Открытие пальцев и запястий рыб

Как-то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно-строительных работ. Мы нашли чудесный участок выемки грунта на 15-й трассе к северу от Уильямсфорта, где департаментом транспорта был сотворен гигантский обрыв из песчаника возрастом около 365 миллионов лет. Песчаник здесь взрывали динамитом, и вдоль дороги были оставлены груды больших камней. Это было идеальное место для охоты на ископаемых. Мы вышли из машины и стали ползать по камням, многие из которых были размером с небольшую микроволновую печь. На поверхности некоторых из них попадалась рыбья чешуя, и мы решили захватить несколько таких камней с собой в Филадельфию. Когда мы приехали к Теду домой, его четырехлетняя дочка Дейзи выбежала встречать папу и спросила, что мы нашли.

Показывая Дейзи один из камней, мы внезапно осознали, что из него выступает фрагмент плавника крупной рыбы. В поле мы этого почему-то не заметили. Вскоре нам предстояло узнать, что это не обычный рыбий плавник: внутри его было немало костей.

Наш несравненный плавник. К сожалению, нам удалось найти только этот отдельный образец. Рисунок вверху воспроизведен с разрешения Скотта Ролинса (Университет Аркадия). Фото автора.

Препараторы в лаборатории потратили около месяца на извлечение скелета этого плавника из камня, и когда он был извлечен, взорам людей впервые предстали остатки скелета рыбы, соответствующие схеме Оуэна. Ближе всего к туловищу располагалась одна кость. К ней крепились еще две. От них отходили шесть рядов небольших костей. По всем признакам это была рыба, наделенная пальцами.

Плавник этой рыбы обладал полноценной перепонкой, его основание было покрыто чешуей, а лопатка относилась к рыбьему типу, но в глубине плавника находились кости, во многом соответствующие костям "стандартной" конечности наземного позвоночного. К сожалению, в нашем распоряжении был лишь отдельный плавник. Теперь нам надо было найти место, где можно было обнаружить полные скелеты таких существ. Единственный отдельный плавник никогда бы не позволил нам ответить на главные вопросы — как это существо пользовалось своими плавниками и были ли в его плавниках суставы, соответствующие нашим и работающие по тому же принципу. Ответ можно было найти, только добыв целый скелет.

На его поиск ушло почти десять лет. И не мне первому посчастливилось увидеть его. Первыми были два препаратора ископаемых, Фред Маллисон и Боб Машек. Препараторы у нас занимаются тем, что с помощью зубоврачебного оборудования удаляют фрагменты породы с собранных нами в поле образцов, тем самым извлекая на свет заключенные в толще породы ископаемые остатки. Препаратору требуются месяцы, а иногда и годы на то, чтобы превратить большой камень, содержащий ископаемые остатки, в красивый образец, доступный для изучения.

В ходе экспедиции 2004 года мы собрали на острове Элсмир три крупных куска породы девонского периода размером с большой предмет ручной клади. В каждом из них были остатки животного с плоской головой: те, что я обнаружил подо льдом на дне карьера, экземпляр Стива и еще один экземпляр, найденный нами в последнюю неделю экспедиции. В полевых условиях мы очистили головы этих ископаемых и извлекли окружавшие их крупные куски породы, чтобы в лабораторных условиях исследовать строение тела этих существ. Затем образцы были упакованы в гипс для транспортировки. Когда в лаборатории с образцов снимают гипс, это похоже на вскрытие капсулы с посланием из прошлого.

Кости переднего плавника тиктаалика — рыбы, у которой есть запястье.

В этом гипсе заключены фрагменты нашей жизни в Арктике, о которых у нас также имеются сделанные в поле заметки, посвященные каждому собранному образцу. Когда мы снимаем гипс, образцы пахнут тундрой.

Фред в Филадельфии и Боб в Чикаго одновременно удаляли породу с двух разных образцов. Из одного из них Боб извлек маленькую косточку, входившую в состав плавника большой рыбы (тогда мы еще не назвали ее тиктааликом). Но вот что отличало эту кубическую косточку от любой другой известной ранее косточки рыбьего плавника: на ее конце был сустав с углублениями для четырех других костей. Иными словами, эта косточка была поразительно похожа на кость запястья. К сожалению, плавники образца, с которым работал Боб, слишком плохо сохранились, чтобы можно было сказать что-то большее. Новые данные пришли неделей позже из Филадельфии. Фред, пользуясь своими зубоврачебными инструментами, как по волшебству извлек из камня остатки целого плавника. Как раз на правильном месте, на конце плечевой кости, в этом плавнике была та самая косточка. И к той самой косточке крепились четыре следующих. Нашим взорам предстало свидетельство происхождения части наших собственных тел, заключенное в рыбе возрастом 375 миллионов лет. Мы нашли рыбу, у которой было запястье.

За последующие несколько месяцев нашим взорам предстала значительная часть остального скелета этой конечности. Она представляла собой нечто среднее между рыбьим плавником и конечностью наземного позвоночного. На плавниках у нашей рыбы была перепонка, но их скелет представлял собой примитивный вариант схемы Оуэна: одна кость — две кости — много косточек — пальцы. В полном соответствии с предсказанием, следующим из теории Дарвина, в определенном месте и в отложениях определенного времени мы нашли форму, промежуточную между двумя разными группами животных.

Находка этого плавника была лишь первой частью нашего открытия. Самое интересное для Теда, Фэриша и меня началось, когда мы стали разбираться с функциями и работой этого плавника и выдвигать гипотезы о том, почему в нем вообще возник сустав запястья. Решение этих проблем можно найти, изучая строение костей и соединяющих их суставов.

