Можно было бы думать, что далекий предок таких млекопитающих, как тюлени и киты, был близок к рыбам или амфибиям. Однако это не так. Опыты по расщеплению ДНК с помощью рестриктаз и последующая ДНК/ДНК-гибридизация, а также использование других молекулярно-биологических методов показали, что предками китов были парнокопытные, такие как олень, а предками тюленей - такие хищники, как выдра и норка.
Рис. 5. Реакция плода человека на асфиксию вызывается теми же химическими сигналами, которые действуют у морских млекопитающих при нырянии
Когда тюлень погружает голову в воду, уровень катехоламинов в крови повышается. Под действием этого гормона поступление крови в периферические сосуды уменьшается, а кровоснабжение головного мозга, сердца и надпочечников усиливается. Аналогичным образом у плода человека, лишенного кислорода, содержание в крови катехоламинов. повышается; приток крови в периферические сосуды уменьшается, а кровоснабжение головного мозга, сердца и надпочечников возрастает. Замедляется также ритм сердечных сокращений.
Предками водных млекопитающих были животные, которые обитали на суше и вели строго наземный образ жизни. Какой механизм дал им возможность вновь перейти к жизни в воде и сколь медленным был этот процесс? Если рассматривать это превращение, пользуясь понятиями случайных мутаций и абстрактного отбора, то следует признать, что оно заняло миллионы лет и было в основном косвенным результатом действия среды. Согласно же моей точке зрения, имеющихся в настоящее время данных достаточно, чтобы представить себе превращение оленя в кита или норки в тюленя следующим образом: 1) превращение шло относительно быстрыми шагами; 2) оно канализировалось внутренними механизмами; 3) химический состав среды оказывал непосредственное влияние на форму организма.
Олень и норка при рождении совершают такой же переход из водной среды в воздушную, как человек и другие млекопитающие. Они внезапно переходят от водного образа жизни в матке к жизни в воздушной среде. Как уже говорилось выше, физиологические изменения, которые претерпевают при рождении кровообращение, дыхание и функция глаз, инициируются гормонами у столь различных млекопитающих, как крысы, овцы и человек. Существенный момент здесь состоит в том, что плод млекопитающего, страдающий от недостатка воздуха, уже обладает химическим механизмом, позволяющим ему справиться с временной асфиксией. Именно такой механизм стали использовать кит и тюлень в своей новой среде, перестав быть наземными животными. И тюлень, и кит во время длительных погружений в воду вынуждены поддерживать жизнедеятельность своего организма в условиях частичной асфиксии. Таким образом, когда наземные позвоночные давали начало своим водным производным, им не пришлось создавать никаких новых механизмов: в их гормональной организации эти механизмы уже имелись.
В пользу такой интерпретации свидетельствуют данные о том, что как половозрелый тюлень, так и человеческий плод, временно оказавшись в условиях асфиксии, используют один и тот же гормональный механизм. Безотносительно к этой эволюционной проблеме Лагеркранц и Злоткин указали на сходство физиологических событий, происходящих в организмах ныряющего тюленя и рождающегося на свет младенца. В обоих случаях одни и те же гормоны оказывают одно и то же действие, с тем, чтобы сбалансировать возникающий при этом временный недостаток кислорода. У новорожденного гормоны ослабляют периферическое кровообращение и усиливают кровоснабжение головного мозга. То же самое происходит у тюленя: когда он ныряет, кровь быстрее притекает к мозгу, а кровоснабжение других частей тела уменьшается.
Ввиду того что переход из водной среды - в воздушную совершается так быстро, я склоняюсь к мысли, что сходная ситуация имела место на первых стадиях превращения оленя в кита или норки в тюленя; иными словами, вначале процесс трансформации, возможно, протекал относительно быстро, используя внутренние химические сигналы, уже давно имевшиеся у организма.
Разумеется, кит отличается от оленя не только в этом отношении. Можно возразить, что главное различие между ними касается формы тела. Тело оленя с его длинными конечностями и рогами совершенно не похоже на обтекаемое тело кита, однако, как свидетельствуют следующие данные, подобные различия не так велики, как это кажется.
