Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней бесплатное чтение
Нил Шубин
Внутренняя рыба
История человеческого тела с древнейших времен до наших дней
Посвящается Мишель
Издание осуществлено при поддержке Фонда некоммерческих программ Дмитрия Зимина «Династия» Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко
Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — развитие фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещения. В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека „Династии“» — издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.
Более подробную информацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru.
Предисловие
Эта книга появилась в результате одного необычного для меня обстоятельства. Из Медицинской школы Чикагского университета ушли некоторые преподаватели, из-за чего мне пришлось вести у студентов-медиков анатомию человека. На занятиях по этому предмету нервные первокурсники вскрывают трупы, параллельно заучивая названия и строение большинства органов, естественных отверстий, нервов и сосудов человеческого тела. Этот курс вводит студентов в мир медицины, дает им опыт, без которого нельзя стать врачом. На первый взгляд, сложно представить худшего кандидата на должность наставника нового поколения врачей: по специальности я палеонтолог и занимался в основном изучением ископаемых рыб.
Но, оказывается, быть палеонтологом очень полезно для преподавания анатомии человека. Почему? Лучшая карта человеческого тела — в телах других животных. Простейший способ дать студентам представление о нервах в голове человека состоит в том, чтобы показать им, как устроены нервы акул. Легчайшая дорога к познанию наших конечностей — изучение рыб. Рептилии очень помогают разобраться в строении мозга. И все это потому, что тела этих существ часто представляют собой упрощенные версии наших собственных тел.
В ходе летней экспедиции в Арктику на втором году моего преподавания этого курса нам с коллегами посчастливилось найти ископаемую рыбу, открытие которой пролило немало света на выход позвоночных на сушу, совершившийся более 375 миллионов лет назад. Эта находка вместе с моим вторжением в область человеческой анатомии пробудила во мне желание разобраться в глубинной связи, существующей между двумя этими объектами. Так и возникла эта книга.
Глава 1. В поисках нашей внутренней рыбы{1}
С тех пор как я стал взрослым, мое лето обычно проходит среди снега и слякоти далеко к северу от полярного круга за раскалыванием камней. Большую часть времени я мерзну, натираю мозоли и не нахожу ровным счетом ничего. Но если немного повезет, мне попадаются кости древних рыб. Так себе сокровище для большинства людей, для меня они — дороже золота.
Кости древних рыб помогают понять, кто мы и как мы стали собой. Мы можем узнать что-то новое о нашем собственном теле из самых странных на первый взгляд источников — начиная от ископаемых червей и рыб, которых можно обнаружить в камнях по всему свету, и мира ДНК и заканчивая в сущности каждым животным, населяющим сегодня нашу планету. Но сначала необходимо объяснить, почему я так уверен, будто скелетные остатки былых времен — а именно остатки рыб — дают нам ключи к познанию основ строения нашего тела.
Как можем мы представить события, происходившие миллионы, а во многих случаях и миллиарды лет назад? К сожалению, нельзя расспросить очевидцев — никого из нас не было тогда на свете. Большую часть времени не было не только ни одного говорящего существа, но и ни одного существа, которое имело бы рот и даже голову. Хуже того, животные, которые жили в те времена, умерли и погребены так давно, что от тел лишь немногих из них вообще хоть что-то осталось. Если задуматься о том, что более 99 % всех когда-либо живших видов к настоящему времени вымерло, что лишь очень малая их доля сохранилась в ископаемом виде и что еще меньшую долю от этой доли удается найти, то может показаться, что любые попытки познать наше прошлое изначально обречены на провал.
Добываем ископаемые — видим самих себя
Впервые я увидел одну из тех рыб, что сохранились внутри нас, снежным июльским днем, исследуя породы возрастом 375 миллионов лет на острове Элсмир, около 80° северной широты. Вместе с коллегами я добрался до этого далекого безлюдного острова, чтобы обнаружить одну из ключевых стадий перехода от рыб к наземным животным. Из скалы торчала рыбья голова — и не просто голова, а удивительно плоская. Едва увидев ее, мы поняли, что нашли что-то важное. Если внутри каменного склона нам удастся отыскать другие части скелета этой рыбы, они откроют нам тайны ранних стадий развития нашего черепа, нашей шеи и даже наших конечностей.
Что эта плоская голова сообщала нам о выходе рыб на сушу? Или, если говорить о моих собственных безопасности и комфорте, почему я был в Арктике, а не на Гавайях? Ответить на эти вопросы можно лишь рассказав о том, как мы находим древние ископаемые остатки и как используем их, чтобы разобраться в нашем прошлом.
Ископаемые остатки — один из важнейших источников данных, позволяющих нам познать самих себя. Другие источники подобной информации — гены и зародыши, о них речь пойдет позже. Но немногие знают, что поиск ископаемых — довольно точная наука и мы нередко можем предсказать, что и где обнаружим. В городе мы работаем над тем, чтобы в поле у нас были максимальные шансы преуспеть. А затем полагаемся на удачу.
Это парадоксальное соотношение расчета и случая лучше всех охарактеризовал Дуайт Эйзенхауэр в известном изречении: «Готовясь к сражениям, я всегда убеждался, что планы бесполезны, но планировать необходимо». Эти слова как нельзя лучше выражают суть полевой работы палеонтологов. Мы делаем всевозможные расчеты, как добраться до многообещающих местонахождений ископаемых, но, когда мы прибываем на место, оказывается, что все наши планы полевых исследований можно спокойно выбросить на свалку. Приземленные факты меняют самые блестящие расчеты.
Но все же мы можем задумывать экспедиции с целью ответить на конкретные научные вопросы. Исходя из нескольких простых идей, о которых я расскажу ниже, мы можем предсказывать, где можно обнаружить важные ископаемые остатки. Конечно, у нас никогда нет стопроцентной гарантии успеха, но, если повезет, можно найти что-то по-настоящему интересное. Вся моя научная карьера была построена именно на этом: я искал древних млекопитающих, чтобы узнать о происхождении млекопитающих, древнейших лягушек, чтобы узнать о происхождении лягушек, и некоторых из древнейших четвероногих, чтобы узнать о выходе рыб на сушу.
В наши дни обнаруживать новые местонахождения стало значительно проще, чем прежде. Благодаря геологическим исследованиям, проводимым местными властями и нефтегазовыми компаниями, нам стало больше известно о геологии многих районов. Интернет дает возможность оперативно работать с картами, данными аэрофотосъемки и материалами различных исследований. Где бы вы ни жили, сегодня я, не вставая из-за ноутбука, могу определить, есть ли перспективные места для поиска ископаемых у вас во дворе. Наконец, компьютерные методы построения изображений вместе с радиографическими устройствами позволяют нам видеть некоторые породы насквозь и изучать заключенные в них кости.
Но, несмотря на все эти достижения, охота за ценными ископаемыми во многом осталась такой же, какой она была лет сто назад. Палеонтологам по-прежнему приходится изучать горные породы, в буквальном смысле ползая по ним, и нередко вручную извлекать скрытые в них ископаемые остатки. Разыскивая и добывая такие остатки, нам приходится на месте принимать так много решений, что эти процессы по-прежнему сложно автоматизировать. Кроме того, смотреть в поисках ископаемых на экран монитора — занятие далеко не такое увлекательное, как своими руками добывать их в природе.
Занятие это хитрое, потому что местонахождения ископаемых довольно редки. Чтобы шансы на успех были максимальны, нам нужно, чтобы сошлись три фактора. Мы ищем такие места, где залегают породы определенного возраста и определенного типа, которые могут содержать ископаемые остатки древних животных, и где эти породы выходят на поверхность земли. Есть и четвертый фактор — везение. Это я покажу на примере.
Этот пример — один из важнейших переходных этапов в истории жизни на Земле — выхода позвоночных на сушу. Четыре миллиарда лет назад все живое обитало только в воде. Затем, около 400 миллионов лет назад, живые существа начали осваивать сушу. Для жизни в этих двух средах требуется разное. Для дыхания в воде требуются совсем не такие органы, как для дыхания на суше. То же относится к выделению, питанию и передвижению. Чтобы выйти на сушу, живым организмам понадобилось радикально перестроить свое тело. Граница между водной и наземной средой кажется на первый взгляд почти непреодолимой. Но научные факты позволяют увидеть эту проблему в другом свете. То, что могло показаться невозможным, случилось на самом деле.
В наших поисках горных пород определенной эпохи нам помогает одно примечательное обстоятельство. Ископаемые остатки в породах Земли распределены далеко не случайным образом. Местоположение содержащих такие остатки пород и характер этих остатков — все это подчиняется строгим правилам, и мы можем использовать эти правила, планируя свои экспедиции. Менявшийся за миллиарды лет облик Земли оставил следы в виде последовательности из множества различных слоев горных пород. Легко проверяемое рабочее предположение, из которого мы исходим, состоит в том, что слои, расположенные ближе к поверхности земли, моложе слоев, залегающих глубже. Обычно так и бывает в районах, где слои залегают ровно, образуя что-то вроде слоеного торта (например, Большой каньон). Но движения земной коры приводят к появлению разломов, которые меняют взаимное расположение слоев, иногда переворачивая их так, что более древние оказываются над более молодыми. К счастью, если разобраться, как именно прошел тот или иной разлом, нередко первоначальную последовательность слоев можно восстановить.
Заключенные в этих породах ископаемые также соответствуют определенной последовательности. В нижних слоях захоронены совсем не те виды ископаемых, что в верхних слоях. Если бы мы могли добыть единую колонку из горных пород, отложенных за все этапы истории Земли, перед нами предстало бы необычайное разнообразие ископаемых остатков. В самых нижних слоях видимых свидетельств существования жизни было бы немного. В более высоких наблюдались бы отпечатки самых разных животных с мягким телом — вроде медуз. Еще выше залегали бы слои с остатками скелетных организмов, у которых были различные придатки и другие органы — например глаза. Над ними лежали бы слои с первыми позвоночными животными. И так далее. Слои с древнейшими людьми залегали бы намного выше. Разумеется, единой колонки из пород, отложенных за все этапы истории Земли, не существует. В каждой точке земной коры залегают породы, отражающие лишь некоторые, сравнительно небольшие отрезки времени. Чтобы получить общую картину, мы составляем эти отрезки вместе, сравнивая и сами породы, и захороненные в них ископаемые остатки, как бы собирая гигантский пазл.
Неудивительно, что в колонке горных пород содержится последовательность ископаемых организмов. Менее очевидно, что на основании сравнения ископаемых видов с современными мы можем довольно точно предугадывать, как будут выглядеть организмы, которые мы обнаружим в том или ином слое. Накопленные знания дают нам возможность заранее предвидеть, какие ископаемые будут обнаружены в определенном слое древних пород. Более того, последовательность ископаемых можно во многом предсказать, основываясь лишь на сравнении нас самих с животными из какого-нибудь зоопарка или аквариума.
Как прогулка по зоопарку может помочь нам узнать, в каких породах искать особо ценные ископаемые остатки? В зоопарке есть много живых существ, по-разному отличающихся друг от друга. Но отвлечемся от их различий: чтобы справиться с поставленной задачей, нам нужно сосредоточиться на их сходстве, чтобы выявить признаки, общие для многих видов, и выделить группы животных со сходными признаками. Всех живых существ можно распределить по таким группам, заключенным одна в другой, как матрешки, так что меньшие группы находятся в составе больших. Сделав это, мы увидим одно фундаментальное свойство живой природы.
У всех животных в зоопарке или аквариуме есть голова и пара глаз. Назовем таких животных «всеми». В пределах этой группы будет подгруппа животных с головой и парой глаз, у которых есть четыре конечности. Назовем таких животных «всеми с четырьмя конечностями». Подподгруппа этих животных, наделенных головой, глазами и четырьмя конечностями, будет включать организмы с огромным мозгом, ходящие на двух ногах и разговаривающие. Эта подподгруппа — мы, люди. Таким способом мы могли бы, конечно, выделить и намного больше групп, но даже эта трехуровневая схема имеет некоторую предсказательную силу.
Ископаемые остатки, заключенные в горных породах, обычно соответствуют именно такой последовательности, и мы можем с ее помощью планировать новые палеонтологические экспедиции. Воспользуемся приведенным выше примером. Первые представители группы «всех», существа с головой и парой глаз, встречаются в ископаемом виде в более глубоких слоях, чем первые из «всех с четырьмя конечностями». Говоря точнее, первые рыбы (полноценные представители «всех») встречаются раньше, чем первые земноводные (представители «всех с четырьмя конечностями»). Очевидно, эту схему можно усовершенствовать, рассматривая многих других животных и признаки, по которым их можно объединить в группы, а также оценивая абсолютный возраст горных пород.
Именно это мы и делаем в своих лабораториях, используя тысячи и тысячи признаков и видов животных. Мы обращаем внимание на мельчайшие различия анатомических черт, а нередко также и на крупные куски ДНК. Данных накоплено так много, что нам часто необходимы мощные компьютеры, чтобы их обрабатывать и получать длинные последовательности групп, заключенных одна в другой. Этот подход лежит в основе всей биологии, потому что он позволяет нам выдвигать гипотезы о том, в каком родстве живые существа состоят друг с другом.
Существа, которых мы видим в зоопарке, отражают последовательность залегания ископаемых остатков в горных породах нашей планеты.
Ископаемые остатки, накопленные за сотни лет сбора, не только помогают нам группировать живые организмы по степени родства. Благодаря коллекциям этих остатков у нас в распоряжении имеется обширная библиотека, или каталог, разных периодов истории Земли и жизни на ней. Теперь мы можем приблизительно оценить, когда происходили важнейшие изменения. Вы интересуетесь происхождением млекопитающих? Обратитесь к породам времени, называемого ранней мезозойской эрой. Геохимический анализ говорит нам, что этим породам где-то около 210 миллионов лет. Интересуетесь происхождением приматов? Обратитесь к меловому периоду, к породам, залегающим выше, возраст которых порядка 80 миллионов лет.
Порядок залегания ископаемых остатков в горных породах Земли дает нам богатый материал для изучения нашей связи со всей остальной жизнью. Если бы в породах, которым около 600 миллионов лет, мы нашли остатки древнейших медуз, залегающие по соседству со скелетом сурка, нам пришлось бы переписать наши учебники, потому что это означало бы, что первый сурок появился в палеонтологической летописи раньше древнейших известных млекопитающих, рептилий и рыб — даже раньше первых червей. Более того, этот древний сурок показал бы нам, что значительная часть того, что, как нам кажется, мы знаем об истории Земли и жизни на ней, не соответствует действительности. Однако, несмотря на то что люди уже больше 150 лет ищут ископаемые остатки древних организмов на всех материках и во всех доступных слоях горных пород, ничего подобного этому сурку никогда не находили.
Теперь вернемся к проблеме поиска родственников первых рыб, которые вышли на сушу. В нашей трехуровневой схеме эти существа должны находиться где-то между «всеми» и «всеми с четырьмя конечностями». Соотнесем это с тем, что нам известно о горных породах, и придем к выводу, что геологические данные указывают нам на промежуток времени от 380 до 365 миллионов лет назад. Близкие этому промежутку более молодые породы, которым около 360 миллионов лет, содержат ископаемые остатки различных животных, в которых все мы узнали бы амфибий (земноводных) и рептилий (пресмыкающихся). Моя коллега Дженни Клэк из Кембриджского университета и некоторые другие палеонтологи нашли остатки амфибий в Гренландии в породах, которым около 365 миллионов лет. Их шея, органы слуха и четыре ноги делают их непохожими на рыб. Но в породах возрастом около 385 миллионов лет мы находим остатки настоящих рыб, которые и похожи на рыб. У них были плавники, голова конической формы и чешуя, а шеи не было. Учитывая эти обстоятельства, неудивительно, что мы обратили особое внимание на породы возрастом около 375 миллионов лет, чтобы найти переходные формы между рыбами и наземными позвоночными животными.
Итак, мы определились с промежутком времени, который хотим исследовать, а значит, и с теми слоями геологической колонки, в которых нужно искать. Теперь наша задача состоит в том, чтобы найти породы, сформировавшиеся при таких условиях, что в них могут залегать ископаемые остатки живых организмов. Вулканические породы нам в целом не подходят. Ни одна известная нам рыба жить в лаве не может. Даже если бы такая рыба существовала, остатки ее костей не выдержали бы страшного перегрева, необходимого для формирования базальтов, риолитов, гранитов и других магматических пород. Мы можем также отбросить метаморфические породы, такие как кристаллический сланец и мрамор, потому что с начала своего образования они претерпели или перенагрев, или воздействие крайне высокого давления. Какие бы ископаемые остатки в них ни залегали, они давно пропали. Идеально для захоронения остатков живых организмов подходят осадочные породы: известняки, песчаники, алевролиты и глинистые сланцы. По сравнению с вулканическими и метаморфическими породами эти породы возникли в менее экстремальных условиях, в том числе на дне рек, озер и морей. В таких средах могут обитать животные, и, что не менее важно, в них происходят процессы осадконакопления, в ходе которых и образуются осадочные породы, где с большой вероятностью сохраняются ископаемые остатки. К примеру, в океане или в озере из толщи воды на дно постоянно оседают различные частицы. Со временем, по мере накопления этих частиц, их начинают сдавливать новые, более высокие слои. Постепенное сдавливание в сочетании с химическими процессами, происходящими внутри этих пород в течение долгого времени, дает скелетам, заключенным в таких породах, неплохие шансы сохраниться в виде ископаемых остатков (фоссилизироваться). Сходные процессы происходят в реках и в их долинах. Общее правило здесь таково: чем медленнее река или ручей, тем лучше сохраняются ископаемые.
У каждого лежащего на земле камня есть своя история — история о мире в те времена, когда сформировалась порода, из которой этот камень состоит. Внутри камня хранятся сведения о былом климате и об условиях, часто сильно отличающихся от тех, в которых он находится сегодня. Пропасть между теми и другими может быть почти немыслимо глубока. Возьмем такой исключительный пример, как гора Эверест, у вершины которой, на высоте почти девяти километров, залегают породы, когда-то находившиеся на дне древнего моря. На Северной стене, практически в пределах прямой видимости со знаменитой Ступени Хиллари, можно найти ископаемые морские раковины. Подобный контраст между настоящим и прошлым есть и в Арктике, где мы работаем. Зимой морозы здесь нередко достигают минус сорока градусов по Цельсию. Однако в некоторых из горных пород в этих краях заключены остатки организмов, обитавших в древней тропической дельте, чем-то похожей на дельту Амазонки. Растения и рыбы, остатки которых мы здесь находим, могли жить только в теплом и влажном климате. Находки на огромных высотах и на Крайнем Севере ископаемых видов, приспособленных к жизни в тепле, свидетельствуют о том, как сильно может меняться наша планета: на ней вырастают и разрушаются горы, климат становится то теплее, то прохладнее, а континенты непрестанно движутся. Полученные на сегодня представления о том, за какое огромное время происходили эти необычайные изменения, позволяют нам использовать такого рода сведения, организуя новые экспедиции для охоты за ископаемыми.
Итак, если мы хотим разобраться в происхождении наземных позвоночных животных, нам надо обратить особое внимание на породы, возраст которых составляет примерно от 375 до 380 миллионов лет и которые сформировались в океанах, озерах или реках. Исключим из рассмотрения вулканические и метаморфические породы, и круг мест, где мы можем надеяться найти то, что ищем, еще больше сузится.
Мы проделали пока лишь часть работы, необходимой для планирования новой экспедиции. Нам не подходят осадочные породы указанного возраста, залегающие глубоко под землей или где-нибудь под полями, торговыми комплексами или городами. Здесь нам пришлось бы копать вслепую. Нетрудно представить, насколько мала вероятность успеха, если мы просто примемся бурить землю в первом попавшемся месте в расчете обнаружить ископаемые. Это примерно как стрелять по мишени в полной темноте.
Лучше всего искать ископаемые в таких местах, где можно многие километры идти по обнаженным горным породам в поисках участков, и где из-за выветривания на поверхности оказались заключенные в геологических слоях кости. Ископаемые остатки костей нередко тверже, чем окружающая их порода, поэтому их разрушение под действием эрозии идет несколько медленнее и на поверхности породы проступают выпуклые очертания этих костей. Идя по обнаженной породе, мы можем найти на ее поверхности следы костей и начать раскопки в этом месте.
Вот мы и получили рецепт новой экспедиции за ископаемыми: нужно найти породы определенного возраста, определенного типа (осадочные) и залегающие открыто, и можно браться за дело. Для охоты за ископаемыми идеальны районы, где мало почвы, растительности и следов деятельности человека. Принимая все это во внимание, разве удивительно, что значительная часть открытий совершается в пустынях? В пустыне Гоби. В пустыне Сахара. В штате Юта. В полярных пустынях — например в Гренландии.
Все это звучит вполне логично, но не будем забывать и еще об одном факторе — везении. По правде говоря, именно везение помогло нашей группе выйти на след той самой рыбы. Наши первые важные открытия были сделаны не в пустыне, а у обочины дороги в Пенсильвании, где породы отнюдь не залегают открыто. И вдобавок нам пришлось искать там лишь потому, что у нас было довольно мало денег.
Чтобы отправиться в Гренландию или в Сахару, нужно довольно много денег и времени. А на исследования где-нибудь неподалеку, напротив, не требуется больших научных грантов, только деньги на бензин и платные автострады. Для аспиранта или молодого преподавателя колледжа этот фактор может играть ключевую роль. Когда я устроился на свою первую работу в Филадельфии, меня особенно интересовала группа горных пород, известная под собирательным названием «пенсильванская формация Кэтскилл». Эту формацию интенсивно изучают уже более 150 лет. Ее возраст хорошо известен, он охватывает поздний девонский период. Кроме того, эти породы прекрасно подходят для того, чтобы в них сохранились древнейшие наземные позвоночные и их ближайшие родственники. Чтобы понять почему, надо представить себе, как выглядела Пенсильвания в девонский период. Давайте выбросим из головы образы Филадельфии, Питтсбурга и Гаррисберга и представим что-то вроде дельты Амазонки. В восточной части штата располагалось нагорье. Несколько больших рек стекали с этого нагорья на запад и впадали в обширное море, которое плескалось там, где сейчас стоит Питтсбург.
Для поиска ископаемых лучше не придумаешь, если не считать того, что сегодня Пенсильвания вся покрыта населенными пунктами, лесами и полями. Обнажения горных пород встречаются в основном лишь там, где работники Пенсильванского департамента транспорта решили построить большие дороги. А для строительства дорог они используют взрывы, и эти взрывы обнажают горные породы. Обычно это не самые подходящие обнажения, но за неимением лучших приходится пользоваться ими. Занимаясь недорогой наукой, получаешь то, что можешь себе позволить.
Сопутствовало нам и везение другого рода: в 1993 году ко мне приехал Тед Дешлер, который стал заниматься палеонтологией под моим руководством. Это сотрудничество изменило жизнь каждого из нас. У нас совсем разные характеры, и поэтому мы прекрасно дополняем друг друга: мне никогда не сидится на месте, и я все время думаю о том, где мы будем искать дальше, а Тед терпелив и знает, когда нужно остановиться и копать, чтобы не пропустить золотую жилу. Мы с Тедом начали исследовать девонские породы в Пенсильвании в надежде найти новые материалы о происхождении конечностей наземных позвоночных. Начали мы с того, что отправлялись на машине чуть ли не во всякое место на востоке штата, где проводилась выемка грунта под дорогу.
По обочинам дорог в Пенсильвании мы искали то, что осталось от древней дельты реки, во многом похожей на сегодняшнюю Амазонку. Штат Пенсильвания (внизу) и схема его топографии в девоне (вверху).
К немалому нашему удивлению, вскоре после того, как мы начали свои исследования, Тед нашел великолепную ископаемую лопатку. Мы назвали ее обладателя Hynerpeton (хайнерпетон), что переводится с греческого как «маленькое ползающее на брюхе животное из Хайнера». Хайнер (Hyner) — это название ближайшего городка. Hynerpeton имел очень мощную лопатку, из чего можно заключить, что у этого существа, скорее всего, были сильные конечности. К сожалению, нам так и не удалось найти полный скелет этого животного. Количество обнажений, которые нам удалось исследовать, было ограничено. Чем ограничено? Вы угадали: растительностью, домами и торговыми комплексами.
После открытия хайнерпетона и некоторых других ископаемых из этих пород нам с Тедом не терпелось взяться за породы, которые были бы лучше обнажены. Если бы мы построили всю свою научную деятельность на добывании жалких фрагментов, мы смогли бы работать над очень ограниченным набором проблем. Поэтому мы решили, действовать «по учебнику» — искать хорошо обнаженные породы нужного нам возраста и типа в пустынях. И надо сказать, мы никогда бы не сделали важнейшего открытия в своей жизни, если бы не учебник по основам геологии.
