Глава 14. От класпера к пенису: это был долгий путь, детка

 

Если бы мне поручили выдать награду за лучшую идею всех времен, я бы вручил ее Дарвину, а не Ньютону, или Эйнштейну, или кому-либо еще. Идея эволюции путем естественного отбора одним махом объединяет все живое, его значение и цель существования с пространством, временем, причиной и последствием.

Дэниел Деннет

 

Последняя глава «Ужасной Красоты» Питера Ватсона, рассматривая все великие идеи XX века, провозглашает эволюцию важнейшей из всех: той, что изменила восприятие людьми самих себя. Идея эволюции превратила людей лишь в один из многочисленных видов, берущих свое начало в обширной и неразрывной цепи ДНК, простирающейся от первых микробов, что появились почти 4 млрд. лет назад, до невероятного разнообразия и красоты существ, живущих на планете сегодня.

Человеческое тело формировалось в течение последних 500 млн. лет, с момента появления первых рыб, с медленным приобретением все новых анатомических свойств, последовательность которых навсегда запечатлена в ископаемых останках. Это правдивое и беспристрастное откровение о нас самих. И в каждом из нас есть что-то, напоминающее о нашей связи с первыми панцирными рыбами и их необычными способами размножения.

Сегодня, чтобы узнать больше о нашем происхождении, мы можем прибегнуть к двум вещам. Во-первых, пойти на раскопки и найти окаменелости, которые откроют нам новые сведения о том, как примитивные наборы костей трансформировались из одного вида в другой. Находки вроде Tiktaalik или Materpiscis являют собой хорошие примеры, рассказавшие важные детали о ранних стадиях эволюции животных. Во-вторых, можно изучить эволюцию по сведениям, полученным из наших собственных генов. Наша ДНК, являющаяся, в сущности, крошечной частью гена, – настоящее сокровище прошлого для исследователя эволюции. Эта область науки зовется «эволюционной биологией развития». Она изучает развитие животных методом анализа стадий развития их зародышей, стараясь выявить соответствие генов процессам, за которые они отвечают.

Действительно большим прорывом современной эволюционной биологии стало открытие гомеобоксных генов (часто называемых хоксами), которые определяют последовательность построения организма. В сущности, они являются сочетанием инструментов и плана создания нашего тела и начинают работать, как только яйцеклетка оплодотворена и клетки начинают делиться.

Действительно значимые прорывы в науке часто отмечаются присуждением Нобелевской премии, и в 1995 году премия в области медицины досталась профессору Эдварду Льюису, Кристиану Нюссляйну-Фольхарду и Эрику Ф. Вишаусу «за открытие генетического управления ранними стадиями развития эмбриона», то есть хокс-генов. Они начали поиск загадочных генов-строителей в 1970-х. Чтобы выявить, за что отвечают определенные гены, они кормили дрозофил веществами, вызывающими генетическую мутацию. К началу 1980-х были обнаружены ключевые гены, отвечавшие за построение тела дрозофил. Эти гены были названы гомеобоксными, или хокс-генами. Эд Льюис установил, что хокс-гены распределены в хромосомах в порядке, соответствующем частям тела, за которые они отвечают. Ошеломляющим стал тот факт, что многие из генов, присутствовавших у дрозофил, были обнаружены и у других животных и играли у них схожую роль, отвечая за развитие тех же частей тела, будь то морские ежи, лягушки, мыши или люди. Это открытие стало великолепным примером общности происхождения всего живого.

Так каким же образом все это связывает нас с плакодермами? Так вот, в 1993 году Клифф Табин из Гарварда установил, что один из хокс-генов, названный им «hedgehog» («еж»), отвечал за развитие наших конечностей. Когда позже он обнаружил соответствующий «еж» и для курицы, немного отличавшийся от человеческого, Клифф назвал его «sonic hedgehog» в честь компьютерного персонажа. Ген «sonic hedgehog», сокращенно – «shh», отвечает за развитие конечностей позвоночных, в частности пальцев на наших ногах. После того как этот ген был найден у всех животных с пальцами на ногах, от лягушек до людей, другая группа исследователей под руководством профессора Нила Шубина смогла обнаружить тот же ген у рыб (которые, конечно, не обладают пальцами). Доктор Рэнди Дан и Нил Шубин также нашли его у акул и костных рыб. Суть их открытия заключалась в том, что, хотя ген «shh» и отвечает за развитие пальцев, он тем не менее вносит свой вклад в развитие конечностей как таковых.

В 2007 году группа Дана опубликовала в Nature  статью, в которой говорилось, что после трансплантации ткани мыши с геном «shh» в плавник детеныша ската было обнаружено, что ген сыграл в его организме такую же роль, как и у мыши: у ската-мутанта выросли новые плавниковые хрящи разной формы, и его грудной плавник стал по своему строению напоминать руку.

 

Диаграмма показывает основные этапы развития мужской половой системы позвоночных, от двойных костных кластеров (у панцирных рыб) до одиночного пениса млекопитающих, некоторых птиц и рептилий. На протяжении эволюции пенис неоднократно утрачивался и затем вновь появлялся у различных видов, в соответствии с потребностями. Те же хокс-гены, что отвечают за построение кластеров у акул и древних панцирных рыб, видимо, отвечают и за создание наших половых органов. (Джон Лонг)

 

Из этих и других экспериментов в области эволюционной биологии мы знаем, что все конечности, вернее, все придатки, будь то конечности или плавники, нуждаются для развития в гене «shh». Этот ген найден у всех существующих сегодня челюстных рыб, акул и скатов, а значит, он восходит своими корнями к самому началу нашего развития, к той эпохе, когда конечности только начали появляться, когда их план уже существовал в глубине ДНК, но действовал еще слабо.

Совместное изучение эволюционной биологии и ископаемых свидетельств перевернуло наше понимание превращения рыб в первых наземных животных. Открытие хокс-генов смогло лучше объяснить почти симметричное строение пальцев рук и ног ранних тетраподов (в противоположность поздним тетраподам, у которых все пять пальцев были разного размера). Таким образом, время активации определенных генов можно привязать к найденным останкам.

Эволюционная биология – это область развития знаний, показывающая, как сведения о чем-нибудь столь отдаленном, как рыбы девона, могут помочь исследованиям в области восстановительной медицины, которые однажды принесут пользу человечеству. Доктор Катрин Буаверт, изучавшая плавники девонских рыб Panderichtys для своей докторской работы в Университете Уппсалы, сегодня – ведущий специалист по развитию зародышей и активации генов у акул в новом Институте австралийской восстановительной медицины при Университете Монаша. Проведенные ею исследования, показывающие время появления и активации хокс-генов  у рыб, могут в будущем помочь ученым в создании искусственных конечностей, мышц и даже самой спинномозговой ткани. Такие исследования дают надежду на возможность в будущем лечения патологий генетическим восстановлением утраченных тканей или больных органов.

Другие гены, играющие важную роль в развитии конечностей, принадлежат к ряду Hoxd, точнее, к диапазону от Hoxd9 до Hoxd13. Важная статья о конечностях акул, написанная Ренатой Фреитас и ее коллегами из Университета Флориды, сообщает, что развитие началось с последовательной активации генов серии Hoxd13, которая запустила механизм построения конечностей от плечевого пояса вниз к средней части плавника, или, по-нашему, предплечью. Затем неожиданно началась вторая стадия развития (именуемая двуфазной активацией), в течение которой гены серий Hoxd13 и Hoxd12 перестроили концы плавника акулы. Фреитас и ее коллеги сделали вывод, что последовательный запуск генов, так же как и обнаружение новых ископаемых, дает ключ к разгадке всей цепи. Читая эту статью, я был поражен включенными в нее цветными снимками крошечных эмбрионов акул с класперами, подсвеченными краской и свидетельствующими о запуске генов. Кажется, Hoxd12 отвечает и за формирование класперов, а Hoxd13 особенно важен для завершения этого процесса, отвечая при этом и за запуск построения урогенитальной зоны клоаки.

Но каким образом это связано с человеком? Публикация по изучению биологии развития на мышах Мартином Кохом (2004) показала, что развитие генитальных туберкул – бугорков (бугорки, из которых развиваются генитальные органы) и конечностей запускается параллельно и одновременно геном Hoxd13. Автор заключает: «Конечности и внешние гениталии проходят много сходных морфологических процессов, и… одни и те же молекулярные механизмы могут работать и во время развития конечностей, и во время развития гениталий».

Это было открытием для меня. То был первый блок современных данных по биологии развития, который связал открытый мной класпер плакодермы и пенис млекопитающих. В то время как вещество, из которого сделаны гениталии, дифференцируется во время эволюции позвоночных, гены, «командующие» развитием, те же самые и могут быть прослежены также в развитии конечностей. Подобно тому как строится дом из кирпича, из дерева или соломы, пока план стройки действителен, будут строиться одни и те же структуры, даже если материал разный. Класперы и у плакодермы, и у акулы формируются из части развивающегося брюшного пояса, предназначенного однажды стать ногами млекопитающего.

И когда-то репродуктивные структуры ранних челюстных рыб были парными, как часть задних конечностей. После того как парные задние плавники преобразовались в ноги, класперы были утеряны, но вместо них из урогенитальной пластины образовались иные парные репродуктивные структуры, такие как гемипенисы ящериц и змей. В последующих эволюционных преобразованиях парные структуры стали бесполезными, поскольку требовался только один орган для спаривания. Так образовался единственный пенис как доминанта, так сказать, репродуктивных мужских органов позвоночных.

Конечно, утрата пениса тоже происходила в эволюции позвоночных, как у некоторых примитивных рептилий (гаттерия) и у большого числа летающих птиц (Воробьиные), когда по какой-либо причине превалировала иная репродуктивная стратегия. Как конечности могут быть потеряны несколько раз независимо в эволюции позвоночных (безногие ящерицы, червяги, змеи – все независимо друг от друга утеряли конечности) или несколько раз у многих видов единственного рода (как у австралийской ящерицы Lerista), так и потеря пениса не была ущербом для некоторых линий позвоночных.

Мы, люди, иногда сожалеем, что наши небольшие пенисы не выглядят так «отточенно», будто они прошли долгий путь эволюции, но на самом деле это был трудный путь развития, который сейчас можно проследить во времени к самому возникновению конечностей у всех позвоночных.

Итак, когда вы занимаетесь сексом, да еще с самым важным для себя человеком, и ощущаете все наслаждения этого процесса, предоставляемые нам анатомией, не сдерживайте себя и кричите от радости – от благодарности за все, что нам дано. И вспомните при этом нашу маленькую бронированную плакодерму.

Из-за странного поворота биологической судьбы мы сохранили наиболее интересную часть репродуктивной анатомии в наследство от нашей древней эволюционной истории, а иные животные продолжили жить и развиваться без нее.

 

Заключение. Величайшая тайна биологии

 

Мой рассказ о происхождении секса у позвоночных подходит к концу, но исследования продолжаются. Всё новые экспедиции обследуют каждый уголок Гоугоу в поисках ископаемых свидетельств, в надежде однажды найти то, что либо подтвердит существующие догадки, либо опровергнет их и породит совершенно новые. Такова наука: не имеет значения, кто прав, а кто нет; важно, в чем состоит эта правда и как она может помочь дополнить картину нашего понимания развития живого на земле.

Изучая материал для написания этой книги, я, как обычно, увлекся и стал искать следы прошлого, которые дают ключ к пониманию природы секса. Я наткнулся на увлекательные истории, к примеру, об открытии Антони ван Левенгуком сперматозоидов в 1677 году, что произошло случайно благодаря созданию более мощного микроскопа. А также о знаменитом датском ученом Николасе Стено (1638–1686), который, помимо принципа суперпозиции, то есть залегания более молодых геологических пластов поверх старых, обнаружил существование яичников в процессе изучения строения гигантской акулы.

Чем больше я искал в материале о сексе в истории живого, тем больше интересного находил – но это уже другая история.

Ключ к пониманию секса – оплодотворение. Сегодня мы хорошо знаем, что сперматозоиды запускают биологический процесс зарождения новой жизни, оплодотворяя яйцеклетку. И еще с Античности люди знали, что совокупление ведет к рождению ребенка. Но механизм этого явления оставался загадкой. Так, древние греки полагали, что «семенные частицы женщины» создавали зародыш, в то время как мужские – только обеспечивали зародыш питанием. Эта идея преобладала в течение более чем тысячелетия.

Фома Аквинский, плодотворный писатель и философ XIII века, считал, что действующей силой является особая пена в семени, обладающая энергией, данной не душой человека, но божественными созданиями. И все же в течение Средневековья боролись между собой сторонники двух концепций: спермисты и овисты. Первые полагали, что человек зарождается и формируется в самом семени мужчины, вторые – что это происходит в яйцеклетке, которой свыше дан зародыш будущего младенца, а сперма – лишь питание для зародыша.

В конце первого десятилетия XVIII века были проведены странные эксперименты по определению роли мужских и женских семян. Известный итальянский аббат Лаззаро Спалланцани придумал маленькие трусы, которые надел на лягушек перед спариванием. Конечно, в таком облачении самец лягушки не смог оплодотворить самку. Тогда он взял сперму с трусов самца лягушки, поместил ее в икру и обнаружил, что из нее развились маленькие головастики. Спалланцани также первым искусственно осеменил собаку, доказав таким образом, что мужская сперма необходима для оплодотворения. Но после серии точных экспериментов, в ходе которых им были сделаны прорывные открытия, он заключил, что маленькие анималкулы (так он называл сперматозоиды) не имели никакого отношения к оплодотворению.

На вопрос о том, что является величайшей тайной биологии, большинство отвечает – эволюция. Чарльз Дарвин написал книгу, представившую его теорию эволюции, в 1859 году, за 17 лет до того, как загадка оплодотворения, мучившая человечество в течение двух тысяч лет, была окончательно решена.

Не так давно я читал в различных университетах и колледжах США серию лекций по теории происхождения секса, основанной на наших находках. В конце лекции я задавал один вопрос: какой из величайших ученых впервые открыл тайну оплодотворения? Ни один из всех этих образованных людей не дал правильного ответа.

Мне показалось, что обо всем этом нужно рассказывать еще больше, от древних греков до современных исследователей, с их оплодотворением в пробирке. Кажется, мое неожиданное путешествие в мир секса еще не окончено.

И между прочим, имя этого гения, профессора биологии Берлинского университета и первооткрывателя механизма оплодотворения, – Оскар Хертвиг (1849–1922).

 

[1] Остракодовые – мелкие ракообразные с нечленистым телом.