Как боги делали собачку из Lego

Когда-то среди образованных людей хорошим тоном считалось изумляться разнообразию живых существ. «Знаешь ли ты время, когда рождаются дикие козы на скалах, и замечал ли роды ланей? Ты ли дал красивые крылья павлину, перья и пух страусу? Ты ли дал коню силу и облек шею его гривою? Можешь ли ты испугать его, как саранчу?» (Иов 39) — примерно в таком ключе. Это ведь и правда кажется удивительным: у одного крылья, у другого щупальца, у третьего вообще ничего нет, потому что он удав. Какую изумительную тварь ни придумали бы писатели-фантасты для заселения воображаемой планеты Пандоры, почти наверняка где-то на земле найдется что-то похожее.

Эта идея — будто природа или Творец исследовали все возможные способы организации живых тварей и все, что можно придумать, или где-то существует, или просто не пережило Всемирный потоп — как-то укрепилась в сознании. Но потом было сделано открытие, которое не оставило от этой иллюзии камня на камне.

Мы имеем в виду Hox-гены. История с этими генами в двух словах такова: в середине ХХ века Эдвард Льюис обнаружил у мухи несколько генов, управляющих развитием сегментов тела. Оказалось, что эти гены расположены на хромосоме ровно в том же порядке, как и сами сегменты мушиной личинки, как будто в хромосоме есть маленькая карта тела мухи. История плавно набирала обороты, достигнув кульминации в 1995 году, когда Эрик Вишаус и Кристиана Нюсляйн-Фольгард вместе с Льюисом получили за эти мушиные гены Нобелевскую премию.

А самая интригующая деталь вот: обнаружилось, что ровно такая же «карта человека» присутствует и в человеческой хромосоме. Очень похожие Hox-гены есть и у нас, и они тоже определяют отличия наших частей тела друг от друга, располагаясь в соответствии с функцией от головы к копчику. Более того, гены млекопитающих и гены мухи неплохо заменяют друг друга: если ген «знает», где у мухи надо приделать голову, а где ногу, то это «знание» окажется небесполезным и для совершенно непохожих организмов.

Если кто-то не понял, почему это удивительно, подумайте вот о чем. Мы называем «глазом» тот орган, с помощью которого животное видит. Кроме этого, у глаза мухи и глаза мыши нет ровным счетом ничего общего. Одно время считалось, что общий предок мухи и мыши — полый шарик из почти одинаковых клеток, у которого не то что глаз, а вообще ничего нет* (кстати, в процессе развития этого шарика в муху или в мышь голова возникает вообще-то с противоположных сторон). И тем не менее, как оказалось, природа называет «глазом» — а также «головой» и «ногой» — примерно то же самое, что и мы, и явно видит общее между столь непохожими органами зверей и букашек. То есть она как будто исходит не из происхождения, а из функции или «цели». Слабонервных людей такое вообще-то может подтолкнуть к воцерковлению с последующим паломничеством на Афон.

Понимание того факта, что все животные, от сколопендры до слона, формируются по указке очень похожих блоков Hox-генов, сильно меняет картину мира. Вместо фантастического разнообразия природы мы вдруг видим комнату, где разбросаны детские поделки из кубиков Lego. Там есть и домики, и паровозики, и собачки — в фантазии нашему карапузу не откажешь, — но в основе всех поделок лежит единообразный принцип соединения кубиков с пупырышками. Если вы привыкли восхищаться разнообразием мира, в котором вы живете, такое открытие не может вас не разочаровать. Притом что и вы сами, как выясняется, представляете собой такую поделку из того же стандартного набора деталей.

Вместо фантастического разнообразия природы мы вдруг видим комнату, где разбросаны детские поделки из кубиков Lego. В основе всех поделок лежит единообразный принцип соединения кубиков с пупырышками

Чтобы окончательно постичь мудрость Творца, нам остается выяснить, откуда же взялись сами Hox-гены. Буквально эту задачу и поставили перед собой исследователи из Канзаса, к изложению работы которых мы так долго подбирались.