Поначалу мы собирались поехать в экспедицию на Аляску или в Юкон, во многом потому, что в интересующей нас области там уже были сделаны открытия другими группами палеонтологов. В итоге у нас разгорелся спор о некоторых эзотерических геологических знаниях, и в пылу спора один из нас взял со стола тот счастливый учебник геологии. Пролистывая его, чтобы узнать, кто из нас прав, мы наткнулись на одну карту — и прямо остолбенели. На ней было нанесено все, что мы искали.
Мы тут же перестали спорить и стали заново планировать свою экспедицию.
Исходя из известных на тот момент находок, сделанных в немного менее древних породах, мы считали, что нашу охоту лучше всего начать в отложениях древних рек. На карте в учебнике были показаны три области залегания девонских пресноводных отложений, каждое из которых соответствовало системе речных дельт. Первая область — восточное побережье Гренландии. Здесь Дженни Клэк нашла свое ископаемое — очень древнее существо с четырьмя конечностями, одно из древнейших известных наземных позвоночных (или тетрапод, то есть четвероногих). Вторая — восточное побережье Северной Америки, где мы уже работали и нашли лопатку хайнерпетона. Но была еще и третья область, обширная территория, протянувшаяся с востока на запад по арктическим островам Канады. В Арктике нет деревьев, мусора и городов. Это дает хорошие шансы на то, что породы нужного нам возраста будут обнажены на большой площади.
Обнажения в канадской Арктике были уже хорошо известны, особенно канадским геологам и палеоботаникам, которые к тому же закартировали эти обнажения. Более того, Эштон Эмбри, руководитель нескольких групп, выполнивших значительную часть этой работы, писал, что по многим геологическим характеристикам канадские девонские породы ничем не отличаются от пород, залегающих в Пенсильвании. Мы с Тедом готовы были собирать рюкзаки в ту же минуту, как прочитали эту фразу. Уроки, выученные на дорогах Пенсильвании, вполне могли пригодиться нам на Крайнем Севере Канады.
Примечательно, что канадские девонские породы даже старше, чем породы Гренландии и Пенсильвании. Так что эта область подходила нам по всем трем критериям: возраст пород, их тип и их обнаженность. А еще, что было и вовсе замечательно, эта территория не была исследована палеонтологами — «позвоночниками» (специалистами по позвоночным животным), а потому и не разведана на предмет ископаемых.
Наши новые задачи сильно отличались от тех, что стояли перед нами в Пенсильвании. Работая у автострад в Пенсильвании, мы рисковали погибнуть под колесами грузовиков, которые проносились мимо, пока мы искали своих ископаемых. В Арктике мы рисковали быть съеденными белыми медведями, израсходовать запасы пищи или оказаться отрезанными от людей из-за плохой погоды. Там у нас больше не будет возможности набрать с собой бутербродов и ехать на машине за ископаемыми.
Карта, с которой все и началось. На этой карте Северной Америки показано как раз то, что мы искали. Различной штриховкой обозначены породы девонского периода как морские так и пресноводные. Стрелки указывают три области, которые когда-то были речными дельтами. Воспроизведено с изменениями по рис. 13.1 из книги: R.H. Dott and R.L Batten, Evolution of the Earth (New York: McGraw-Hill, 1988). Публикуется с разрешения издательства McGraw-Hill.
Теперь нам придется тратить не меньше восьми дней на планирование каждого дня работы в поле, потому что до нужных нам пород теперь можно добраться только по воздуху, а ближайшая база снабжения находится в 400 километрах. Мы можем привезти с собой лишь необходимое количество еды и оборудования плюс небольшой неприкосновенный запас. И, что еще более важно, строгие ограничения на вес самолета позволят нам забрать с собой лишь малую долю обнаруженных на месте ископаемых. Прибавьте к этим ограничениям тот краткий промежуток времени, в течение которого мы могли нормально работать каждый год в условиях Арктики, и вы убедитесь, что нам предстояли совершенно новые и весьма обескураживающие трудности.
Здесь в дело вступил мой бывший научный руководитель из Гарварда, доктор Фэриш Дженкинс-младший. Он много лет возглавлял экспедиции в Гренландию и обладал опытом, необходимым для осуществления нашего рискованного предприятия. И вот вся наша команда в сборе. Представители трех академических поколений — Тед, мой бывший студент, Фэриш, мой бывший руководитель, и я — собирались отправиться в Арктику, чтобы попытаться найти ископаемые свидетельства перехода от рыб к наземным животным.
Практического руководства по занятию палеонтологией в Арктике не существует. Снаряжаясь в экспедицию, мы полагались на советы друзей и коллег. Мы также читали книги, которые лишь убеждали нас в том, что решительно ничто не поможет нам подготовиться к непосредственному опыту такой работы. Никогда подобные вещи не ощущаются столь же остро, как когда вас впервые высаживают с вертолета в каком-нибудь Богом забытом уголке Арктики. Первая мысль, которая тут же приходит на ум, — белые медведи. Несчетное число раз я обозревал окрестности в поисках движущихся белых пятнышек. Если все время об этом думать, можно что-нибудь и увидеть. В первую неделю нашей работы в Арктике один из членов нашей группы заметил одно такое пятнышко. По виду это был белый медведь на расстоянии где-то в полкилометра. Мы, как герои полицейской комедии, в суматохе стали хвататься за оружие, сигнальные ракеты и свистки, пока не разглядели, что наш медведь был на самом деле белым полярным зайцем метрах в шестидесяти от нас. В Арктике нет домов и деревьев, чтобы правильно оценить расстояние, и зрение легко нас обманывает.
Арктика — большой и пустынный край. Обнажения нужных нам пород простираются здесь на расстояние около полутора тысяч километров. А ископаемые животные, которых мы искали, были длиной порядка метра с небольшим. Нам надо было как-то найти на этих просторах небольшой участок породы, содержащий нужное нам ископаемое. Среди рецензентов заявок на гранты попадаются люди совершенно беспощадные. Они всегда указывают в своих рецензиях на данное затруднение. Лучше всех об этом написал рецензент одной из первых заявок Фэриша на исследования в Арктике. Как было сказано в его рецензии (должен заметить, не особенно доброжелательной), шансы найти в Арктике новых ископаемых «еще меньше, чем найти пресловутую иголку в стоге сена».
Нам понадобилось четыре экспедиции на остров Элсмир и более шести лет исследований, чтобы найти нашу иголку. Это к вопросу о везении.
Стараясь учиться на своих ошибках, мы нашли то, что искали, после многих попыток и неудач. Вначале, в полевой сезон 1999 года мы добывали ископаемых далеко на западе канадской Арктики, на острове Мелвилл. Тогда мы еще не знали этого, но нас высадили на дне древнего океана. В породах было полно ископаемых, и мы нашли в ней остатки множества разных рыб. Беда была в том, что все они были, по-видимому, глубоководные, совсем не такие, как нужные нам обитатели речных или озерных мелководий, от которых произошли наземные позвоночные. Пользуясь данными геологического анализа, проведенного Эштоном Эмбри, в 2000 году мы решили перенести нашу экспедицию к востоку, на остров Элсмир, потому что там мы ожидали найти породы, образовавшиеся из отложений древних рек. Вскоре мы начали находить там сохранившиеся в ископаемом виде кусочки рыбьих костей размером с четвертак[1].
Наш лагерь (вверху) кажется крошечным на фоне окружающего ландшафта. Мой летний дом (внизу) — небольшая палатка, обычно обложенная камнями, чтобы защитить ее от ветров, которые могут дуть здесь со скоростью больше двадцати метров в секунду. Фото автора.
Настоящий прорыв произошел под конец полевого сезона 2000 года. Было это прямо перед ужином, где-то за неделю до того, как нас должны были забирать для возвращения домой. Отряд уже вернулся в лагерь, и мы занимались обычными вечерними делами: разбирали собранные за день материалы, делали полевые заметки и уже начинали организовывать ужин. Джейсон Даунс, тогда студент колледжа, увлеченный палеонтологией, в лагерь вовремя не вернулся. Это был повод для тревоги, потому что обычно мы не ходим поодиночке, а если и расходимся, то четко договариваемся о том, когда и где каждый снова даст о себе знать. Нельзя полагаться на случай в местах, где живут белые медведи и неожиданно может накатить буря. Помнится, я сидел в главной палатке вместе со всеми, и с каждой минутой наша тревога за Джейсона нарастала. Когда мы уже начали планировать поисковые работы, я услышал звук расстегиваемой молнии на входе в палатку. Первым, что я увидел, была голова Джейсона. Когда он весь забрался внутрь, мы сразу поняли, что дело было не в белых медведях: ружье по-прежнему висело у него за плечом. Нам стало ясно, почему он задержался: трясущимися руками он стал доставать горсть за горстью ископаемые кости, которыми были набиты все карманы его одежды — куртки, брюк, рубашки, — а также его маленький рюкзак. Думаю, он напихал бы их и в носки, и в ботинки, если бы смог в таком виде добраться до лагеря. Все эти небольшие кости были собраны им на поверхности небольшого участка породы размером с место для парковки малолитражки, на расстоянии полутора километров от лагеря. Ужин мог подождать.
В Арктике летом круглые сутки светло, поэтому нам нечего было беспокоиться о наступлении темноты. Мы прихватили с собой несколько плиток шоколада и отправились на место, которое нашел Джейсон. Располагалось оно на склоне холма между двумя прекрасными речными долинами и, как и говорил Джейсон, было как ковром покрыто ископаемыми рыбьими костями. Мы провели несколько часов за сбором фрагментов этих костей, фотографированием и обсуждением дальнейших планов. Это место обладало всеми нужными нам свойствами. На следующий день мы вернулись туда с новой задачей — найти тот конкретный слой породы, в котором залегали эти кости.
Самое сложное заключалось в том, чтобы установить источник собранных Джейсоном обломков. Только так мы могли надеяться найти целый скелет. Но с условиями Крайнего Севера просто беда: каждую зиму температуры достигают минус сорока по Цельсию. Летом, когда солнце вовсе не опускается за горизонт, температура поднимается почти до плюс 10. Такие циклы замерзания и оттаивания приводят к тому, что обнаженные горные породы и заключенные в них ископаемые остатки растрескиваются. Каждую зиму они охлаждаются и сжимаются, каждое лето — нагреваются и расширяются. За тысячи лет таких расширений и сжатий ископаемые в породе у поверхности распадаются на фрагменты. Столкнувшись с валяющимися в беспорядке на склоне холма обломками, мы не могли с ходу сказать, какой именно слой послужил их источником. Несколько дней подряд мы пытались отследить путь этих обломков, копали пробные шурфы, пользовались нашими геологическими молотками, как лозоходцы лозой, чтобы разобраться в том, из какой же части склона происходили эти кости.
Вот где мы работаем: южная часть острова Элсмир, территория Нунавут (Канада), полторы тысячи километров к югу от северного полюса.
Через четыре дня мы наконец нашли этот слой и в итоге обнаружили множество скелетов ископаемых рыб, нередко лежащих один на другом. Два следующих лета были во многом посвящены тому, чтобы извлечь эти скелеты из породы.
И вновь неудача: все обнаруженные нами рыбы относились к хорошо известным видам, собранным в местах, где залегают близкие по возрасту породы, в Восточной Европе. А кроме того, эти рыбы были довольно далекими родственниками наземных позвоночных. В 2004 году мы решили сделать еще одну попытку. Положение у нас было — или пан, или пропал. Расходы на наши арктические изыскания были непомерно высоки, и если бы нам не удалось найти ничего примечательного, от дальнейших поисков пришлось бы отказаться.
Все изменилось за четыре дня в начале июля 2004 года. Я переворачивал камни на дне карьера, где приходилось чаще колоть лед, чем породу. В одном месте, проломив лед, я увидел картину, которой никогда не забуду: участок, покрытый чешуей, не похожей ни на что из того, что мы до сих пор находили в этом карьере. По соседству с этим участком я заметил выпуклость, тоже покрытую льдом. Она напоминала челюсти. Но эти челюсти не были похожи на челюсти ни одной из виденных мной рыб. Похоже, что голова, которая несла эти челюсти, была плоской.
На следующий день мой коллега Стив Гейтси переворачивал камни в верхней части того же карьера. Из одного извлеченного им камня на него уставилось рыло ископаемой рыбы. Как и у рыбы, обнаруженной мною на дне карьера, у нее была плоская голова. Такого мы раньше не находили, и это было важно. Но еще важнее было то, что находка Стива, в отличие от моей, была многообещающей. Перед нами был передний конец тела, а значит, если повезет, остальной скелет может быть заключен в глубине каменного склона. Остаток лета Стив провел за постепенным извлечением фрагментов породы, чтобы мы могли привезти ископаемый скелет в лабораторию и очистить его. Благодаря мастерству, с которым Стив выполнил эту работу, был добыт один из лучших известных образцов ископаемых, отражающих выход позвоночных на сушу.
Образцы, которые мы привезли с собой в лабораторию, в целом выглядели как каменные глыбы, внутри которых были заключены ископаемые остатки. В течение двух месяцев препараторы постепенно, по кусочкам удаляли породу, часто вручную, используя зубоврачебное оборудование и зубочистки. Каждый день открывал нам новые подробности строения этого ископаемого.
Процесс поиска ископаемых начинается с постепенного извлечения фрагментов породы. На этих фотографиях показаны этапы извлечения ископаемых остатков и их транспортировки с поля в лабораторию, где образец тщательно очищается от лишней породы, и перед нами предстает скелет животного, ранее не известного науке. Слева вверху — фото автора, остальные любезно предоставил Тед Дешлер (Академия естественных наук Филадельфии).
Едва ли не всякий раз, когда обнажался новый большой участок его скелета, мы узнавали что-то новое о происхождении наземных позвоночных.
Ископаемое, которое постепенно открывалось нашим взорам осенью 2004 года, представляло собой прекрасную промежуточную форму между рыбами и наземными позвоночными. Между этими группами животных есть немалая разница. Голова у рыб коническая, в то время как у древнейших наземных позвоночных головы были плоские, с глазами наверху, как у крокодилов. У рыб нет шеи, их лопатки прикреплены к черепу рядом костных пластинок. У древнейших наземных позвоночных, как и у всех их потомков, шея имеется, то есть голова может двигаться независимо от лопаток и плечевого пояса конечностей.
Есть и другие существенные отличия. У рыб все тело покрыто чешуей, а у наземных позвоночных нет. Кроме того, что немаловажно, у рыб есть плавники, в то время как у наземных позвоночных имеются две пары конечностей, оканчивающихся и запястьем, и лодыжкой (на конечностях передней и задней пары соответственно), и пальцами. Список отличий рыб от наземных позвоночных можно продолжать и дальше.
Но открытое нами существо стирало грань между этими двумя группами животных. Как рыба, оно было покрыто чешуей и имело перепончатые плавники. Но голова у него была плоской, как у наземных позвоночных, а еще у него была шея. Внутри передней пары его плавников находились кости, соответствующие плечевой, локтевой и лучевой и даже некоторым костям запястья. Эти кости были к тому же соединены суставами: перед нами была рыба с плечевым, локтевым и лучезапястным суставами!
Почти все черты, общие для этого существа и для наземных позвоночных, весьма примитивны. К примеру, его плечевая кость по форме и строению отчасти похожа на рыбью, а отчасти — на плечевую кость амфибий. То же относится к строению черепа и лопаток.
Нам потребовалось шесть лет, чтобы найти это ископаемое, но эта находка подтвердила наше палеонтологическое предсказание: открытая нами рыба не только занимала промежуточное положение между двумя разными группами животных, она также была обнаружена в отложениях определенного периода истории Земли, сформировавшихся в определенной среде. Как мы и ожидали, мы нашли это ископаемое в породах возрастом около 375 миллионов лет, образованных отложениями древней реки.
Рисунок говорит сам за себя. Тиктаалик — переходное звено между рыбами и примитивными наземными животными
Как первооткрыватели этого существа Тед, Фэриш и я имели почетное право дать ему формальное научное название. Нам хотелось, чтобы название отражало происхождение этой рыбы с арктической территории Нунавут, отдавая наш долг эскимосскому народу за право работать на его земле. Мы связались с советом старейшин Нунавута, официально называющимся Inuit Qaujimajatuqangit Katimajiit, с просьбой предложить название этому существу на эскимосском языке инуктитут. Конечно, меня беспокоило, что совет с таким названием предложит нам слово, которое мы будем не в состоянии произнести. Я послал им изображение этого ископаемого, и старейшины предложили два варианта: Siksagiaq и Tiktaalik. Мы выбрали Tiktaalik — потому, что это слово сравнительно легко произнести человеку, не говорящему по-эскимосски, а еще из-за того, что на языке инуктитут оно означает «крупная пресноводная рыба».
На следующий день после того, как в апреле 2006 года мы объявили о своем открытии, во многих газетах вышли статьи, посвященные тиктаалику, и даже в таких солидных изданиях, как New York Times, о нем писали с большими заголовками. Из-за всеобщего внимания к нашей находке мне довелось пережить самую странную неделю в моей обычно спокойной жизни. Но для меня самым ярким моментом всей этой шумихи стали не посвященные тиктаалику карикатуры, не редакционные статьи и не бурное обсуждение в блогах. Самое лучшее впечатление было связано с детским садом моего сына.
Посреди поднятого газетами шума воспитательница моего сына попросила меня принести в детский сад это ископаемое и рассказать о нем. Я послушно принес на занятия группы Натаниэла слепок тиктаалика, мысленно готовясь к тому, какой хаос мне придется пережить. Но двадцать четырехлетних и пятилетних детей вели себя на удивление хорошо, пока я рассказывал им, как мы работали в Арктике, чтобы найти это ископаемое, и показывал его острые зубы. Затем я задал им вопрос: «Кто это, как вы думаете?» Поднялось немало рук. Первый ребенок ответил, что это крокодил или аллигатор. Когда я спросил почему, он сказал, что у этого животного плоская голова с глазами наверху, как у крокодила. Еще большие зубы. Другие дети стали выражать несогласие. Выбрав одного из тех, кто поднял руку, я услышал: «Не-не, это не крокодил, это рыба, ведь у нее чешуя и плавники!» А еще один ребенок крикнул: «А может, это и то и другое сразу?» Вот о чем нам говорит тиктаалик — и говорит так недвусмысленно, что это поняли даже ребята из детского сада.
Но тиктаалик может поведать нам и нечто более глубокое. Эта рыба позволяет узнать новое не только о рыбах — в ней есть также что-то и от нас самих. В первую очередь именно поиск этой связи и привел меня в Арктику.
Откуда у меня такая уверенность в том, что это ископаемое что-то говорит о моем собственном теле? Рассмотрим шею тиктаалика. У всех рыб, живших до него, был набор костей, с помощью которых череп был соединен с плечевым поясом, так что всякий раз, когда рыба поворачивала тело, вместе с ним поворачивалась и голова. А тиктаалик не такой. У него голова не соединена с плечевым поясом.
Путь развития скелета передних конечностей — от рыб до собак и людей.
Такое строение объединяет его с амфибиями, рептилиями, птицами и млекопитающими, к которым относимся и мы сами. Переход от рыб к этим животным начался, когда рыбы вроде тиктаалика утратили несколько маленьких косточек.
Можно сходным образом проанализировать развитие костей запястья, ребер, слуховых косточек и других частей нашего скелета — все эти части развились из структур рыб вроде тиктаалика. Это ископаемое — такая же часть нашей истории, как африканские гоминиды, например австралопитек афарский (Australopithecus afarensis) — знаменитая Люси. Изучая Люси, мы разбираемся в истории нас как продвинутых приматов. Изучая тиктаалика, мы разбираемся в истории нас как потомков рыб.
Итак, что мы узнали? В нашем мире царит такой высокий порядок, что прогулку по зоопарку можно использовать, чтобы предугадать, какого рода ископаемые будут обнаружены в тех или иных слоях горных пород, залегающих по всему свету. Такие предсказания могут позволить найти ископаемых, свидетельствующих о важных событиях в древней истории жизни на нашей планете. Следы этих событий записаны внутри нас в виде черт нашего строения.
О чем я еще не сказал, так это о том, что проследить нашу историю можно также по генам, то есть с помощью ДНК. Эти сведения о нашем прошлом не хранятся в горных породах — они хранятся в каждой клетке нашего тела. Мы воспользуемся и ископаемыми, и генами, чтобы разобраться в своей истории — в истории возникновения наших тел.
Глава 2. Откуда такая хватка{2}
Увиденное на практических занятиях по анатомии человека невозможно забыть. Представьте себе, что вы заходите в комнату, где вам предстоит в течение нескольких месяцев разбирать человеческие тела по частям, слой за слоем, орган за органом, а также выучить десятки тысяч названий.
За месяцы перед тем, как мне впервые пришлось препарировать тело человека, я старался подготовиться к тому, что увижу, как на это отреагирую и что почувствую. Оказалось, что мир моего воображения нисколько не подготовил меня к этому опыту. Тот момент, когда мы сняли простыню и впервые увидели мертвое тело, был совсем не таким напряженным, как я ожидал. Нам предстояло вскрыть грудную клетку, поэтому мы обнажили ее, оставив голову, руки и ноги закрытыми пропитанной фиксирующей жидкостью марлей. Ткани этого тела казались не такими уж человеческими. Обработанное рядом фиксирующих растворов, тело не кровоточило в местах разрезов, а кожа и внутренние органы имели консистенцию резины. Я начал думать, что труп больше похож на куклу, чем на человека. Прошло несколько недель, в течение которых мы исследовали органы грудной клетки и брюшной полости. Мне казалось, что я уже достиг некоторого профессионализма. После изучения большинства внутренних органов во мне развилась уверенность в себе, основанная на всем полученном опыте. Я уже много раз своими руками резал и препарировал и выучил анатомию большинства основных органов. Все это делалось механически, бесстрастно, по-научному.
Эти приятные иллюзии полностью рухнули, когда дело дошло до кистей рук. Когда я освободил от марли пальцы и впервые увидел суставы, подушечки пальцев и ногти трупа, во мне высвободились эмоции, которые никак не проявляли себя в последние несколько недель. Это была не кукла, не манекен — когда-то это был живой человек, который носил что-то в этой руке и кого-то ею ласкал! Внезапно механическое занятие, препарирование, стало чем-то прочувствованным и глубоко личным. До этого момента я не испытывал к этому мертвому телу ничего. Я уже доставал из него желудок, желчный пузырь и другие органы, но какой душевно здоровый человек почувствует себя по-человечески связанным с другим при виде желчного пузыря?
Что такого есть в руке, что она кажется квинтэссенцией человеческого? Наверное, на этот вопрос можно ответить так: рука — это явная связь между нами, это символ того, что мы есть и чего можем достичь. Наша способность хватать, держать, строить и воплощать свои замыслы заключена в этом наборе костей, мышц, нервов и сосудов.
Первое, что бросается в глаза, когда видишь человеческую руку изнутри, — это ее компактность. Возвышение большого пальца (тенар) содержит четыре разных мышцы. Повертите большим пальцем и наклоните кисть, и одновременно слаженно заработают десять мышц и по крайней мере шесть костей. Внутри запястья не меньше восьми маленьких косточек задвигаются друг относительно друга.
Общий план строения конечностей позвоночных животных: одна кость за ней две кости за ними маленькие косточки запястья или лодыжки, за ними пальцы
Сгибая кисть, вы используете несколько мышц, которые начинаются у локтя, переходят в сухожилия и заканчиваются внутри ладони. Даже самые простые движения предполагают сложное взаимодействие разных структур, заключенных в небольшом пространстве руки.
Сложность и поразительная человечность наших рук уже давно вызывают интерес и восторг ученых. В 1822 году выдающийся шотландский хирург сэр Чарльз Белл написал классическую книгу об анатомии кистей рук. Ее заголовком уже все сказано: «Рука, ее механизм и важнейшие функции как свидетельство высшего замысла». По мнению Белла, строение руки совершенно, потому что она сложна и как нельзя лучше приспособлена для нашего образа жизни. Ему представлялось, что такой совершенный замысел мог иметь лишь божественное происхождение.
