Нил Шубин - Внутренняя рыба
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.
Глава 4. Повсюду зубы.
Изучение зубов не занимает много времени на занятиях по анатомии — мы тратим на них всего минут пять. В пантеоне наших любимых органов — каждый из вас может составить для себя такой список — зубы редко попадают в первую пятерку. Но в наших небольших зубах осталось очень много того, что связывает нас с другими живыми существами, и разобраться в наших телах, не разобравшись в зубах, совершенно невозможно. Для меня зубы особенно важны еще и тем, что именно поиски ископаемых зубов были моим первым опытом охоты на ископаемых и руководства палеонтологической экспедицией.
Функция зубов состоит в том, чтобы превращать крупные организмы в маленькие кусочки. Закрепленные на подвижных челюстях зубы рубят, колют, режут и перемалывают. Размер рта ограничен, а зубы позволяют живым существам питаться другими, которые целиком им в рот не поместились бы. Это особенно относится к животным, не имеющим рук или когтей, которые позволили бы разрывать или разрезать пищу, прежде чем она попадет в рот. Конечно, обычно крупные рыбы едят мелких, а не наоборот. Но зубы могут уравнивать тех и других в правах: небольшая рыба может питаться более крупными, если у нее хорошо развиты зубы. Небольшие рыбки могут нападать на крупных и, пользуясь зубами, отрывать от них целые куски.
Мы можем многое узнать о животном, посмотрев на его зубы. Всевозможные бугорки, ямки и ребрышки, а также форма и размер зубов во многом отражают наш рацион питания. Плотоядные животные например кошки, обладают острыми коренными зубами, которые позволяют им резать мясо, в то время как у растительноядных полон рот уплощенных зубов, которые дают им возможность перемалывать стебли, листья или плоды растений. Анатомы с давних пор использовали зубы как ценный источник информации. Французский анатом Жорж Кювье, как известно, хвалился тем, что может восстановить весь скелет животного по единственному зубу. Это некоторое преувеличение, но суть передана верно: по зубам можно многое сказать об образе жизни животного.
Человеческий рот выдает в нас всеядных существ, потому что у нас много разных зубов. Наши передние зубы — резцы — и идущие за ними клыки похожи на лезвия предназначенные для разрезания пищи. Задние зубы — коренные — имеют уплощенную поверхность с буграми и ямками, что позволяет нам измельчать с их помощью животную и растительную пищу. Предкоренные, расположенные перед ними, промежуточны по функциям между резцами и коренными.
Самое примечательное свойство нашего рта состоит в том, как прекрасно в нем все подогнано. Откройте и закройте рот, и ваши зубы разойдутся и вновь сойдутся в том же положении, так что бугорки и ямки зубов верхней и нижней челюсти полностью совпадут друг с другом. Благодаря тому, что они так хорошо совпадают, мы можем измельчать пищу с максимальной эффективностью. Ну а любые несовпадения наших верхних и нижних зубов могут приводить к их повреждениям — и к обогащению стоматологов.
Палеонтологи находят, что зубы необычайно информативны. Это самые твердые детали нашего тела в связи с тем, что в зубной эмали содержится большое количество минерала гидроксиапатита — даже больше, чем в костях. Благодаря своей твердости зубы часто сохраняются лучше всех остальных частей тела ископаемых животных, которых мы находим в отложениях многих древних эпох. И с этим нам очень повезло, потому что зубы дают нам ключ к рациону ископаемых. Ископаемые остатки позволяют многое узнать о том, как возникли различные способы питания. Это в особенности касается истории млекопитающих. Хотя и у многих рептилий были зубы, похожие на зубы млекопитающих, у млекопитающих они все же особенные. Раздел курса палеонтологии, посвященный млекопитающим, во многом напоминает пособие по стоматологии.
Современные рептилии — крокодилы, ящерицы, змеи — лишены многого из того, что делает зубы млекопитающих уникальными. Например, все зубы крокодила имеют похожую коническую форму, и единственная разница между ними состоит в том, что одни побольше, а другие поменьше. У рептилий также нет настоящего прикуса, то есть совпадения верхних зубов с нижними, которое свойственно людям и другим млекопитающим. Кроме того, в то время как у нас, млекопитающих, зубы сменяются только один раз, у рептилий зубы обычно выпадают и вновь отрастают в течение всей жизни, по мере того как старые зубы изнашиваются или ломаются.
