Парадокс набора генов развития и истоки биоразнообразия
Открытие общего набора генов развития у разных животных заставляет нас по-иному взглянуть на эволюцию биоразнообразия. Нам многое известно об этих генах у самых разных животных. Мы знаем, что эти гены очень древние и существовали уже до того, как возникло большинство типов животных. Кроме того, мы знаем полные нуклеотидные последовательности геномов дрозофилы, нематоды, мыши, человека, рыбы и некоторых других животных. Сравнительный анализ геномов показывает не только то, что человек имеет множество общих генов развития с дрозофилой, но и то, что с мышью у нас практически идентичный общий набор из 29 000 генов, а с шимпанзе на генетическом уровне мы совпадаем на 99%. Наличие общего набора генов развития и высокая степень генетического сходства разных видов животных представляют собой очевидный парадокс. Если набор генов развития совпадает у самых разных видов, то откуда взялись различия? Как при использовании одинаковых Hox-генов появилось такое невероятное разнообразие членистоногих? Как возникли различия между всеми млекопитающими, или между приматами, или между приматами и человеком? Чтобы понять, как с помощью одинаковых генов формируется разное анатомическое строение, нужно сначала понять, как происходит сборка одного конкретного животного. Это длинный рассказ, который станет темой двух последующих глав.
Развитие лягушки. Из книги A. Ecker, Icones Physiobgicae: Erlduterungstafeln (1851-1859).
Глава 4. Делаем ребенка: есть 25 000 генов, требуется сборка
Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.
В Колорадо глубокая ночь. Весна. В лаборатории мертвая тишина. Я в миллионный раз за последние полтора года повторяю одну и ту же процедуру. Искупав сотни крошечных белых эмбрионов дрозофилы в только что приготовленном растворе антител, я начинаю нервничать. Руководитель лаборатории Мэтью Скотт еще не в курсе, но я-то знаю, что это наша последняя попытка. Я больше не могу придумать, как выполнить этот эксперимент. У меня больше нет в запасе никаких трюков, и если и на сей раз ничего не получится, значит, мы напрасно трудились полтора года. Эмбрионы на стекле напоминают зернышки риса. Я направляю на них луч голубоватого света. Великий боже! Чудесные малютки "окольцованы" зелеными полосками! Нужно звонить шефу и бежать за выпивкой. Работа продолжается.
Вернуть цыпленка
Я рассказал о наборе генов, необходимых для развития, и о том, что открытию этого набора помогло исследование удивительных мутантов с аномальным количеством частей тела, их отсутствием или неправильным расположением. К счастью, в большинстве случаев природа все делает правильно и мухи и дети рождаются с нужным количеством частей тела в нужных местах. Но как это происходит? Каким образом эти удивительные гены превращают простую яйцеклетку в сложное животное?
Так называемый редукционистский подход в биологии заключается в изучении процессов жизнедеятельности на молекулярном уровне, для чего приходится "редуцировать" процессы и структуры до их молекулярных компонентов. Этот подход в последние пятьдесят лет использовался чрезвычайно успешно и позволил установить механизмы наследования, выявить причины многих заболеваний и создать новую медицинскую и диагностическую индустрию. Недостаток редукционистского подхода заключается в том, что многие биологические системы, такие как клетки, отдельные особи, популяции и сообщества, организованы на надмолекулярном уровне, так что знание составляющих их молекул не объясняет всех свойств этих систем. Точно так же, как знание того, что компьютер сделан из полупроводников, сверхпроводников и полимеров, не дает представления о том, как он устроен и работает, знакомство с генетическим набором инструментов не позволяет полностью воссоздать картину развития живого организма.
Эта ситуация напоминает ранний период эмбриологических исследований, когда эмбриологи изолировали с помощью "грубой силы" определенные популяции клеток, пытаясь понять, как они складываются в ткани и органы в процессе развития. Однажды Пол Вейс[5] проиллюстрировал знакомым эмбриологам однобокость редукционистского подхода. Он показал им фотографию целого куриного эмбриона, затем фотографию эмбриона, обработанного блендером, и, наконец, фотографию эмбриона, чьи перемолотые компоненты были собраны в одно целое путем центрифугирования. Вейс предельно четко обозначил проблему редукционизма: как собрать цыпленка обратно?
5
Пол Вейс (1901-2002) — американский философ; известен работами в области метафизики и космологии. — Прим. перев.