Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных
англ. Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom
Русскоязычное издание
Русскоязычное издание
Автор Шон Б. Кэрролл
Язык оригинала английский
Оригинал издан 2005
Издатель W. W. Norton

Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных (англ. Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom) — книга 2005 года молекулярного биолога Шона Б. Кэрролла. Она представляет собой краткое описание появляющейся области эволюционной биологии развития и роли инструментальных генов  (англ.). Книга получила множество наград за научную коммуникацию.

Несколько противоречивая идея книги[1] заключается в том, что эволюция у животных (хотя, несомненно, аналогичные процессы происходят и в других организмах) происходит в основном за счёт изменения способа, которым регуляторные гены, которые не кодируют структурные белки (например, ферменты), контролируют эмбриональное развитие. В свою очередь, эти регуляторные гены оказались основаны на очень старом наборе высококонсервативных генов, которые Кэрролл назвал инструментарием. Практически идентичные последовательности можно найти в животном мире, а это означает, что гены инструментария, такие как Hox, должны были развиться до кембрийского взрыва, который создал большинство планов тела  (англ.) животных, существующих сегодня. Эти гены используются, в том числе повторно, иногда путём дупликации, но гораздо чаще, когда они применяются без изменений к новым функциям. Таким образом, один и тот же сигнал может быть подан в разное время развития, в другой части эмбриона, оказывая различное воздействие на организм взрослой особи. По мнению Кэрролла, это объясняет, как так много форм тела создаётся с таким небольшим количеством структурных генов  (англ.).

Книга получила высокую оценку критиков и была названа самой важной научно-популярной книгой после «Слепого часовщика» Ричарда Докинза.

Автор[править | править код]

Шон Б. Кэрролл — профессор молекулярной биологии и генетики Висконсинского университета в Мадисоне[2]. Он изучает эволюцию цис-регуляторных элементов (частей некодирующей ДНК), которые помогают регулировать экспрессию генов в развивающихся эмбрионах, используя плодовую муху дрозофилу в качестве модельного организма[3][4]. За свою работу он получил премию Shaw Scientist Award[5] и премию Стивена Джея Гулда[6].

Книга[править | править код]

Контекст[править | править код]

Название книги цитирует последнее предложение книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов» 1859 года, в которой он описал эволюцию всех живых организмов от общего предка: «бесконечные формы, самые прекрасные и самые чудесные, развивались и продолжают развиваться»[7]. Однако Дарвин не смог объяснить, как на самом деле возникли эти формы тела. Современный синтез эволюции и генетики в начале XX века также в значительной степени игнорировал эмбриональное развитие для объяснения формы организмов, поскольку популяционная генетика казалась адекватным объяснением того, как развивались формы. Эта задача была наконец решена в конце XX века с появлением технологии рекомбинантной ДНК  (англ.), когда биологи смогли начать исследовать, как фактически контролируется развитие[8].

Содержание[править | править код]