Одним из ведущих ученых, занимавшихся поиском божественного порядка в наших телах, был великий анатом сэр Ричард Оуэн. Ему повезло быть анатомом в середине XIX века, когда науке еще предстояло открыть в удаленных уголках Земли немало групп животных, совершенно неизвестных ранее. По мере того как европейцы исследовали новые районы нашей планеты, в лаборатории и музеи попадали самые разнообразные экзотические существа. Оуэн впервые описал строение гориллы по экземпляру, привезенному из экспедиции в центральную Африку. Он впервые предложил термин «динозавр» — так он назвал ранее неизвестную группу ископаемых, одно из которых было обнаружено в Англии. Изучение всех этих причудливых созданий позволило ему увидеть определенный порядок в кажущемся хаосе биологического разнообразия.
Оуэн открыл, что наши руки и ноги, в том числе кисти и ступни, соответствуют некой общей для многих животных схеме. Анатомы и задолго до Оуэна знали схему строения скелета человеческой руки: одна плечевая кость, две кости предплечья, набор из девяти маленьких косточек запястья и пять пальцев, состоящих из нескольких последовательно соединенных костей. Скелет ноги устроен сходным образом: одна кость, две кости, много маленьких косточек и пять пальцев. Сравнивая эту схему со схемой строения разнообразных скелетов, привезенных со всего света, Оуэн сделал замечательное открытие.
Гений Оуэна проявился не в том, что он выявил различия между разными скелетами. Он открыл и впоследствии пропагандировал в своих лекциях и книгах черты исключительного сходства в строении таких непохожих существ, как лягушки и люди. У всех представителей наземных позвоночных конечности, будь то крылья, ласты, ноги или руки, принципиально устроены одинаково. Одна кость, плечевая в передних конечностях и бедренная в задних, соединена суставом с двумя костями, которые в свою очередь соединяются с рядом маленьких косточек, которые соединяются с костями пальцев. Такова схема строения любых конечностей наземных позвоночных. Хотите получить крыло летучей мыши? Сделайте пальцы очень длинными. Ногу лошади? Удлините средний палец и сократите остальные. Ногу лягушки? Удлините кости ноги и срастите некоторые из них друг с другом. Различия между скелетами этих существ состоят в форме и размере костей, а также в числе пальцев и косточек, с которыми они соединяются. Несмотря на существенные изменения функций и облика конечностей, принципиальный план их строения всегда остается одним и тем же.
Открытие общего плана строения конечностей было для Оуэна лишь первым этапом. Исследуя черепа и позвоночники, да и весь скелет разных животных, он везде обнаружил то же самое. Существует фундаментальный план строения скелета, общий для всех позвоночных. Лягушки, летучие мыши, люди и ящерицы представляют собой вариации на одну и ту же тему. По мнению Оуэна, эта тема есть не что иное, как божественный замысел Создателя.
Вскоре после того, как Оуэн опубликовал свои выводы в классической монографии «О природе конечностей», Чарльз Дарвин нашел этим фактам изящное объяснение. Причина, по которой крыло летучей мыши и рука человека обладают общей схемой строения, состоит в том, что летучие мыши и люди происходят от общего предка. То же относится к руке человека и крылу птицы, ноге человека и ноге лягушки — и к любым конечностям любых наземных позвоночных. Между теориями Оуэна и Дарвина есть принципиальная разница: теория Дарвина позволяет нам делать довольно точные предсказания. Следуя Дарвину, мы можем ожидать, что описанный Оуэном план имеет историю, которую можно проследить вплоть до существ, у которых вовсе не было конечностей. Где же нам искать истоки этой схемы? Их нужно искать в рыбах и в скелетах их плавников.
Обратимся к рыбам
Во времена Оуэна и Дарвина пропасть между плавниками рыб и конечностями наземных позвоночных казалась почти непреодолимой. Между этими органами нет никакого очевидного сходства. Снаружи плавники большинства рыб оторочены перепонкой. Наши конечности не имеют таких перепонок, как и конечности всех других наземных позвоночных, в том числе вторично вернувшихся в воду. Если мы вскроем плавник и рассмотрим его скелет, сравнивать то, что мы увидим, со строением скелета наших конечностей будет ничуть не проще. У большинства рыб нет ничего, что можно было бы сравнить с выявленной Оуэном схемой (кость — две кости — много косточек — пальцы). У всех наземных позвоночных в основании находится одна длинная кость — плечевая в передних конечностях и бедренная в задних. У рыб весь скелет выглядит совсем по-другому. В основании типичного рыбьего плавника расположено четыре или более костей.
В середине XIX века анатомы впервые познакомились с загадочными рыбами, живущими на южных материках. Одна из первых таких рыб была открыта немецкими учеными, работавшими в Южной Америке. Она похожа на обычную рыбу с плавниками и чешуей, но глубже глотки у нее имеются два больших сосудистых мешка — легкие! И все же у этого существа есть чешуя и плавники. Первооткрыватели этого животного были столь озадачены, что дали ему название Lepidosiren paradoxa, что означает «парадоксальное чешуйчатое земноводное». Другие рыбы, тоже, как и лепидосирен, наделенные легкими, были вскоре обнаружены в Африке и в Австралии. Они получили название двоякодышащих. Исследователи Африки привезли одну такую рыбу Оуэну. Некоторые ученые, например Томас Гексли и Карл Гегенбаур, находили, что эти рыбы представляют собой что-то вроде гибрида между амфибией и рыбой. Местные жители считали их вкусными.
Схема строения скелетной основы плавников этих рыб, в которой на первый взгляд нет ничего особенного, сыграла в науке немалую роль. В основании их плавников находится всего одна кость, которая крепится к лопатке. Для любого анатома сходство с наземными позвоночными очевидно. У нас тоже есть всего одна плечевая кость, которая крепится к лопатке. Стало быть, двоякодышащие — это рыбы, у которых есть плечевая кость. Примечательно, что эти рыбы, кроме того, обладают легкими. Что это, простое совпадение?
Когда горстка живущих в наши дни видов этой группы стала известна науке XIX века, в распоряжение ученых стали поступать и свидетельства иного рода. Как вы уже, наверное, догадались, речь идет об ископаемых древних рыбах.
Одна из первых таких рыб была обнаружена на берегах полуострова Гаспе в Квебеке (Канада) в породе возрастом около 380 миллионов лет. Этой рыбе дали название Eusthenopteron. У эустеноптерона наблюдалась удивительная смесь признаков рыб и земноводных. Из описанных Оуэном костей конечности (кость — две кости — много косточек — пальцы) плавники эустеноптерона содержали первые два элемента (кость — две кости). Стало быть, у некоторых рыб плавники были устроены подобно конечностям позвоночных. Оуэновский архетип не был извечным божественным свойством жизни. Он развился постепенно, и следы его развития сохранились в породах девонского периода, которые образовались в промежутке между 390 и 360 миллионами лет назад. Это важное открытие определяло новую программу для дальнейших исследований: где-то в породах девонского периода нужно искать свидетельства возникновения пальцев.
В двадцатые годы XX века ископаемые принесли новые сюрпризы. Молодому шведскому палеонтологу Гуннару Саве-Содербергу посчастливилось исследовать восточное побережье Гренландии. В то время там была совершенная terra incognita, но Саве-Содерберг установил, что эта территория необычайно богата девонскими отложениями. Он был одним из немногих палеонтологов-полевиков того времени и благодаря неутомимому духу исследователя и исключительному вниманию к деталям смог добыть за свою недолгую жизнь немало ценных для науки ископаемых. (К сожалению, его жизнь трагически оборвалась: он умер молодым от туберкулеза вскоре после того, как его экспедиции принесли науке ряд поразительных открытий.) В ходе экспедиций, предпринятых в период с 1929 по 1934 год, команда Саве-Содерберга открыла ископаемых, которые в те времена прославились как одно из важнейших недостающих звеньев палеонтологической летописи. Об этом открытии писали газеты всего мира, его высмеивали в карикатурах и обсуждали его важность в редакционных статьях.
У большинства рыб (например, у рыбы-зебры вверху) плавники окружены перепонкой а в их основании находится много косточек. Двоякодышащие рыбы (вторая сверху) привлекли внимание ученых тем что у них как и у нас в основании конечности располагается одна кость. Эустеноптерон (второй снизу) показал как заполнялся промежуток между рыбами и наземными животными: у него уже имеются кости подобные нашему плечу и предплечью, Акантостега (внизу) повторяет структуру конечности эустеноптерона за тем исключением, что у нее уже наличествуют полностью сформированные фаланги пальцев.
Открытые группой Саве-Содерберга ископаемые обладали настоящим калейдоскопом признаков — голова и хвост напоминали рыбьи, но конечности были вполне сформированные, как у наземного позвоночного (с развитыми пальцами), а позвонки необычайно похожи на позвонки земноводных. После смерти Саве-Содерберга его друг и коллега Эрик Ярвик описал этих ископаемых, и одно из них получило название Ichthyostega soderberghi (ихтиостега Содерберга) в честь Гуннара Саве-Содерберга.
К сожалению, ихтиостега не сильно помогла решению нашей проблемы. По ряду черт строения головы и позвоночника она и правда была весьма примечательной промежуточной формой, но мало говорила о происхождении конечностей, потому что у нее уже были пальцы на ногах, как у всех настоящих амфибий (земноводных). Несколько десятилетий спустя другое открытое Саве-Содербергом ископаемое, которому, когда о нем было объявлено, не уделили особого внимания, позволило сильно продвинуться в решении вопроса о происхождении конечностей наземных позвоночных. Этому второму ископаемому суждено было оставаться загадкой до 1988 года, когда моя коллега-палеонтолог Дженни Клэк, представленная читателям в первой главе, вернулась на исследованные Саве-Содербергом местонахождения и обнаружила там новые остатки этого древнего существа. Это животное было описано по добытым шведским ученым фрагментам еще в двадцатые годы и получило название Acanthostega gunnari (акантостега Гуннара). Новые находки позволили выяснить, что у акантостеги тоже были полноценные конечности с развитыми пальцами. Но один из ее признаков оказался настоящим сюрпризом: Дженни Клэк установила, что конечность акантостеги имела форму плавника, подобного ластам тюленя. Исходя из этого Дженни предположила, что древнейшие конечности наземных позвоночных возникли как орган для плавания, а не для передвижения по суше. Эта идея была ощутимым прорывом, но по-прежнему оставался без ответа вопрос, как именно возникли конечности, ведь у акантостеги были вполне сформированные пальцы, а также запястье и лодыжка и не было свойственной рыбьим плавникам перепонки. Конечности акантостеги были полноценными конечностями наземного позвоночного, хотя и весьма примитивного. Чтобы узнать, как возникли кисти рук и ступни ног, запястье и лодыжка, нужно было искать более древних ископаемых. Так обстояли дела вплоть до 1995 года.
Открытие пальцев и запястий рыб
Как-то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно-строительных работ. Мы нашли чудесный участок выемки грунта на 15-й трассе к северу от Уильямсфорта, где департаментом транспорта был сотворен гигантский обрыв из песчаника возрастом около 365 миллионов лет. Песчаник здесь взрывали динамитом, и вдоль дороги были оставлены груды больших камней. Это было идеальное место для охоты на ископаемых. Мы вышли из машины и стали ползать по камням, многие из которых были размером с небольшую микроволновую печь. На поверхности некоторых из них попадалась рыбья чешуя, и мы решили захватить несколько таких камней с собой в Филадельфию. Когда мы приехали к Теду домой, его четырехлетняя дочка Дейзи выбежала встречать папу и спросила, что мы нашли.
Показывая Дейзи один из камней, мы внезапно осознали, что из него выступает фрагмент плавника крупной рыбы. В поле мы этого почему-то не заметили. Вскоре нам предстояло узнать, что это не обычный рыбий плавник: внутри его было немало костей.
Наш несравненный плавник. К сожалению, нам удалось найти только этот отдельный образец. Рисунок вверху воспроизведен с разрешения Скотта Ролинса (Университет Аркадия). Фото автора.
Препараторы в лаборатории потратили около месяца на извлечение скелета этого плавника из камня, и когда он был извлечен, взорам людей впервые предстали остатки скелета рыбы, соответствующие схеме Оуэна. Ближе всего к туловищу располагалась одна кость. К ней крепились еще две. От них отходили шесть рядов небольших костей. По всем признакам это была рыба, наделенная пальцами.
Плавник этой рыбы обладал полноценной перепонкой, его основание было покрыто чешуей, а лопатка относилась к рыбьему типу, но в глубине плавника находились кости, во многом соответствующие костям «стандартной» конечности наземного позвоночного. К сожалению, в нашем распоряжении был лишь отдельный плавник. Теперь нам надо было найти место, где можно было обнаружить полные скелеты таких существ. Единственный отдельный плавник никогда бы не позволил нам ответить на главные вопросы — как это существо пользовалось своими плавниками и были ли в его плавниках суставы, соответствующие нашим и работающие по тому же принципу. Ответ можно было найти, только добыв целый скелет.
На его поиск ушло почти десять лет. И не мне первому посчастливилось увидеть его. Первыми были два препаратора ископаемых, Фред Маллисон и Боб Машек. Препараторы у нас занимаются тем, что с помощью зубоврачебного оборудования удаляют фрагменты породы с собранных нами в поле образцов, тем самым извлекая на свет заключенные в толще породы ископаемые остатки. Препаратору требуются месяцы, а иногда и годы на то, чтобы превратить большой камень, содержащий ископаемые остатки, в красивый образец, доступный для изучения.
В ходе экспедиции 2004 года мы собрали на острове Элсмир три крупных куска породы девонского периода размером с большой предмет ручной клади. В каждом из них были остатки животного с плоской головой: те, что я обнаружил подо льдом на дне карьера, экземпляр Стива и еще один экземпляр, найденный нами в последнюю неделю экспедиции. В полевых условиях мы очистили головы этих ископаемых и извлекли окружавшие их крупные куски породы, чтобы в лабораторных условиях исследовать строение тела этих существ. Затем образцы были упакованы в гипс для транспортировки. Когда в лаборатории с образцов снимают гипс, это похоже на вскрытие капсулы с посланием из прошлого.
Кости переднего плавника тиктаалика — рыбы, у которой есть запястье.
В этом гипсе заключены фрагменты нашей жизни в Арктике, о которых у нас также имеются сделанные в поле заметки, посвященные каждому собранному образцу. Когда мы снимаем гипс, образцы пахнут тундрой.
Фред в Филадельфии и Боб в Чикаго одновременно удаляли породу с двух разных образцов. Из одного из них Боб извлек маленькую косточку, входившую в состав плавника большой рыбы (тогда мы еще не назвали ее тиктааликом). Но вот что отличало эту кубическую косточку от любой другой известной ранее косточки рыбьего плавника: на ее конце был сустав с углублениями для четырех других костей. Иными словами, эта косточка была поразительно похожа на кость запястья. К сожалению, плавники образца, с которым работал Боб, слишком плохо сохранились, чтобы можно было сказать что-то большее. Новые данные пришли неделей позже из Филадельфии. Фред, пользуясь своими зубоврачебными инструментами, как по волшебству извлек из камня остатки целого плавника. Как раз на правильном месте, на конце плечевой кости, в этом плавнике была та самая косточка. И к той самой косточке крепились четыре следующих. Нашим взорам предстало свидетельство происхождения части наших собственных тел, заключенное в рыбе возрастом 375 миллионов лет. Мы нашли рыбу, у которой было запястье.
За последующие несколько месяцев нашим взорам предстала значительная часть остального скелета этой конечности. Она представляла собой нечто среднее между рыбьим плавником и конечностью наземного позвоночного. На плавниках у нашей рыбы была перепонка, но их скелет представлял собой примитивный вариант схемы Оуэна: одна кость — две кости — много косточек — пальцы. В полном соответствии с предсказанием, следующим из теории Дарвина, в определенном месте и в отложениях определенного времени мы нашли форму, промежуточную между двумя разными группами животных.
Находка этого плавника была лишь первой частью нашего открытия. Самое интересное для Теда, Фэриша и меня началось, когда мы стали разбираться с функциями и работой этого плавника и выдвигать гипотезы о том, почему в нем вообще возник сустав запястья. Решение этих проблем можно найти, изучая строение костей и соединяющих их суставов.
Когда мы разобрали по частям скелет плавника тиктаалика, мы обнаружили нечто весьма примечательное: поверхности костей в каждом суставе очень хорошо сохранились. У тиктаалика были лопатка, плечо, предплечье и запястье, состоящие из тех же костей, что и соответствующие части человеческой руки. Изучая строение суставов, соединяющих эти кости, чтобы понять, как они двигались друг относительно друга, мы убедились, что конечности тиктаалика были приспособлены для выполнения довольно необычной функции: эта рыба могла отжиматься.
Когда мы отжимаемся, ладони наших рук прижаты к земле, руки согнуты в локтях, и мы поднимаем и опускаем туловище с помощью грудных мышц. Тело тиктаалика позволяло ему проделывать то же самое упражнение. Конечности могли сгибаться в локтях, как наши руки, а запястье позволяло отогнуть конец плавника в сторону, так что рыбья «ладонь» прижималась к земле. Что же до грудных мышц, у тиктаалика они были, по-видимому, прекрасно развиты. Если мы посмотрим на его лопатки и на нижнюю сторону его плечевых костей в том месте, где они соединялись друг с другом, мы увидим массивные гребни и борозды, к которым, вероятно, крепились крупные грудные мышцы. Тиктаалик умел выполнять известный приказ «упал-отжался»!
Реконструкция тиктаалика в натуральную величину (вверху) и рисунок его плавника (внизу). В этом плавнике есть плечо, предплечье и протозапястье, которые позволяли тиктаалику выполнять что-то вроде отжиманий.
Зачем рыбе могло понадобиться отжиматься? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим все ее тело. Плоская голова с глазами наверху и ребра, по-видимому, говорят нам о том, что тиктаалик мог успешно передвигаться по дну на мелководьях рек или озерков и даже шлепать по грязи возле берега. Плавники, позволяющие поддерживать тело, помогали бы рыбе сохранять маневренность во всех этих средах. Эта интерпретация также соответствует геологическим особенностям места, где мы нашли ископаемые остатки тиктаалика. Строение слоев здешних горных пород и зернистая структура самих этих пород обладают характерными признаками отложений, оставленных неглубокой рекой, окруженной обширной, регулярно заливаемой поймой.
Но зачем вообще жить в подобной среде? Что могло заставить рыбу покинуть толщу воды и поселиться на мелководьях? Подумайте вот о чем: едва ли не все рыбы, жившие в реках в те далекие времена, 375 миллионов лет назад, были хищниками того или иного рода. Некоторые из них достигали в длину пяти метров — вдвое больше, чем самый крупный тиктаалик. Самая обычная рыба, остатки которой встречаются рядом с остатками тиктаалика, превышала два метра в длину и имела голову размером с баскетбольный мяч. Ее зубы были размером с костыли, которыми закрепляют железнодорожные рельсы. Захотелось бы вам поплавать в этой древней реке?
Не будет преувеличением сказать, что в этой среде шла война всех против всех. Стратегии, которые позволяли выжить в таких условиях, вполне очевидны: стать большим, одеться в доспехи или выбраться из воды. Похоже, наши древние предки были не из тех, кто лезет в драку.
Эта склонность наших предков избегать конфликтов имеет для нас огромное значение. Мы можем найти истоки структур наших собственных конечностей в плавниках этих рыб. Подвигайте кистью руки, сгибая и разгибая руку в запястье. Сожмите и разожмите пальцы. Делая это, вы пользуетесь суставами, впервые возникшими в плавниках рыб вроде тиктаалика. До этого таких суставов не было. После этого мы находим их в конечностях наземных позвоночных.
Перейдем от тиктаалика к амфибиям и дальше, к млекопитающим, и нам станет совершенно ясно, что древнейшие обладатели костей нашего плеча и предплечья и даже нашего запястья и кисти руки обладали также чешуей и перепонкой на плавниках. Эти существа были рыбами.
Что нам дает этот план строения, одна кость — две кости — много косточек — пальцы, который Оуэн считал замыслом Создателя? У некоторых рыб, например двоякодышащих, у основания скелета плавников тоже имеется одна кость. У других, например у эустеноптерона, есть уже конструкция «одна кость — две кости». Далее идут существа вроде тиктаалика, у которых есть одна кость, две кости и много косточек. В наших конечностях заключена не одна рыба, а целый аквариум. Фундаментальный план Оуэна был разработан рыбами.
Хотя тиктаалик, по-видимому, действительно мог отжиматься, он никак не мог играть в бейсбол или на фортепиано и ходить на двух ногах. Путь от тиктаалика к человеку очень долог. Но вот важный и во многом удивительный факт: большинство костей, которые позволяют людям ходить, или бросать что-нибудь, или хватать что-нибудь рукой, впервые появились у животных, живших десятки и сотни миллионов лет назад. Предшественники наших плечевых и бедренных костей были у рыб вроде эустеноптерона, которому 380 миллионов лет. Тиктаалик открыл нам ранние этапы эволюции нашего запястья, ладони и пальцев. Первые настоящие пальцы мы видим у амфибий, которым 365 миллионов лет, таких как акантостега. Наконец, полный комплект всех костей человеческого запястья и лодыжки впервые встречается у рептилий возрастом 250 миллионов лет. Скелет наших рук и ног формировался за сотни миллионов лет, сперва в плавниках рыб, затем в конечностях амфибий и рептилий.
Но в чем состояли те важнейшие изменения скелета, которые позволили нам пользоваться руками и ходить на двух ногах? Как они происходили? Давайте обратимся к двум простым примерам о конечностях, чтобы отчасти ответить на эти вопросы.
Мы, люди, как и многие другие млекопитающие, можем вращать большим пальцем руки относительно предплечья. Это нехитрое умение очень важно для использования рук в повседневной жизни — представьте, как сложно нам было бы есть, писать или бросать мяч, если бы наша кисть была зафиксирована неподвижно. Мы обладаем этой способностью потому, что одна из костей предплечья, лучевая, вращается относительно оси, проходящей через локтевой сустав. Его строение на удивление хорошо приспособлено для этого. В конце плечевой кости располагается шарик. Кончик лучевой кости, закрепленный здесь, снабжен красивым маленьким углублением, в которое входит участок поверхности шарика. Этот шаровой шарнир и позволяет нам вращать кистью руки. Такое движение называют «пронация» (вращательное движение кисти снаружи внутрь — правая рука при этом будет двигаться, соответственно, против часовой стрелки, левая — по часовой стрелке) и «супинация» (в обратном направлении). У кого мы находим истоки этой способности? У существ вроде тиктаалика. У тиктаалика на конце локтевой кости располагается удлиненное утолщение, с которым соединяется углубление на конце лучевой кости. Когда тиктаалик сгибал конечность в локте, кончик его радиальной кости вращался (пронатировал) относительно локтя. Стадии совершенствования этой способности мы наблюдаем у амфибий и рептилий, у которых конец плечевой кости превращается в настоящий шарик, почти такой же, как у нас.
Обратимся теперь ко второй паре конечностей. Здесь мы найдем ключевой признак, который позволяет нам ходить.
Этот признак есть не только у нас, но и у других млекопитающих. В отличие от рыб и амфибий у нас колени и локти смотрят в разные стороны. Это отличие принципиально: представьте себе, каково было бы ходить, если бы колени смотрели назад. Совсем другую картину мы видим у рыб вроде эустеноптерона, у которых сочленения, соответствующие нашим коленям и локтям, смотрят по сути в одну и ту же сторону. В ходе внутриутробного развития колени и локти у нас поворачиваются и занимают положение, свойственное человеку.
Когда мы ходим на двух ногах, движения наших бедер, коленей, лодыжек и ступней несут наше тело вперед в выпрямленном положении, совсем не похожем на приземленную позу таких существ, как тиктаалик. Принципиальная разница заключается в положении бедра. Наши ноги не торчат в стороны, как ноги крокодила или амфибии или плавники рыбы: они направлены вниз, под туловище. Положение ног поменялось благодаря изменениям тазобедренного сустава, таза и бедра: наш таз приобрел форму чаши, вертлужная впадина тазобедренного сустава, в которой крепится бедро, углубилась, а само бедро обрело свою характерную шейку, которая позволяет ему быть направленным вниз, а не вбок от туловища.
Означают ли эти факты нашей древней истории, что людей нельзя считать особенными и уникальными среди других живых существ? Конечно, нет. Напротив, знания о глубоких корнях человечества делают факт нашего существования еще примечательнее: все наши экстраординарные способности развились на основе признаков, выработанных в ходе эволюции древними рыбами и другими животными. Из общих для многих животных частей возникла поистине уникальная конструкция. Мы не отделены пропастью от мира прочих живых существ — мы являемся его частью до мозга костей и, как мы вскоре убедимся, даже до генов, заключенных в наших клетках.