Фабула такова: у двусторонне-симметричных животных Hox-гены определяют специализацию сегментов тела. У сколопендры, к примеру, большая часть этих сегментов довольно единообразны, а у нас с вами столь различны, что кто-то вообще будет отрицать сам факт своей сегментированности (чтобы переубедить этого упрямца, достаточно обратить его внимание на устройство его позвоночника и ребер). Но Hox-гены есть и у тех тварей, которые до двусторонней симметрии эволюционно не доросли. Например, тип «стрекающих», к которым относятся медузы, актинии и кораллы. То, что это именно те самые гены, следует из наличия в них «гомеодомена» — определенного мотива, кодирующего кусочек белка, связывающийся с хромосомой. Остается выяснить, чем же заняты эти гены у организма, не имеющего никаких сегментов тела и вообще больше похожего на цветок, чем на животное.

Канзасские биологи выбрали для своих забав морского анемона нематостеллу. Это существо имеет щупальца, закрепленные на стебельке и окружающие рот. Щупальца гонят ко рту воду, планктон попадает в кишечную полость, переваривается там… и вот, собственно, все, что можно рассказать о жизни анемона. Ах, ну да: тело анемона радиально симметрично. На подобных животных, вероятно, был немного похож наш предок, живший на земле минимум 600 миллионов лет назад.

Исследователи вооружились современным инструментарием для редактирования генов, включая систему CRISPR-cas9, и стали разными способами портить Hox-гены бедняги анемона. Подобные манипуляции с насекомыми приводят к тому, что у личинки не развиваются некоторые сегменты тела, а другие сегменты бессмысленно дублируются.

Не поздоровилось от генетического вмешательства и анемону. Вместо обычных четырех щупалец у него развивалось два или три. К тому же щупальца вырастали непохожими друг на друга: некоторые оказывались явно длиннее, чем надо, некоторые ветвились или сливались с соседними.

Картина вырисовывается такая: вместо сегментов тела у билатералов (то есть двусторонне-симметричных животных), у анемона Hox-гены занимаются радиально-симметричными структурами, то есть щупальцами. То есть и там, и там эти гены заняты построением повторяющегося мотива тела. Разница же в том, что у нас с вами, мух и других билатералов функция Hox-генов — определять специализацию того или иного сегмента. А у примитивного анемона эти гены не только определяют специализацию, но и программируют само образование сегментов. Можно вообразить, что в процессе эволюции гены, выполнявшие несложную работу (наделать несколько одинаковых щупалец), в какой-то момент освободились от этой задачи и сконцентрировались на том, чтобы сделать эти «щупальца» немного разными и специализированными для различных задач. Вполне возможно, что это событие и лежало в основе возникновения билатеральных животных и их последующего эволюционного успеха. Если взять детей, водящих хоровод, и назначить среди них лидера и замыкающего — из хоровода вы получите «змейку», то есть двусторонне-симметричный объект.

Удивительно в этом то, насколько универсальным инструментом оказался несложный механизм, нарезавший анемона на дольки. Акулы и вши, люди и аскариды, осьминоги и бабочки, онагры и скимны, обитающие в тайных (Пс. 16:12), все разнообразие живого мира стало возможно построить на одном общем принципе — сегментации тела с последующей модификацией сегментов. Эти кубики Lego оказались предпочтительнее всех других «конструкторов», которые могли быть в распоряжении Творца.

Работа канзасских биологов — очень маленький шажок к полному пониманию того фокуса, который лежал в основе развития животного мира планеты. Когда этот фокус удастся окончательно разобрать по винтикам, нам наверняка предстоит удивиться гораздо сильнее. Уж какие мировоззренческие выводы мы сделаем — другой вопрос. Кто-то возденет руки к небесам в немом восхищении, а кто-то, может, и расстроится, что все было так просто, изуверится в Творце и запьет. Тут-то как раз нет ничего нового, люди и так все время мечутся между подобными крайностями. Но в результате как-то умудряются узнавать о мире все больше и больше. Так, наверное, и было задумано — или же получилось само.

* Это, конечно, не так. Сейчас биологи склоняются к мысли, что этот предок больше напоминал кольчатого червя, то есть уже был достаточно сложным созданием. Однако твердо установленных фактов по-прежнему удручающе мало.