1. Известна единичная мутация, вызывающая укорочение ног у овцы. В Новой Англии было выведено стадо коротконогих овец, неспособных перепрыгивать через обычную ограду. Эта порода вымерла, но спустя 50 лет та же мутация вновь возникла в Норвегии.
2. У большинства видов оленей самцы имеют большие рога, а самки безрогие. Существуют также безрогие породы крупного рогатого скота. Отсутствие рогов обусловлено несколькими генами, но в этом участвуют и гормональные факторы. У кастрированных самцов рост рогов прекращается.
3. У первых китов не было плавников. Хорошо сохранившиеся ископаемые остатки показывают, что у большинства древних китов из эоцена плавники еще не развились. На каждой из четырех конечностей у них было по пяти ясно выраженных пальцев. Кроме того, к этому времени укоротились только задние конечности, а передние еще оставались относительно длинными. Примером такого кита служит Pakicetus.
4. Современная обтекаемая форма тела китов - не новшество. Она уже существовала у далеких предков оленя. Такую форму тела имели морские рептилии и рыбы. Более того, возможно, обтекаемая форма тела китов возникла отчасти в результате непосредственного воздействия на клетки организма химических агентов, содержащихся в воде, точно так же, как форма подводных листьев растений и тела обитающих в воде амфибий. В эволюционном плане самое важное значение имеет то, что оленям, возможно, не понадобилось изменять свою генетическую конституцию для того, чтобы приобрести обтекаемую форму тела, свойственную киту. Разные части растения имеют одинаковую генетическую конституцию и тем не менее, продуцируют листья с хорошими гидродинамическими свойствами в воде и аэродинамическими - в воздухе. Не изменяется также и генетическая конституция амфибий, когда форма их тела радикально изменяется с гидродинамической на аэродинамическую, поскольку это происходит у одного и того же животного.
Рис. 6. Различия между наземными и водными млекопитающими. А. Лев. Б. Малый оленек. В. Бегемот. Г. Калифорнийский морской лев. Д. Обыкновенная гринда. Лев приведен здесь как представитель хищных, хотя ближайшими родичами тюленя считаются выдра и норка. Оленек приведен в качестве примера примитивного оленя, от которого, согласно предположениям, возникли киты. Водно-наземные виды по форме тела занимают промежуточное положение между обитателями водной и воздушной сред
Следовательно, может оказаться, что несколько тысяч мутаций и миллионы лет ожидания вовсе не обязательны для того, чтобы олень превратился в кита. Если будут известны: 1) пути становления у живых организмов паттернов, характерных для минералов; 2) механизмы, ответственные за программирование и стирание генов; 3) пути создания упорядоченности в расположении генов в хромосомах эукариот; 4) процессы, с помощью которых содержащиеся в среде химические вещества изменяют функции клеток, то возникнет возможность превращать оленя в кита и кита в оленя с помощью нескольких относительно быстрых химических процессов. Подобное событие кажется таким же недостижимым и нереальным, каким казалось путешествие на Луну ученым XIX в.
Некоторые из наиболее важных признаков, отличающие человека от человекообразных обезьян и отсутствующие у него при рождении
Человек при рождении проходит через описанные выше трансформации, связанные со сменой водной среды на воздушную; более того, у него проявляются все возникшие в процессе эволюции черты, обусловленные физиологическими изменениями, сходными с теми, которыми сопровождается переход из водной среды в воздушную у других животных.
Homo sapiens, шимпанзе, горилла и орангутанг обладают общим предком и относятся к высшим приматам. Два главных признака, которыми человек отличается от человекообразных обезьян, при рождении отсутствуют, хотя обычно считается, что они у него уже имеются. Эти признаки - крупные размеры головного мозга и изменения скелета, делающие возможным вертикальное положение тела, - возникают в результате физиологических изменений, происходящих в период постнатального развития. Это имеет огромное эволюционное значение, свидетельствуя о том, что такие признаки не являются врожденными видовыми признаками, но возникают в результате физиологических изменений, происходящих на поздних стадиях развития. У человека объем головного мозга продолжает увеличиваться в течение длительного времени после рождения, тогда как у шимпанзе он увеличивается лишь незначительно. То же самое относится к хождению на двух ногах.