Оглядываясь назад я понимаю, что тот момент, когда я впервые увидел запястье рыбы, означал для меня не меньше, чем тот, когда я освободил от марли пальцы трупа на практических занятиях по анатомии человека. В обоих случаях я открыл для себя глубокую связь между мной самим и другим существом.
Глава 3. Ручные гены{3}
В июле 2004 года, пока мы с моими коллегами добывали в Арктике первые образцы тиктаалика, Рэнди Дан, молодой сотрудник моей лаборатории, трудился в поте лица в Чикаго над генетическими экспериментами с зародышами акул и скатов. На морских пляжах нередко можно встретить небольшие черные яйцевые коконы, которые называют «кошельками русалок». Внутри такого «кошелька» заключено содержащее желток яйцо, в котором развивается эмбрион (зародыш) ската. За годы работы Рэнди провел многие сотни часов, экспериментируя с эмбрионами, заключенными в этих яйцевых коконах, нередко продолжая работу далеко за полночь. В то решающее лето 2004 года Рэнди занимался тем, что с помощью шприца вводил в исследуемые яйца химический аналог витамина А. После этого он оставлял зародыши развиваться в течение нескольких месяцев, пока они не вылуплялись из яйца.
Такие опыты могут показаться странным способом проводить большую часть года, тем более для молодого ученого, планирующего успешную научную карьеру. Почему акулы и скаты? Почему витамин А?
Чтобы объяснить, в чем смысл этих экспериментов, надо вернуться на шаг назад и посмотреть, на какие вопросы они могут ответить. В этой главе мы наконец добрались до рецепта, записанного в нашей ДНК, по которому из единственной яйцеклетки развивается все наше тело. В момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом у нее нет, например, маленьких рук, из которых развились бы руки эмбриона. Руки будут построены на основании информации, содержащейся в яйцеклетке. Здесь мы подходим к очень глубокой проблеме. Одно дело — сравнивать скелет наших рук со скелетом рыбьих плавников. Но что может дать нам сравнение генетического рецепта, по которому формируются наши руки, с рецептом, по которому формируются рыбьи плавники? Чтобы вместе с Рэнди найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться с чередой открытий, которые позволили увидеть общие корни наших рук, акульих плавников и даже мушиных крылышек.
Как мы уже убедились, прорубить широкое окно в наше далекое прошлое позволяет открытие существ, которые часто демонстрируют упрощенные варианты наших тел внутри своих. Мы не можем ставить эксперименты с давно вымершими животными. А эксперименты — великая вещь, потому что они позволяют манипулировать условиями и смотреть, как это скажется на результатах. По этой причине моя лаборатория разделена на два подразделения: половина занимается ископаемыми, а другая половина — зародышами и ДНК. Вот такое у нашей лаборатории раздвоение личности. Закрытое на замок хранилище, где лежат ископаемые остатки тиктааликов, соседствует с морозильной установкой, где хранятся наши драгоценные образцы ДНК.
Эксперименты с ДНК обладают огромным потенциалом для поиска в себе рыбы. Что если поставить такой эксперимент: обрабатывать рыбий зародыш разными химическими веществами и добиться, чтобы его плавник стал отчасти похож на нашу руку? Или эксперимент, который показал бы, что гены, отвечающие за формирование рыбьих плавников, по сути соответствуют генам, отвечающим за формирование наших рук?
Начнем с очевидной загадки. Наше тело состоит из клеток сотен разных типов. Разнообразие клеток определяет строение и функции наших тканей и органов. Клетки, из которых состоят наши кости, нервы, кишечник и другие органы, выглядят и ведут себя совершенно по-разному. Несмотря на эти различия, у всех клеток нашего тела есть одно фундаментальное общее свойство: в них содержится совершенно одинаковая ДНК. Если в ДНК записана информация о том, как должны развиваться наше тело, его ткани и органы, почему же в таких разных клетках, как те, из которых состоят мышцы, нервы и кости, содержится одинаковая ДНК?
Ответ на этот вопрос состоит в том, что в разных клетках включены и работают разные фрагменты ДНК (гены). Клетка кожи отличается от нейрона (нервной клетки) тем, что в этих клетках работают разные гены. Когда ген включен, по записанному в нем рецепту синтезируется белок, который может определять облик и поведение клетки. Поэтому, чтобы понять, в чем разница между клеткой, входящей в состав глаза, и клеткой, входящей в состав скелета руки, нужно разобраться в тех генетических переключателях, которые управляют активностью генов во всех клетках и тканях.
Вот что особенно важно: эти генетические переключатели и позволяют формировать наше тело в ходе развития. В момент зачатия наш организм возникает в виде единственной клетки, содержащей ДНК с полным рецептом для сборки будущего тела. План, по которому строится все наше тело, реализуется посредством инструкций, которые все записаны внутри этой единственной микроскопической клетки. Чтобы пройти путь от простой яйцеклетки до всего человека, состоящего из триллионов специализированных клеток, выстроенных в правильном порядке, на строго определенных этапах развития должны включаться и выключаться целые батареи генов. Как симфония, которая получается из того, что множество отдельных инструментов исполняет разные ноты, человеческое тело формируется за счет работы множества генов, включаемых и выключаемых внутри каждой клетки в ходе нашего развития.
Возможность работать с генами — неоценимый подарок для тех, кто изучает строение и работу живых организмов. Благодаря этой возможности мы можем сравнивать действие разных генов и выяснять, какие изменения происходят под их действием при формировании новых органов в процессе развития. Возьмем, к примеру, конечности. Сравнивая набор генов, работающих в клетках формирующегося рыбьего плавника, с набором генов, работающих в клетках развивающейся человеческой руки, мы можем установить, какие различия есть между плавником и рукой на генетическом уровне.
Гены — это отрезки ДНК, содержащейся в каждой клетке нашего тела.
Такое сравнение позволяет нам выявить возможных виновников — генетические переключатели, изменение которых могло привести к превращению плавников в конечности наземного позвоночного. После этого мы можем изучить работу этих генов в организме эмбриона и попытаться выяснить, как именно они изменились. Можно ставить даже такие эксперименты — манипулировать работой генов и смотреть, как меняется организм эмбриона под действием определенных условий или веществ.
Чтобы разобраться в том, в каких генах записан рецепт формирования наших рук и ног, мы должны действовать подобно криминалистам из телесериала «C.S.I.: Место преступления» — начинать с тела и докапываться до сути. Мы начнем с того, что рассмотрим строение наших конечностей, а затем перейдем к тканям, клеткам и генам, которые это строение определяют.
Создавая руки
Наши конечности трехмерны — у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности — в пальцах — отличаются от костей внутри плеча или таза. Сторона мизинца и сторона большого пальца тоже отличаются друг от друга. Большой палец устроен иначе, чем мизинец. Окончательная цель наших исследований развития конечности, их Святой Грааль, состоит в том, чтобы разобраться, какие гены определяют различия между элементами ее скелета и что управляет ее развитием во всех трех измерениях. Какие отрезки ДНК делают большой палец не таким, как мизинец? Что делает наши пальцы не такими, как кости плеча и предплечья? Если разобраться в генах, которые всем этим управляют, мы проникнем в тайну рецепта, по которому формируется наше тело.
Все генетические переключатели, определяющие формирование пальцев, запястья, костей плеча и предплечья, срабатывают в период с третьей по восьмую неделю после зачатия. В самом начале своего развития человеческие конечности представляют собой крошечные зачатки в виде выростов на поверхности тела эмбриона. Две недели эти выросты увеличиваются в размерах, пока на конце их не образуется уплощенное расширение. Внутри этого расширения располагаются миллионы клеток, из которых в конечном итоге разовьются скелет, нервы и мышцы, которыми человек будет пользоваться всю оставшуюся жизнь.
Для изучения процессов формирования всех этих структур нужно исследовать строение эмбрионов и иногда вмешиваться в процесс их развития, чтобы выяснять, что происходит, когда развитие идет как-то неправильно. Кроме того, нужно исследовать различных мутантов, их внутреннее строение и их гены, иногда на материале специально выведенных мутантных пород.
Развитие конечности на примере крыла цыпленка. Все ключевые стадии развития скелета крыла проходят внутри яйца.
Конечно, нельзя изучать такими методами людей. Главная задача ученых, которые первыми начинали подобные исследования, состояла в том, чтобы найти таких животных, исследование которых откроет нам тайну нашего собственного развития. Пионеры экспериментальной эмбриологии, занявшиеся развитием конечностей в тридцатые и сороковые годы прошлого века, столкнулись с несколькими проблемами. Им нужно было выбрать организм, у которого конечности зародыша были бы доступны для изучения и экспериментов. Этот зародыш должен быть сравнительно крупным, потому что иначе с ним нельзя работать хирургическими методами. Также немаловажно, чтобы этот зародыш развивался в условиях, защищающих его от воздействия сотрясений и других внешних факторов. Кроме того, и это совершенно необходимо, зародыши должны быть доступны круглый год и в большом количестве. Вполне закономерно, что ученые остановили свой выбор на объекте, который мы покупаем в магазине, — на курином яйце.
В пятидесятые и шестидесятые годы некоторые биологи, в том числе Эдгар Цвиллинг и Джон Сондерс, провели ряд остроумных экспериментов на куриных яйцах, чтобы разобраться в том, как формируется структура скелета. Куриные эмбрионы в то время буквально разбирали и собирали по кусочкам. Их оперировали, перемещая на другие места фрагменты разных тканей, чтобы увидеть, как это скажется на развитии эмбриона. Такой подход предполагал использование тончайших методов микрохирургии и манипуляций с кусочками тканей толщиной не больше миллиметра. Пользуясь этими методами, Цвиллинг и Сондерс выявили некоторые ключевые механизмы, лежащие в основе формирования таких разных конечностей, как птичьи крылья, ласты китов и человеческие руки.
Они открыли два небольших участка ткани, которые управляют всем развитием скелетных структур внутри конечности.
Более того, крошечная полоска ткани на самом конце зачатка по сути управляет вообще всем процессом развития конечности. Стоит удалить эту полоску, и развитие останавливается. Если удалить ее на раннем этапе, у зародыша разовьется только плечо или его часть. Если удалить немного позже, разовьется плечо и предплечье. Если удалить еще позже, конечность сформируется почти полностью, но пальцы будут короткими и деформированными.
Еще один эксперимент, впервые поставленный Мэри Гасселинг в лаборатории Джона Сондерса, открыл новое перспективное направление исследований. Возьмем небольшой участок ткани с той стороны зачатка конечности, где должна сформироваться сторона мизинца, на раннем этапе развития и пересадим этот участок на противоположную сторону зачатка, чуть пониже того места, где должен сформироваться первый палец. Дадим зародышу цыпленка развиваться дальше и сформировать крыло — и получим результат, который когда-то почти для всех оказался откровением. Крыло цыпленка развилось целиком, но у него был полностью удвоенный набор пальцев. Кроме того, что еще примечательнее, дополнительный набор пальцев был зеркальным отражением нормального набора. Очевидно, что-то внутри этого участка ткани, какое-то вещество или ген, направляло процесс формирования всех пальцев конечности. Это открытие вызвало настоящую лавину новых экспериментов, которые позволили узнать, что точно такого же эффекта можно добиться и множеством других способов. Например, можно взять куриный эмбрион и вколоть немного витамина А в зачаток его конечности или просто ввести витамин А в яйцо и дать цыпленку развиваться дальше. Если ввести витамин А в определенном количестве и на определенном этапе развития, можно получить такие же зеркально удвоенные конечности, как в опытах Гасселинг, Сондерса и Цвиллинга с пересадкой участка ткани. Этот участок назвали зоной поляризующей активности (ЗПА). По сути ЗПА и служит тем фактором, который делает сторону мизинца отличной от стороны большого пальца. Разумеется, у цыпленка нет ни настоящего мизинца, ни настоящего большого пальца, потому что пальцы в птичьих крыльях редуцированы. Мы пользуемся этими терминами условно, для обозначения тех сторон конечности, где у наделенных пятью пальцами позвоночных образуются пятый и первый пальцы соответственно.
Пересадка небольшого участка ткани, так называемой ЗПА, приводит к удвоению пальцев
Эти открытия вызвали немалый интерес: получалось, что ЗПА каким-то образом управляла образованием пальцев. Но как? Некоторые ученые считали, что клетки ЗПА производят вещество, которое затем распространяется по зачатку конечности, указывая клеткам, какие пальцы им формировать. Главная идея была в том, что в основе всего этого явления могло лежать действие какого-то неизвестного вещества. В участках, близких к ЗПА, где концентрация этого вещества высока, клетки реагируют формированием мизинца. На противоположной стороне развивающейся руки, далеко от ЗПА, это вещество разбавлено, и клетки реагируют на это формированием большого пальца. Клетки, расположенные посередине, тоже реагируют соответственно концентрации этого вещества, формируя указательный, средний и безымянный пальцы.
Идею зависимости формирования пальцев от концентрации некоторого вещества вполне можно было проверить. В 1979 году Деннис Саммербелл вживил крошечный фрагмент фольги в зачаток конечности цыпленка между участком ЗПА и остальной конечностью. Замысел был в том, чтобы предотвратить просачивание каких-либо веществ от ЗПА на другую сторону конечности. Затем Саммербелл пронаблюдал, что происходило с клетками по обе стороны от этой преграды. Клетки на стороне ЗПА формировали пальцы. Клетки на другой стороне не всегда формировали пальцы, а если формировали, то недоразвитые и деформированные. Вывод был очевиден: некое вещество, выделяемое ЗПА, действительно управляет формированием пальцев и определяет их облик. Чтобы выделить это вещество, исследователям пришлось обратиться к ДНК.
Рецепт на ДНК
Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены управляют действием ЗПА.
Важный прорыв был сделан в 1993 году, когда охотой на эти гены занялись в лаборатории Клиффа Тейбина в Гарварде. Целью этой охоты было выяснить, какие молекулярные механизмы дают ЗПА способность делать мизинец непохожим на большой палец. К тому времени, когда группа Тейбина начала работу в начале девяностых, ряд экспериментов вроде тех, что я описал выше, привел ученых к убеждению, что в основе всего этого явления лежало какое-то вещество. Великолепная теория, если не считать того, что никто не знал, что это за вещество. Люди предлагали на эту роль то одно соединение, то другое и всякий раз убеждались, что эти вещества не оказывают искомого действия. Наконец сотрудники лаборатории Тейбина применили другой подход, имеющий непосредственное отношение к предмету нашей книги. Они решили обратиться за ответом к мухам.
Генетические эксперименты восьмидесятых годов позволили обнаружить поразительный набор генов, под действием которых сложное тело будущей мухи лепится из единственной яйцеклетки. Тело плодовой мушки дрозофилы имеет передний и задний концы. На переднем находится голова, на заднем — брюшко, посередине — крылья. Целые батареи генов включаются и выключаются по ходу развития личинки, и последовательность их включения и выключения позволяет оформляться различным частям тела будущей мухи.
Тейбин тогда еще не знал об этом, но в двух других лабораториях — Энди Макмэхона и Фила Ингама — тоже независимо друг от друга пришли к той же самой идее. Результатом этого совпадения стало очень успешное сотрудничество трех разных лабораторий. Внимание Тейбина, Макмэхона и Ингама привлек один из мушиных генов. Они заметили, что работа этого гена делает один конец сегмента тела мухи отличным от другого. Генетики, работающие с дрозофилами, назвали этот ген «hedgehog» (то есть «ежик»). Разве не напоминает работа «ежика» в ходе формирования тела мухи — делать один участок тела непохожим на другой — работу ЗПА, которая делает мизинец непохожим на большой палец? От сотрудников трех лабораторий не ускользнуло это сходство. И они взялись за дело, разыскивая ген hedgehog в клетках таких животных, как куры, мыши и рыбы.
В этих лабораториях знали, как устроен ген hedgehog у мух, и сравнивали его с генами курицы, чтобы найти похожий. Каждый ген обладает определенной последовательностью составляющих его элементов (нуклеотидов). Молекулярные методы позволили исследователям «просматривать» ДНК курицы в поисках такой же последовательности, как в гене hedgehog. После долгих проб и ошибок им наконец удалось найти куриный аналог гена hedgehog.
Точно так же, как палеонтологи дают названия новым открытым видам, генетики дают названия новым генам. Генетики, занимавшиеся мухами-дрозофилами и открывшие ген hedgehog, назвали его так потому, что у мух, у которых в этом гене была мутация, на теле были щетинки, напоминающие колючки ежа. Тейбин, Макмэхон и Ингам назвали куриный аналог этого гена «Sonic hedgehog» в честь ежика Соника — персонажа видеоигр, выпускаемых компанией Sega.
Настало время для самого интересного вопроса: что именно делает Sonic hedgehog в конечностях? В лаборатории Тейбина к молекуле, присоединяющейся к этому гену, приделали пигмент, который позволял наблюдать, в каких клетках зачатка конечности этот ген работает. К немалому удивлению исследователей, они обнаружили, что этот ген задействован лишь в небольшом участке ткани, а именно в ЗПА!
Отсюда с очевидностью следовало, что нужно делать дальше. Ген Sonic hedgehog работает точно там же, где работает сама ЗПА. Вспомним, что если обработать конечность ретиноевой кислотой (витамином А), то еще одна ЗПА вступает в действие на противоположном конце конечности. Нетрудно угадать, что будет, если обработать конечность ретиноевой кислотой и после этого посмотреть, где будет действовать Sonic hedgehog. Как и следовало ожидать, после обработки ретиноевой кислотой этот ген активен на обеих сторонах конечности — мизинца и большого пальца, — точно так же, как и ЗПА.
Зная строение куриного гена Sonic hedgehog, другие исследователи занялись поиском этого гена у других живых существ, наделенных пальцами, от лягушек до людей. Оказалось, что у всех позвоночных с четырьмя конечностями есть Sonic hedgehog. И у всех исследованных к настоящему времени животных этот ген активен в ткани ЗПА. Если Sonic hedgehog не включается как следует в течение восьмой недели развития, у эмбриона или формируются лишние пальцы, или большой палец и мизинец оказываются похожи. В некоторых случаях, когда этот ген поврежден, формируется рука, похожая на широкое весло, аж с двенадцатью похожими пальцами.
Сегодня известно, что Sonic hedgehog представляет собой один из десятков генов, работа которых позволяет формировать наши конечности от плеча или бедра и до кончиков пальцев за счет их последовательного включения и выключения в определенное время. Примечательно, что работы, проведенные на курицах, лягушках и мышах, дали одинаковые результаты. Записанный на ДНК рецепт формирования плеча, предплечья, запястья и пальцев по сути один и тот же у всех наземных позвоночных.
Как далеко в прошлое можем мы проследить историю гена Sonic hedgehog и других фрагментов ДНК, которые управляют развитием наших конечностей? Работают ли те же гены при формировании рыбьих плавников? Или наши руки и ноги принципиально отличаются генетически от плавников рыб? Мы нашли черты рыбы в строении наших рук и ног. Но как насчет ДНК, управляющей их развитием?
Здесь и вступил в дело Рэнди Дан со своими «русалочьими кошельками».
Дадим акуле руку
Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Клифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, чтобы провести на скатах все эксперименты, проведенные на куриных яйцах учеными, изучавшими развитие кур, от хирургических операций на тканях Сондерса и Цвиллинга до генетических экспериментов Клиффа Тейбина. Развитие зародыша ската проходит внутри яйца, покрытого своеобразной скорлупой и содержащего запас желтка. К тому же эмбрионы у скатов довольно крупные, сравнимые по размеру с эмбрионами курицы. Все эти свойства были очень кстати — они позволяли нам изучать эмбрионы скатов, пользуясь генетическими, хирургическими и другими методами, разработанными для изучения куриных эмбрионов.
Что мы могли бы узнать, сравнивая развитие плавника ската или акулы с развитием крыла или ноги цыпленка? И, что еще важнее, что могли бы мы узнать о себе самих из такого сравнения?
Конечности цыплят как показали Сондерс, Цвиллинг и Тейбин, представляют собой на удивление хорошую модель для изучения развития наших собственных конечностей. Все, что открыли Сондерс и Цвиллинг, вырезая и вживляя кусочки ткани, и все, что установили Тейбин и его коллеги в своих опытах с ДНК, с тем же успехом относится и к нашим конечностям. У нас тоже есть ЗПА, тоже есть Sonic hedgehog, и для нашего нормального развития они играют ту же ключевую роль. Как мы уже убедились, неправильно работающая ЗПА или мутация в гене Sonic hedgehog могут привести к серьезным деформациям конечностей, причем и у человека тоже.
Рэнди хотел узнать, насколько механизм формирования наших конечностей отличается от такого механизма у акул и скатов. Насколько глубока наша связь с остальными живыми существами? Новый ли рецепт обеспечивает правильное формирование наших рук, или он имеет глубокие корни в других существах? И если имеет, то насколько глубокие?
Акулы и их родственники — самые древние существа, у которых плавники имеют скелетную основу. В идеале, чтобы ответить на вопрос Рэнди, надо было бы добыть ископаемую акулу возрастом 400 миллионов лет, привезти ее в лабораторию, разрезать на кусочки и посмотреть на ее гены. Затем надо было бы поэкспериментировать с эмбрионами ископаемого, чтобы узнать, работает ли в зачатках их плавников ген Sonic hedgehog и включается ли он там же, где он включается в зачатках наших конечностей. Это был бы чудесный эксперимент, но, к сожалению, провести его невозможно. Из таких древних ископаемых уже нельзя извлечь ДНК, а если бы и можно было, все равно нам не удалось бы заполучить эмбрионы этих ископаемых, чтобы проводить на них наши опыты.
Поэтому мы обращаемся к следующему по качеству объекту — современным акулам и их родственникам. Плавник акулы никто не перепутает с человеческой рукой — сложно представить себе две более непохожих конечности. Не только сами акулы состоят с человеком в довольно далеком родстве, но и скелетная основа их плавников совсем не похожа на скелет наших конечностей. В плавниках акулы нельзя найти ничего, даже отдаленно напоминающего оуэновское «кость — две кости — много косточек — пальцы». Вместо этого внутри акульего плавника находятся кости, похожие на прутья: длинные и короткие, широкие и узкие. Мы их называем костями, но на самом деле они состоят из хрящевой ткани (акул и скатов именуют хрящевыми рыбами, потому что их скелеты никогда не затвердевают до состояния настоящих костей). Если уж мы решили выяснить, уникальны ли функции гена Sonic hedgehog для наземных позвоночных, то почему бы не посмотреть на животное, во многих отношениях совсем другое? Кроме того, почему бы не выбрать представителя самых примитивных из современных позвоночных, у которых вообще имеются парные конечности? Акулы прекрасно подойдут и для того и для другого.
Наша первая задача была довольно проста. Нам нужен был надежный источник эмбрионов акул и скатов. Оказалось довольно сложно найти способ регулярно получать яйца акул, но со скатами, их близкими родственниками, дела обстояли лучше. В итоге мы начали наши эксперименты с акул и перешли на скатов, когда запасы акул иссякли. Мы нашли поставщика, который примерно раз в пару месяцев присылал нам контейнер с двадцатью-тридцатью яйцами с эмбрионами внутри. У нас, как у туземцев-островитян, выработался настоящий карго-культ, когда мы каждый месяц с нетерпением ожидали прибытия драгоценных эмбрионов.
Результаты, полученные Тейбином и другими генетиками, помогли Рэнди правильно спланировать эксперименты. Со времени работы Тейбина 1993 года ген Sonic hedgehog был найден уже у очень многих видов позвоночных, от рыб до людей. Зная строение гена Sonic hedgehog, Рэнди мог «просмотреть» ДНК ската и акулы в поисках этого гена. Очень скоро он нашел его — акулий Sonic hedgehog.
Теперь нужно было ответить на следующие два главных вопроса. Где в эмбрионе акулы работает Sonic hedgehog? И, что еще важнее, что именно он делает?
Работая с яйцами скатов, Рэнди установил, где и когда включается Sonic hedgehog в ходе развития их эмбрионов. Вначале он выяснил, когда происходит включение этого гена — на том же этапе развития конечности, что у цыпленка, или нет. Оказалось, что на том же. Затем он выяснил, включается ли этот ген на участке ткани на заднем краю плавника, который соответствует нашей стороне мизинца. И снова оказалось, что именно там. Затем он провел эксперименты с витамином А. Это был самый захватывающий этап. Если обработать зачаток конечности цыпленка или млекопитающего этим соединением, то на стороне большого пальца появится еще один участок, на котором работает ген Sonic hedgehog, и это приведет к удвоению костей конечности. Рэнди ввел витамин А в эмбрионы, подождал около суток и затем проверил, вызывает ли витамин А у зародышей скатов, как и у зародышей курицы, включение гена Sonic hedgehog на противоположной стороне конечности. Оказалось, что вызывает. Теперь нам предстояло долго ждать. Мы уже узнали, что Sonic hedgehog в зачатках плавников акул и скатов вел себя так же, как в зачатках наших рук и куриных крыльев. Но какое действие окажет все это на формирование скелета? Ответа пришлось ждать два месяца.
Эмбрионы развивались внутри непрозрачной оболочки яиц. Все, что мы могли узнать, — жив ли эмбрион. То, что находится внутри его плавников, увидеть было нельзя.
Полученный в итоге результат явил нам поразительный пример свойства, которое объединяет нас с акулами и скатами: зеркально отраженный плавник. Внутренние структуры грудных плавников удвоились в направлении голова-хвост точно так же, как удваиваются в таких экспериментах крылья цыпленка. Структуры крыла удваиваются, отражая друг друга. Структуры плавника акул, а также и скатов делают ровно то же самое. Ген Sonic hedgehog действует сходным образом при формировании скелетной основы самых разнообразных конечностей.
Как вы, возможно, помните, один из эффектов гена Sonic hedgehog состоит в том, что он делает пальцы одной конечности разными, отличными друг от друга. Как мы видели на примере опытов с ЗПА, какой именно палец разовьется, зависит от его близости к месту, где работает Sonic hedgehog. Нормальный плавник взрослого ската содержит множество напоминающих прутья скелетных элементов, похожих друг на друга. Можем ли мы сделать так, чтобы эти прутья были разными, как наши пальцы? Рэнди взял небольшой шарик, пропитанный белком, производимым геном Sonic hedgehog, и внедрил его в зачаток плавника между двумя одинаковыми прутьями. Но при этом он использовал продукт не собственного Sonic hedgehog ската, а мышиного Sonic hedgehog. Вот какой хитрый эксперимент: мы получили эмбрион ската, в плавник которого внедрен шарик, из которого постепенно выходит белок мышиного гена Sonic hedgehog. Подействует ли этот мышиный белок на развитие ската?
В результате такого эксперимента можно получить два противоположных результата. Одна крайность — если ничего не произойдет. Это означало бы, что скаты так сильно отличаются от мышей, что мышиный белок гена Sonic hedgehog на них не действует. Другая крайность — это если скелетные элементы плавника в ходе развития станут отличаться друг от друга, демонстрируя тем самым, что ген Sonic hedgehog работает сходным образом и у мышей, и у скатов. И не будем забывать о том, что Рэнди использовал белок млекопитающего, то есть наш собственный белок, производимый этим геном, очень, очень похож на мышиный.
В итоге оказалось, что скелетные элементы в плавнике ската не только стали отличаться друг от друга, но и отреагировали на мышиный Sonic hedgehog в целом именно так, как реагируют пальцы наземных позвоночных, в зависимости от того, насколько близко они находились к источнику белка Sonic hedgehog. Форма «пальцев», ближайших к шарику, отличалась от формы «пальцев», удаленных от шарика. И этот эффект, помимо всего прочего, производился у скатов мышиным белком!
Нормальные плавники (справа) и плавники эмбрионов, которые Рэнди обработал витамином А. Плавники обработанных эмбрионов оказываются зеркально удвоены, совсем как крылья у аналогичным образом обработанных цыплят. Фотографии любезно предоставил Рэндалл Дан (Чикагский университет).
Рыба, которую нашел в нас Рэнди, проявлялась не в какой-нибудь одной кости или в какой-нибудь части скелета. Эта рыба проявлялась в тех биологических механизмах, которые обеспечивают формирование конечностей у эмбрионов. Множество экспериментов, проведенных на таких разных организмах, как мыши, акулы и даже мухи, показывает, что гены Sonic hedgehog и просто hedgehog у всех организмов действуют сходным образом. Любые конечности, будь то плавники или конечности наземного позвоночного, формируются под управлением сходного набора генов. Но что это дает для решения той проблемы, о которой мы говорили в первых двух главах, — проблемы превращения рыбьих плавников в конечности наземных животных? Вот что: это великое эволюционное преобразование не требовало появления новой ДНК, а могло произойти во многом лишь за счет изменений древних генов, участвующих в развитии рыбьих плавников. Претерпев некоторые изменения, эти гены смогли обеспечить формирование конечностей наземных позвоночных, наделенных настоящими пальцами.
Но кроме того, эти эксперименты с крыльями и плавниками по-настоящему красивы. Лаборатория Тейбина работала с мухами, чтобы найти куриный ген, который позволяет понять причины врожденных человеческих аномалий. Рэнди использовал открытие лаборатории Тейбина, чтобы поведать нам что-то о нашем родстве со скатами. Муха, найденная в курице, помогла Рэнди в конечном итоге найти в нас ската. Связи, объединяющие живых существ, очень глубоки.
Глава 4. Повсюду зубы{4}
Изучение зубов не занимает много времени на занятиях по анатомии — мы тратим на них всего минут пять. В пантеоне наших любимых органов — каждый из вас может составить для себя такой список — зубы редко попадают в первую пятерку. Но в наших небольших зубах осталось очень много того, что связывает нас с другими живыми существами, и разобраться в наших телах, не разобравшись в зубах, совершенно невозможно. Для меня зубы особенно важны еще и тем, что именно поиски ископаемых зубов были моим первым опытом охоты на ископаемых и руководства палеонтологической экспедицией.
Функция зубов состоит в том, чтобы превращать крупные организмы в маленькие кусочки. Закрепленные на подвижных челюстях зубы рубят, колют, режут и перемалывают. Размер рта ограничен, а зубы позволяют живым существам питаться другими, которые целиком им в рот не поместились бы. Это особенно относится к животным, не имеющим рук или когтей, которые позволили бы разрывать или разрезать пищу, прежде чем она попадет в рот. Конечно, обычно крупные рыбы едят мелких, а не наоборот. Но зубы могут уравнивать тех и других в правах: небольшая рыба может питаться более крупными, если у нее хорошо развиты зубы. Небольшие рыбки могут нападать на крупных и, пользуясь зубами, отрывать от них целые куски.
Мы можем многое узнать о животном, посмотрев на его зубы. Всевозможные бугорки, ямки и ребрышки, а также форма и размер зубов во многом отражают наш рацион питания. Плотоядные животные, например, кошки, обладают острыми коренными зубами, которые позволяют им резать мясо, в то время как у растительноядных полон рот уплощенных зубов, которые дают им возможность перемалывать стебли, листья или плоды растений. Анатомы с давних пор использовали зубы как ценный источник информации. Французский анатом Жорж Кювье, как известно, хвалился тем, что может восстановить весь скелет животного по единственному зубу. Это некоторое преувеличение, но суть передана верно: по зубам можно многое сказать об образе жизни животного.
Человеческий рот выдает в нас всеядных существ, потому что у нас много разных зубов. Наши передние зубы — резцы — и идущие за ними клыки похожи на лезвия предназначенные для разрезания пищи. Задние зубы — коренные — имеют уплощенную поверхность с буграми и ямками, что позволяет нам измельчать с их помощью животную и растительную пищу. Предкоренные, расположенные перед ними, промежуточны по функциям между резцами и коренными.
Самое примечательное свойство нашего рта состоит в том, как прекрасно в нем все подогнано. Откройте и закройте рот, и ваши зубы разойдутся и вновь сойдутся в том же положении, так что бугорки и ямки зубов верхней и нижней челюсти полностью совпадут друг с другом. Благодаря тому, что они так хорошо совпадают, мы можем измельчать пищу с максимальной эффективностью. Ну а любые несовпадения наших верхних и нижних зубов могут приводить к их повреждениям — и к обогащению стоматологов.
Палеонтологи находят, что зубы необычайно информативны. Это самые твердые детали нашего тела в связи с тем, что в зубной эмали содержится большое количество минерала гидроксиапатита — даже больше, чем в костях. Благодаря своей твердости зубы часто сохраняются лучше всех остальных частей тела ископаемых животных, которых мы находим в отложениях многих древних эпох. И с этим нам очень повезло, потому что зубы дают нам ключ к рациону ископаемых. Ископаемые остатки позволяют многое узнать о том, как возникли различные способы питания. Это в особенности касается истории млекопитающих. Хотя и у многих рептилий были зубы, похожие на зубы млекопитающих, у млекопитающих они все же особенные. Раздел курса палеонтологии, посвященный млекопитающим, во многом напоминает пособие по стоматологии.
Современные рептилии — крокодилы, ящерицы, змеи — лишены многого из того, что делает зубы млекопитающих уникальными. Например, все зубы крокодила имеют похожую коническую форму, и единственная разница между ними состоит в том, что одни побольше, а другие поменьше. У рептилий также нет настоящего прикуса, то есть совпадения верхних зубов с нижними, которое свойственно людям и другим млекопитающим. Кроме того, в то время как у нас, млекопитающих, зубы сменяются только один раз, у рептилий зубы обычно выпадают и вновь отрастают в течение всей жизни, по мере того как старые зубы изнашиваются или ломаются.
Одно из наших фундаментальных свойств — характерный для нас, млекопитающих, прикус — встречается в ископаемых остатках по всему свету начиная с времени от 225 до 195 миллионов лет назад. В более древних породах можно найти немало рептилий, внешне похожих на собак. Они ходили и бегали на четырех ногах, обладали крупным черепом, и у многих из них были острые зубы. Но этим их сходство с собаками и ограничивается. В отличие от собак у этих рептилий челюсти были составлены из множества костей, а зубы верхней и нижней челюсти не были хорошо подогнаны друг к другу. Кроме того, смена зубов у них происходила по обычному для рептилий типу: новые зубы вырастали тут и там на смену старым на протяжении всей жизни.
Посмотрим в менее глубокие слои и увидим совсем другую картину — там появляются млекопитающие. Кости, входящие в состав челюстей, уменьшаются и смещаются в сторону уха. Верхние и нижние зубы впервые оказываются хорошо подогнаны друг к другу. Форма челюстей тоже меняется: то, что у рептилий выглядело как простая палка, теперь становится больше похоже на бумеранг. Тогда же зубы впервые стали сменяться лишь один раз в жизни, как у нас. Мы можем проследить все эти изменения по ископаемым, особенно из некоторых местонахождений в Европе, Южной Африке и Китае.
В породах возрастом около 200 миллионов лет попадаются ископаемые остатки животных, напоминающих грызунов, таких как морганукодон (Morganucodon) и эозостодон (Eozostodon). Внешне они уже очень похожи на современных млекопитающих. Размером эти животные были не больше мыши, но у них внутри заключалась немалая и важная часть нас, людей. Рисунок не позволяет передать, какие это были замечательные создания. Когда я впервые увидел этих ископаемых, я пришел в полный восторг.
Поступив в магистратуру, я собирался изучать древних млекопитающих. Я выбрал Гарвардский университет, потому что работавший там Фэриш Дженкинс-младший, уже знакомый нам по первой главе, руководил экспедициями на запад Соединенных Штатов, где, в частности, искал ископаемые свидетельства того, как млекопитающие выработали свои исключительные жевательные способности. Это было очень серьезное исследование. Фэриш и его группа занималась поиском новых местонахождений, а не дальнейшим обследованием уже известных. Фэришу удалось собрать группу очень способных охотников за ископаемыми, в которую входили штатные сотрудники Гарвардского музея сравнительной зоологии и несколько внештатных работников. Главными в этой группе были Билл Эмарал, Чак Шафф и покойный Уилл Даунс. Эти люди и привели меня в мир палеонтологии.
Фэриш и его группа изучали геологические карты и аэрофотоснимки в поисках многообещающих мест для поиска ископаемых остатков древних млекопитающих. Затем, каждое лето, они садились на грузовики и отправлялись в пустыни штатов Вайоминг, Аризона и Юта. К 1983 году, когда к ним впервые присоединился я, они уже открыли немало ценных ископаемых млекопитающих и богатых ископаемыми местонахождений. Меня особенно поразили их предсказательные способности: основываясь лишь на чтении научных статей и книг, Фэриш и его коллеги успешно определяли, где стоит, а где не нужно искать древних млекопитающих.
Боевым крещением в палеонтологи для меня стали блуждания по аризонской пустыне вместе с Чаком и Биллом. Вначале мне казалось, что мы ищем наугад. Я-то ожидал чего-то вроде военного похода, в ходе которого мы бы организованно и скоординированно проводили рекогносцировку на местности. То, что я увидел, было совершенной противоположностью. Группа выгружалась на каком-нибудь участке с обнаженной горной породой, и все разбредались в разные стороны в поисках лежащих на поверхности фрагментов ископаемых костей. В первые несколько недель экспедиции я занимался поисками сам по себе, последовательно осматривая поверхность каждого попадавшегося мне камня на предмет обломков ископаемых костей. Вечером каждого дня мы возвращались в лагерь и показывали друг другу, что интересного нам удалось насобирать. Чак приносил несколько сумок, полных ископаемых костей. В дополнение к ним Билл обычно доставал какой-нибудь маленький череп или другую ценную находку. А у меня не было ничего, и моя пустая сумка служила печальным напоминанием о том, сколь многому мне еще предстояло научиться.
После нескольких недель такой работы я решил, что мне стоит ходить вместе с Чаком. Именно он приносил каждый день самые полные сумки, и я подумал, что мне стоит поучиться у такого профессионала. Чак был только рад, что я к нему присоединился, и, пока мы ходили, долго рассказывал мне о своей многолетней работе палеонтолога. Чак — настоящий техасец, но с бруклинским оттенком: ковбойские сапоги и западные ценности Дикого Запада в сочетании с нью-йоркским акцентом. Пока он в избытке кормил меня рассказами о своих прошлых экспедициях, я продолжал убеждаться в том, как мало я знаю и умею. Чак не осматривал каждый камень, а когда он выбирал объект, я совершенно не мог понять, почему он выбрал именно этот. А еще бывало, и это было особенно обидно, что Чак и я смотрели на один и тот же участок земли. Я не видел ничего, кроме каменной пустыни. А Чак видел ископаемые зубы, челюсти и даже обломки черепов.
При взгляде с высоты птичьего полета можно было разглядеть двух человек, идущих по равнине, которая казалась безграничной и по которой на многие мили простирались гряды холмов и плато из песчаника. Но мы с Чаком не смотрели на них — нас интересовали только обломки камней и осыпи у их подножья. Мы занимались поиском небольших ископаемых, размером с ладонь, не больше, поэтому обращали внимание лишь на тот маленький мир, где их можно найти. Этот мир, в который мы вглядывались, казался особенно миниатюрным по контрасту с безграничным простором пустыни, окружавшей нас. У меня было такое чувство, будто на всей планете, кроме нас двоих, нет ни одного человека и что вся моя жизнь состоит из рассматривания каменных обломков.
Чак проявлял чудеса терпения, пока я большую часть дня донимал его разными вопросами. Мне хотелось, чтобы он дал мне подробные инструкции, как нужно искать ископаемых. И он снова и снова говорил мне, что нужно искать «что-то, что не похоже», что отличается от камня по структуре, что блестит как зуб, что похоже не на кусок песчаника, а на косточку. На словах это было просто, но мне не удавалось уловить сути того, что он мне объяснял. Как я ни пытался, я по-прежнему возвращался в лагерь с пустыми руками. И еще обиднее было то, что Чак, который смотрел на те же самые камни, возвращался, как обычно, с набитыми сумками.
Наконец в один прекрасный день я впервые увидел зуб, блестевший в лучах пустынного солнца. Он едва выступал из обломка песчаника, но я видел его ясно как день. У его эмали был особый оттенок, какого не могло быть у камня, и он был не похож на все, что я видел до этого. На самом деле это, конечно, не совсем так, потому что я каждый день смотрел на такие вещи. Но разница была в том, что на этот раз я сам его заметил и сам почувствовал разницу между камнем и костью. Зуб блестел на солнце и этим привлек мое внимание, и тогда я увидел на нем бугорки. Весь этот зуб, извлеченный из камня, был размером чуть больше горошины без учета корней, выступавших из его основания. Но для меня он был величественнее самого большого динозавра, скелет которого можно увидеть в музее.
Пустыня для меня вдруг наполнилась костями. Там, где раньше я видел одни лишь камни, теперь я повсюду замечал обломки ископаемых, как будто я надел какие-то особые очки, а каждый обломок кости был специально для меня подсвечен. Вслед за зубом я нашел небольшие кусочки других костей, а затем еще зубы. Передо мной была ископаемая челюсть, освобожденная эрозией из хранившего ее камня и распавшаяся на части. После этого случая я тоже стал возвращаться в лагерь не с пустой сумкой.
Теперь, когда я сам научился находить кости, то, что казалось мне произвольными блужданиями нашей группы, стало приобретать в моих глазах отчетливый порядок. На самом деле никто не разбредался по пустыне куда глаза глядят, все пользовались вполне определенными, хотя и не сформулированными правилами. Правило первое: иди в направлении самых многообещающих обнажений породы, используя для их поиска любые внешние признаки и поисковые образы, усвоенные в ходе предшествующего опыта. Правило второе: не иди вслед за кем-то, двигайся по своему маршруту (Чак благосклонно разрешал мне нарушать это правило). Правило третье: если ты напал на золотую жилу, а на ней уже кто-то работает, найди другую или исследуй не такую золотую. Кто первый нашел, тому и карты в руки.
Со временем я узнал признаки, по которым можно искать ископаемые кости другого типа: челюстные, длинные трубчатые, обломки черепов. Однажды обнаружив их самостоятельно, вы уже никогда не разучитесь их искать. Точно так же как настоящие рыбаки видят рыбу глубоко под водой, охотники за ископаемыми пользуются целым набором поисковых образов, благодаря которым ископаемые как будто выпрыгивают из камней им навстречу. Я постепенно приобретал свой собственный набор зрительных впечатлений, как выглядят при разном освещении ископаемые кости, заключенные в разных породах. Поиск ископаемых утром сильно отличается от поиска их днем, потому что свет и тени по-разному играют на поверхности земли.
Сегодня, двадцать лет спустя, я уже знаю, что всякий раз когда приезжаешь на новое место, будь то за триасовыми отложениями в Марокко или за девонскими на остров Элсмир, там приходится заново учиться поиску ископаемых. Первые несколько дней проходят в трудах почти столь же бесплодных, как двадцать лет назад, когда я ходил вместе с Чаком по Аризоне. Разница только в том, что теперь я ничуть не сомневаюсь, что рано или поздно нужный поисковый образ придет и все встанет на свои места.
Главная цель наших поисков в то время, когда мы вместе с Чаком блуждали по пустыне, состояла в том, чтобы обнаружить место, где костей было бы так много, что это означало бы — здесь есть богатый ископаемыми слой, который мы можем раскопать. К тому времени, как я присоединился к группе Фэриша, ей уже удалось обнаружить такое место — полосу породы длиной около тридцати метров, просто набитую скелетами маленьких животных.
На этом месте Фэриш и другие выкопали в мелкозернистом песчанике карьер. Вся хитрость работы в нем заключалась в том, что ископаемые залегали там вдоль одного тонкого слоя толщиной не больше миллиметра. Если обнажить где-то поверхность этого слоя, очень часто можно было видеть ископаемые кости. Это были крошечные косточки, не больше нескольких сантиметров в длину, и при этом черные, казавшиеся кляксами на буроватой поверхности породы. Мы нашли здесь остатки многих животных. Там были лягушки (одни из самых древних), безногие амфибии, ящерицы и другие рептилии, а также, что было для нас особенно важно, одни из самых древних млекопитающих.
Главная особенность древнейших млекопитающих состоит в том, что они были маленькими, просто крошечными. Зубы у них были не больше двух миллиметров в длину. Чтобы их найти, требовалось немало внимания и еще больше везения. Если зуб был прикрыт кусочком породы или даже несколькими песчинками, часто он мог просто остаться незамеченным.
Эти древние млекопитающие меня и покорили. Я занимался тем, что обнажал участок содержащего ископаемых слоя, а затем внимательно рассматривал всю его поверхность через лупу с десятикратным увеличением. Стоя на четвереньках, я вглядывался в песчаник, так что мои глаза и лупа были на расстоянии всего сантиметров пяти над землей. Поглощенный этим занятием, я нередко забывался и заползал на чужой участок, где на мою голову падала брошенная соседом тяжелая грязная сумка, красноречиво напоминавшая, что надо держаться своей территории. Но однажды эти поиски принесли мне большую удачу и незабываемое впечатление. Зубы, которые я нашел, были небольшие и острые, с бугорками и корнями. Но в бугорках этих зубов было нечто особенное. Поверхность каждого зуба имела особый характер износа там, где зубы верхней и нижней челюсти сходились друг с другом. Передо мной был один из древнейших образцов нашего собственного устройства зубов, с настоящим прикусом, только эти зубы принадлежали крошечному млекопитающему, жившему 190 миллионов лет назад.
Я никогда не забуду то впечатление, которое произвела на меня эта находка. Я ломал камни и ползал в пыли — и нашел что-то, что могло изменить представления людей о собственной истории. Этот контраст между детским, незначительным занятием и одним из величайших достижений человеческого разума навсегда поразил меня. Я стараюсь напоминать себе об этом впечатлении, когда в очередной раз нахожу что-нибудь новое.
Той осенью я вернулся в университет, одержимый экспедициями. Мне хотелось организовать свою собственную экспедицию, но на что-то серьезное у меня не было средств, поэтому я отправился один — исследовать породы возрастом около 200 миллионов лет в штате Коннектикут. Эти породы были уже хорошо изучены в XIX веке, и в них было обнаружено немало ценных ископаемых. Я полагал, что если возьмусь за эти породы со своей лупой и со своим поисковым образом, сложившимся в ходе успешных поисков древнейших млекопитающих, то смогу найти немало интересного. Я взял напрокат микроавтобус, прихватил несколько сумок для находок и отправился в путь.
Из этой поездки я извлек еще один ценный урок: мне не удалось найти ровным счетом ничего. Пришлось вернуться туда, откуда я начал, а точнее — в университетскую библиотеку, к книгам по геологии.
Мне нужно было найти место, где породы возрастом 200 миллионов лет были бы основательно обнажены — в Коннектикуте были одни лишь участки дорожных работ. Идеалом был бы скальный обрыв вдоль берега моря, пляж под которым покрыт обломками породы, недавно отколовшимися от обрыва под действием волн. Посмотрев на карты, я сразу нашел то, что искал. В Канаде, в провинции Новая Шотландия, вдоль морского берега залегали как раз породы возрастом около 200 миллионов лет, триасового и юрского периодов. Кроме того, туристические путеводители по этим местам воспевали самые высокие в мире приливы, временами превышающие 15 метров. Это была просто немыслимая удача.
Я позвонил Полу Олсену, специалисту по этим отложениям, который совсем недавно начал преподавать в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Меня и до разговора с Полом очень увлекала идея экспедиции в этот район, но после разговора я просто места себе не находил. Из его рассказа о геологических особенностях этих мест я узнал, что они просто идеальны для поиска мелких млекопитающих и рептилий — отложения, образованные древними реками и дюнами, свойства которых как нельзя лучше подходили для захоронения мелких костей. Более того, Пол уже находил на участке побережья около города Паррсборо в Новой Шотландии кости динозавров и окаменелые следы их ног. У нас с Полом вскоре родился план поехать в Паррсборо вместе и осмотреть побережье на предмет мелких ископаемых остатков. Со стороны Пола было очень великодушно согласиться на это, потому что он сам имел виды на изучение этих мест и был вовсе не обязан помогать мне и тем более работать там в сотрудничестве со мной.
Я проконсультировался о моих зреющих планах с Фэришем, и он не только предложил мне деньги на эту экспедицию, но и посоветовал взять с собой таких незаменимых специалистов по поиску ископаемых, как Билл и Чак. Деньги, Билл, Чак, Пол Олсен, превосходные отложения и обширные обнажения — чего еще можно пожелать? Следующим летом я впервые возглавил палеонтологическую экспедицию.
На взятой в аренду многоместной машине я отправился на побережье Новой Шотландии вместе с моим отрядом, состоявшим из Билла и Чака. Мое положение, конечно, было довольно смешным. Для Билла и Чака, которые на двоих провели в поле больше лет, чем я прожил на свете, я был начальником отряда лишь номинально. На деле это они руководили поиском ископаемых, а я лишь платил за обеды.
Обнажения на побережье Новой Шотландии были великолепны. По берегам залива Фанди возвышались крутые обрывы из оранжевого песчаника. Во время отливов берег моря отступал каждый день где-то на полкилометра, обнажая бескрайние равнины оранжевой подстилающей породы. Очень скоро мы уже в нескольких разных местах нашли ископаемые кости. Маленькие белые прожилки костей виднелись тут и там на склонах обрыва. Пол везде находил окаменевшие следы, даже на отмелях, обнажавшихся каждый день во время отлива.
