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

Бэтсон обнаружил, что тела многих крупных животных состоят из повторяющихся частей, и многие из этих частей, в свою очередь, также состоят из повторяющихся единиц. Если рассматривать определенную группу животных, выясняется, что наиболее очевидные различия между членами группы заключаются в количестве и типе повторяющихся структур. Например, хотя все позвоночные имеют модульное строение позвоночника, состоящего из отдельных позвонков, количество и тип позвонков разного типа у всех позвоночных различаются. Общее число позвонков от головы до хвоста варьирует в широких пределах: от десятка у лягушки до тридцати трех у человека и нескольких сотен у змеи (рис. 1.7). Кроме того, позвонки можно подразделить на шейные, грудные, поясничные, крестцовые и хвостовые. Основное различие между этими типами позвонков у разных животных заключается в их размере и форме, а также в наличии (или отсутствии) соединенных с ними структур, таких как ребра. Причем разные позвоночные животные в значительной степени различаются по числу позвонков каждого типа.

Рис. 1.7. Скелет змеи. Форму тела змеи определяет наличие сотен позвонков и ребер. Рисунок предоставлен Куртом Слэдки, Университет Висконсина.

Тот же самый архитектурный принцип применим к строению и разнообразию форм членистоногих. Тела членистоногих животных состоят из повторяющихся сегментов, число которых в туловище (т.е. за головой) может составлять от одиннадцати у насекомых до нескольких десятков у сороконожек и многоножек. Группы сегментов различаются между собой (например, грудные и брюшные) по размеру и форме, но особенно по тому, какие конечности от них отходят (так, от грудных сегментов насекомых отходит по паре ног, а от брюшных нет).

Позвоночные и членистоногие успешно освоили все среды обитания (воду, сушу и воздух) и отличаются от других животных особой сложностью анатомии и поведения. Тела животных обеих групп построены из похожих повторяющихся элементов. Есть ли связь между модульной структурой тела и успешностью эволюционной диверсификации? Я считаю, что есть. Задачей биологов было понять, как такие животные могут быть построены, начиная от единственной клетки, а также как в процессе эволюции появились всевозможные варианты одного и того же плана строения. Модульное строение тел позвоночных и членистоногих, а также вариабельность числа и типа составляющих модулей — важные ключи к пониманию этих процессов.

Части тела, которые являются модульными и сконструированы из сходных структурных единиц, значительно различаются у разных видов по числу и типу. Конечности четвероногих позвоночных (тетрапод) обычно имеют от одного до пяти пальцев. На руках и ногах человека имеется по пять видов пальцев (большой, средний и т.д.). Сходство между пальцами очевидно, а различие касается главным образом их размера и формы. Конечности четвероногих животных адаптированы к различным функциям и имеют весьма разнообразное строение, а лежащая в их основе пятипалая структура сохранялась на протяжении 350 млн лет, хотя у некоторых видов в ходе эволюции количество пальцев все же изменилось и находится в диапазоне от одного до пяти (у верблюда два пальца, у носорога три и т.д.). Вариации на тему тетраподной организации могут быть весьма значительны (см. рентгеновские снимки на рис. 1.8). Интересно, что близкородственные виды могут различаться в заметной степени; в некоторых группах животных эволюционировали виды, различающиеся по количеству пальцев.

Рис. 1.8. Разнообразие формы конечностей позвоночных животных. Конечности всех позвоночных представляют собой вариации общего плана строения с изменением числа, размера и формы отдельных элементов (таких как пальцы). Фотографии предоставили Курт Слэдки из Университета Висконсина и Крейг Хармс из Университета Северной Каролины.

Гомология, сериальная гомология и закон Уиллистона