Когда мы разобрали по частям скелет плавника тиктаалика, мы обнаружили нечто весьма примечательное: поверхности костей в каждом суставе очень хорошо сохранились. У тиктаалика были лопатка, плечо, предплечье и запястье, состоящие из тех же костей, что и соответствующие части человеческой руки. Изучая строение суставов, соединяющих эти кости, чтобы понять, как они двигались друг относительно друга, мы убедились, что конечности тиктаалика были приспособлены для выполнения довольно необычной функции: эта рыба могла отжиматься.

Когда мы отжимаемся, ладони наших рук прижаты к земле, руки согнуты в локтях, и мы поднимаем и опускаем туловище с помощью грудных мышц. Тело тиктаалика позволяло ему проделывать то же самое упражнение. Конечности могли сгибаться в локтях, как наши руки, а запястье позволяло отогнуть конец плавника в сторону, так что рыбья "ладонь" прижималась к земле. Что же до грудных мышц, у тиктаалика они были, по-видимому, прекрасно развиты. Если мы посмотрим на его лопатки и на нижнюю сторону его плечевых костей в том месте, где они соединялись друг с другом, мы увидим массивные гребни и борозды, к которым, вероятно, крепились крупные грудные мышцы. Тиктаалик умел выполнять известный приказ "упал-отжался"!

Реконструкция тиктаалика в натуральную величину (вверху) и рисунок его плавника (внизу). В этом плавнике есть плечо, предплечье и протозапястье, которые позволяли тиктаалику выполнять что-то вроде отжиманий.

Зачем рыбе могло понадобиться отжиматься? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим все ее тело. Плоская голова с глазами наверху и ребра, по-видимому, говорят нам о том, что тиктаалик мог успешно передвигаться по дну на мелководьях рек или озерков и даже шлепать по грязи возле берега. Плавники, позволяющие поддерживать тело, помогали бы рыбе сохранять маневренность во всех этих средах. Эта интерпретация также соответствует геологическим особенностям места, где мы нашли ископаемые остатки тиктаалика. Строение слоев здешних горных пород и зернистая структура самих этих пород обладают характерными признаками отложений, оставленных неглубокой рекой, окруженной обширной, регулярно заливаемой поймой.

Но зачем вообще жить в подобной среде? Что могло заставить рыбу покинуть толщу воды и поселиться на мелководьях? Подумайте вот о чем: едва ли не все рыбы, жившие в реках в те далекие времена, 375 миллионов лет назад, были хищниками того или иного рода. Некоторые из них достигали в длину пяти метров — вдвое больше, чем самый крупный тиктаалик. Самая обычная рыба, остатки которой встречаются рядом с остатками тиктаалика, превышала два метра в длину и имела голову размером с баскетбольный мяч. Ее зубы были размером с костыли, которыми закрепляют железнодорожные рельсы. Захотелось бы вам поплавать в этой древней реке?

Не будет преувеличением сказать, что в этой среде шла война всех против всех. Стратегии, которые позволяли выжить в таких условиях, вполне очевидны: стать большим, одеться в доспехи или выбраться из воды. Похоже, наши древние предки были не из тех, кто лезет в драку.

Эта склонность наших предков избегать конфликтов имеет для нас огромное значение. Мы можем найти истоки структур наших собственных конечностей в плавниках этих рыб. Подвигайте кистью руки, сгибая и разгибая руку в запястье. Сожмите и разожмите пальцы. Делая это, вы пользуетесь суставами, впервые возникшими в плавниках рыб вроде тиктаалика. До этого таких суставов не было. После этого мы находим их в конечностях наземных позвоночных.

Перейдем от тиктаалика к амфибиям и дальше, к млекопитающим, и нам станет совершенно ясно, что древнейшие обладатели костей нашего плеча и предплечья и даже нашего запястья и кисти руки обладали также чешуей и перепонкой на плавниках. Эти существа были рыбами.

Что нам дает этот план строения, одна кость — две кости — много косточек — пальцы, который Оуэн считал замыслом Создателя? У некоторых рыб, например двоякодышащих, у основания скелета плавников тоже имеется одна кость. У других, например у эустеноптерона, есть уже конструкция "одна кость — две кости". Далее идут существа вроде тиктаалика, у которых есть одна кость, две кости и много косточек. В наших конечностях заключена не одна рыба, а целый аквариум. Фундаментальный план Оуэна был разработан рыбами.

Хотя тиктаалик, по-видимому, действительно мог отжиматься, он никак не мог играть в бейсбол или на фортепиано и ходить на двух ногах. Путь от тиктаалика к человеку очень долог. Но вот важный и во многом удивительный факт: большинство костей, которые позволяют людям ходить, или бросать что-нибудь, или хватать что-нибудь рукой, впервые появились у животных, живших десятки и сотни миллионов лет назад. Предшественники наших плечевых и бедренных костей были у рыб вроде эустеноптерона, которому 380 миллионов лет. Тиктаалик открыл нам ранние этапы эволюции нашего запястья, ладони и пальцев. Первые настоящие пальцы мы видим у амфибий, которым 365 миллионов лет, таких как акантостега. Наконец, полный комплект всех костей человеческого запястья и лодыжки впервые встречается у рептилий возрастом 250 миллионов лет. Скелет наших рук и ног формировался за сотни миллионов лет, сперва в плавниках рыб, затем в конечностях амфибий и рептилий.

Но в чем состояли те важнейшие изменения скелета, которые позволили нам пользоваться руками и ходить на двух ногах? Как они происходили? Давайте обратимся к двум простым примерам о конечностях, чтобы отчасти ответить на эти вопросы.