Чак, Билл, Пол и я провели две недели в поисках ископаемых в Новой Шотландии и нашли немало обломков, осколков и кусочков костей, торчащих из песчаника. Билл, который был в нашей группе препаратором, все время предупреждал меня, что не стоит в полевых условиях освобождать от породы слишком много костей — их лучше упаковывать вместе с породой, чтобы потом разбираться с ними в лаборатории, под микроскопом, в более надежных условиях.
Пол Олсен обнаружил окаменелые следы на обнаженном в отлив морском дне у берегов Новой Шотландии. Во время прилива вода полностью покроет этот берег и достигнет обрыва. Стрелкой показано место, где мы застряли на скалах на несколько часов, когда вышли из лагеря позже, чем следовало.
Мы так и делали, но я должен признаться, что был разочарован тем, что мы везли с собой домой: всего несколько обувных коробок с камнями, из которых тут и там торчали обломки и осколки костей. Помнится, пока мы ехали домой, я думал о том, что, хотя мы и не так много нашли, все же это была прекрасная экспедиция. После этого я взял недельный отпуск, а Чак и Билл вернулись в лабораторию.
Когда я снова вернулся после отпуска в Бостон, Чак и Билл как раз ушли обедать. В музей тем временем пришли несколько коллег, которые, завидев меня, подошли и стали жать мне руку, поздравлять и хлопать по спине. Они вели себя так, будто я был полководцем, вернувшимся из успешного похода, но у меня не было ни малейшего представления, в чем дело. Мне казалось, что это какая-то странная шутка, что они задумали как-то меня разыграть. Они посоветовали мне сходить к Биллу и посмотреть на мой трофей. Не зная, что и думать, я побежал к Биллу.
У Билла под микроскопом лежала крошечная челюсть, не больше полутора сантиметров в длину. На ней было несколько миниатюрных зубов. Эта челюсть определенно принадлежала рептилии, потому что у каждого зуба было лишь по одному корню, в то время как у млекопитающих всегда присутствуют зубы с несколькими корнями. Но на этих зубах были бугорки и ямки, которые я видел даже невооруженным глазом. Когда же я посмотрел на эту челюсть под микроскопом, меня ждал самый большой сюрприз: на выступах этих зубов были характерные стертые участки. Это была челюсть рептилии, обладавшей прикусом! Найденное нами ископаемое было полурептилией-полумлекопитающим.
Пока я был в отпуске, Билл распаковал один из собранных нами кусков породы, нашел на нем выступающий фрагмент кости и под микроскопом освободил его от породы препаровальной иглой. Мы не осознавали этого, пока были в поле, но наша экспедиция оказалась необычайно успешной. И все благодаря Биллу.
Чему я научился за это лето? Во-первых, я научился слушать, что говорят Чак и Билл. Во-вторых, я узнал, что многие важнейшие открытия делаются не в поле, а в лаборатории, в ходе работы препаратора. Впрочем, впоследствии оказалось, что главные уроки полевой работы палеонтолога мне еще предстояли.
Рептилия, которую обнаружил Билл, относилась к трителедонтам — существам, найденным как в Южной Африке, так и в Новой Шотландии. Это были очень редкие ископаемые, поэтому мы решили вернуться на следующее лето в Новую Шотландию, чтобы найти новые образцы. Всю зиму я с нетерпением ждал этой экспедиции. Если бы можно было добывать ископаемых зимой из-подо льда, я бы непременно занялся этим.
Летом 1985 года мы вернулись на то место, где был обнаружен наш трителедонт. Содержащий ископаемых слой находился в самом низу обрыва, где несколько лет назад обвалился небольшой его фрагмент. Чтобы работать на этом месте, нужно было правильно рассчитать время: во время прилива туда было не добраться, потому что вода слишком близко подходила к нужной нам точке. Я никогда не забуду волнение, охватившее меня в первый день когда мы огибали скальный выступ, чтобы вновь увидеть тот небольшой участок ярко-оранжевого песчаника. Запомнилось не то, что мы увидели, а то, чего не увидели — большей части той породы, с которой мы работали в прошлом году. За зиму она был уничтожена эрозией. Наше замечательное местонахождение, содержавшее остатки прекрасных трителедонтов, было смыто волнами.
Хорошая новость, если это можно так назвать, состояла в том, что на берегу теперь лежало немного больше обломков песчаника, доступных для обследования. Большая часть грунта на берегу, особенно там, где мы каждое утро обходили скальный выступ, состояла из базальта — застывшей лавы, извергавшейся из древнего вулкана около 200 миллионов лет назад. Можно было не сомневаться, что ископаемых мы в этой породе не найдем. Это по сути одна из аксиом палеонтологии — в таких породах, некогда нагретых до огромной температуры, ископаемые остатки костей сохраняться не могут. Дней пять или больше мы обследовали побережье во время отливов, крошили песчаник — и абсолютно ничего не находили.
Настоящий прорыв в наших поисках произошел после того, как однажды вечером к нашему жилищу пришел президент местного отделения благотворительной организации «Lions Club International». Ему нужны были судьи для конкурса красоты, который проходил входе празднования традиционной Недели родительского дома («Old Home Week») в Паррсборо. Эту ответственную работу жители Паррсборо всегда доверяли приезжим, потому что вокруг таких конкурсов кипели страсти, и местным жителям было бы непросто судить своих землячек непредвзято. Судьями обычно была одна пожилая пара из Квебека, которая в том году не приехала в Паррсборо, и моему отряду предложили исполнить за них эту почетную обязанность.
Но из-за того, что мы судили здешних красавиц, а затем еще и спорили о своем решении, мы очень поздно легли спать, забыли о времени прилива и на следующий день оказались в плену у моря за изгибом базальтового обрыва. Около двух часов нам пришлось провести на небольшом уступе шириной метров пятнадцать. Этот уступ был сложен вулканической породой, и нам никогда не пришло бы в голову искать на нем ископаемых. Мы пускали блинчики, пока нам это не наскучило, а затем решили осмотреть породу — вдруг удастся найти в ней какие-нибудь интересные кристаллы или минералы. Билл скрылся за скальным выступом, а я осматривал базальтовую стену за нашей спиной. Минут через пятнадцать я услышал свое имя. Никогда не забуду, как, стараясь не выдать волнения, Билл позвал меня: «Эй, Нил, посмотри, что я нашел, тебе, наверно, понравится». Только обойдя выступ, я увидел, как он взволнован. Затем я посмотрел на породу у его ног. Из нее выступали маленькие белые фрагменты — ископаемые кости. Тысячи ископаемых костей!
Это было именно то, что мы искали, — местонахождение мелких костей. Оказалось, что вулканические породы в этом месте не были чисто вулканическими. Базальт местами прорезали тонкие слои песчаника. Скалы этого уступа были образованы древним грязевым селем, сопровождавшимся извержением вулкана. В грязи этого селя и оказались захоронены ископаемые.
Мы привезли домой тонны этой породы. В ней были остатки трителедонтов, а также примитивных крокодилов и других похожих на ящериц рептилий. Самыми драгоценными из них были, разумеется, трителедонты, потому что они свидетельствовали о том, что некоторые рептилии того времени уже обладали свойством, характерным для нас, млекопитающих, а именно прикусом.
У древних млекопитающих вроде тех, которых группа Фэриша раскопала в Аризоне, зубы были уже очень хорошо подогнаны друг к другу. Потертости на бугорках зубов верхней челюсти полностью соответствовали зеркальным отражениям этих потертостей на зубах нижней челюсти. Система этих потертостей столь четко выражена, что по характеру прикуса и износа зубов у древних млекопитающих можно отличать друг от друга разные виды. Аризонские млекопитающие Фэриша обладали прикусом и потертостями, отличными от таковых у млекопитающих того же времени, остатки которых находят в Южной Америке, в Европе или в Китае. Если бы мы могли сравнивать этих ископаемых только с современными рептилиями, происхождение характерных для млекопитающих способов питания оставалось бы большой загадкой. Как я уже говорил, у крокодилов и ящериц зубы верхней и нижней челюсти не совпадают друг с другом. Чтобы найти решение этой проблемы, нужны такие существа, как трителедонты. Если вернуться назад во времени, к породам где-то на 10 миллионов лет более древним, чем те, что мы изучали в Новой Шотландии, мы найдем трителедонтов с ранними зачатками прикуса. У трителедонтов бугорки зубов не смыкаются друг с другом полностью, как у млекопитающих. Вместо этого вся внутренняя поверхность верхнего зуба трется о наружную поверхность нижнего зуба, почти как половинки ножниц. Конечно, характер прикуса изменялся не на пустом месте.
Трителедонт и фрагмент его верхней челюсти, добытый в Новой Шотландии. Автор рисунка фрагмента челюсти — Ласло Мешолей.
Нет ничего удивительного в том, что древнейшие существа, обладающие характерным для млекопитающих прикусом, напоминают млекопитающих также строением нижней челюсти, черепа и скелета.
Благодаря тому что зубы так хорошо сохраняются в палеонтологической летописи, в нашем распоряжении есть очень подробные сведения о том, как именно возникли основные способы питания млекопитающих — и как именно древние млекопитающие переходили к питанию другой пищей. История млекопитающих — это во многом история развития разных способов потребления пищи. В слоях чуть менее древних, чем те, где мы находим трителедонтов, можно найти уже множество разных видов млекопитающих с новыми особенностями строения зубов и прикуса, которые, очевидно, научились использовать свои зубы по-новому. В породах возрастом около 150 миллионов лет, залегающих по всему свету, можно уже найти остатки мелких млекопитающих, обладавших зубным рядом нового типа. Эти существа вымостили путь, который привел к возникновению нас с вами. Они обладали одной очень важной особенностью: зубы на их челюстях были разными. Их зубы выработали своего рода разделение труда. Расположенные спереди резцы специализируются на разрезании пищи, идущие за ними клыки — на прокалывании ее, а следующие за ними предкоренные и коренные — на том, чтобы крошить или раздавливать пищу. Эти мелкие млекопитающие, внешне похожие на мышей, — важнейшей этап нашей собственной истории. Если вы в этом сомневаетесь, то представьте себе, каково было бы есть яблоко или тем более большую морковку, не имея резцов и коренных зубов. Наш разнообразный рацион, от фруктов и пирожных до овощей и мяса, возможен лишь потому, что наши предки, древние млекопитающие, выработали зубы с очень четким прикусом. И конечно, ранние стадии этого процесса мы можем наблюдать у трителедонтов и других, более древних наших родственников, у которых передние зубы обладают несколько иной формой и строением бугорков и ямочек, чем зубы, расположенные глубже во рту.
Зубы и кости — что крепче?
Практически само собой разумеется, что зубы выделяются из других органов своей исключительной твердостью. Зубы должны быть крепче, чем кусочки пищи, которые с их помощью перемалывают (представьте, каково было бы резать мясо с помощью губки). Во многих отношениях зубы тверды как камень, и это связано с тем, что в них содержится очень твердое вещество. Этим веществом, которое называют гидроксиапатитом, пропитаны изнутри как зубы, так и кости. Оно делает эти органы устойчивыми к сгибанию, сжатию и другим механическим воздействиям. Особая прочность зубов связана с тем, что их наружный слой, зубная эмаль, намного богаче гидроксиапатитом, чем любая другая структура организма, не исключая и кости. Эмаль придает зубам блеск и белизну. Конечно, эмаль — это лишь один из слоев, входящих в состав наших зубов. Более глубокий слой, дентин, тоже богат гидроксиапатитом.
В природе существует немало организмов, у которых есть очень твердые части тела, — это, например, раки или двустворчатые моллюски. Но они достигают этого не за счет гидроксиапатита. У раков и двустворчатых твердость некоторых органов достигается за счет других материалов — хитина и карбоната кальция соответственно. Кроме того, у этих животных, в отличие от нас, тело обладает твердыми покровами, играющими роль скелета. У нас же скелет внутренний.
Внутреннее расположение того, что покрепче, в наших организмах, у которых во рту есть зубы, а внутри всего тела — кости, представляет собой одну из важнейших особенностей нашей природы. Мы можем питаться, двигаться, дышать, а также включать в обмен веществ ряд минеральных веществ во многом благодаря гидроксиапатиту, содержащемуся в некоторых из наших тканей. За эти способности нам нужно благодарить наших общих со всеми рыбами предков. Все рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие на планете в этом отношении похожи на нас. Все они обладают структурами, содержащими гидроксиапатит. Но откуда все эти структуры появились?
Здесь мы сталкиваемся с непростой интеллектуальной задачей. Если мы узнаем, где, когда и как возникли кости и зубы, то мы сможем разобраться и в том, почему они возникли. Почему у наших предков развился такой тип твердых тканей? Предназначались ли они для того, чтобы оберегать этих животных от воздействия каких-то факторов среды? Или же для того, чтобы дать им возможность эффективнее передвигаться? Ответы на все эти вопросы помогут найти ископаемые, заключенные в породах возрастом около 500 миллионов лет.
К самым распространенным ископаемым, обитавшим в древних океанах от 500 до 250 миллионов лет назад, относятся конодонты. Их открыл в тридцатых годах XIX века российский биолог Христиан Иванович Пандер, о котором пойдет речь в одной из последующих глав. Конодонты были небольшими морскими животными, наделенными рядами своеобразных острых шипов (сами эти шипы тоже называют конодонтами). Со времени открытия Пандера такие шипы нашли на всех континентах. На Земле есть места, где, разбив любой камень, непременно можно увидеть в большом количестве остатки конодонтов. Палеонтологи описали сотни разновидностей этих ископаемых.
Но долгое время природа конодонтов оставалась загадкой. Ученые спорили о том, что они собой представляли — ископаемых животных, растения или даже минералы. Едва ли не у каждого была своя излюбленная теория. Доказывали, что остатки конодонтов — это фрагменты двустворчатых моллюсков, губок, позвоночных или даже червей. Эти споры прекратились, лишь когда среди ископаемых удалось найти не только фрагменты, но и остатки целых конодонтов.
Первый образец, который позволил разобраться в этой проблеме, был обнаружен профессором палеонтологии, разбиравшим материалы, которые хранились в подвале здания Эдинбургского университета. Один из обнаруженных им предметов представлял собой плоский камень с отпечатком тела древнего организма, похожего на миногу. Возможно, вы помните что-то о миногах из уроков биологии: это примитивные, похожие на рыб существа, не имеющие челюстей. Они питаются кровью и тканями рыб, к телу которых они присасываются, как пиявки. На этом плоском камне в передней части отпечатка в породе сидели маленькие структуры, которые казались на удивление знакомыми. Это были остатки конодонта. Другие ископаемые остатки похожих на миног организмов были вскоре обнаружены в породах, добытых в Южной Африке, а через некоторое время — также в породах с запада Соединенных Штатов. У всех этих существ была одна исключительная черта — во рту у них были целые комплекты того, что давно уже было известно под названием «конодонты». Вывод напрашивался сам собой: конодонты были зубами. Это были зубы древних бесчелюстных организмов, похожих на миног.
В распоряжении палеонтологов в течение полутора веков были древнейшие ископаемые зубы, но никто не знал наверняка, что это именно они. Чтобы объяснить, почему так случилось, нужно вкратце рассказать, как сохраняются остатки древних организмов. Твердые части тела, такие как зубы, могут сохраняться без особого труда. Мягкие части, такие как мышцы, кожа, внутренние органы, обычно разлагаются и не сохраняются в виде ископаемых остатков. Музейные хранилища наполнены множеством ископаемых скелетов, раковин и зубов, но среди них можно найти лишь немногие особо ценные образцы ископаемых остатков мягких тканей. В тех редких случаях, когда от мягких тканей остаются хотя бы какие-то ископаемые следы, это обычно отпечатки или слепки. Палеонтологическая летопись переполнена зубами конодонтов, но почти 150 лет потребовалось на то, чтобы найти отпечатки их тел. У этих тел была еще одна примечательная особенность. В них совершенно отсутствовали твердые кости. Это были мягкотелые организмы с твердыми зубами.
В течение многих лет палеонтологи спорили о том, почему вообще появились твердые внутренние скелеты, содержащие гидроксиапатит. Для ученых, убежденных, что скелет начался с челюстей, позвоночника или защитных покровов, конодонты стали чем-то вроде лишнего зуба во рту. По-видимому, первыми твердыми структурами, содержащими гидроксиапатит, были именно зубы. Твердые кости возникли не чтобы защищаться от других организмов, а чтобы питаться ими. С этого-то и в самом деле началась война всех против всех среди наших водных предков и родственников. Вначале просто те, кто побольше, питались теми, кто поменьше, а затем началась гонка вооружений. Те, кто поменьше, вырабатывали защитные покровы, те, кто побольше, — увеличенные челюсти, чтобы прокусывать эти покровы, и так далее. Зубы и кости принципиально изменили условия борьбы за существование.
Все становится еще интереснее, если обратиться к представителям древнейших ископаемых, наделенных костистой головой. Перейдя к слоям несколько менее древним, чем те, в которых содержатся самые ранние конодонты, мы увидим, что собой представляли скелеты первых организмов, у которых в голове имелись твердые кости. Это были так называемые остракодермы — похожие на рыб существа, жившие около 500 миллионов лет назад. Их остатки находят в горных породах по всему свету от Арктики до Боливии. Внешне остракодермы напоминали гамбургеры с мясистыми хвостами.
Головная область остракодермы представляет собой что-то вроде большого диска, покрытого костистым щитом, напоминающим доспехи. Если бы я достал из ящика в музейном хранилище образец такого ископаемого и показал его вам, вы бы сразу заметили одну странную черту: голова остракодермы блестит примерно так же, как наши зубы или рыбья чешуя.
Одна из главных радостей ученого связана с тем, что в мире природы есть неисчерпаемые запасы удивительного и поразительного. Прекрасным примером этого могут служить остракодермы, эти древние бесчелюстные животные. Они относятся к древнейшим существам, наделенным костистой головой. Если разрезать ископаемые остатки черепа остракодермы, залить в срез парафин, положить под микроскоп и рассмотреть, нашим глазам предстанет нечто не похожее ни на одну знакомую нам ткань. Покровы этого черепа выглядят по сути точно так же, как наши собственные зубы.
Конодонт (слева) и остракодерма (справа). От конодонтов ученым были долгое время известны только отдельные зубы (которые в свою очередь тоже называют конодонтами). Затем, когда были обнаружены остатки целых организмов, удалось разобраться, что наборы этих зубов работали вместе, располагаясь рядами во рту древних мягкотелых бесчелюстных. У остракодерм голова была покрыта костистым щитом. При большом увеличении наружный слой этого щита оказывается состоящим из множества напоминающих зубы структур. Реконструкцию ряда зубов конодонта любезно предоставили доктор Марк Пернелл (Лестерский университет) и доктор Филип Донохью (Бристольский университет).
Снаружи они тоже покрыты эмалью. Весь щит, покрывающий голову остракодермы, как будто составлен из тысяч крошечных зубов, слившихся воедино. Этот костистый череп — один из самых древних, известных палеонтологам, — целиком состоит из зубов. Первоначально зубы возникли, чтобы кусать добычу, но затем животные стали использовать своеобразную разновидность зубов и для защиты от врагов.
Зубы, железы и перья
Появление зубов не только знаменовало собой начало нового способа существования, но и открывало новый путь для развития органов. Зубы развиваются за счет взаимодействия двух слоев ткани в нашей коже. В основе этого процесса лежат контакт этих слоев, деление клеток и последующее изменение формы слоев, в ходе которого их клетки производят различные белки. Наружный слой выделяет вещества, на основе которых образуется эмаль, а внутренний слой формирует дентин и мягкие ткани зуба. Постепенно, после закладки базовой структуры зуба, формируются детали — бугорки, ямки и желобки, по форме которых можно отличать друг от друга разные виды млекопитающих.
Ключом к развитию зуба служит взаимодействие этих двух слоев ткани: наружного тонкого слоя клеток и внутреннего, более рыхлого слоя. В результате взаимодействия в них образуются складки, и оба слоя выделяют вещества, на основе которых и формируется орган (то есть зуб). Оказывается, совершенно такие же процессы позволяют формироваться внутри кожи и множеству других структур, например чешуе, волосам, перьям, а также потовым и даже молочным железам. Во всех этих случаях два слоя вступают в контакт, образуют складки и выделяют определенные белки. Более того, батареи переключающихся в разных тканях генов, обеспечивающих развитие всех этих органов, тоже во многом сходны.
Этот пример напоминает историю многих технических достижений человечества. После того как была изобретена технология литья пластмасс, ее стали использовать для изготовления всего на свете, от автомобилей до детских игрушек. С зубами история была во многом похожая.
Зубы, молочные железы, перья и волосы — все это развивается в результате взаимодействия двух слоев кожи.
После того как у животных впервые появился способ, позволяющий формировать зубы, модификации этого способа стали применяться для формирования множества разных органов, закладывающихся внутри кожи. На примере остракодерм мы видели, как далеко может заходить применение этого способа. Во многих отношениях еще дальше оно зашло у птиц, рептилий и людей. У всех этих существ никогда бы не возникли перья, чешуи или молочные железы, если бы когда-то у их предков не возникли зубы. Видоизмененный механизм формирования зубов позволил развивать многие другие важные структуры кожи. Между такими разными органами, как зубы, перья и молочные железы, есть вполне реальная глубокая историческая связь.
В четырех главах мы с вами говорили о способах изучать историю появления и развития органов у самых разных живых существ. В первой главе мы рассмотрели способ, позволяющий предсказывать, в каких именно древних горных породах мы можем найти в ископаемом виде древнейшие формы наших собственных органов. Во второй главе речь шла о том, как проследить историю развития определенных элементов скелета, начиная от рыб и заканчивая людьми. В третьей главе было показано, как работает у разных организмов та составляющая их тела, которая действительно передается по наследству, а именно ДНК, и как формируются органы в соответствии с записанным на ДНК рецептом. Здесь, в четвертой главе, мы рассмотрели общую основу таких разных органов, как зубы, молочные железы и перья, и убедились, что биологические механизмы, лежащие в основе их развития, представляют собой варианты одного и того же. Вглядываясь в черты глубокого сходства, объединяющего органы и тела разных живых организмов, мы начинаем убеждаться, что все разнообразие жизни на Земле представляет собою лишь вариации на одну и ту же тему.
Глава 5. Включи голову{5}
За два дня до экзамена по курсу анатомии около двух часов ночи я сидел в лаборатории и учил черепно-мозговые нервы. Этих нервов у человека двенадцать пар, и каждая из них ветвится, причудливо изгибаясь и извиваясь внутри черепа. Чтобы изучать эти нервы, мы разделяли череп на две половинки по линии, идущей от лба до подбородка, и выпиливали куски скуловых костей. И вот я сидел, держа в каждой руке по половинке головы, и вглядывался в извилистые пути нервов, идущих от мозга к различным мышцам и органам чувств.
Особенно меня поражали два черепно-мозговых нерва — тройничный и лицевой. Их замысловатые пути, как оказалось, сводились к чему-то такому простому, такому вопиюще ясному, что человеческая голова предстала передо мной в совершенно новом свете. Увидеть эту скрытую простоту мне удалось благодаря тому, что я разобрался в намного более простом устройстве черепно-мозговых нервов акулы. Изящество того, что мне удалось понять (хотя в этом и не было ничего нового: сравнительные анатомы разобрались в этом сто с лишним лет назад), вместе с грузом предстоящего экзамена заставило меня забыть, где я нахожусь. В какой-то момент я посмотрел вокруг. Была глубокая ночь, и я сидел в лаборатории один. Вокруг меня лежали мертвые тела двадцати пяти человек, накрытые тканью. В первый и в последний раз меня стала бить дрожь. Мне стало так жутко, что волосы у меня на затылке встали дыбом, ноги сами понесли меня прочь, и через какие-то доли секунды я уже стоял, запыхавшись, на автобусной остановке. Разумеется, я чувствовал себя полным идиотом. Я помню, как сказал себе: Шубин, у тебя совсем крыша съехала. Впрочем, эта мысль занимала меня недолго: я вскоре обнаружил, что оставил в лаборатории ключи от дома.
Крыша у меня поехала потому, что анатомия человеческой головы глубоко завораживает. В ней есть особая красота. Одна из радостей занятия наукой состоит в том, что порой нам открываются связи, которые вносят глубокую стройность в то, что поначалу казалось бессмысленным и неупорядоченным. Бывшая мешанина оказывается частью простого плана, и вы чувствуете, что видите вещи насквозь, прозреваете самую их суть. В этой главе мы посмотрим на самую суть того, что скрыто у нас в головах. И в рыбьих головах, конечно, тоже.