Тело трилобита состоит из множества одинаковых модулей (сегментов тела с парами придатков). Это может быть сделано путём многократного использования одних и тех же инструментальных генов  (англ.).
Часть I. Эволюция животных
1. Архитектура животных: современные формы, древние образцы
Кэрролл утверждает, что многие животные имеют модульную конструкцию с повторяющимися частями, как в трилобите с повторяющимися сегментами или повторяющимися пальцами руки человека.
2. Монстры, мутанты и главные гены
Эмбриологи изучают, как развиваются тела, и аномалии, когда что-то идёт не так, например, гомеотические варианты, когда одна часть тела превращается в другую (например, усик плодовой мухи становится ногой у мутанта Antennapedia).
3. От кишечной палочки до слонов
В этой главе рассказывается о генетическом коде и lac-опероне, показывая, что среда и генетические переключатели вместе контролируют экспрессию генов. Контроль экспрессии представляет набор инструментов для генов  (англ.).
4. Создание детей: 25000 генов, требуется сборка
Кэрролл смотрит на то, как контролируется эмбриональное развитие плодовой мухи, и описывает свои собственные открытия (ещё в 1994 году).
5. Тёмная материя генома: инструкция по эксплуатации набора инструментов
В главе описывается, как гены включаются и выключаются в точно заданной временной последовательности и трёхмерном паттерне в развивающемся эмбрионе, и как эта логика может быть изменена эволюцией для создания различных тел животных.
Конечности раков являются узкоспециализированными, адаптированными к изменениям набором генных инструментов  (англ.) от простых придатков их трилобитоподобных предков.
Эмбрион плодовой мушки окрашивают, чтобы показать экспрессию некоторых генов (названных), которые контролируют его развитие.
Часть II. Ископаемые останки, гены и формирование разнообразия животных
6. Большой взрыв эволюции животных
Кембрийский взрыв вызвал вспышку в разнообразии телосложения животных  (англ.), от плоских червей и моллюсков до членистоногих и позвоночных. Кэрролл объясняет, как изменение паттерна экспрессии гена Hox сформировало тела разных типов членистоногих и разных типов позвоночных.
7. Малые взрывы: Крылья и другие революционные изобретения
В этой главе объясняется, как эволюция работает внутри родословного древа, специализируясь на конечностях членистоногих от всех одинаковых существ до «всех различных орудий, которые несёт скромный рак», с (он пишет) большим количеством штуковин, чем швейцарский армейский нож.
8. Как у бабочки появились пятна
Вторя названиям «Просто сказок» Редьярда Киплинга, Кэрролл показывает, как развивались узоры крыльев бабочек, включая его открытие роли гена Distal-less  (англ.), до того как стала известна его роль развитии конечностей. Очевидно, генетический переключатель можно было повторно использовать для разных целей.
9. Покрась в чёрное
Кэрролл рассматривает полосы зебры, промышленный меланизм  (англ.) у берёзовой пяденицы и пятна больших кошек — всё это примеры управления закономерностями у животных вплоть до молекулярного уровня.
10. Прекрасный разум: создание Homo sapiens
В этой главе обсуждается, чем люди отличаются от других приматов и почему структурных генов  (англ.), отвечающих за эти различия, не так много. Большинство изменений связано с генетическим контролем, а не с белками.
11. Бесконечные формы — самые красивые
В заключение Кэрролл пересматривает «Происхождение видов» Дарвина, начиная с того, как Дарвин развивал последний абзац своей книги, оставляя только эти четыре слова «полностью нетронутыми во всех версиях и изданиях». Он показывает, что evo-devo является краеугольным камнем синтеза эволюции, генетики и эмбриологии, заменяя «современный синтез» биологии XX века.

Иллюстрации[править | править код]

Книга иллюстрирована фотографиями, например, развивающимися эмбрионами плодовой мухи, окрашенными, чтобы показать действие генов из инструментария  (англ.), а также штриховыми рисунками, выполненными Джейми У. Кэрроллом, Джошем П. Клэйссом и Линн М. Олдс.

Награды[править | править код]

Реакция[править | править код]

«Киплинг был бы прикован»: книга объясняет, как животные на самом деле приобрели черты, о которых Редьярд Киплинг писал в своих рассказах 1902 года, такие как «Как слон получил свой хобот».[10]

Биолог-эволюционист Льюис Уолперт в журнале «American Scientist  (англ.)» назвал «Бесконечные формы прекраснейших» «красивой и очень важной книгой». Он резюмировал послание книги словами: «Как поясняет теория Дарвина, эти многочисленные формы развились в результате небольших изменений в потомстве и естественного отбора тех, которые были лучше адаптированы к окружающей среде. Такие вариации вызваны изменениями в генах, которые контролируют поведение клеток в развивающемся эмбрионе. Таким образом, невозможно понять эволюцию без понимания её фундаментальной связи с развитием эмбриона». Уолперт отметил, что Кэрролл намеревался объяснить evo-devo и «блестяще добился того, что намеревался сделать»[11].

Биолог-эволюционист Джерри Койн в журнале «Nature» описал книгу как подходящую для заинтересованного читателя-непрофессионала и назвал её «гимном недавним достижениям в генетике развития и тому, что они могут рассказать нам об эволюционном процессе»[1]. Для него центральным моментом было «неожиданное открытие, что гены, которые контролируют строение тела всех двусторонних животных, включая червей, насекомых, лягушек и людей, в значительной степени идентичны. Это гены «гомеобокса» (Hox)»[1]. Он назвал Кэрролла лидером в этой области и «искусным коммуникатором», но признаёт, что «чувствовал себя некомфортно»[1], когда Кэрролл излагает свое личное видение данной области, «не признавая, что большая часть этого видения остаётся спорной»[1]. Койн указал, что идея о том, что «регуляторный ген является локусом эволюции»[1], восходит к Рою Бриттену  (англ.) и его коллегам примерно в 1970 году, но всё ещё слабо подтверждена наблюдениями или экспериментами. Он признал, что шимпанзе и люди почти на 99% идентичны на уровне ДНК, но отмечает, что «люди и шимпанзе имеют разные аминокислотные последовательности по крайней мере в 55% своих белков, и эта цифра возрастает до 95% для людей и мышей. Таким образом, мы не можем исключить эволюцию белковой последовательности как важную причину отсутствия усов и хвостов»[1]. Он также отметил, что почти половина генов, кодирующих белок человека, не имеет гомологов у плодовых мушек, поэтому можно возразить против тезиса Кэрролла и заявить, что «эволюция формы — это во многом вопрос обучения старых генов созданию новых»[1].