Мы, люди, как и многие другие млекопитающие, можем вращать большим пальцем руки относительно предплечья. Это нехитрое умение очень важно для использования рук в повседневной жизни — представьте, как сложно нам было бы есть, писать или бросать мяч, если бы наша кисть была зафиксирована неподвижно. Мы обладаем этой способностью потому, что одна из костей предплечья, лучевая, вращается относительно оси, проходящей через локтевой сустав. Его строение на удивление хорошо приспособлено для этого. В конце плечевой кости располагается шарик. Кончик лучевой кости, закрепленный здесь, снабжен красивым маленьким углублением, в которое входит участок поверхности шарика. Этот шаровой шарнир и позволяет нам вращать кистью руки. Такое движение называют "пронация" (вращательное движение кисти снаружи внутрь — правая рука при этом будет двигаться, соответственно, против часовой стрелки, левая — по часовой стрелке) и "супинация" (в обратном направлении). У кого мы находим истоки этой способности? У существ вроде тиктаалика. У тиктаалика на конце локтевой кости располагается удлиненное утолщение, с которым соединяется углубление на конце лучевой кости. Когда тиктаалик сгибал конечность в локте, кончик его радиальной кости вращался (пронатировал) относительно локтя. Стадии совершенствования этой способности мы наблюдаем у амфибий и рептилий, у которых конец плечевой кости превращается в настоящий шарик, почти такой же, как у нас.

Обратимся теперь ко второй паре конечностей. Здесь мы найдем ключевой признак, который позволяет нам ходить.

Этот признак есть не только у нас, но и у других млекопитающих. В отличие от рыб и амфибий у нас колени и локти смотрят в разные стороны. Это отличие принципиально: представьте себе, каково было бы ходить, если бы колени смотрели назад. Совсем другую картину мы видим у рыб вроде эустеноптерона, у которых сочленения, соответствующие нашим коленям и локтям, смотрят по сути в одну и ту же сторону. В ходе внутриутробного развития колени и локти у нас поворачиваются и занимают положение, свойственное человеку.

Когда мы ходим на двух ногах, движения наших бедер, коленей, лодыжек и ступней несут наше тело вперед в выпрямленном положении, совсем не похожем на приземленную позу таких существ, как тиктаалик. Принципиальная разница заключается в положении бедра. Наши ноги не торчат в стороны, как ноги крокодила или амфибии или плавники рыбы: они направлены вниз, под туловище. Положение ног поменялось благодаря изменениям тазобедренного сустава, таза и бедра: наш таз приобрел форму чаши, вертлужная впадина тазобедренного сустава, в которой крепится бедро, углубилась, а само бедро обрело свою характерную шейку, которая позволяет ему быть направленным вниз, а не вбок от туловища.

Означают ли эти факты нашей древней истории, что людей нельзя считать особенными и уникальными среди других живых существ? Конечно, нет. Напротив, знания о глубоких корнях человечества делают факт нашего существования еще примечательнее: все наши экстраординарные способности развились на основе признаков, выработанных в ходе эволюции древними рыбами и другими животными. Из общих для многих животных частей возникла поистине уникальная конструкция. Мы не отделены пропастью от мира прочих живых существ — мы являемся его частью до мозга костей и, как мы вскоре убедимся, даже до генов, заключенных в наших клетках.

Оглядываясь назад я понимаю, что тот момент, когда я впервые увидел запястье рыбы, означал для меня не меньше, чем тот, когда я освободил от марли пальцы трупа на практических занятиях по анатомии человека. В обоих случаях я открыл для себя глубокую связь между мной самим и другим существом.

Глава 3. Ручные гены.

В июле 2004 года, пока мы с моими коллегами добывали в Арктике первые образцы тиктаалика, Рэнди Дан, молодой сотрудник моей лаборатории, трудился в поте лица в Чикаго над генетическими экспериментами с зародышами акул и скатов. На морских пляжах нередко можно встретить небольшие черные яйцевые коконы, которые называют "кошельками русалок". Внутри такого "кошелька" заключено содержащее желток яйцо, в котором развивается эмбрион (зародыш) ската. За годы работы Рэнди провел многие сотни часов, экспериментируя с эмбрионами, заключенными в этих яйцевых коконах, нередко продолжая работу далеко за полночь. В то решающее лето 2004 года Рэнди занимался тем, что с помощью шприца вводил в исследуемые яйца химический аналог витамина А. После этого он оставлял зародыши развиваться в течение нескольких месяцев, пока они не вылуплялись из яйца.

Такие опыты могут показаться странным способом проводить большую часть года, тем более для молодого ученого, планирующего успешную научную карьеру. Почему акулы и скаты? Почему витамин А?

Чтобы объяснить, в чем смысл этих экспериментов, надо вернуться на шаг назад и посмотреть, на какие вопросы они могут ответить. В этой главе мы наконец добрались до рецепта, записанного в нашей ДНК, по которому из единственной яйцеклетки развивается все наше тело. В момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом у нее нет, например, маленьких рук, из которых развились бы руки эмбриона. Руки будут построены на основании информации, содержащейся в яйцеклетке. Здесь мы подходим к очень глубокой проблеме. Одно дело — сравнивать скелет наших рук со скелетом рыбьих плавников. Но что может дать нам сравнение генетического рецепта, по которому формируются наши руки, с рецептом, по которому формируются рыбьи плавники? Чтобы вместе с Рэнди найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться с чередой открытий, которые позволили увидеть общие корни наших рук, акульих плавников и даже мушиных крылышек.

