Эволюционная биология развития (evo-devo) — относительно новое направление науки, но уже одно из самых важных в современной биологии. Профессор Скотт именует свою дисциплину «второй производной от анатомии и физиологии»: она изучает, как в ходе эволюции организмов меняется ход их эмбрионального развития. Например, почему у лягушек есть перепонки между пальцами, а у «более продвинутых» ящериц — нет? Или — как у черепахи появился панцирь? Ответ дают процессы, происходящие, пока зародыши амфибии и рептилии еще находятся в яйце.
Evo-devo развивается по мере накопления знаний о генах и включает в себя данные генетики и молекулярной биологии — в этом ее отличие от классической эмбриологии XIX века, в которой зародышевое развитие организмов изучается на уровне клеток, тканей и органов.
Вот посмотрите: с одной стороны, развитие (онтогенез) животных одного вида уникально. Например, эмбрион плодовой мушки нетрудно отличить от эмбриона скорпиона, особенно ближе к моменту рождения. С другой стороны, закономерности, по которым из оплодотворенной яйцеклетки получается сложно устроенный организм, у всех животных схожи. Скажем, все позвоночные, начиная с амфибий, имеют четыре конечности и хвост, а у всех насекомых тело делится на голову, грудь и брюшко, будь то изящная бабочка или не столь изящный и весьма кусачий клоп.
У многих видов, даже эволюционно далеких друг от друга, разделением тела на сегменты, а также формированием конечностей и внутренних органов управляют одни и те же гены. Тем не менее, работа этих генов у животных разных видов отличается, и поэтому эмбриональное развитие последних проходит по-разному. Задача evo-devo — выяснить, как активность конкретных генов влияет на итоговое строение организма.
Также мы знаем, что изменение работы генов (в результате мутации или в силу каких-то внешних причин) может привести к появлению новых признаков. Когда этих новых признаков накопится достаточно много, появится новый вид. Если работа генов, задействованных в эмбриональном развитии, изменится, то строение взрослой особи тем более станет другим. Выходит, и онтогенез влияет на эволюцию, и эволюция изменяет онтогенез. Этот факт до недавнего времени не был очевиден. Тесная взаимосвязь изменения строения отдельно взятого организма и целого вида во времени — тоже предмет изучения evo-devo.
Наш собеседник Скотт Гилберт — один из основателей направления «эволюционная биология развития» и автор наиболее известного учебника по этой дисциплине. Группа Скотта Гилберта в Свартморском колледже изучает, например, какие гены ответственны за появление панциря у черепах — ведь панцирь когда-то был одновременно новым эволюционным признаком и новой особенностью эмбрионального развития. Гилберт и коллеги установили, что у черепах в процессе онтогенеза ребра не «сгибаются», образуя грудную клетку, а остаются плоскими и растут по направлению к коже — и происходит это в результате мутации определенного гена.
Название видео
— Могут ли отклонения от нормального эмбрионального развития случайно пойти во благо организму?
— Я уверен, что ответ на этот вопрос — «да». Однако подобные изменения могут пойти одному организму во благо, а другому — во вред. Например, я изучаю, как образовался панцирь у черепах. Чтобы у черепахи возник панцирь, понадобилось изменение положения и формы ребер. Вместо того, чтобы им изгибаться вокруг легких и образовывать грудную клетку (как это происходит у большинства позвоночных), у черепах ребра растут в стороны до соприкосновения с кожей. Вероятнее всего, у предков черепах была очень плотная кожа по бокам туловища. В противном случае ребра просто проткнули бы ее, и животное погибло бы. Выходит, случайные изменения в эмбриональном развитии играют огромную роль, но для того, чтобы они принесли организму какое-либо эволюционное преимущество, нужна определенная предрасположенность, преадаптация — способность воспользоваться этим изменением.
— На каком уровне должна проявляется «предрасположенность к панцирю» у черепахи — на уровне тканей, клеток, или отдельных генов?
— На самом деле, никто точно не знает. Лично я считаю, что один из вероятных механизмов в данном случае — появление у предков черепах толстой кожи на спине и боках, примерно такой, какую сейчас можно наблюдать у кожистых черепах. Кроме того, как я предполагаю, у предков черепах произошла мутация в гене, вызвавшая «притяжение» клеток ребер к коже вместо их обычного загибания вокруг легких. Эта мутация сделала возможным образование вещества под названием FGF10 [fibroblast growth factor 10, фактор роста фибробластов.— Прим. ред.] в клетках кожи. Судя по всему, FGF10 и вызвал рост ребер в сторону кожи. Затем, вероятно, с ребрами произошло то же, что происходит в норме: изначально они состояли из хрящевой ткани, но впоследствии окостенели.