В обзоре «BioScience  (англ.)» отмечалось, что книга служит новыми Просто сказками, объясняющими «пятна, полосы и неровности», которые привлекли внимание Редьярда Киплинга в его рассказах для детей. В обзоре выражена похвала Кэрроллу за то, что он занялся эволюцией человека и охватил ключевые концепции того, что Чарльз Дарвин называл величием [эволюционного взгляда на] жизнь, предполагая, что «Киплинг был бы прикован»[10].

Учёный-писатель Питер Форбс в «The Guardian» назвал произведение «важной книгой», а её автора «одновременно выдающимся учёным… и одним из наших великих писателей-учёных»[12]. Журналист Дик Понтейн в журнале «PC Pro  (англ.)» утверждал, что «Бесконечные формы самых красивых» были самой важной научно-популярной книгой со времён «Слепого часовщика» Ричарда Докинза, «и, по сути, продолжением [к ней]»[13].

Палеобиолог Дуглас Х. Эрвин  (англ.), рецензируя книгу «Искусственная жизнь», отметил, что формы жизни от плодовых мух до людей имеют гораздо меньше генов, чем ожидали многие биологи — у людей их всего около 20 000. «Как могли люди, при всём нашем разнообразии типов клеток и сложности нейронов, требовать по существу такое же количество генов, как муха или, что ещё хуже, червь (нематода Caenorhabditis elegans)?»[14], — спрашивает Эрвин. Он ответил на свой собственный вопрос об «удивительном морфологическом разнообразии» животных, происходящих от «такого ограниченного числа генов», похвалив «проницательный и восторженный» стиль Кэрролла, написавшего «остроумно и увлекательно», вовлекая читателя в сложность Hox и PAX-6, а также празднование кембрийского взрыва форм жизни и многое другое[14].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 Coyne, J. A. (2005). “Switching on evolution”. Nature. 435 (7045): 1029—1030. DOI:10.1038/4351029a.
  2. Our Scientists. HHMI. Howard Hughes Medical Institute. Дата обращения: 15 сентября 2017.
  3. LCMB Investigators. Laboratory of Cell and Molecular Biology at UW-Madison. Дата обращения: 14 сентября 2017.
  4. How Nature Makes a Butterfly's Wing, The New York Times (5 July 1994), С. C9.
  5. Shaw Scientist Award Recipients. Greater Milwaukee Foundation.
  6. SSE 2010 Stephen Jay Gould Prize.
  7. Darwin, Charles. XIV // On The Origin of Species. — 1859. — P. 503. — ISBN 0-8014-1319-2.
  8. Gilbert, S. F.; Opitz, J. M.; Raff, R. A. (1996). “Resynthesizing evolutionary and developmental biology”. Developmental Biology. 173 (2): 357—372. DOI:10.1006/dbio.1996.0032. PMID 8605997.
  9. 1 2 3 4 5 Carrol, Sean B. Endless Forms Most Beautiful. Sean B. Carroll. Дата обращения: 28 октября 2016.
  10. 1 2 Mabee, Paula M. (2005). “The New "Just So" Stories”. BioScience. 55 (10): 898—899. DOI:10.1641/0006-3568(2005)055[0898:tnjss]2.0.co;2.
  11. Wolpert, Lewis (September 2005). “Clever Tinkering”. American Scientist. 93 (5): 1. DOI:10.1511/2005.55.467.
  12. The Serengeti Rules by Sean B Carroll review – a visionary book about how life works (23 March 2016).
  13. Pountain, Dick (November 2016). “Nature's 3D printer exposes Pokemon Go as a hollow replica”. PC Pro (265): 26.
  14. 1 2 Erwin, Douglas J. (2007). “Book Review: Endless Forms Most Beautiful”. Artificial Life. 13 (1): 87—89. DOI:10.1162/artl.2007.13.1.87.

Ссылки[править | править код]