Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Окончив обучение в Гарварде, я отправился на Запад, в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы учиться в одном из знаменитых музеев зоологии и палеонтологии. Через несколько недель заразительный энтузиазм Дэвида Уэйка в отношении саламандр охватил и меня, и я начал разрабатывать проект, который мог бы выполнять в сотрудничестве с его группой. На самом деле я перебрался в Калифорнию не только чтобы работать в музеях и заняться саламандрами, но и чтобы сменить климат. Пять лет в Кембридже, в Массачусетсе, и летние полевые работы в Гренландии и Канаде подтолкнули меня к тому, чтобы покинуть тьму и холод и отогреться под калифорнийским солнцем.

Но мне не суждено было обрести солнечное блаженство. В момент моего прибытия в Беркли установился один из самых холодных сезонов за последние годы. И вскоре я узнал, что ничто, даже жизнь в палатке в Гренландии, не может сравниться с промозглостью Калифорнии в период холодов. Теплоизоляции не хватало ни домам, ни людям, включая меня. В городе промерзли трубы, воду давали по часам. Я тогда даже не подозревал, что эти калифорнийские холода повлияют на мои представления об истории жизни.

Однажды во время этого холодного сезона я зашел в лабораторию Уэйка, просто чтобы согреться и набрать немного воды. Уэйк как раз закончил говорить по телефону с коллегой из Службы национальных парков на мысе Пойнт-Рейес. Холода сильно сказались на состоянии пресноводных озер парковой зоны – они промерзли в первый раз за несколько десятилетий. Животные были так же плохо подготовлены к похолоданию, как и люди. Звонивший сообщил Уэйку, что тысячи саламандр в прудах замерзли до смерти, и парковые службы хотели узнать, не нужны ли они для коллекции зоологического музея. Животные все равно погибли от природной катастрофы – может быть, наука извлечет из них какую-то пользу?

Так у нас оказалось более тысячи саламандр для изучения. В Гарварде я исследовал конечности саламандр и развитие их кистей и стоп на эмбриональных стадиях. Учитывая мой интерес, мы разработали план исследования стоп саламандр для анализа их скелета. Поскольку у каждой саламандры две стопы, мы могли проанализировать около двух тысяч стоп.

Мое возбуждение по поводу двух тысяч стоп саламандр вовсе не абсурдно. Я учился у Гулда и хотел проверить, в какой степени эволюция случайна или неизбежна. Мы наблюдаем множественность повсюду – в структуре языка и в вырождении, как у саламандр, так и у ракообразных. Вообще говоря, чем больше мы ищем, тем больше находим. Уэйк обнаружил, что стопы саламандр эволюционировали весьма специфическим образом, причем, как и в отношении языка, у разных видов эволюция шла в одинаковом направлении независимым образом.

Благодаря заморозкам у нас были тысячи стоп от одной популяции саламандр одного вида. Наша идея заключалась в том, чтобы оценить вариации между отдельными особями. Именно такие вариации составляют основу эволюции за счет естественного отбора. Мы могли поставить важный вопрос: подчиняются ли вариации в популяции какой-то тенденции? Возникает ли множественность потому, что топливо для естественного отбора, а именно вариации между особями, появляется не случайно? Если все варианты конечностей одинаково вероятны, в гигантской выборке образцов замерзших саламандр с мыса Пойнт-Рейес мы увидим случайные вариации. Но может оказаться, что какие-то скрытые внутренние тенденции в вариациях заставляют эволюцию двигаться в определенном направлении.

За 200 миллионов лет конечности саламандр эволюционировали, как вырожденцы Ланкестера: они чаще теряли структуры, чем приобретали новые. Какие-то структуры скелета проявлялись вновь и вновь у видов, эволюционировавших в Китае, Центральной Америке или Северной Америке. Во-первых, наблюдалась тенденция к потере пальцев, причем одних и тех же. Когда саламандры теряют пальцы передних или задних лап, это всегда происходит со стороны мизинца, а не со стороны большого пальца. Во-вторых, тенденция сращивания костей запястий и лодыжек. В норме в лодыжке саламандры насчитывается девять костей. Специализированные виды теряют кости весьма специфическим образом: у них происходит сращивание соседних костей. Там, где у предкового вида было два отдельных элемента, у потомков может быть один более крупный. Уэйк заметил, что такая картина слияний не случайна. Какие-то варианты слияния происходят вновь и вновь, а другие не встречаются вовсе.

В музеях, зоопарках и даже в дикой природе ученым практически никогда не удается поработать с тысячами скелетов животных одного вида. Такое количество образцов было золотым дном, поскольку мы могли узнать реальную статистику и проверить наши идеи. Мы могли увидеть, подчиняются ли вариации какой-то тенденции и, следовательно, оказывают ли влияние на эволюцию саламандр. Но нужно было разглядеть внутренность стоп.

Мы не могли просто сделать рентген, поскольку скелет саламандры состоит из мягкой хрящевой ткани, которую почти невозможно анализировать с помощью стандартного медицинского рентгена. А для сканирования с помощью компьютерной томографии у нас было слишком много образцов; такое предприятие обошлось бы в астрономическую сумму, а моя медицинская страховка не покрывала изучение саламандр. Мы выбрали метод, который был чрезвычайно прост и при этом давал прекрасные результаты. Мы установили ряд ванночек со спиртом, водой и разными красителями. На протяжении нескольких недель мы переносили саламандр из одной ванночки в другую, каждый раз выдерживая их там такое время, чтобы жидкость проникла в ткани. В последней ванночке содержался специальный синий краситель, который связывается с хрящевой тканью, так что все саламандры становились зеленовато-голубыми. Наконец, мы помещали саламандр в ванночку с глицерином – прозрачной вязкой жидкостью. Когда глицерин проникает в тело, он делает его прозрачным как стекло. В случае крупных саламандр весь процесс мог занимать несколько недель. Когда мы все делали правильно, у нас получалось нечто потрясающе красивое. Животное было прозрачным, а его скелет – синим, как будто у нас был синий скелет, заключенный в стекло.

Мы потратили два года на то, чтобы приготовить тысячу таких образцов. Мы зарегистрировали каждую конечность каждого образца, описывая их форму, все слияния и все потери.

И обнаружили, что вариации не были случайными: ответ был так же прозрачен, как эти пропитанные глицерином тела. Кости сливались, исчезали определенные пальцы. Более того, в популяции саламандр с Пойнт-Рейеса мы наблюдали точно такие же вариации, как в образцах из Китая, Мексики и даже Северной Каролины. Какие-то типы слияний происходили часто, какие-то нет. И в каждом случае мы вновь и вновь видели одну и ту же картину.

Что это говорит о биологии саламандр, а также о дихотомии случайности и неизбежности?

До этого я уже изучал развитие конечностей саламандр. Следя за формированием их костей, можно было уловить очевидную последовательность процессов. Пальцы образовывались в строго определенном порядке. Первым формировался второй палец, затем первый, третий, четвертый и пятый. Я уже видел эту последовательность раньше: именно в таком порядке пальцы теряются в ходе эволюции. Первым исчезает тот палец, который формируется последним, затем предпоследний. Наблюдается определенный порядок исчезновения пальцев: тот, который позже сформировался, раньше исчезает.