Рис. 7. Изменение изгиба позвоночника у человека в процессе роста. У новорожденного имеется только один изгиб выпуклостью назад, как, например, у гориллы
У новорожденного ребенка позвоночник изогнут так же, как у передвигающейся на двух конечностях гориллы, т.е. имеет один изгиб выпуклостью назад. В трехмесячном возрасте появляется первое изменение - изгиб в шейной области, а к девяти месяцам - второе изменение, создающее компенсаторный изгиб в поясничной области, который в основном и обеспечивает вертикальное положение тела. Происходят и другие изменения, в частности в строении таза, который образует дно брюшной полости, т.е. занимает у человека совершенно иное положение, нежели у четвероногих. Таким образом, лишь по достижении девятимесячного возраста тело человека оказывается достаточно измененным, чтобы принять вертикальное положение. Какого рода сигналы инициируют подобные изменения? В настоящее время это еще не вполне установлено. Однако различия в скелете и мышцах между человеком и человекообразными обезьянами всего лишь несколько сильнее выражены, чем различия между мужчиной и женщиной, у которой таз имеет иную форму и иную мускулатуру. Как известно, эти различия имеют гормональную природу и зависят от активности околощитовидных желез и надпочечников, которые посылают химические сигналы, воздействующие на костную ткань и на мышечные сокращения соответственно. Таким образом, изменения, в результате которых человек становится из четвероногого двуногим, могут быть вызваны главным образом химическими сигналами гормонального типа. С эволюционной точки зрения это означает, что для такого превращения не нужны новые структурные гены, свойственные одному лишь виду Homo sapiens, и что оно легко может быть достигнуто в результате изменений на уровне регуляторных ДНК. Кроме того, превращение это происходит быстро - у одного индивидуума и за несколько месяцев.
Эволюция человека, по-видимому, зависела главным образом от изменений на уровне регуляторной ДНК, а не на уровне структурных генов.
Изложенные выше соображения подтверждаются собранными за последние 10 лет данными о генетическом сходстве между человеком и человекообразными обезьянами. В отличие от ожиданий, основанных на представлениях о случайных мутациях, анализ геномов показал следующее.
1. При детальном изучении окрашенных поперечных дисков, образующих в хромосомах постоянные паттерны, было обнаружено их поразительное сходство у орангутанга, гориллы, шимпанзе и человека.
2. В хромосомах человека установлена локализация примерно 400 генов. Сорок из них обнаружены у человекообразных обезьян, причем в большинстве случаев в тех же хромосомах.
3. Гомологичность ДНК высших приматов подтверждается и опытами по ДНК/ДНК-гибридизации. Различия между нуклеотидными последовательностями ДНК человека и шимпанзе составляют примерно 1,1% и затрагивают главным образом нетранскрибируемые участки, в которых локализована регуляторная ДНК.
4. Эти гомологии обнаружены также и в белках. Сходство между аминокислотными последовательностями 44 белков шимпанзе и человека превышает 99%.
5. Кинг и Уилсон на основании своих исследований пришли к выводу, что главные морфологические и физиологические различия между человеком и шимпанзе могут быть результатом регуляторных изменений на уровне экспрессии генов, а не точковых мутаций в структурных генах.
Человек и шимпанзе относятся не только к разным видам, но и к разным родам и семействам. Человек принадлежит к сем. Hominidae, шимпанзе - к сем. Pongidae. Следовательно, должна существовать какая-то трансформация, приводящая к такой крупной модификации, которая может вызвать различие, разделяющее семейства, не вызывая при этом существенных изменений в структурных генах.
Новейшие палеонтологические данные подтверждают возможность внезапного возникновения видов.
