Лишние запчасти: тайны атавизмов и рудиментов

Любой ныне живущий сложный организм — продукт длительной эволюции, и этот процесс ничуть не похож на строительство по заданным чертежам. Это был путь проб и ошибок, но не управляемый волей, а опирающийся на случайные изменения в геноме и естественный отбор, который не раз приводил не к развитию, а к тупику и вымиранию. Свидетельством этому — разнообразные следы, которые эволюционный процесс оставил в организме человека и других живых существ.



На протяжении эволюции животные постоянно менялись, и новые факторы окружающей среды не перестают запускать процесс изменений в их телах снова и снова. Человек произошел от обезьяны, а она, в свою очередь, от других млекопитающих. Долгие миллионы лет изменений не могли не оставить следов в нашем теле. По этим следам — органам и различным придаткам — мы можем проследить путь эволюции, но человеку эти части уже совершенно не нужны. В научном сообществе их называют атавизмами и рудиментами.

Что такое атавизмы и рудименты?

Речь идет об атавизмах и рудиментах — эти понятия часто соседствуют друг с другом, иногда вызывают путаницу и имеют разную природу. Простейший и, наверно, самый известный пример, в котором соседствуют оба понятия, относится к, так сказать, нижней части человеческого тела. Копчик, окончание позвоночника, в котором срослись несколько позвонков, признан рудиментарным. Это рудимент хвоста. Хвост, как известно, есть у многих позвоночных, но нам, Homo sapiens, он вроде бы и ни к чему. Однако природа зачем-то сохранила человеку остаток этого некогда функционального органа. Младенцы с настоящим хвостом крайне редко, но все же рождаются. Иногда это просто выступ, наполненный жировой тканью, порой хвост содержит в себе преобразованные позвонки, и его обладатель даже способен шевелить своим нежданным приобретением. В данном случае можно говорить об атавизме, о проявлении в фенотипе органа, который был у далеких предков, но отсутствовал у ближайших.
Итак, рудимент — норма, атавизм — отклонение. Живые существа с атавистическими отклонениями выглядят порой пугающе и в силу этого, а также по причине редкости явления вызывают большой интерес со стороны широкой публики. Но еще больше атавизмами интересуются ученые-эволюционисты, и именно потому, что эти «уродства» дают интересные подсказки по истории жизни на Земле.



Глаза у кротов, живущих под землей, а также у протеев – земноводных, обитающих в воде в темных пещерах, относятся к рудиментам. Пользы от них немного, чего не скажешь о крыльях страуса. Они играют роль аэродинамических рулей при беге, используются для обороны. Самки защищают крыльями птенцов от палящих лучей солнца.

Тайна, скрытая в яйце

Ни у одной из современных птиц нет зубов. Точнее, так: есть птицы, например некоторые виды гусей, которые имеют в клюве ряд мелких острых выростов. Но, как говорят биологи, эти «зубы» не гомологичны настоящим зубам, а являются именно выростами, которые помогают удерживать в клюве, например, скользкую рыбину. При этом у предков птиц зубы обязательно должны были быть, ведь они потомки теропод, хищных динозавров. Известны и останки ископаемых птиц, у которых зубы наличествовали. Точно не понятно, по каким причинам (возможно, из-за изменения типа питания или в целях облегчения тела для полета) естественный отбор лишил птиц зубов, и можно было бы предположить, что в геноме современных пернатых генов, отвечающих за формирование зубов, уже не осталось. Но это оказалось неправдой. Причем задолго до того, как человечество что-то узнало о генах, в начале XIX века догадку о том, что и современные птицы могут отращивать подобие зубов, высказал французский зоолог Этьен Жоффруа Сент-Илер. Он наблюдал некие выросты на клюве эмбрионов попугаев. Это открытие вызвало сомнения и толки и было в конце концов забыто.



А в 2006 году американский биолог Мэтью Харрис из Университета штата Висконсин заметил на конце клюва эмбриона курицы выросты, напоминающие зубы. Эмбрион был подвержен смертельной генетической мутации talpid 2 и не имел шансов дожить до вылупления из яйца. Однако за время этой короткой жизни в клюве несостоявшегося цыпленка выработались два типа тканей, из которых формируются зубы. Строительный материал для подобных тканей гены современных птиц не кодируют — эта способность была утрачена предками пернатых десятки миллионов лет назад. Зародыши зубов у эмбриона курицы не были похожи на тупоконечные моляры млекопитающих — они имели заостренную коническую форму, совсем как у крокодилов, которые, как динозавры и птицы, включаются в группу архозавров. Кстати, выращивать моляры у куриц пробовали и успешно, когда методом генной инженерии внедряли в куриный геном гены, отвечающие за развитие зубов у мышей. Но зубы эмбриона, которого исследовал Харрис, появились без всякого постороннего вмешательства.
«Зубные» ткани возникали благодаря чисто куриным генам. Значит, эти гены, не проявлявшиеся в фенотипе, дремали где-то в глубине генома, и лишь фатальная мутация их пробудила. Для подтверждения своего предположения Харрис провел эксперимент с уже вылупившимися цыплятами. Он заразил их вирусом, искусственно созданным методом генной инженерии, — вирус имитировал молекулярные сигналы, возникающие при мутации talpid 2. Эксперимент принес результат: на клюве цыплят на короткое время появлялись зубы, которые затем бесследно растворялись в ткани клюва. Работу Харриса можно считать доказательством того факта, что атавистические признаки есть следствие нарушений в развитии зародыша, которые пробуждают давно замолкшие гены, и главное — гены давно утраченных признаков могут продолжать находиться в геноме почти 100 млн лет спустя после того, как эволюция эти признаки уничтожила. Почему такое происходит, точно неизвестно. Согласно одной из гипотез, «молчащие» гены могут оказаться не совсем молчащими. У генов есть свойство плейотропичности — это возможность одновременного влияния не на одну, а на несколько фенотипических черт. В этом случае одна из функций может быть блокирована другим геном, при том что другие остаются вполне «рабочими».



