Этот результат заставил меня направить мои собственные исследования по новому пути. Я понял, что должен не только собирать окаменелости, но и научиться экспериментировать с генами. Наличие такого набора инструментов давало мне возможность искать ответы на другие вопросы. Были ли подобные гены у рыб? Если да, зачем они нужны в плавниках? Могут ли эти гены рук объяснить, как плавники превратились в конечности?
Рыбы на рынке, в океане или в аквариуме не имеют пальцев рук и ног; вообще говоря, плавники образованы пучком костей (плавниковых лучей) с плавательной перепонкой между ними. Кости плавниковых лучей отличаются от костей пальцев. Кости формируются из хрящевой ткани, тогда как плавниковые лучи сразу развиваются под кожей. Как нам известно из палеонтологических данных, переход от плавников к конечностям подразумевал два важнейших изменения: появление пальцев и исчезновение плавниковых лучей.
Поскольку французская исследовательская группа обнаружила гены, необходимые для формирования кистей и стоп, у мышей, вы можете подумать, что эти гены есть только у существ с конечностями. Но это не так. У рыб они тоже есть. Что же эти гены, ответственные за формирование кистей и стоп, делают в плавниках рыб?
Два молодых биолога в моей лаборатории в Чикаго четыре года занимались этой проблемой. Сначала Тэцуя Накамура пытался воспроизвести эксперименты с генами млекопитающих на плавниках рыб. Он аккуратно удалил гены, но животных без этих генов вырастить непросто. Вспомните, что эти же гены участвуют в построении позвонков, поэтому мутантному животному трудно плавать. Через три года работы по созданию мутантов и подбору условий для их выживания Накамура обнаружил нечто замечательное: при удалении этих генов из генома получались мутантные рыбы без плавниковых лучей.
Гены, активные при формировании кисти руки (слева), также активны у рыб и отвечают за формирование концов плавников.
Светлые зоны соответствуют участкам развивающихся конечностей, в которых проявляют активность аналогичные гены Нох
Со вторым молодым исследователем я познакомился в 1983 году, когда мой профессор анатомии Ли Герке привел с собой на лекцию своего совсем еще маленького сына. Я и представить не мог, что через двадцать лет этот ребеночек, Эндрю Герке, придет работать над диссертацией в мою лабораторию. Герке, как и Накамура, почти каждую ночь просиживал за экспериментами в лаборатории до трех часов утра. Группа канадских исследователей показала: если пометить гены, отвечающие за формирование передних лап мыши, и проследить за развитием конечности, выясняется, что почти все меченые клетки оказываются в кисти и пальцах. В этом нет ничего неожиданного. Неожиданным оказалось то, что происходит с плавниками рыб. Однажды поздно ночью Герке следил за активностью генов в плавниках рыб и сфотографировал происходящее. Эта картинка оказалась на первой странице The New York Times, поскольку демонстрировала кое-что важное. Гены, необходимые для формирования кистей мыши и человека, у рыб не только присутствуют, но и формируют кости на концах плавников – плавниковые лучи.
Превращение плавников в конечности сопровождалось перепрофилированием на всех уровнях: у рыб тоже есть гены, ответственные за формирование кистей и стоп, они создают концы плавников; версии тех же самых генов участвуют в формировании задней части тела мух и других животных. Великие революции в истории жизни не обязательно происходят через массивное изобретение новых генов, органов или способов существования. Новые варианты применения уже существующих признаков открывают широчайшие возможности для потомков.
Модификация, перенаправление или переключение уже существующих генов обеспечивают возможность эволюционных изменений. Для образования новых органов в телах не нужно изобретать с нуля новые генетические рецепты. Можно использовать существующие гены и связи между ними и модифицировать для формирования совершенно новых вещей. Принцип применения старого для создания нового справедлив на всех уровнях развития жизни – даже в отношении создания новых генов.
Глава 5
Талант имитатора
В XVII и XVIII веках изучение тел животных было таким же волнующим занятием, как экспедиции в другие части света. Еще только предстояло установить основы анатомии человека, не говоря уже о разнообразных существах, найденных в удаленных уголках Земли. Как горные вершины, реки и другие географические объекты, структуры тела часто называли в честь открывших их людей. Эти названия отражают нашу историческую связь с сотнями ученых, которые первыми анализировали структуры тела. В сердце есть проводящие волокна, называемые пучком Бахмана. В глазу есть круговая связка – кольцо волокон вокруг зрительного нерва, – именуемая Цинновой связкой. А как забыть “подвижную связку Генри”
[16] – это похожее на шутку обозначение группы мышц на внешней стороне предплечья?
Ученые, давшие имена этим частям тела, не просто “застолбили” свои открытия, они разглядели важнейшие общие схемы устройства природы. В честь французского врача Феликса Вик-д’Азира (1748-1794) названы две анатомические структуры головного мозга – пучок Вик-д’Азира и полоска Вик-д’Азира. Этот человек, который основал современную нейроанатомию и позднее сравнительную анатомию, остался недооцененной фигурой в истории науки. Но он одним из первых стал сравнивать анатомические структуры разных животных, чтобы понять законы, определяющие, почему структуры тела выглядят именно так, а не иначе.
Вик-д’Азир не только сравнивал аналогичные анатомические структуры у разных видов, но и наблюдал внутреннюю организацию тел. Препарируя человеческие конечности, он обнаружил, что руки и ноги фактически копируют друг друга. Кости рук и ног следуют одной и той же схеме “одна кость, две кости, много костей, пальцы”. Но он расширил и углубил это сравнение, показав, что мышцы рук и ног тоже построены по одинаковой схеме, как будто являются частью повторяющейся серии дуплицированных органов.
Примерно через семьдесят лет после этого британский анатом сэр Ричард Оуэн (1804-1892) распространил идею Вик-д’Авира на все тело и на скелеты животных. Ребра, позвонки и кости конечностей кажутся модифицированными копиями друг друга, имеющими общий дизайн, но с некоторыми вариациями формы, размера и положения в теле. Оуэна это настолько потрясло, что он предположил, что архетипом скелетов всех существ от рыбы до человека был скелет простого существа, от головы до хвоста сформированного из блоков позвонков и ребер.
Вик-д’Азир и Оуэн не только открыли основополагающую схему построения тел. Они обнаружили нечто касающееся биологии в целом и, что особенно важно, ДНК.
И снова Бриджес
Детальные анатомические исследования XVIII и XIX веков были прелюдией к кропотливой работе в “мушиной комнате” Моргана. В 1913 году студентка Моргана Сабра Кобей Тайс обнаружила самца дрозофилы с удивительно маленькими глазами. Это был редкий мутант – один среди сотен нормальных дрозофил. Продолжая разводить дрозофил в поисках таких же самцов и самок, через несколько месяцев Тайс наконец-то смогла получить их в большем количестве.