Верба провела обширное исследование эволюции африканских млекопитающих от миоцена до современной эпохи. Она определяла продолжительность существования видов у антилоп и у других групп. Врба пришла к выводу, что имели место синхронные волны, которые вели к внезапному появлению отличительных признаков, сохранявшихся затем на протяжении длительных периодов времени. Как она указывает, эти данные свидетельствуют в пользу не последовательного видообразования, основанного на накоплении мелких изменений, а внезапного взрыва видовых признаков, которые затем закреплялись.
Виды, роды и семейства могут возникать многими способами.
Согласно общепринятой точке зрения, виды возникают главным образом путем: 1) мутаций структурных генов, т.е. генов, детерминирующих синтез белков; 2) хромосомных перестроек; 3) случайных событий; 4) многочисленных мелких и последовательных генетических изменений; 5) медленного процесса трансформации. Это далее ведет к превращению видов в роды и родов в семейства.
Имеющиеся в настоящее время данные указывают на то, что в этих эволюционных процессах могут участвовать весьма различные механизмы. Кроме того, в видообразовании могут использоваться не один, а несколько механизмов.
1. Каждая трансформация обусловливалась упорядоченностью, заданной исходной организацией минеральных компонентов клетки и сохранением нескольких нуклеотидных последовательностей ДНК от прокариот и эукариот до человека.
2. Модификации минеральных компонентов, происходящие, например, в результате изменений проницаемости мембран, возможно, участвуют в трансформации видов, поскольку они оказывают воздействие на базовые типы структур.
3. Из этих процессов нельзя исключить также изменения физических факторов, таких как гравитация, которые ведут к изменениям в послойном распределении макромолекулярных компонентов в оплодотворенном яйце. Модификации, вызванные химическими и физическими факторами, могут передаваться потомкам, поскольку разделение между соматическими клетками и клетками зародышевого пути не такое строгое, как полагали прежде.
4. Не исключается и участие изменений структурных генов, но они, вероятно, зависят главным образом от физико-химических ограничений, присущих строению клетки и ДНК.
5. Кроме того, эволюция ДНК может зависеть от внутренней и внешней среды. Известно, что такой физический фактор, как температура, канализирует нуклеотидный состав ДНК. Можно ожидать, что у высших позвоночных, таких, как птицы и млекопитающие, терморегуляция, обеспечивающая постоянство температуры клеток, канализирует изменения нуклеотидных последовательностей как структурных, так и регуляторных участков ДНК.
6. Совершенно очевидно значение хромосомных перестроек, которые так часто называли источником трансформации видов. Создается, однако, впечатление, что они возникают и поддерживаются упорядоченными процессами, обусловленными главным образом исходным строением хромосомы. В их установлении должна была участвовать упорядоченность, определяющая оптимальные генные территории в пределах центромеро-теломерного поля.
7. Во внезапном образовании добавочных копий специфических последовательностей ДНК участвуют и внутренние, и внешние факторы. Число копий может регулироваться самой хромосомой. Их резкое изменение может обусловливаться и средовыми факторами.
8. Наряду с совершенно очевидными медленными изменениями возможны и быстрые изменения. Это объясняется тем, что многие резкие структурные и функциональные изменения совершаются без участия структурных генов; они определяются изменениями в регуляторной ДНК и даже внешними факторами, влияющими на секрецию гормонов. Структурные гены, по-видимому, играют в эволюции скромную роль по сравнению с ролью нуклеотидных последовательностей регуляторных ДНК.
9. Первоначальные процессы, ведущие к трансформации видов, родов и семейств, не всегда протекают медленно. Медленными являются, по-видимому, более поздние события, порождаемые разного рода мелкими подгонками. Для главной трансформации не нужны миллионы лет или тысячи случайных мутаций. Результаты изучения автоэволюции позволяют сформулировать более многостороннюю и связную концепцию трансформации видов.
К этому можно добавить, что вымирание видов в результате катастроф необязательно: возможно, у них существуют некие часы, определяющие продолжительность их существования. Наличие у млекопитающих часов, ограничивающих число делений соматических клеток, хорошо известно. Не исключено, что эти клеточные часы проявляют себя и на видовом уровне.
Страницы: 1, 2