Как мы уже убедились, прорубить широкое окно в наше далекое прошлое позволяет открытие существ, которые часто демонстрируют упрощенные варианты наших тел внутри своих. Мы не можем ставить эксперименты с давно вымершими животными. А эксперименты — великая вещь, потому что они позволяют манипулировать условиями и смотреть, как это скажется на результатах. По этой причине моя лаборатория разделена на два подразделения: половина занимается ископаемыми, а другая половина — зародышами и ДНК. Вот такое у нашей лаборатории раздвоение личности. Закрытое на замок хранилище, где лежат ископаемые остатки тиктааликов, соседствует с морозильной установкой, где хранятся наши драгоценные образцы ДНК.

Эксперименты с ДНК обладают огромным потенциалом для поиска в себе рыбы. Что если поставить такой эксперимент: обрабатывать рыбий зародыш разными химическими веществами и добиться, чтобы его плавник стал отчасти похож на нашу руку? Или эксперимент, который показал бы, что гены, отвечающие за формирование рыбьих плавников, по сути соответствуют генам, отвечающим за формирование наших рук?

Начнем с очевидной загадки. Наше тело состоит из клеток сотен разных типов. Разнообразие клеток определяет строение и функции наших тканей и органов. Клетки, из которых состоят наши кости, нервы, кишечник и другие органы, выглядят и ведут себя совершенно по-разному. Несмотря на эти различия, у всех клеток нашего тела есть одно фундаментальное общее свойство: в них содержится совершенно одинаковая ДНК. Если в ДНК записана информация о том, как должны развиваться наше тело, его ткани и органы, почему же в таких разных клетках, как те, из которых состоят мышцы, нервы и кости, содержится одинаковая ДНК?

Ответ на этот вопрос состоит в том, что в разных клетках включены и работают разные фрагменты ДНК (гены). Клетка кожи отличается от нейрона (нервной клетки) тем, что в этих клетках работают разные гены. Когда ген включен, по записанному в нем рецепту синтезируется белок, который может определять облик и поведение клетки. Поэтому, чтобы понять, в чем разница между клеткой, входящей в состав глаза, и клеткой, входящей в состав скелета руки, нужно разобраться в тех генетических переключателях, которые управляют активностью генов во всех клетках и тканях.

Вот что особенно важно: эти генетические переключатели и позволяют формировать наше тело в ходе развития. В момент зачатия наш организм возникает в виде единственной клетки, содержащей ДНК с полным рецептом для сборки будущего тела. План, по которому строится все наше тело, реализуется посредством инструкций, которые все записаны внутри этой единственной микроскопической клетки. Чтобы пройти путь от простой яйцеклетки до всего человека, состоящего из триллионов специализированных клеток, выстроенных в правильном порядке, на строго определенных этапах развития должны включаться и выключаться целые батареи генов. Как симфония, которая получается из того, что множество отдельных инструментов исполняет разные ноты, человеческое тело формируется за счет работы множества генов, включаемых и выключаемых внутри каждой клетки в ходе нашего развития.

Возможность работать с генами — неоценимый подарок для тех, кто изучает строение и работу живых организмов. Благодаря этой возможности мы можем сравнивать действие разных генов и выяснять, какие изменения происходят под их действием при формировании новых органов в процессе развития. Возьмем, к примеру, конечности. Сравнивая набор генов, работающих в клетках формирующегося рыбьего плавника, с набором генов, работающих в клетках развивающейся человеческой руки, мы можем установить, какие различия есть между плавником и рукой на генетическом уровне.

Гены — это отрезки ДНК, содержащейся в каждой клетке нашего тела.

Такое сравнение позволяет нам выявить возможных виновников — генетические переключатели, изменение которых могло привести к превращению плавников в конечности наземного позвоночного. После этого мы можем изучить работу этих генов в организме эмбриона и попытаться выяснить, как именно они изменились. Можно ставить даже такие эксперименты — манипулировать работой генов и смотреть, как меняется организм эмбриона под действием определенных условий или веществ.

Чтобы разобраться в том, в каких генах записан рецепт формирования наших рук и ног, мы должны действовать подобно криминалистам из телесериала "C.S.I.: Место преступления" — начинать с тела и докапываться до сути. Мы начнем с того, что рассмотрим строение наших конечностей, а затем перейдем к тканям, клеткам и генам, которые это строение определяют.

Создавая руки

Наши конечности трехмерны — у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности — в пальцах — отличаются от костей внутри плеча или таза. Сторона мизинца и сторона большого пальца тоже отличаются друг от друга. Большой палец устроен иначе, чем мизинец. Окончательная цель наших исследований развития конечности, их Святой Грааль, состоит в том, чтобы разобраться, какие гены определяют различия между элементами ее скелета и что управляет ее развитием во всех трех измерениях. Какие отрезки ДНК делают большой палец не таким, как мизинец? Что делает наши пальцы не такими, как кости плеча и предплечья? Если разобраться в генах, которые всем этим управляют, мы проникнем в тайну рецепта, по которому формируется наше тело.

Все генетические переключатели, определяющие формирование пальцев, запястья, костей плеча и предплечья, срабатывают в период с третьей по восьмую неделю после зачатия. В самом начале своего развития человеческие конечности представляют собой крошечные зачатки в виде выростов на поверхности тела эмбриона. Две недели эти выросты увеличиваются в размерах, пока на конце их не образуется уплощенное расширение. Внутри этого расширения располагаются миллионы клеток, из которых в конечном итоге разовьются скелет, нервы и мышцы, которыми человек будет пользоваться всю оставшуюся жизнь.