Беспорядок в головах
Анатомия головы не только сложна, но и труднодоступна для изучения, потому что ее ткани, в отличие от других частей нашего тела, заключены в костяную коробку черепа. Чтобы увидеть находящиеся в голове сосуды и органы, нам нужно смотреть в прямом смысле сквозь скулы, лоб и другие части черепа. Если мы его вскроем, то увидим клубок, состоящий из чего-то похожего на леску. Сосуды и нервы хитрым образом петляют и изгибаются, путешествуя по внутренней полости черепа. Тысячи ответвлений нервов заключены в небольшой черепной коробке, состоящей из многих костей и оплетенной множеством мышц. На первый взгляд, все это вместе составляет невообразимую путаницу.
Наш череп состоит из трех основных частей: «плит», «блоков» и «прутьев». Плиты закрывают собой наш мозг. Их можно нащупать, если похлопать себя по голове. Эти довольно крупные плиты соединены друг с другом как детали пазла и составляют значительную часть черепа. У новорожденных они отделены друг от друга. Промежуток между ними — родничок — у младенцев вполне заметен (иногда можно видеть даже пульсацию сосудов мозга под ним). По мере роста ребенка его кости увеличиваются и к двухлетнему возрасту полностью срастаются.
Другая часть нашего черепа располагается под мозгом, образуя платформу, которая его поддерживает. В отличие от похожих на плиты костей, закрывающих мозг снаружи, кости этой платформы напоминают причудливые блоки. Через них проходит множество нервов и сосудов. Кости третьего типа — это наши челюсти. Кроме того, косточки этого типа есть у нас во внутреннем ухе и в горле. В начале развития они напоминают прутья, которые постепенно меняют форму и по-разному разрастаются, впоследствии помогая нам жевать, слышать и глотать.
Внутри черепа имеется ряд полостей, в которых заключены разные органы. Самая большая из них, разумеется, занята мозгом. В других полостях располагаются внутренние структуры уха и носа, а также глазные яблоки. Чтобы разобраться в анатомии головы, необходимо научиться представлять себе все эти полости и органы в объеме, в трех измерениях.
К костям и органам головы прикреплены мышцы, позволяющие нам жевать и говорить, а также двигать глазами и всей головой. К этим мышцам ведут двенадцать пар нервов, каждый из которых проходит определенным путем от мозга к тому или иному участку головы. Это и есть пресловутые черепно-мозговые нервы, внушающие ужас студентам.
Плиты, блоки и прутья: тема черепа, и одна из вариаций на эту тему — череп человека. Для каждой косточки нашего черепа можно проследить историю ее происхождения из одной такой плиты, блока или прута.
Чтобы понять основы строения головы, нужно увидеть в черепно-мозговых нервах нечто большее, чем просто беспорядочный клубок. На самом деле многие из этих нервов довольно просты. Самые простые из черепно-мозговых нервов выполняют единственную функцию и ведут к единственной мышце или органу. Нерв, ведущий к внутренним структурам носа, так называемый обонятельный, выполняет только одну работу — переносит информацию в мозг от тканей, выстилающих носовую полость. Другие нервы, ведущие к нашим глазам и ушам, в этом смысле тоже не слишком сложны: зрительный нерв отвечает за зрение, слуховой (преддверно-улитковый) — за слух. Нервы еще четырех пар обслуживают исключительно мышцы, например, позволяя нам вращать глазами в орбитах или двигать головой.
Но есть четыре пары черепно-мозговых нервов, которые уже не один десяток лет приводят студентов-медиков в отчаяние. И неспроста: у этих четырех нервов функции очень сложные, и для выполнения своей работы они проходят сквозь наши головы весьма причудливым путем. Здесь нужно особо отметить тройничный и лицевой нервы. Оба они выходят из мозга и разделяются, образуя умопомрачительные системы ответвлений. Каждый из этих нервов во многом похож на кабель, по которому идет множество проводов: телевидение, Интернет, телефон. По этим нервам тоже идет разная информация, обеспечивая работу как органов чувств, так и мышц. Отдельные чувствительные и двигательные волокна могут быть связаны с разными участками мозга, но сплетаются в единый кабель (который мы и называем нервом), а затем вновь расплетаются, разветвляясь и достигая самых разных частей головы.
Ответвления тройничного нерва выполняют две основные функции: они управляют мышцами и переносят в мозг информацию о том, что чувствуют нервные окончания, расположенные в коже на большей части лица. Мышцы, контролируемые тройничным нервом, включают те, которые мы используем при жевании, а также миниатюрные мышцы в глубине нашего уха. Кроме того, тройничный нерв играет важнейшую роль в обеспечении чувствительности лица. От пощечины лицо у нас сильно болит. За вычетом ощущений, связанных с эмоциями, боль от пощечины связана именно с работой тройничного нерва, который переносит информацию к мозгу от нервных окончаний, расположенных на лице. Другие ответвления тройничного нерва хорошо знакомы стоматологам. Разные ве�
Скачать книгу
Neil Shubin
YOUR INNER FISH
A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body
© 2008 by Neil Shubin. All rights reserved
Перевод с английского Петра Петрова
Издание осуществлено при поддержке Фонда некоммерческих программ Дмитрия Зимина «Династия»
Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко
Династия
Фонд некоммерческих программ “Династия”
основан в 2002 году Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании “Вымпелком”. Приоритетные направления деятельности Фонда – развитие фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещения.
В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов.
В их числе – сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном интернете тематических ресурсов, а также проект “Библиотека “Династии” – издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.
Более подробную информацию о Фонде “Династия” вы найдете по адресу
Предисловие
Эта книга появилась в результате одного необычного для меня обстоятельства. Из Медицинской школы Чикагского университета ушли некоторые преподаватели, из-за чего мне пришлось вести у студентов-медиков анатомию человека. На занятиях по этому предмету нервные первокурсники вскрывают трупы, параллельно заучивая названия и строение большинства органов, естественных отверстий, нервов и сосудов человеческого тела. Этот курс вводит студентов в мир медицины, дает им опыт, без которого нельзя стать врачом. На первый взгляд, сложно представить худшего кандидата на должность наставника нового поколения врачей: по специальности я палеонтолог и занимался в основном изучением ископаемых рыб.
Но, оказывается, быть палеонтологом очень полезно для преподавания анатомии человека. Почему? Лучшая карта человеческого тела – в телах других животных. Простейший способ дать студентам представление о нервах в голове человека состоит в том, чтобы показать им, как устроены нервы акул. Легчайшая дорога к познанию наших конечностей – изучение рыб. Рептилии очень помогают разобраться в строении мозга. И все это потому, что тела этих существ часто представляют собой упрощенные версии наших собственных тел.
В ходе летней экспедиции в Арктику на втором году моего преподавания этого курса нам с коллегами посчастливилось найти ископаемую рыбу, открытие которой пролило немало света на выход позвоночных на сушу, совершившийся более 375 миллионов лет назад. Эта находка вместе с моим вторжением в область человеческой анатомии пробудила во мне желание разобраться в глубинной связи, существующей между двумя этими объектами. Так и возникла эта книга.
Глава 1
В поисках нашей внутренней рыбы
С тех пор как я стал взрослым, мое лето обычно проходит среди снега и слякоти далеко к северу от полярного круга за раскалыванием камней. Большую часть времени я мерзну, натираю мозоли и не нахожу ровным счетом ничего. Но если немного повезет, мне попадаются кости древних рыб. Так себе сокровище для большинства людей, для меня они – дороже золота.
Кости древних рыб помогают понять, кто мы и как мы стали собой. Мы можем узнать что-то новое о нашем собственном теле из самых странных на первый взгляд источников – начиная от ископаемых червей и рыб, которых можно обнаружить в камнях по всему свету, и мира ДНК и заканчивая в сущности каждым животным, населяющим сегодня нашу планету. Но сначала необходимо объяснить, почему я так уверен, будто скелетные остатки былых времен – а именно остатки рыб – дают нам ключи к познанию основ строения нашего тела.
Как можем мы представить события, происходившие миллионы, а во многих случаях и миллиарды лет назад? К сожалению, нельзя расспросить очевидцев – никого из нас не было тогда на свете. Большую часть времени не было не только ни одного говорящего существа, но и ни одного существа, которое имело бы рот и даже голову. Хуже того, животные, которые жили в те времена, умерли и погребены так давно, что от тел лишь немногих из них вообще хоть что-то осталось. Если задуматься о том, что более 99 % всех когда-либо живших видов к настоящему времени вымерло, что лишь очень малая их доля сохранилась в ископаемом виде и что еще меньшую долю от этой доли удается найти, то может показаться, что любые попытки познать наше прошлое изначально обречены на провал.
Добываем ископаемые – видим самих себя
Впервые я увидел одну из тех рыб, что сохранились внутри нас, снежным июльским днем, исследуя породы возрастом 375 миллионов лет на острове Элсмир, около 80° северной широты. Вместе с коллегами я добрался до этого далекого безлюдного острова, чтобы обнаружить одну из ключевых стадий перехода от рыб к наземным животным. Из скалы торчала рыбья голова – и не просто голова, а удивительно плоская. Едва увидев ее, мы поняли, что нашли что-то важное. Если внутри каменного склона нам удастся отыскать другие части скелета этой рыбы, они откроют нам тайны ранних стадий развития нашего черепа, нашей шеи и даже наших конечностей.
Что эта плоская голова сообщала нам о выходе рыб на сушу? Или, если говорить о моих собственных безопасности и комфорте, почему я был в Арктике, а не на Гавайях? Ответить на эти вопросы можно лишь рассказав о том, как мы находим древние ископаемые остатки и как используем их, чтобы разобраться в нашем прошлом.
Ископаемые остатки – один из важнейших источников данных, позволяющих нам познать самих себя. Другие источники подобной информации – гены и зародыши, о них речь пойдет позже. Но немногие знают, что поиск ископаемых – довольно точная наука и мы нередко можем предсказать, что и где обнаружим. В городе мы работаем над тем, чтобы в поле у нас были максимальные шансы преуспеть. А затем полагаемся на удачу.
Это парадоксальное соотношение расчета и случая лучше всех охарактеризовал Дуайт Эйзенхауэр в известном изречении: “Готовясь к сражениям, я всегда убеждался, что планы бесполезны, но планировать необходимо”. Эти слова как нельзя лучше выражают суть полевой работы палеонтологов. Мы делаем всевозможные расчеты, как добраться до многообещающих местонахождений ископаемых, но, когда мы прибываем на место, оказывается, что все наши планы полевых исследований можно спокойно выбросить на свалку. Приземленные факты меняют самые блестящие расчеты.
Но все же мы можем задумывать экспедиции с целью ответить на конкретные научные вопросы. Исходя из нескольких простых идей, о которых я расскажу ниже, мы можем предсказывать, где можно обнаружить важные ископаемые остатки. Конечно, у нас никогда нет стопроцентной гарантии успеха, но, если повезет, можно найти что-то по-настоящему интересное. Вся моя научная карьера была построена именно на этом: я искал древних млекопитающих, чтобы узнать о происхождении млекопитающих, древнейших лягушек, чтобы узнать о происхождении лягушек, и некоторых из древнейших четвероногих, чтобы узнать о выходе рыб на сушу.
В наши дни обнаруживать новые местонахождения стало значительно проще, чем прежде. Благодаря геологическим исследованиям, проводимым местными властями и нефтегазовыми компаниями, нам стало больше известно о геологии многих районов. Интернет дает возможность оперативно работать с картами, данными аэрофотосъемки и материалами различных исследований. Где бы вы ни жили, сегодня я, не вставая из-за ноутбука, могу определить, есть ли перспективные места для поиска ископаемых у вас во дворе. Наконец, компьютерные методы построения изображений вместе с радиографическими устройствами позволяют нам видеть некоторые породы насквозь и изучать заключенные в них кости.
Но, несмотря на все эти достижения, охота за ценными ископаемыми во многом осталась такой же, какой она была лет сто назад. Палеонтологам по-прежнему приходится изучать горные породы, в буквальном смысле ползая по ним, и нередко вручную извлекать скрытые в них ископаемые остатки. Разыскивая и добывая такие остатки, нам приходится на месте принимать так много решений, что эти процессы по-прежнему сложно автоматизировать. Кроме того, смотреть в поисках ископаемых на экран монитора – занятие далеко не такое увлекательное, как своими руками добывать их в природе.
Занятие это хитрое, потому что местонахождения ископаемых довольно редки. Чтобы шансы на успех были максимальны, нам нужно, чтобы сошлись три фактора. Мы ищем такие места, где залегают породы определенного возраста и определенного типа, которые могут содержать ископаемые остатки древних животных, и где эти породы выходят на поверхность земли. Есть и четвертый фактор – везение. Это я покажу на примере.
Этот пример – один из важнейших переходных этапов в истории жизни на Земле – выхода позвоночных на сушу. Четыре миллиарда лет назад все живое обитало только в воде. Затем, около 400 миллионов лет назад, живые существа начали осваивать сушу. Для жизни в этих двух средах требуется разное. Для дыхания в воде требуются совсем не такие органы, как для дыхания на суше. То же относится к выделению, питанию и передвижению. Чтобы выйти на сушу, живым организмам понадобилось радикально перестроить свое тело. Граница между водной и наземной средой кажется на первый взгляд почти непреодолимой. Но научные факты позволяют увидеть эту проблему в другом свете. То, что могло показаться невозможным, случилось на самом деле.
В наших поисках горных пород определенной эпохи нам помогает одно примечательное обстоятельство. Ископаемые остатки в породах Земли распределены далеко не случайным образом. Местоположение содержащих такие остатки пород и характер этих остатков – все это подчиняется строгим правилам, и мы можем использовать эти правила, планируя свои экспедиции. Менявшийся за миллиарды лет облик Земли оставил следы в виде последовательности из множества различных слоев горных пород. Легко проверяемое рабочее предположение, из которого мы исходим, состоит в том, что слои, расположенные ближе к поверхности земли, моложе слоев, залегающих глубже. Обычно так и бывает в районах, где слои залегают ровно, образуя что-то вроде слоеного торта (например, Большой каньон). Но движения земной коры приводят к появлению разломов, которые меняют взаимное расположение слоев, иногда переворачивая их так, что более древние оказываются над более молодыми. К счастью, если разобраться, как именно прошел тот или иной разлом, нередко первоначальную последовательность слоев можно восстановить.
Заключенные в этих породах ископаемые также соответствуют определенной последовательности. В нижних слоях захоронены совсем не те виды ископаемых, что в верхних слоях. Если бы мы могли добыть единую колонку из горных пород, отложенных за все этапы истории Земли, перед нами предстало бы необычайное разнообразие ископаемых остатков. В самых нижних слоях видимых свидетельств существования жизни было бы немного. В более высоких наблюдались бы отпечатки самых разных животных с мягким телом – вроде медуз. Еще выше залегали бы слои с остатками скелетных организмов, у которых были различные придатки и другие органы – например глаза. Над ними лежали бы слои с первыми позвоночными животными. И так далее. Слои с древнейшими людьми залегали бы намного выше. Разумеется, единой колонки из пород, отложенных за все этапы истории Земли, не существует. В каждой точке земной коры залегают породы, отражающие лишь некоторые, сравнительно небольшие отрезки времени. Чтобы получить общую картину, мы составляем эти отрезки вместе, сравнивая и сами породы, и захороненные в них ископаемые остатки, как бы собирая гигантский пазл.
Неудивительно, что в колонке горных пород содержится последовательность ископаемых организмов. Менее очевидно, что на основании сравнения ископаемых видов с современными мы можем довольно точно предугадывать, как будут выглядеть организмы, которые мы обнаружим в том или ином слое. Накопленные знания дают нам возможность заранее предвидеть, какие ископаемые будут обнаружены в определенном слое древних пород. Более того, последовательность ископаемых можно во многом предсказать, основываясь лишь на сравнении нас самих с животными из какого-нибудь зоопарка или аквариума.
Как прогулка по зоопарку может помочь нам узнать, в каких породах искать особо ценные ископаемые остатки? В зоопарке есть много живых существ, по-разному отличающихся друг от друга. Но отвлечемся от их различий: чтобы справиться с поставленной задачей, нам нужно сосредоточиться на их сходстве, чтобы выявить признаки, общие для многих видов, и выделить группы животных со сходными признаками. Всех живых существ можно распределить по таким группам, заключенным одна в другой, как матрешки, так что меньшие группы находятся в составе больших. Сделав это, мы увидим одно фундаментальное свойство живой природы.
У всех животных в зоопарке или аквариуме есть голова и пара глаз. Назовем таких животных “всеми”. В пределах этой группы будет подгруппа животных с головой и парой глаз, у которых есть четыре конечности. Назовем таких животных “всеми с четырьмя конечностями”. Подподгруппа этих животных, наделенных головой, глазами и четырьмя конечностями, будет включать организмы с огромным мозгом, ходящие на двух ногах и разговаривающие. Эта подподгруппа – мы, люди. Таким способом мы могли бы, конечно, выделить и намного больше групп, но даже эта трехуровневая схема имеет некоторую предсказательную силу.
Ископаемые остатки, заключенные в горных породах, обычно соответствуют именно такой последовательности, и мы можем с ее помощью планировать новые палеонтологические экспедиции. Воспользуемся приведенным выше примером. Первые представители группы “всех”, существа с головой и парой глаз, встречаются в ископаемом виде в более глубоких слоях, чем первые из “всех с четырьмя конечностями”. Говоря точнее, первые рыбы (полноценные представители “всех”) встречаются раньше, чем первые земноводные (представители “всех с четырьмя конечностями”). Очевидно, эту схему можно усовершенствовать, рассматривая многих других животных и признаки, по которым их можно объединить в группы, а также оценивая абсолютный возраст горных пород.
Существа, которых мы видим в зоопарке, отражают последовательность залегания ископаемых остатков в горных породах нашей планеты.
Именно это мы и делаем в своих лабораториях, используя тысячи и тысячи признаков и видов животных. Мы обращаем внимание на мельчайшие различия анатомических черт, а нередко также и на крупные куски ДНК. Данных накоплено так много, что нам часто необходимы мощные компьютеры, чтобы их обрабатывать и получать длинные последовательности групп, заключенных одна в другой. Этот подход лежит в основе всей биологии, потому что он позволяет нам выдвигать гипотезы о том, в каком родстве живые существа состоят друг с другом.
Ископаемые остатки, накопленные за сотни лет сбора, не только помогают нам группировать живые организмы по степени родства. Благодаря коллекциям этих остатков у нас в распоряжении имеется обширная библиотека, или каталог, разных периодов истории Земли и жизни на ней. Теперь мы можем приблизительно оценить, когда происходили важнейшие изменения. Вы интересуетесь происхождением млекопитающих? Обратитесь к породам времени, называемого ранней мезозойской эрой. Геохимический анализ говорит нам, что этим породам где-то около 210 миллионов лет. Интересуетесь происхождением приматов? Обратитесь к меловому периоду, к породам, залегающим выше, возраст которых порядка 80 миллионов лет.
Порядок залегания ископаемых остатков в горных породах Земли дает нам богатый материал для изучения нашей связи со всей остальной жизнью. Если бы в породах, которым около 600 миллионов лет, мы нашли остатки древнейших медуз, залегающие по соседству со скелетом сурка, нам пришлось бы переписать наши учебники, потому что это означало бы, что первый сурок появился в палеонтологической летописи раньше древнейших известных млекопитающих, рептилий и рыб – даже раньше первых червей. Более того, этот древний сурок показал бы нам, что значительная часть того, что, как нам кажется, мы знаем об истории Земли и жизни на ней, не соответствует действительности. Однако, несмотря на то что люди уже больше 150 лет ищут ископаемые остатки древних организмов на всех материках и во всех доступных слоях горных пород, ничего подобного этому сурку никогда не находили.
Теперь вернемся к проблеме поиска родственников первых рыб, которые вышли на сушу. В нашей трехуровневой схеме эти существа должны находиться где-то между “всеми” и “всеми с четырьмя конечностями”. Соотнесем это с тем, что нам известно о горных породах, и придем к выводу, что геологические данные указывают нам на промежуток времени от 380 до 365 миллионов лет назад. Близкие этому промежутку более молодые породы, которым около 360 миллионов лет, содержат ископаемые остатки различных животных, в которых все мы узнали бы амфибий (земноводных) и рептилий (пресмыкающихся). Моя коллега Дженни Клэк из Кембриджского университета и некоторые другие палеонтологи нашли остатки амфибий в Гренландии в породах, которым около 365 миллионов лет. Их шея, органы слуха и четыре ноги делают их непохожими на рыб. Но в породах возрастом около 385 миллионов лет мы находим остатки настоящих рыб, которые и похожи на рыб. У них были плавники, голова конической формы и чешуя, а шеи не было. Учитывая эти обстоятельства, неудивительно, что мы обратили особое внимание на породы возрастом около 375 миллионов лет, чтобы найти переходные формы между рыбами и наземными позвоночными животными.
Итак, мы определились с промежутком времени, который хотим исследовать, а значит, и с теми слоями геологической колонки, в которых нужно искать. Теперь наша задача состоит в том, чтобы найти породы, сформировавшиеся при таких условиях, что в них могут залегать ископаемые остатки живых организмов. Вулканические породы нам в целом не подходят. Ни одна известная нам рыба жить в лаве не может. Даже если бы такая рыба существовала, остатки ее костей не выдержали бы страшного перегрева, необходимого для формирования базальтов, риолитов, гранитов и других магматических пород. Мы можем также отбросить метаморфические породы, такие как кристаллический сланец и мрамор, потому что с начала своего образования они претерпели или перенагрев, или воздействие крайне высокого давления. Какие бы ископаемые остатки в них ни залегали, они давно пропали. Идеально для захоронения остатков живых организмов подходят осадочные породы: известняки, песчаники, алевролиты и глинистые сланцы. По сравнению с вулканическими и метаморфическими породами эти породы возникли в менее экстремальных условиях, в том числе на дне рек, озер и морей. В таких средах могут обитать животные, и, что не менее важно, в них происходят процессы осадконакопления, в ходе которых и образуются осадочные породы, где с большой вероятностью сохраняются ископаемые остатки. К примеру, в океане или в озере из толщи воды на дно постоянно оседают различные частицы. Со временем, по мере накопления этих частиц, их начинают сдавливать новые, более высокие слои. Постепенное сдавливание в сочетании с химическими процессами, происходящими внутри этих пород в течение долгого времени, дает скелетам, заключенным в таких породах, неплохие шансы сохраниться в виде ископаемых остатков (фоссилизироваться). Сходные процессы происходят в реках и в их долинах. Общее правило здесь таково: чем медленнее река или ручей, тем лучше сохраняются ископаемые.
У каждого лежащего на земле камня есть своя история – история о мире в те времена, когда сформировалась порода, из которой этот камень состоит. Внутри камня хранятся сведения о былом климате и об условиях, часто сильно отличающихся от тех, в которых он находится сегодня. Пропасть между теми и другими может быть почти немыслимо глубока. Возьмем такой исключительный пример, как гора Эверест, у вершины которой, на высоте почти девяти километров, залегают породы, когда-то находившиеся на дне древнего моря. На Северной стене, практически в пределах прямой видимости со знаменитой Ступени Хиллари, можно найти ископаемые морские раковины. Подобный контраст между настоящим и прошлым есть и в Арктике, где мы работаем. Зимой морозы здесь нередко достигают минус сорока градусов по Цельсию. Однако в некоторых из горных пород в этих краях заключены остатки организмов, обитавших в древней тропической дельте, чем-то похожей на дельту Амазонки. Растения и рыбы, остатки которых мы здесь находим, могли жить только в теплом и влажном климате. Находки на огромных высотах и на Крайнем Севере ископаемых видов, приспособленных к жизни в тепле, свидетельствуют о том, как сильно может меняться наша планета: на ней вырастают и разрушаются горы, климат становится то теплее, то прохладнее, а континенты непрестанно движутся. Полученные на сегодня представления о том, за какое огромное время происходили эти необычайные изменения, позволяют нам использовать такого рода сведения, организуя новые экспедиции для охоты за ископаемыми.
Итак, если мы хотим разобраться в происхождении наземных позвоночных животных, нам надо обратить особое внимание на породы, возраст которых составляет примерно от 375 до 380 миллионов лет и которые сформировались в океанах, озерах или реках. Исключим из рассмотрения вулканические и метаморфические породы, и круг мест, где мы можем надеяться найти то, что ищем, еще больше сузится.
