторых ящериц, и само по себе это не очень удивительно. Мейнарда Смита поразило вот что: бесполым способом размножаются все без исключения бделлоидные коловратки. Все они происходят от общего бделлоидного предка, который жил достаточно давно, чтобы успеть дать начало 18 родам и 360 видам. Найденные в янтаре ископаемые доказывают, что коловратки-мужененавистницы существовали уже 40 млн лет назад, а возможно, и раньше. Бделлоидные коловратки – очень успешная группа животных, чрезвычайно многочисленная и доминирующая в пресноводной фауне по всему миру. Но никто никогда не видел самца бделлоидной коловратки.