Для изучения процессов формирования всех этих структур нужно исследовать строение эмбрионов и иногда вмешиваться в процесс их развития, чтобы выяснять, что происходит, когда развитие идет как-то неправильно. Кроме того, нужно исследовать различных мутантов, их внутреннее строение и их гены, иногда на материале специально выведенных мутантных пород.

Развитие конечности на примере крыла цыпленка. Все ключевые стадии развития скелета крыла проходят внутри яйца.

Конечно, нельзя изучать такими методами людей. Главная задача ученых, которые первыми начинали подобные исследования, состояла в том, чтобы найти таких животных, исследование которых откроет нам тайну нашего собственного развития. Пионеры экспериментальной эмбриологии, занявшиеся развитием конечностей в тридцатые и сороковые годы прошлого века, столкнулись с несколькими проблемами. Им нужно было выбрать организм, у которого конечности зародыша были бы доступны для изучения и экспериментов. Этот зародыш должен быть сравнительно крупным, потому что иначе с ним нельзя работать хирургическими методами. Также немаловажно, чтобы этот зародыш развивался в условиях, защищающих его от воздействия сотрясений и других внешних факторов. Кроме того, и это совершенно необходимо, зародыши должны быть доступны круглый год и в большом количестве. Вполне закономерно, что ученые остановили свой выбор на объекте, который мы покупаем в магазине, — на курином яйце.

В пятидесятые и шестидесятые годы некоторые биологи, в том числе Эдгар Цвиллинг и Джон Сондерс, провели ряд остроумных экспериментов на куриных яйцах, чтобы разобраться в том, как формируется структура скелета. Куриные эмбрионы в то время буквально разбирали и собирали по кусочкам. Их оперировали, перемещая на другие места фрагменты разных тканей, чтобы увидеть, как это скажется на развитии эмбриона. Такой подход предполагал использование тончайших методов микрохирургии и манипуляций с кусочками тканей толщиной не больше миллиметра. Пользуясь этими методами, Цвиллинг и Сондерс выявили некоторые ключевые механизмы, лежащие в основе формирования таких разных конечностей, как птичьи крылья, ласты китов и человеческие руки.

Они открыли два небольших участка ткани, которые управляют всем развитием скелетных структур внутри конечности.

Более того, крошечная полоска ткани на самом конце зачатка по сути управляет вообще всем процессом развития конечности. Стоит удалить эту полоску, и развитие останавливается. Если удалить ее на раннем этапе, у зародыша разовьется только плечо или его часть. Если удалить немного позже, разовьется плечо и предплечье. Если удалить еще позже, конечность сформируется почти полностью, но пальцы будут короткими и деформированными.

Еще один эксперимент, впервые поставленный Мэри Гасселинг в лаборатории Джона Сондерса, открыл новое перспективное направление исследований. Возьмем небольшой участок ткани с той стороны зачатка конечности, где должна сформироваться сторона мизинца, на раннем этапе развития и пересадим этот участок на противоположную сторону зачатка, чуть пониже того места, где должен сформироваться первый палец. Дадим зародышу цыпленка развиваться дальше и сформировать крыло — и получим результат, который когда-то почти для всех оказался откровением. Крыло цыпленка развилось целиком, но у него был полностью удвоенный набор пальцев. Кроме того, что еще примечательнее, дополнительный набор пальцев был зеркальным отражением нормального набора. Очевидно, что-то внутри этого участка ткани, какое-то вещество или ген, направляло процесс формирования всех пальцев конечности. Это открытие вызвало настоящую лавину новых экспериментов, которые позволили узнать, что точно такого же эффекта можно добиться и множеством других способов. Например, можно взять куриный эмбрион и вколоть немного витамина А в зачаток его конечности или просто ввести витамин А в яйцо и дать цыпленку развиваться дальше. Если ввести витамин А в определенном количестве и на определенном этапе развития, можно получить такие же зеркально удвоенные конечности, как в опытах Гасселинг, Сондерса и Цвиллинга с пересадкой участка ткани. Этот участок назвали зоной поляризующей активности (ЗПА). По сути ЗПА и служит тем фактором, который делает сторону мизинца отличной от стороны большого пальца. Разумеется, у цыпленка нет ни настоящего мизинца, ни настоящего большого пальца, потому что пальцы в птичьих крыльях редуцированы. Мы пользуемся этими терминами условно, для обозначения тех сторон конечности, где у наделенных пятью пальцами позвоночных образуются пятый и первый пальцы соответственно.

Пересадка небольшого участка ткани, так называемой ЗПА, приводит к удвоению пальцев

Эти открытия вызвали немалый интерес: получалось, что ЗПА каким-то образом управляла образованием пальцев. Но как? Некоторые ученые считали, что клетки ЗПА производят вещество, которое затем распространяется по зачатку конечности, указывая клеткам, какие пальцы им формировать. Главная идея была в том, что в основе всего этого явления могло лежать действие какого-то неизвестного вещества. В участках, близких к ЗПА, где концентрация этого вещества высока, клетки реагируют формированием мизинца. На противоположной стороне развивающейся руки, далеко от ЗПА, это вещество разбавлено, и клетки реагируют на это формированием большого пальца. Клетки, расположенные посередине, тоже реагируют соответственно концентрации этого вещества, формируя указательный, средний и безымянный пальцы.

Идею зависимости формирования пальцев от концентрации некоторого вещества вполне можно было проверить. В 1979 году Деннис Саммербелл вживил крошечный фрагмент фольги в зачаток конечности цыпленка между участком ЗПА и остальной конечностью. Замысел был в том, чтобы предотвратить просачивание каких-либо веществ от ЗПА на другую сторону конечности. Затем Саммербелл пронаблюдал, что происходило с клетками по обе стороны от этой преграды. Клетки на стороне ЗПА формировали пальцы. Клетки на другой стороне не всегда формировали пальцы, а если формировали, то недоразвитые и деформированные. Вывод был очевиден: некое вещество, выделяемое ЗПА, действительно управляет формированием пальцев и определяет их облик. Чтобы выделить это вещество, исследователям пришлось обратиться к ДНК.

Рецепт на ДНК

Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены управляют действием ЗПА.

Важный прорыв был сделан в 1993 году, когда охотой на эти гены занялись в лаборатории Клиффа Тейбина в Гарварде. Целью этой охоты было выяснить, какие молекулярные механизмы дают ЗПА способность делать мизинец непохожим на большой палец. К тому времени, когда группа Тейбина начала работу в начале девяностых, ряд экспериментов вроде тех, что я описал выше, привел ученых к убеждению, что в основе всего этого явления лежало какое-то вещество. Великолепная теория, если не считать того, что никто не знал, что это за вещество. Люди предлагали на эту роль то одно соединение, то другое и всякий раз убеждались, что эти вещества не оказывают искомого действия. Наконец сотрудники лаборатории Тейбина применили другой подход, имеющий непосредственное отношение к предмету нашей книги. Они решили обратиться за ответом к мухам.

Генетические эксперименты восьмидесятых годов позволили обнаружить поразительный набор генов, под действием которых сложное тело будущей мухи лепится из единственной яйцеклетки. Тело плодовой мушки дрозофилы имеет передний и задний концы. На переднем находится голова, на заднем — брюшко, посередине — крылья. Целые батареи генов включаются и выключаются по ходу развития личинки, и последовательность их включения и выключения позволяет оформляться различным частям тела будущей мухи.

Тейбин тогда еще не знал об этом, но в двух других лабораториях — Энди Макмэхона и Фила Ингама — тоже независимо друг от друга пришли к той же самой идее. Результатом этого совпадения стало очень успешное сотрудничество трех разных лабораторий. Внимание Тейбина, Макмэхона и Ингама привлек один из мушиных генов. Они заметили, что работа этого гена делает один конец сегмента тела мухи отличным от другого. Генетики, работающие с дрозофилами, назвали этот ген "hedgehog" (то есть "ежик"). Разве не напоминает работа "ежика" в ходе формирования тела мухи — делать один участок тела непохожим на другой — работу ЗПА, которая делает мизинец непохожим на большой палец? От сотрудников трех лабораторий не ускользнуло это сходство. И они взялись за дело, разыскивая ген hedgehog в клетках таких животных, как куры, мыши и рыбы.

В этих лабораториях знали, как устроен ген hedgehog у мух, и сравнивали его с генами курицы, чтобы найти похожий. Каждый ген обладает определенной последовательностью составляющих его элементов (нуклеотидов). Молекулярные методы позволили исследователям "просматривать" ДНК курицы в поисках такой же последовательности, как в гене hedgehog. После долгих проб и ошибок им наконец удалось найти куриный аналог гена hedgehog.

Точно так же, как палеонтологи дают названия новым открытым видам, генетики дают названия новым генам. Генетики, занимавшиеся мухами-дрозофилами и открывшие ген hedgehog, назвали его так потому, что у мух, у которых в этом гене была мутация, на теле были щетинки, напоминающие колючки ежа. Тейбин, Макмэхон и Ингам назвали куриный аналог этого гена "Sonic hedgehog" в честь ежика Соника — персонажа видеоигр, выпускаемых компанией Sega.

Настало время для самого интересного вопроса: что именно делает Sonic hedgehog в конечностях? В лаборатории Тейбина к молекуле, присоединяющейся к этому гену, приделали пигмент, который позволял наблюдать, в каких клетках зачатка конечности этот ген работает. К немалому удивлению исследователей, они обнаружили, что этот ген задействован лишь в небольшом участке ткани, а именно в ЗПА!

Отсюда с очевидностью следовало, что нужно делать дальше. Ген Sonic hedgehog работает точно там же, где работает сама ЗПА. Вспомним, что если обработать конечность ретиноевой кислотой (витамином А), то еще одна ЗПА вступает в действие на противоположном конце конечности. Нетрудно угадать, что будет, если обработать конечность ретиноевой кислотой и после этого посмотреть, где будет действовать Sonic hedgehog. Как и следовало ожидать, после обработки ретиноевой кислотой этот ген активен на обеих сторонах конечности — мизинца и большого пальца, — точно так же, как и ЗПА.

Зная строение куриного гена Sonic hedgehog, другие исследователи занялись поиском этого гена у других живых существ, наделенных пальцами, от лягушек до людей. Оказалось, что у всех позвоночных с четырьмя конечностями есть Sonic hedgehog. И у всех исследованных к настоящему времени животных этот ген активен в ткани ЗПА. Если Sonic hedgehog не включается как следует в течение восьмой недели развития, у эмбриона или формируются лишние пальцы, или большой палец и мизинец оказываются похожи. В некоторых случаях, когда этот ген поврежден, формируется рука, похожая на широкое весло, аж с двенадцатью похожими пальцами.

Сегодня известно, что Sonic hedgehog представляет собой один из десятков генов, работа которых позволяет формировать наши конечности от плеча или бедра и до кончиков пальцев за счет их последовательного включения и выключения в определенное время. Примечательно, что работы, проведенные на курицах, лягушках и мышах, дали одинаковые результаты. Записанный на ДНК рецепт формирования плеча, предплечья, запястья и пальцев по сути один и тот же у всех наземных позвоночных.

Как далеко в прошлое можем мы проследить историю гена Sonic hedgehog и других фрагментов ДНК, которые управляют развитием наших конечностей? Работают ли те же гены при формировании рыбьих плавников? Или наши руки и ноги принципиально отличаются генетически от плавников рыб? Мы нашли черты рыбы в строении наших рук и ног. Но как насчет ДНК, управляющей их развитием?

Здесь и вступил в дело Рэнди Дан со своими "русалочьими кошельками".

Дадим акуле руку

Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Кпифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, чтобы провести на скатах все эксперименты, проведенные на куриных яйцах учеными, изучавшими развитие кур, от хирургических операций на тканях Сондерса и Цвиллинга до генетических экспериментов Клиффа Тейбина. Развитие зародыша ската проходит внутри яйца, покрытого своеобразной скорлупой и содержащего запас желтка. К тому же эмбрионы у скатов довольно крупные, сравнимые по размеру с эмбрионами курицы. Все эти свойства были очень кстати — они позволяли нам изучать эмбрионы скатов, пользуясь генетическими, хирургическими и другими методами, разработанными для изучения куриных эмбрионов.

Что мы могли бы узнать, сравнивая развитие плавника ската или акулы с развитием крыла или ноги цыпленка? И, что еще важнее, что могли бы мы узнать о себе самих из такого сравнения?

Конечности цыплят как показали Сондерс, Цвиллинг и Тейбин, представляют собой на удивление хорошую модель для изучения развития наших собственных конечностей. Все, что открыли Сондерс и Цвиллинг, вырезая и вживляя кусочки ткани, и все, что установили Тейбин и его коллеги в своих опытах с ДНК, с тем же успехом относится и к нашим конечностям. У нас тоже есть ЗПА, тоже есть Sonic hedgehog, и для нашего нормального развития они играют ту же ключевую роль. Как мы уже убедились, неправильно работающая ЗПА или мутация в гене Sonic hedgehog могут привести к серьезным деформациям конечностей, причем и у человека тоже.

Рэнди хотел узнать, насколько механизм формирования наших конечностей отличается от такого механизма у акул и скатов. Насколько глубока наша связь с остальными живыми существами? Новый ли рецепт обеспечивает правильное формирование наших рук, или он имеет глубокие корни в других существах? И если имеет, то насколько глубокие?

Акулы и их родственники — самые древние существа, у которых плавники имеют скелетную основу. В идеале, чтобы ответить на вопрос Рэнди, надо было бы добыть ископаемую акулу возрастом 400 миллионов лет, привезти ее в лабораторию, разрезать на кусочки и посмотреть на ее гены. Затем надо было бы поэкспериментировать с эмбрионами ископаемого, чтобы узнать, работает ли в зачатках их плавников ген Sonic hedgehog и включается ли он там же, где он включается в зачатках наших конечностей. Это был бы чудесный эксперимент, но, к сожалению, провести его невозможно. Из таких древних ископаемых уже нельзя извлечь ДНК, а если бы и можно было, все равно нам не удалось бы заполучить эмбрионы этих ископаемых, чтобы проводить на них наши опыты.

Поэтому мы обращаемся к следующему по качеству объекту — современным акулам и их родственникам. Плавник акулы никто не перепутает с человеческой рукой — сложно представить себе две более непохожих конечности. Не только сами акулы состоят с человеком в довольно далеком родстве, но и скелетная основа их плавников совсем не похожа на скелет наших конечностей. В плавниках акулы нельзя найти ничего, даже отдаленно напоминающего оуэновское "кость — две кости — много косточек — пальцы". Вместо этого внутри акульего плавника находятся кости, похожие на прутья: длинные и короткие, широкие и узкие. Мы их называем костями, но на самом деле они состоят из хрящевой ткани (акул и скатов именуют хрящевыми рыбами, потому что их скелеты никогда не затвердевают до состояния настоящих костей). Если уж мы решили выяснить, уникальны ли функции гена Sonic hedgehog для наземных позвоночных, то почему бы не посмотреть на животное, во многих отношениях совсем другое? Кроме того, почему бы не выбрать представителя самых примитивных из современных позвоночных, у которых вообще имеются парные конечности? Акулы прекрасно подойдут и для того и для другого.

Наша первая задача была довольно проста. Нам нужен был надежный источник эмбрионов акул и скатов. Оказалось довольно сложно найти способ регулярно получать яйца акул, но со скатами, их близкими родственниками, дела обстояли лучше. В итоге мы начали наши эксперименты с акул и перешли на скатов, когда запасы акул иссякли. Мы нашли поставщика, который примерно раз в пару месяцев присылал нам контейнер с двадцатью-тридцатью яйцами с эмбрионами внутри. У нас, как у туземцев-островитян, выработался настоящий карго-культ, когда мы каждый месяц с нетерпением ожидали прибытия драгоценных эмбрионов.

Результаты, полученные Тейбином и другими генетиками, помогли Рэнди правильно спланировать эксперименты. Со времени работы Тейбина 1993 года ген Sonic hedgehog был найден уже у очень многих видов позвоночных, от рыб до людей. Зная строение гена Sonic hedgehog, Рэнди мог "просмотреть" ДНК ската и акулы в поисках этого гена. Очень скоро он нашел его — акулий Sonic hedgehog.

Теперь нужно было ответить на следующие два главных вопроса. Где в эмбрионе акулы работает Sonic hedgehog? И, что еще важнее, что именно он делает?

