Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Морфология реальных организмов или их частей может достигать очень высокой сложности, а поэтому производить количественные определения скоростей изменения формы труднее, чем определения скоростей таксономического изменения или изменений размеров. Это огорчительно, потому что критериями для решения таксономических проблем часто служат сложные признаки, эволюционные изменения которых могут быть очень тонкими или во всяком случае такими, что их трудно выразить в сколько-нибудь количественной форме. Скорости морфологического изменения отражаются в скоростях таксономических изменений, рассмотренных выше. Если, как считают сторонники гипотезы прерывистой эволюции, крупные эволюционные изменения всегда сопровождаются видообразованием, то в таком случае скорости таксономического изменения можно использовать для измерения темпа эволюции. Тем не менее определения скоростей таксономических изменений имеют лишь косвенное отношение к проблеме изменения формы.

Наиболее существенные морфологические изменения, происходящие в процессе эволюции, приводят к возникновению «новшеств» - новых структур, качественно отличных от существовавших прежде и открывающих возможности для новых образов жизни. Возникновение многих новшеств отражено в палеонтологической летописи. К их числу относятся конечности амфибий, яйца амниот, сочленение нижней челюсти с черепом у млекопитающих, крылья. О возникновении других новшеств, таких как гомойотермность или молочные железы, связанных с мягкими тканями или физиологическими функциями, можно судить лишь на основе изучения ныне живущих организмов. Новшество не появляется «на пустом месте». Новая структура возникает как результат изменения процессов развития предсуществующих структур. Скорости, с которыми это происходит, варьируют. Переход от сочленения нижней челюсти, типичного для рептилий, к сочленению, типичному для млекопитающих, происходил постепенно, на протяжении многих миллионов лет, и процесс этот хорошо отражен в обширных палеонтологических данных по более продвинутым звероподобным рептилиям. Что же касается скорости развития гомойотермности, то о ней можно только строить догадки. Другие новые признаки, по-видимому, развивались быстро, однако никаких данных об этом не сохранилось. Так, например, летучие мыши, которые завоевали совершенно новую для млекопитающих адаптивную зону, появляются в палеонтологической летописи внезапно, в начале эоцена. По причине скудности данных дать сколько-нибудь реальную оценку скорости, с которой происходила эта действительно глубокая реорганизация передней конечности в крыло, невозможно, однако это, по всей вероятности, имело место в период радиации плацентарных млекопитающих в палеоцене, продолжавшейся 10-12 · 10 6лет.

Для эволюционных превращений таких структур, как неспециализированная передняя конечность млекопитающих, в крыло летучей мыши достаточно изменения только в программе развития, с тем чтобы те же самые компоненты расположились по-иному. Крыло летучей мыши содержит все те кости, из которых построены передние конечности других млекопитающих, и его развитие начинается с образования обычной почки конечности. Подробным рассмотрением эволюционных модификаций программ развития мы займемся в последующих главах. Здесь же нас интересует только вопрос о том, существуют ли качественные различия между эволюционными процессами, приводящими к появлению структурных новшеств, и теми процессами, в результате которых происходят более скромные эволюционные изменения морфологии. Согласно нашему рабочему допущению, различий между ними нет. Во всех эволюционных изменениях морфогенеза участвуют сходные генетические факторы, контролирующие градиенты, становление плана строения (pattern formation), скорости клеточного деления, индукционные взаимодействия и другие процессы, которые обеспечивают развитие дифференцированной структуры во всех ее деталях. Палеонтологическая летопись дает нам сведения только о двух изменениях морфологии, которые возникают в результате эволюционного изменения генов, контролирующих эти процессы, и которые можно оценить количественно. Это изменения так называемых меристических признаков и изменения аллометрических соотношений.

Меристическими называют признаки, представленные рядом идентичных или сходных структур, как, например, амбулакры иглокожих, фасетки глаза у трилобитов подсемейства Phacopinae, щетинки насекомых, ребра на раковинах брахиопод и моллюсков или позвонки и пальцы у позвоночных. Скорости изменения числа этих структур также можно выразить в единицах дарвин, предложенных Холдейном (Haldane). Ван-Вален (Van Valen) приводит различные скорости изменения меристических признаков, вычисленные на основании палеонтологических данных. Скорости изменения числа камер у некоторых ископаемых фораминифер варьируют от 70 до 120 миллидарвин. Число ребер на раковинах брахиопод изменялось со скоростями от 0 до 100 миллидарвин, а число ребер на раковинах гребешка - со скоростями от 6 до 190 миллидарвин. В 1973 г. Маглио (Maglio) вычислил в дарвинах скорости для нескольких поддающихся измерению меристических признаков зубов слонов. Изменение числа эмалевых гребней или поперечных пластин, образующих перетирающие поверхности коренных зубов слона, представлено на рис. 2-9. Показаны три линии, берущие начало от Primelephas gomphotheroides, у которого были примитивные коренные зубы с небольшим числом пластин. У рода Loxodonta, к которому принадлежит ныне живущий африканский слон, число пластин возрастало медленно, тогда как у рода Elephas, представленного в настоящее время индийским слоном, и у мамонтов (Mammuthus) оно возрастало быстро. У Elephas средняя скорость увеличения числа пластин составляла примерно 200 миллидарвин, а у поздних мамонтов она дала вспышку, достигнув 600 миллидарвин. В обеих линиях число пластин возросло от 7 до 23 примерно за 5,5 · 10 6лет. В сочетании с целым набором других изменений (толщины эмали, высоты коронок и формы пластин) увеличение числа пластин привело к развитию высокоэффективных перетирающих коренных зубов.

Рис. 2-9.Эволюция эмалевых гребней коренных зубов в трех линиях слонов: у индийского слона Elephas (●), африканского слона Loxodonta (○) и у мамонта Mammuthus (Δ) (по Maglio, 1973).

Обычно одно только изменение числа сходных частей приводит лишь к небольшим изменениям морфологии. Меньшее или большее число щетинок у мух или ребер на раковинах брахиопод не относится к категории глубоких эволюционных событий. Но в некоторых случаях изменения меристических признаков играли ключевую роль в эволюции; ярким примером служат змеи, у которых может быть до 400 позвонков и почти столько же пар ребер, что обеспечивает эффективный, хотя и весьма специализированный, способ передвижения, а в случае питонов и удавов - единственный в своем роде способ расправиться с жертвой. До сих пор мы рассматривали изменения размеров, как если бы они происходили независимо от изменений формы. Между тем такие случаи редки. Крупные животные - это обычно не просто увеличенные варианты своих более мелких предков, а взрослые особи - это не просто увеличенные молодые. Значительная часть изменений формы, происходящих в период роста данной особи или в процессе эволюции данной линии, осуществляется путем изменения относительных размеров частей тела. В обоих случаях такие модификации пропорций представляют собой результат изменений относительного роста разных частей тела в процессе развития. Это так называемая аллометрия. Рассмотрение аллометрических зависимостей дает возможность установить, какие изменения формы вызываются неравномерным ростом, а какие являются результатом изменений программы развития. Существуют аллометрические ряды трех типов: