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

Способность бабочек к адаптации — не сказка Киплинга. Пол и его студенты выпустили бабочек с крупными пятнами на крыльях на волю в период засухи и обнаружили, что их съедают гораздо чаще, чем их невзрачных коричневых родственников, так что в дикой природе работа отбора очевидна. В лабораторных условиях выращивание бабочек при разной температуре позволяет воспроизвести формы, наблюдающиеся в природе. Так, при температуре около 23°С развивается форма, характерная для влажного сезона, а при температуре около 17°С — форма засушливого сезона. Меняя температуру на разных стадиях развития бабочек, Пол и его сотрудники определили, что критическим периодом, определяющим размер пятен на крыльях, является стадия поздней гусеницы.

Когда мой студент Дэвид Кейс изучал экспрессию гена Distal-less у гусениц В. anynana при разной температуре, он обнаружил точное соответствие между температурой, количеством клеток, синтезирующих белок Distal-less, и размером пятен на крыльях взрослых бабочек. При низкой температуре белок Distal-less синтезировался в небольшом количестве клеток, тогда как при повышении температуры количество клеток, производящих белок Distal-less, значительно возрастало. У этого вида бабочек переключатель гена Distal-less, работающий в пятнах-глазках, функционирует по-разному при разной температуре. Мы не думаем, что переключатель способен напрямую воспринимать изменение температуры; скорее всего дело в том, что смена сезонов и температуры влияет на уровень образования в теле гусеницы некоторых гормонов. У насекомых, как и у нас с вами, гормоны регулируют стадии развития и дифференцировку многих тканей. Но в конечном итоге действие гормонов опосредовано генетическими переключателями. В переключателе гена Distal-less в крыльях В. anynana эволюционировала сигнатурная последовательность, реагирующая на присутствие гормона, что и позволило этому переключателю ощущать изменение внешних условий.

Способность контролировать появление пятен в ответ на изменение внешних условий — всего лишь один из множества примеров того, как развитие и форма изменяются под действием естественного отбора. В ходе эволюции бабочек возникли самые разные варианты окраски и узора крыльев. Например, только к одному роду Bicyclus принадлежат восемьдесят видов, различающихся по размеру, форме, расположению и иногда даже по количеству пятен-глазков. Это означает, что эволюция узора на крыльях бабочек происходит сравнительно "легко". В эволюции этого признака больше степеней свободы, чем в эволюции других структур. Причина этой гибкости, возможно, в том, что генетическая регуляция создания узора допускает мутации, которые затрагивают только этот узор и не влияют на другие структуры тела. Эволюцию бабочек и правда можно назвать "случайностью, пойманной за крыло".

Понять ход эволюции узора на крыльях нам поможет анализ его изменчивости у лабораторных и диких бабочек. Пол Брейкфилд и его коллеги обнаружили удивительных бабочек-мутантов с разными вариантами глазков на крыльях. У этих мутантов все остальные структуры тела остались без изменений. Поскольку данные мутации касаются только узора, но не затрагивают структуру крыла, они могут сохраняться в природе. Одна из таких мутаций, названная Spotty, приводит к появлению четырех пятен на передних крыльях вместо привычных двух (вкладка 8g справа). У родственного вида В. safitza, обитающего в дикой природе, часто встречается вариант с четырьмя пятнами на крыльях. Таким образом, можно легко себе представить эволюцию числа пятен на крыльях в этой группе бабочек. Кроме того, Пол обнаружил мутантов с изменениями цветовой схемы узора, размера и формы пятен (вкладка 8h). Интересно, что различия между бабочкой-мутантом и бабочкой дикого типа[9] в этих случаях напоминали различия между близкородственными видами.

Другой способ изучения эволюции узора на крыльях состоит в имитации естественного отбора в лабораторных экспериментах по селективному скрещиванию. В этих исследованиях Пол и его студенты, играя роль птиц или ящериц, определяли судьбу бабочек с пятнами разного размера. В любой популяции бабочек существует небольшая изменчивость размера пятен. Эта изменчивость может быть основой естественного отбора в дикой природе или искусственного отбора в лабораторном эксперименте. В лаборатории Пола начали работу по созданию двух линий бабочек. В первой линии, содержавшейся при низкой температуре, отбирали особей с самыми крупными пятнами и позволяли им скрещиваться между собой. Во второй линии, содержавшейся при более высокой температуре, отбирали бабочек с самыми маленькими пятнами. Примерно через двадцать поколений такого отбора были получены популяции бабочек, которые при любой температуре имели либо крупные, либо мелкие пятна (вкладка 8i).