Для того, чтобы клетки хрящевой ткани заменились на клетки костной ткани, требуются определенные химические вещества. Они и выделялись в этот момент, но действовали не только на клетки ребер, как это обычно бывает, но и на клетки кожи, ведь ребра вросли в кожу. В результате дерма тоже стала костью. Итак, перед нами трехстадийный процесс: предпосылка — толстая кожа на спине и на боках; генная мутация, позволяющая ребрам врастать в кожу; окостенение ребер и последующее окостенение кожи.
Я могу рассказать забавную историю о преадаптации?
— Да, конечно.
— Один из лучших примеров преадаптации я узнал от нашего библиотекаря в колледже. Однажды я спросил ее: «Зачем мы продолжаем выписывать бумажный журнал Biological Abstracts? Он занимает кучу полок, но его никто не читает, потому что все смотрят научные статьи в интернете. Зачем он нам?» Библиотекарь ответила: «Звукоизоляция. Шторы, которые обеспечивают такую же звукоизоляцию, как полки с Biological Abstracts, стоили бы нам пятьсот долларов!»
— Вы упомянули мутацию гена, то есть изменение строения части ДНК. А бывает так, что на развитие влияет изменение работы гена, при том, что его строение остается одним и тем же? Например, ген «включается» или «выключается» раньше/позже обычного?
— Да, естественно. Я считаю, что все примеры изменения, связанные с генами и затрагивающие при этом эмбриональное развитие и впоследствии эволюцию организмов, можно поделить на четыре большие категории: 1) изменение времени (начала и конца) экспрессии гена; 2) изменение места экспрессии гена в организме; 3) изменение количества белка, производимого данным геном; 4) изменение структуры гена. Если снова говорить об образовании панциря у черепах, то тут имеет место изменение места экспрессии упомянутого гена. Раньше он ни у кого не работал в коже, а у черепах работает.
FGF10, как и другие молекулы класса FGF, направляют миграцию клеток в эмбрионах. Изменение пути эмбрионального развития вследствие изменения места экспрессии генов сыграло очень важную роль, например, при образовании узнаваемой формы утиных ног. На ногах утки перепонки между пальцами, а у нас и, например, у кур такой перепонки нет. Почему так? Оказывается, перепонки нет у тех, у кого в клетках между пальцами экспрессируется ген BMP4 (ген костного морфогенетического белка 4). BMP4 посылает «сигнал смерти» клеткам между пальцев, и перепонка не образуется. У уток в тех же тканях активен ген Gremlin. Когда он экспрессируется, образуется одноименный белок, который подавляет действие BMP4. В результате клетки между пальцами выживают и образуют перепонку.
— Сейчас активно изучаются «омы»: геном, протеом, коннектом и пр. — совокупности однотипных элементов в организме, выполняющих различные функции. Например, про коннектом (все связи всех нейронов организма) думают, что, когда его расшифруют полностью, информации о сознании человека существенно прибавится. А если мы будем знать, когда при развитии конкретного организма включается и выключается каждый ген, прибавит ли это понимания законов биологии развития?
— Мое мнение: если мы будем знать, где, когда и какой ген при эмбриональном развитии активируется, мы сможем понять об эволюции в целом гораздо больше, чем известно сейчас. В большой степени эволюция представляет собой изменения эмбрионального развития, а такие изменения, в свою очередь, вызываются изменением экспрессии генов. То есть, если мы будем знать все про изменение экспрессии генов у зародыша конкретного животного, мы поймем, как проходила эволюция этого животного.
Иногда я использую такое сравнение: анатомия и физиология — это основы биологии, они изучают непосредственно строение организмов. Возьмем от данных этих наук производную по времени и получим изменение в анатомии и физиологии организма с течением времени. По сути, это развитие организма. Возьмем вторую производную по времени и получим изменение развития организма во времени. А это уже эволюция.
Экспрессия генов при развитии может изменяться под воздействием окружающей среды, в том числе под воздействием симбионтов.
— А какие наблюдения навели биологов на мысль, что для создания полной картины развития организма его нужно изучать вместе с условиями, в которых он находится? Со всеми его паразитами, симбионтами?
— На эту мысль ученых натолкнуло множество исследований, часть из которых, кстати, провели в России. Одна из работ была связана с развитием кишечника у мышат. Эмбриологи обнаружили, что мыши, выращенные в стерильной среде (т.е. без бактерий), имеют ненормальное строение кишечника. К примеру, капиллярная сеть кишечника у «стерильных» мышей развита очень слабо. То же самое касается и иммунных клеток в их кишечниках: их там почти нет! Так что же такого делают кишечные бактерии?
В 2001 году вышла статья, в которой исследователи проанализировали состав матричной РНК из кишечников трех групп мышей: с нормальной микрофлорой, без кишечных бактерий и с несколькими (не всеми) видами бактерий-симбионтов. Оказалось, некоторые виды бактерий каким-то образом усиливают экспрессию определенных генов, отвечающих за липидный обмен, нормальное развитие капилляров и клеток иммунной системы в 50 раз! То есть мыши без бактерий в кишечнике ничем не отличались от грызунов, у которых те же самые гены были бы мутантными. Кишечник как будто ожидает появления бактерий-симбионтов и без них не может нормально развиваться. Получается, микроорганизмы кишечнику нужны не только для того, чтобы переваривать трудноусвояемую пищу и вырабатывать некоторые витамины.
— Организмы взаимодействуют между собой, они могут конкурировать друг с другом, пожирать друг друга, помогать друг другу и т.д. Какой из типов взаимодействия важнее? Почему?
— Вообще, это один из самых интересных вопросов в современной биологии развития. Мы приходим к пониманию, что не все, что требуется для нормального развития организма, заключено в оплодотворенной яйцеклетке. Важнее всего, пожалуй, симбионты, без них никуда. Мы соэволюционируем (а точнее сказать, со-развиваемся) совместно с нашими симбионтами. Иногда мы берем часть их функций на себя. Например, бактерии рода Bacteroides дают клеткам кишечника сигнал выделять белок Ang4 (ангиогенин 4). Этот белок вызывает образование капилляров, но кроме того, он ядовит для другого рода бактерий — Listeria. Listeria — основной конкурент Bacteroides. Получается, вырабатывая Ang4, наш организм выполняет часть грязной работы за Bacteroides!
Помимо этого, наше тело выработало механизмы, помогающие бактериям жить внутри нас. Возьмем, к примеру, материнское молоко. Оно содержит большое количество сахаров, которые человек и другие млекопитающие не в состоянии переварить: у нас просто нет для этого нужных генов. Зато эти сахара питательны для определенных бактерий. Кишечник и иммунная система младенца сравнительно незрелые, и чтобы они созрели, им нужны бактерии-симбионты. А этих бактерий нужно кормить. Вот для них и содержатся в молоке «ненужные» сахара.
Примеров взаимовыгодных, симбиотических отношений между животными на определенных стадиях развития и бактериями сейчас известно так много, что ученые называют организмы голобионтами. Голобионт — это животное плюс его бактерии-симбионты. Их нужно рассматривать в комплексе друг с другом, иначе часть информации теряется. Возьмем, к примеру, корову. Она ест траву, а это невозможно без бактерий-симбионтов, которые переваривают для нее целлюлозу из травы. С человеком та же история: я уже упомянул, что для нормального развития кишечника и иммунной системы младенцу обязательно нужны бактерии.
— О кишечных бактериях-симбионтах мы сейчас слышим очень часто. Стало быть, их исследования (а также другие исследования в рамках Eco-devo и Evo-devo) имеют какое-то практическое применение?
— Применений на практике может быть множество. Например, вместо того, чтобы в терапевтических целях менять генотип человека (против этого выступают многие), можно вылечить его, поменяв генотип его симбионтов. Работа с бактериями вызывает гораздо меньше этических вопросов, чем работа с животными, особенно с людьми. Я считаю, использование симбионтов в медицине будет очень востребованным. Уже существуют исследования, говорящие о том, что некоторые симбиотические бактерии помогают замедлить потерю костной ткани при остеопорозе. Другие бактерии понижают риск язвенного колита и даже симптомов астмы.
Помимо медицины, генетически модифицированные симбионты будут очень нужны в сельском хозяйстве. Всем известны орхидеи, которые не могут расти без симбиотических грибов. Если мы сможем выращивать эти грибы везде, то и орхидеи смогут расти там, где их раньше не было. Обратное тоже верно: паразиты растений, например, круглые черви, не смогут существовать без своих симбионтов. Если мы этих симбионтов уничтожим, мы убьем и паразитических червей — в том числе тех, которых уже «не берут» обычные пестициды. Это то, что касается Eco-devo.
Результаты исследований Evo-devo сейчас сложно применить на практике, это скорее фундаментальная наука. Тем не менее, и тут уже кое-что есть: например, можно завести себе генетически модифицированную маленькую свинку, которая поучаствовала в исследовании Evo-devo и навсегда останется маленькой — ход ее развития изменили искусственным путем, чтобы она не доросла до размеров нормальной свиньи.