Удавы и питоны имеют так называемые анальные шпоры – одиночные когти, являющиеся рудиментом задних ног. Известны случаи появления у змей атавистических конечностей.

Живые доказательства атавизмов

Узнать о зубастых цыплятах и совершить открытие удалось почти случайно — все из-за того, что, как уже говорилось, мутация убивала эмбрион еще до появления на свет. Но очевидно, что мутации или другие изменения, вызывающие к жизни древние гены, могут оказаться и не столь фатальными. Иначе как объяснить гораздо более известные случаи атавизмов, обнаруженных у вполне жизнеспособных существ? Вполне совместимы с жизнью такие наблюдаемые у человека атавизмы, как многопальцевость (полидактилия) на руках и ногах, многососковость, случающаяся и у высших приматов. Полидактилия свойственна лошадям, которые при нормальном развитии ходят на одном пальце, ноготь которого превратился в копыто. Но для древних предков лошади многопальцевость была нормой.
Существуют отдельные случаи, когда атавизм привел к серьезному эволюционному повороту в жизни организмов. Клещи семейства Crotonidae атавистическим путем вернулись к половому размножению, в то время как их предки размножались партеногенезом. Нечто сходное произошло у ястребинки волосистой (Hieracium pilosella) — травянистого растения семейства астровых. Далеко не все, кого в зоологии называют четвероногими (tetrapoda), четвероноги на самом деле. Например, змеи и китообразные происходят от сухопутных предков и также включаются в надкласс tetrapoda. Змеи утратили конечности вчистую, у китообразных передние конечности стали плавниками, а задние практически исчезли. Но появление атавистических конечностей отмечено как у змей, так и у китообразных. Известны случаи, когда у дельфинов обнаруживалась пара задних плавников, и четвероногость как бы восстанавливалась.



Рудиментарные кости таза некоторых китообразных давно утратили свою первоначальную функцию, однако их бесполезность поставлена под сомнение. Этот рудимент не только напоминает о том, что киты произошли от четвероногих, но и играет актуальную роль в процессе размножения.

Зачем китам рудимент в виде тазовых костей?

Впрочем, о четвероногости у китов напоминает кое-что еще, и здесь мы переходим к области рудиментов. Дело в том, что у некоторых видов китообразных сохранились рудименты тазовых костей. Эти кости уже давно не связаны с позвоночником, а значит, и со скелетом в целом. Но что же заставило природу сохранить информацию о них в генном коде и передавать ее по наследству? В этом главная загадка всего явления под названием рудиментация. Согласно современным научным представлениям, о рудиментах не всегда можно говорить как о лишних или бесполезных органах и структурах. Вероятнее всего, одна из причин их сохранения именно в том, что эволюция нашла рудиментам новое, не свойственное ранее применение. В 2014 году американские исследователи из Университета Южной Каролины опубликовали в журнале Evolution интересную работу. Ученые исследовали размеры тазовых костей китов и пришли к выводу, что эти размеры коррелируются с размером пенисов, а мышцы пениса крепятся как раз к рудиментарным тазовым костям. Таким образом, от величины кости зависела величина китового полового органа, а большой пенис предопределял успех в размножении.



То же самое с человеческим копчиком, который упоминался в начале статьи. Несмотря на рудиментарное происхождение, этот участок позвоночника имеет немало функций. В частности, к нему крепятся мышцы, задействованные в управлении мочеполовой системой, а также часть пучков большой ягодичной мышцы.
Аппендикс — червеобразный отросток слепой кишки — порой доставляет человеку немало неприятностей, воспаляясь и вызывая необходимость хирургического вмешательства. У травоядных животных он имеет значительный размер и был «сконструирован» для того, чтобы служить своего рода биореактором для ферментации целлюлозы, которая является конструктивным материалом растительных клеток, но плохо переваривается. В человеческом организме такой функции у аппендикса нет, но есть другая. Кишечный отросток — это своего рода питомник для кишечной палочки, где оригинальная флора слепой кишки сохраняется в неприкосновенности и размножается. Удаление аппендикса влечет за собой ухудшение состояния микрофлоры, для восстановления которой приходится применять лекарственные препараты. Также этот орган играет определенную роль в иммунной системе организма.
Гораздо труднее увидеть пользу от таких рудиментов, как, например, ушные мышцы или зубы мудрости. Или глаза у кротов — эти органы зрения рудиментарны и ничего не видят, но могут стать «воротами» инфекции. Тем не менее спешить объявлять что-то в природе лишним явно не стоит.