Работая с яйцами скатов, Рэнди установил, где и когда включается Sonic hedgehog в ходе развития их эмбрионов. Вначале он выяснил, когда происходит включение этого гена — на том же этапе развития конечности, что у цыпленка, или нет. Оказалось, что на том же. Затем он выяснил, включается ли этот ген на участке ткани на заднем краю плавника, который соответствует нашей стороне мизинца. И снова оказалось, что именно там. Затем он провел эксперименты с витамином А. Это был самый захватывающий этап. Если обработать зачаток конечности цыпленка или млекопитающего этим соединением, то на стороне большого пальца появится еще один участок, на котором работает ген Sonic hedgehog, и это приведет к удвоению костей конечности. Рэнди ввел витамин А в эмбрионы, подождал около суток и затем проверил, вызывает ли витамин А у зародышей скатов, как и у зародышей курицы, включение гена Sonic hedgehog на противоположной стороне конечности. Оказалось, что вызывает. Теперь нам предстояло долго ждать. Мы уже узнали, что Sonic hedgehog в зачатках плавников акул и скатов вел себя так же, как в зачатках наших рук и куриных крыльев. Но какое действие окажет все это на формирование скелета? Ответа пришлось ждать два месяца.

Эмбрионы развивались внутри непрозрачной оболочки яиц. Все, что мы могли узнать, — жив ли эмбрион. То, что находится внутри его плавников, увидеть было нельзя.

Полученный в итоге результат явил нам поразительный пример свойства, которое объединяет нас с акулами и скатами: зеркально отраженный плавник. Внутренние структуры грудных плавников удвоились в направлении голова-хвост точно так же, как удваиваются в таких экспериментах крылья цыпленка. Структуры крыла удваиваются, отражая друг друга. Структуры плавника акул, а также и скатов делают ровно то же самое. Ген Sonic hedgehog действует сходным образом при формировании скелетной основы самых разнообразных конечностей.

Как вы, возможно, помните, один из эффектов гена Sonic hedgehog состоит в том, что он делает пальцы одной конечности разными, отличными друг от друга. Как мы видели на примере опытов с ЗПА, какой именно палец разовьется, зависит от его близости к месту, где работает Sonic hedgehog. Нормальный плавник взрослого ската содержит множество напоминающих прутья скелетных элементов, похожих друг на друга. Можем ли мы сделать так, чтобы эти прутья были разными, как наши пальцы? Рэнди взял небольшой шарик, пропитанный белком, производимым геном Sonic hedgehog, и внедрил его в зачаток плавника между двумя одинаковыми прутьями. Но при этом он использовал продукт не собственного Sonic hedgehog ската, а мышиного Sonic hedgehog. Вот какой хитрый эксперимент: мы получили эмбрион ската, в плавник которого внедрен шарик, из которого постепенно выходит белок мышиного гена Sonic hedgehog. Подействует ли этот мышиный белок на развитие ската?

В результате такого эксперимента можно получить два противоположных результата. Одна крайность — если ничего не произойдет. Это означало бы, что скаты так сильно отличаются от мышей, что мышиный белок гена Sonic hedgehog на них не действует. Другая крайность — это если скелетные элементы плавника в ходе развития станут отличаться друг от друга, демонстрируя тем самым, что ген Sonic hedgehog работает сходным образом и у мышей, и у скатов. И не будем забывать о том, что Рэнди использовал белок млекопитающего, то есть наш собственный белок, производимый этим геном, очень, очень похож на мышиный.

В итоге оказалось, что скелетные элементы в плавнике ската не только стали отличаться друг от друга, но и отреагировали на мышиный Sonic hedgehog в целом именно так, как реагируют пальцы наземных позвоночных, в зависимости от того, насколько близко они находились к источнику белка Sonic hedgehog. Форма "пальцев", ближайших к шарику, отличалась от формы "пальцев", удаленных от шарика. И этот эффект, помимо всего прочего, производился у скатов мышиным белком!

Нормальные плавники (справа) и плавники эмбрионов, которые Рэнди обработал витамином А. Плавники обработанных эмбрионов оказываются зеркально удвоены, совсем как крылья у аналогичным образом обработанных цыплят. Фотографии любезно предоставил Рэндалл Дан (Чикагский университет).

Рыба, которую нашел в нас Рэнди, проявлялась не в какой-нибудь одной кости или в какой-нибудь части скелета. Эта рыба проявлялась в тех биологических механизмах, которые обеспечивают формирование конечностей у эмбрионов. Множество экспериментов, проведенных на таких разных организмах, как мыши, акулы и даже мухи, показывает, что гены Sonic hedgehog и просто hedgehog у всех организмов действуют сходным образом. Любые конечности, будь то плавники или конечности наземного позвоночного, формируются под управлением сходного набора генов. Но что это дает для решения той проблемы, о которой мы говорили в первых двух главах, — проблемы превращения рыбьих плавников в конечности наземных животных? Вот что: это великое эволюционное преобразование не требовало появления новой ДНК а могло произойти во многом лишь за счет изменений древних генов участвующих в развитии рыбьих плавников. Претерпев некоторые изменения, эти гены смогли обеспечить формирование конечностей наземных позвоночных, наделенных настоящими пальцами.

Но кроме того, эти эксперименты с крыльями и плавниками по-настоящему красивы. Лаборатория Тейбина работала с мухами, чтобы найти куриный ген, который позволяет понять причины врожденных человеческих аномалий. Рэнди использовал открытие лаборатории Тейбина, чтобы поведать нам что-то о нашем родстве со скатами. Муха, найденная в курице, помогла Рэнди в конечном итоге найти в нас ската. Связи, объединяющие живых существ, очень глубоки.

Поиск по сайту: