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

Как и насекомым, паукам для перехода к сухопутному образу жизни тоже пришлось изменить способы дыхания, перемещения, размножения и добычи пищи по сравнению с водными предками. У пауков появились так называемые легочные мешки и трахеи для дыхания, а также паутинные бородавки для производства паутины, чтобы ловить добычу (рис. 7.6). При развитии всех этих органов в них экспрессируется ген Distal-less, а это означает, что все они — модифицированные конечности. Но какие именно?

Рис. 7.6. Пауки и их изобретения. Для адаптации к жизни на суше у пауков появились легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки, которые образовались из жаберных ветвей конечностей их водных предков. Все эти структуры являются сериальными гомологами педипальп (ротовых придатков) и ходильных ног Рисунок Лианн Олдс.

И вновь эво-дево занялась вопросом, который не могли решить на протяжении сотни лет. Уим Дамен, Теодора Саридаки и Михалис Авероф обнаружили, что в каждой из этих структур экспрессируются белки Apterous и Nubbin — два белковых продукта генов развития, которые также экспрессируются в жабрах водных ракообразных и в крыльях насекомых. Это открытие является строгим доказательством того, что легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки произошли из жаберных ветвей конечностей древних членистоногих. Кроме того, ученые обнаружили, что жаберные книжки мечехвоста тоже синтезируют эту пару белков, так что эти структуры также произошли от жаберных ветвей конечностей. Учитывая родственную связь между мечехвостами и пауками, следует заключить, что в ходе эволюции пауков и их адаптации к жизни на суше жаберные книжки превратились в легочные мешки, трахеи и паутинные бородавки. Вкупе с доказательствами того, что крылья насекомых произошли от жаберных ветвей конечностей ракообразных, все это складывается в поразительную картину. Все новшества, "изобретенные" наземными животными, на самом деле являются продуктом модификации предковой модели двуветвистых конечностей (рис. 7.7). А эта модель, в свою очередь, произошла от нечленистых лобоподий и латеральных жаберных придатков лопастеногих животных. Таким образом, все приспособления членистоногих — клешни, ходильные и плавательные ноги, максиллы, ногочелюсти, жабры, легочные мешки, трахеи, паутинные бородавки и крылья — являются продуктами модификации конечностей более древних предшественников.

Рис. 7.7. Многочисленные превращения жаберных ветвей конечностей членистоногих. Из жаберных придатков на конечностях древних водных форм членистоногих эволюционировали крылья насекомых, жаберные книжки мечехвостов и разные структуры пауков. Это удивительное разнообразие специализированных структур иллюстрирует преимущества обладания сериально повторяющимися элементами, которые могут быть модифицированы для решения различных задач. Рисунок предоставлен Михалисом Аверофом (адаптировано из статьи Damen et. al., Current Biology 12, 2002:1711).

Возможно, вы уже начинаете улавливать основное направление эволюции. Природа нечасто изобретает что-то с нуля, скорее, она перестраивает существующие структуры с помощью набора генов развития, которые уже доступны для использования.

Из множества многофункциональных конечностей, которые использовались для питания, плавания, дыхания и передвижения, у водных членистоногих образовались специализированные структуры, позволившие их потомкам освоить новые экосистемы и полностью изменить строение тела.

Эволюция конечностей

Хотя все конечности членистоногих, о которых я рассказывал, произошли от одной и той же структуры, по форме они неодинаковы. Например, сериально гомологичные структуры паука, такие как паутинные бородавки, трахеи и легочные мешки, хотя и находятся в теле одного и того же животного, имеют разное строение. Крылья, которые также произошли от конечностей древнего предка насекомых, очень сильно различаются у животных разных видов. Итак, мы должны понять, каким образом регулируется форма сериально гомологичных структур в организме животных, а также каким образом происходит эволюция гомологичных структур у разных видов животных.