Мы проделали пока лишь часть работы, необходимой для планирования новой экспедиции. Нам не подходят осадочные породы указанного возраста, залегающие глубоко под землей или где-нибудь под полями, торговыми комплексами или городами. Здесь нам пришлось бы копать вслепую. Нетрудно представить, насколько мала вероятность успеха, если мы просто примемся бурить землю в первом попавшемся месте в расчете обнаружить ископаемые. Это примерно как стрелять по мишени в полной темноте.
Лучше всего искать ископаемые в таких местах, где можно многие километры идти по обнаженным горным породам в поисках участков, и где из-за выветривания на поверхности оказались заключенные в геологических слоях кости. Ископаемые остатки костей нередко тверже, чем окружающая их порода, поэтому их разрушение под действием эрозии идет несколько медленнее и на поверхности породы проступают выпуклые очертания этих костей. Идя по обнаженной породе, мы можем найти на ее поверхности следы костей и начать раскопки в этом месте.
Вот мы и получили рецепт новой экспедиции за ископаемыми: нужно найти породы определенного возраста, определенного типа (осадочные) и залегающие открыто, и можно браться за дело. Для охоты за ископаемыми идеальны районы, где мало почвы, растительности и следов деятельности человека. Принимая все это во внимание, разве удивительно, что значительная часть открытий совершается в пустынях? В пустыне Гоби. В пустыне Сахара. В штате Юта. В полярных пустынях – например в Гренландии.
Все это звучит вполне логично, но не будем забывать и еще об одном факторе – везении. По правде говоря, именно везение помогло нашей группе выйти на след той самой рыбы. Наши первые важные открытия были сделаны не в пустыне, а у обочины дороги в Пенсильвании, где породы отнюдь не залегают открыто. И вдобавок нам пришлось искать там лишь потому, что у нас было довольно мало денег.
Чтобы отправиться в Гренландию или в Сахару, нужно довольно много денег и времени. А на исследования где-нибудь неподалеку, напротив, не требуется больших научных грантов, только деньги на бензин и платные автострады. Для аспиранта или молодого преподавателя колледжа этот фактор может играть ключевую роль. Когда я устроился на свою первую работу в Филадельфии, меня особенно интересовала группа горных пород, известная под собирательным названием “пенсильванская формация Кэтскилл”. Эту формацию интенсивно изучают уже более 150 лет. Ее возраст хорошо известен, он охватывает поздний девонский период. Кроме того, эти породы прекрасно подходят для того, чтобы в них сохранились древнейшие наземные позвоночные и их ближайшие родственники. Чтобы понять почему, надо представить себе, как выглядела Пенсильвания в девонский период. Давайте выбросим из головы образы Филадельфии, Питтсбурга и Гаррисберга и представим что-то вроде дельты Амазонки. В восточной части штата располагалось нагорье. Несколько больших рек стекали с этого нагорья на запад и впадали в обширное море, которое плескалось там, где сейчас стоит Питтсбург.
Для поиска ископаемых лучше не придумаешь, если не считать того, что сегодня Пенсильвания вся покрыта населенными пунктами, лесами и полями. Обнажения горных пород встречаются в основном лишь там, где работники Пенсильванского департамента транспорта решили построить большие дороги. А для строительства дорог они используют взрывы, и эти взрывы обнажают горные породы. Обычно это не самые подходящие обнажения, но за неимением лучших приходится пользоваться ими. Занимаясь недорогой наукой, получаешь то, что можешь себе позволить.
По обочинам дорог в Пенсильвании мы искали то, что осталось от древней дельты реки, во многом похожей на сегодняшнюю Амазонку. Штат Пенсильвания (внизу) и схема его топографии в девоне (вверху).
Сопутствовало нам и везение другого рода: в 1993 году ко мне приехал Тед Дешлер, который стал заниматься палеонтологией под моим руководством. Это сотрудничество изменило жизнь каждого из нас. У нас совсем разные характеры, и поэтому мы прекрасно дополняем друг друга: мне никогда не сидится на месте, и я все время думаю о том, где мы будем искать дальше, а Тед терпелив и знает, когда нужно остановиться и копать, чтобы не пропустить золотую жилу. Мы с Тедом начали исследовать девонские породы в Пенсильвании в надежде найти новые материалы о происхождении конечностей наземных позвоночных. Начали мы с того, что отправлялись на машине чуть ли не во всякое место на востоке штата, где проводилась выемка грунта под дорогу. К немалому нашему удивлению, вскоре после того, как мы начали свои исследования, Тед нашел великолепную ископаемую лопатку. Мы назвали ее обладателя Hynerpeton (хайнерпетон), что переводится с греческого как “маленькое ползающее на брюхе животное из Хайнера”. Хайнер (Hyner) – это название ближайшего городка. Hynerpeton имел очень мощную лопатку, из чего можно заключить, что у этого существа, скорее всего, были сильные конечности. К сожалению, нам так и не удалось найти полный скелет этого животного. Количество обнажений, которые нам удалось исследовать, было ограничено. Чем ограничено? Вы угадали: растительностью, домами и торговыми комплексами.
После открытия хайнерпетона и некоторых других ископаемых из этих пород нам с Тедом не терпелось взяться за породы, которые были бы лучше обнажены. Если бы мы построили всю свою научную деятельность на добывании жалких фрагментов, мы смогли бы работать над очень ограниченным набором проблем. Поэтому мы решили действовать “по учебнику” – искать хорошо обнаженные породы нужного нам возраста и типа в пустынях. И надо сказать, мы никогда бы не сделали важнейшего открытия в своей жизни, если бы не учебник по основам геологии.
Поначалу мы собирались поехать в экспедицию на Аляску или в Юкон, во многом потому, что в интересующей нас области там уже были сделаны открытия другими группами палеонтологов. В итоге у нас разгорелся спор о некоторых эзотерических геологических знаниях, и в пылу спора один из нас взял со стола тот счастливый учебник геологии. Пролистывая его, чтобы узнать, кто из нас прав, мы наткнулись на одну карту – и прямо остолбенели. На ней было нанесено все, что мы искали.
Мы тут же перестали спорить и стали заново планировать свою экспедицию.
Исходя из известных на тот момент находок, сделанных в немного менее древних породах, мы считали, что нашу охоту лучше всего начать в отложениях древних рек. На карте в учебнике были показаны три области залегания девонских пресноводных отложений, каждое из которых соответствовало системе речных дельт. Первая область – восточное побережье Гренландии. Здесь Дженни Клэк нашла свое ископаемое – очень древнее существо с четырьмя конечностями, одно из древнейших известных наземных позвоночных (или тетрапод, то есть четвероногих). Вторая – восточное побережье Северной Америки, где мы уже работали и нашли лопатку хайнерпетона. Но была еще и третья область, обширная территория, протянувшаяся с востока на запад по арктическим островам Канады. В Арктике нет деревьев, мусора и городов. Это дает хорошие шансы на то, что породы нужного нам возраста будут обнажены на большой площади.
Обнажения в канадской Арктике были уже хорошо известны, особенно канадским геологам и палеоботаникам, которые к тому же закартировали эти обнажения. Более того, Эштон Эмбри, руководитель нескольких групп, выполнивших значительную часть этой работы, писал, что по многим геологическим характеристикам канадские девонские породы ничем не отличаются от пород, залегающих в Пенсильвании. Мы с Тедом готовы были собирать рюкзаки в ту же минуту, как прочитали эту фразу. Уроки, выученные на дорогах Пенсильвании, вполне могли пригодиться нам на Крайнем Севере Канады.
Примечательно, что канадские девонские породы даже старше, чем породы Гренландии и Пенсильвании. Так что эта область подходила нам по всем трем критериям: возраст пород, их тип и их обнаженность. А еще, что было и вовсе замечательно, эта территория не была исследована палеонтологами-“позвоночниками” (специалистами по позвоночным животным), а потому и не разведана на предмет ископаемых.
Наши новые задачи сильно отличались от тех, что стояли перед нами в Пенсильвании. Работая у автострад в Пенсильвании, мы рисковали погибнуть под колесами грузовиков, которые проносились мимо, пока мы искали своих ископаемых. В Арктике мы рисковали быть съеденными белыми медведями, израсходовать запасы пищи или оказаться отрезанными от людей из-за плохой погоды. Там у нас больше не будет возможности набрать с собой бутербродов и ехать на машине за ископаемыми. Теперь нам придется тратить не меньше восьми дней на планирование каждого дня работы в поле, потому что до нужных нам пород теперь можно добраться только по воздуху, а ближайшая база снабжения находится в 400 километрах. Мы можем привезти с собой лишь необходимое количество еды и оборудования плюс небольшой неприкосновенный запас. И, что еще более важно, строгие ограничения на вес самолета позволят нам забрать с собой лишь малую долю обнаруженных на месте ископаемых. Прибавьте к этим ограничениям тот краткий промежуток времени, в течение которого мы могли нормально работать каждый год в условиях Арктики, и вы убедитесь, что нам предстояли совершенно новые и весьма обескураживающие трудности.
Карта, с которой все и началось. На этой карте Северной Америки показано как раз то, что мы искали. Различной штриховкой обозначены породы девонского периода, как морские, так и пресноводные.
Стрелки указывают три области, которые когда-то были речными дельтами. Воспроизведено с изменениями по рис. 13.1 из книги: R.H. Dott and R.L. Batten, Evolution of the Earth (New York: McGraw-Hill, 1988).
Публикуется с разрешения издательства McGraw-Hill.
Здесь в дело вступил мой бывший научный руководитель из Гарварда, доктор Фэриш Дженкинс-младший. Он много лет возглавлял экспедиции в Гренландию и обладал опытом, необходимым для осуществления нашего рискованного предприятия. И вот вся наша команда в сборе. Представители трех академических поколений – Тед, мой бывший студент, Фэриш, мой бывший руководитель, и я – собирались отправиться в Арктику, чтобы попытаться найти ископаемые свидетельства перехода от рыб к наземным животным.
Практического руководства по занятию палеонтологией в Арктике не существует. Снаряжаясь в экспедицию, мы полагались на советы друзей и коллег. Мы также читали книги, которые лишь убеждали нас в том, что решительно ничто не поможет нам подготовиться к непосредственному опыту такой работы. Никогда подобные вещи не ощущаются столь же остро, как когда вас впервые высаживают с вертолета в каком-нибудь Богом забытом уголке Арктики. Первая мысль, которая тут же приходит на ум, – белые медведи. Несчетное число раз я обозревал окрестности в поисках движущихся белых пятнышек. Если все время об этом думать, можно что-нибудь и увидеть. В первую неделю нашей работы в Арктике один из членов нашей группы заметил одно такое пятнышко. По виду это был белый медведь на расстоянии где-то в полкилометра. Мы, как герои полицейской комедии, в суматохе стали хвататься за оружие, сигнальные ракеты и свистки, пока не разглядели, что наш медведь был на самом деле белым полярным зайцем метрах в шестидесяти от нас. В Арктике нет домов и деревьев, чтобы правильно оценить расстояние, и зрение легко нас обманывает.
Арктика – большой и пустынный край. Обнажения нужных нам пород простираются здесь на расстояние около полутора тысяч километров. А ископаемые животные, которых мы искали, были длиной порядка метра с небольшим. Нам надо было как-то найти на этих просторах небольшой участок породы, содержащий нужное нам ископаемое. Среди рецензентов заявок на гранты попадаются люди совершенно беспощадные. Они всегда указывают в своих рецензиях на данное затруднение. Лучше всех об этом написал рецензент одной из первых заявок Фэриша на исследования в Арктике. Как было сказано в его рецензии (должен заметить, не особенно доброжелательной), шансы найти в Арктике новых ископаемых “еще меньше, чем найти пресловутую иголку в стоге сена”.
Нам понадобилось четыре экспедиции на остров Элсмир и более шести лет исследований, чтобы найти нашу иголку. Это к вопросу о везении.
Наш лагерь (вверху) кажется крошечным на фоне окружающего ландшафта. Мой летний дом (внизу) – небольшая палатка, обычно обложенная камнями, чтобы защитить ее от ветров, которые могут дуть здесь со скоростью больше двадцати метров в секунду. Фото автора.
Стараясь учиться на своих ошибках, мы нашли то, что искали, после многих попыток и неудач. Вначале, в полевой сезон 1999 года, мы добывали ископаемых далеко на западе канадской Арктики, на острове Мелвилл. Тогда мы еще не знали этого, но нас высадили на дне древнего океана. В породах было полно ископаемых, и мы нашли в ней остатки множества разных рыб. Беда была в том, что все они были, по-видимому, глубоководные, совсем не такие, как нужные нам обитатели речных или озерных мелководий, от которых произошли наземные позвоночные. Пользуясь данными геологического анализа, проведенного Эштоном Эмбри, в 2000 году мы решили перенести нашу экспедицию к востоку, на остров Элсмир, потому что там мы ожидали найти породы, образовавшиеся из отложений древних рек. Вскоре мы начали находить там сохранившиеся в ископаемом виде кусочки рыбьих костей размером с четвертак[1].
Настоящий прорыв произошел под конец полевого сезона 2000 года. Было это прямо перед ужином, где-то за неделю до того, как нас должны были забирать для возвращения домой. Отряд уже вернулся в лагерь, и мы занимались обычными вечерними делами: разбирали собранные за день материалы, делали полевые заметки и уже начинали организовывать ужин. Джейсон Даунс, тогда студент колледжа, увлеченный палеонтологией, в лагерь вовремя не вернулся. Это был повод для тревоги, потому что обычно мы не ходим поодиночке, а если и расходимся, то четко договариваемся о том, когда и где каждый снова даст о себе знать. Нельзя полагаться на случай в местах, где живут белые медведи и неожиданно может накатить буря. Помнится, я сидел в главной палатке вместе со всеми, и с каждой минутой наша тревога за Джейсона нарастала. Когда мы уже начали планировать поисковые работы, я услышал звук расстегиваемой молнии на входе в палатку. Первым, что я увидел, была голова Джейсона. Когда он весь забрался внутрь, мы сразу поняли, что дело было не в белых медведях: ружье по-прежнему висело у него за плечом. Нам стало ясно, почему он задержался: трясущимися руками он стал доставать горсть за горстью ископаемые кости, которыми были набиты все карманы его одежды – куртки, брюк, рубашки, – а также его маленький рюкзак. Думаю, он напихал бы их и в носки, и в ботинки, если бы смог в таком виде добраться до лагеря. Все эти небольшие кости были собраны им на поверхности небольшого участка породы размером с место для парковки малолитражки, на расстоянии полутора километров от лагеря. Ужин мог подождать.
В Арктике летом круглые сутки светло, поэтому нам нечего было беспокоиться о наступлении темноты. Мы прихватили с собой несколько плиток шоколада и отправились на место, которое нашел Джейсон. Располагалось оно на склоне холма между двумя прекрасными речными долинами и, как и говорил Джейсон, было как ковром покрыто ископаемыми рыбьими костями. Мы провели несколько часов за сбором фрагментов этих костей, фотографированием и обсуждением дальнейших планов. Это место обладало всеми нужными нам свойствами. На следующий день мы вернулись туда с новой задачей – найти тот конкретный слой породы, в котором залегали эти кости.
Вот где мы работаем: южная часть острова Элсмир, территория Нунавут (Канада), полторы тысячи километров к югу от северного полюса.
Самое сложное заключалось в том, чтобы установить источник собранных Джейсоном обломков. Только так мы могли надеяться найти целый скелет. Но с условиями Крайнего Севера просто беда: каждую зиму температуры достигают минус сорока по Цельсию. Летом, когда солнце вовсе не опускается за горизонт, температура поднимается почти до плюс 10. Такие циклы замерзания и оттаивания приводят к тому, что обнаженные горные породы и заключенные в них ископаемые остатки растрескиваются. Каждую зиму они охлаждаются и сжимаются, каждое лето – нагреваются и расширяются. За тысячи лет таких расширений и сжатий ископаемые в породе у поверхности распадаются на фрагменты. Столкнувшись с валяющимися в беспорядке на склоне холма обломками, мы не могли с ходу сказать, какой именно слой послужил их источником. Несколько дней подряд мы пытались отследить путь этих обломков, копали пробные шурфы, пользовались нашими геологическими молотками, как лозоходцы лозой, чтобы разобраться в том, из какой же части склона происходили эти кости. Через четыре дня мы наконец нашли этот слой и в итоге обнаружили множество скелетов ископаемых рыб, нередко лежащих один на другом. Два следующих лета были во многом посвящены тому, чтобы извлечь эти скелеты из породы.
И вновь неудача: все обнаруженные нами рыбы относились к хорошо известным видам, собранным в местах, где залегают близкие по возрасту породы, в Восточной Европе. А кроме того, эти рыбы были довольно далекими родственниками наземных позвоночных. В 2004 году мы решили сделать еще одну попытку. Положение у нас было – или пан, или пропал. Расходы на наши арктические изыскания были непомерно высоки, и если бы нам не удалось найти ничего примечательного, от дальнейших поисков пришлось бы отказаться.
Все изменилось за четыре дня в начале июля 2004 года. Я переворачивал камни на дне карьера, где приходилось чаще колоть лед, чем породу. В одном месте, проломив лед, я увидел картину, которой никогда не забуду: участок, покрытый чешуей, не похожей ни на что из того, что мы до сих пор находили в этом карьере. По соседству с этим участком я заметил выпуклость, тоже покрытую льдом. Она напоминала челюсти. Но эти челюсти не были похожи на челюсти ни одной из виденных мной рыб. Похоже, что голова, которая несла эти челюсти, была плоской.
На следующий день мой коллега Стив Гейтси переворачивал камни в верхней части того же карьера. Из одного извлеченного им камня на него уставилось рыло ископаемой рыбы. Как и у рыбы, обнаруженной мною на дне карьера, у нее была плоская голова. Такого мы раньше не находили, и это было важно. Но еще важнее было то, что находка Стива, в отличие от моей, была многообещающей. Перед нами был передний конец тела, а значит, если повезет, остальной скелет может быть заключен в глубине каменного склона. Остаток лета Стив провел за постепенным извлечением фрагментов породы, чтобы мы могли привезти ископаемый скелет в лабораторию и очистить его. Благодаря мастерству, с которым Стив выполнил эту работу, был добыт один из лучших известных образцов ископаемых, отражающих выход позвоночных на сушу.
Процесс поиска ископаемых начинается с постепенного извлечения фрагментов породы. На этих фотографиях показаны этапы извлечения ископаемых остатков и их транспортировки с поля в лабораторию, где образец тщательно очищается от лишней породы, и перед нами предстает скелет животного, ранее не известного науке. Слева вверху – фото автора, остальные любезно предоставил Тед Дешлер (Академия естественных наук Филадельфии).
Образцы, которые мы привезли с собой в лабораторию, в целом выглядели как каменные глыбы, внутри которых были заключены ископаемые остатки. В течение двух месяцев препараторы постепенно, по кусочкам удаляли породу, часто вручную, используя зубоврачебное оборудование и зубочистки. Каждый день открывал нам новые подробности строения этого ископаемого. Едва ли не всякий раз, когда обнажался новый большой участок его скелета, мы узнавали что-то новое о происхождении наземных позвоночных.
Ископаемое, которое постепенно открывалось нашим взорам осенью 2004 года, представляло собой прекрасную промежуточную форму между рыбами и наземными позвоночными. Между этими группами животных есть немалая разница. Голова у рыб коническая, в то время как у древнейших наземных позвоночных головы были плоские, с глазами наверху, как у крокодилов. У рыб нет шеи, их лопатки прикреплены к черепу рядом костных пластинок. У древнейших наземных позвоночных, как и у всех их потомков, шея имеется, то есть голова может двигаться независимо от лопаток и плечевого пояса конечностей.
Есть и другие существенные отличия. У рыб все тело покрыто чешуей, а у наземных позвоночных нет. Кроме того, что немаловажно, у рыб есть плавники, в то время как у наземных позвоночных имеются две пары конечностей, оканчивающихся и запястьем, и лодыжкой (на конечностях передней и задней пары соответственно), и пальцами. Список отличий рыб от наземных позвоночных можно продолжать и дальше.
Но открытое нами существо стирало грань между этими двумя группами животных. Как рыба, оно было покрыто чешуей и имело перепончатые плавники. Но голова у него была плоской, как у наземных позвоночных, а еще у него была шея. Внутри передней пары его плавников находились кости, соответствующие плечевой, локтевой и лучевой и даже некоторым костям запястья. Эти кости были к тому же соединены суставами: перед нами была рыба с плечевым, локтевым и лучезапястным суставами!
Почти все черты, общие для этого существа и для наземных позвоночных, весьма примитивны. К примеру, его плечевая кость по форме и строению отчасти похожа на рыбью, а отчасти – на плечевую кость амфибий. То же относится к строению черепа и лопаток.
Нам потребовалось шесть лет, чтобы найти это ископаемое, но эта находка подтвердила наше палеонтологическое предсказание: открытая нами рыба не только занимала промежуточное положение между двумя разными группами животных, она также была обнаружена в отложениях определенного периода истории Земли, сформировавшихся в определенной среде. Как мы и ожидали, мы нашли это ископаемое в породах возрастом около 375 миллионов лет, образованных отложениями древней реки.
Рисунок говорит сам за себя. Тиктаалик – переходное звено между рыбами и примитивными наземными животными.
Как первооткрыватели этого существа Тед, Фэриш и я имели почетное право дать ему формальное научное название. Нам хотелось, чтобы название отражало происхождение этой рыбы с арктической территории Нунавут, отдавая наш долг эскимосскому народу за право работать на его земле. Мы связались с советом старейшин Нунавута, официально называющимся Inuit Qaujimajatuqangit Katimajiit, с просьбой предложить название этому существу на эскимосском языке инуктитут. Конечно, меня беспокоило, что совет с таким названием предложит нам слово, которое мы будем не в состоянии произнести. Я послал им изображение этого ископаемого, и старейшины предложили два варианта: Siksagiaq и Tiktaalik. Мы выбрали Tiktaalik – потому, что это слово сравнительно легко произнести человеку, не говорящему по-эскимосски, а еще из-за того, что на языке инуктитут оно означает “крупная пресноводная рыба”.
На следующий день после того, как в апреле 2006 года мы объявили о своем открытии, во многих газетах вышли статьи, посвященные тиктаалику, и даже в таких солидных изданиях, как New York Times, о нем писали с большими заголовками. Из-за всеобщего внимания к нашей находке мне довелось пережить самую странную неделю в моей обычно спокойной жизни. Но для меня самым ярким моментом всей этой шумихи стали не посвященные тиктаалику карикатуры, не редакционные статьи и не бурное обсуждение в блогах. Самое лучшее впечатление было связано с детским садом моего сына.
Посреди поднятого газетами шума воспитательница моего сына попросила меня принести в детский сад это ископаемое и рассказать о нем. Я послушно принес на занятия группы Натаниэла слепок тиктаалика, мысленно готовясь к тому, какой хаос мне придется пережить. Но двадцать четырехлетних и пятилетних детей вели себя на удивление хорошо, пока я рассказывал им, как мы работали в Арктике, чтобы найти это ископаемое, и показывал его острые зубы. Затем я задал им вопрос: “Кто это, как вы думаете?” Поднялось немало рук. Первый ребенок ответил, что это крокодил или аллигатор. Когда я спросил почему, он сказал, что у этого животного плоская голова с глазами наверху, как у крокодила. Еще большие зубы. Другие дети стали выражать несогласие. Выбрав одного из тех, кто поднял руку, я услышал: “Не-не, это не крокодил, это рыба, ведь у нее чешуя и плавники!” А еще один ребенок крикнул: “А может, это и то и другое сразу?” Вот о чем нам говорит тиктаалик – и говорит так недвусмысленно, что это поняли даже ребята из детского сада.
Но тиктаалик может поведать нам и нечто более глубокое. Эта рыба позволяет узнать новое не только о рыбах – в ней есть также что-то и от нас самих. В первую очередь именно поиск этой связи и привел меня в Арктику
Путь развития скелета передних конечностей – от рыб до собак и людей.
Откуда у меня такая уверенность в том, что это ископаемое что-то говорит о моем собственном теле? Рассмотрим шею тиктаалика. У всех рыб, живших до него, был набор костей, с помощью которых череп был соединен с плечевым поясом, так что всякий раз, когда рыба поворачивала тело, вместе с ним поворачивалась и голова. А тиктаалик не такой. У него голова не соединена с плечевым поясом. Такое строение объединяет его с амфибиями, рептилиями, птицами и млекопитающими, к которым относимся и мы сами. Переход от рыб к этим животным начался, когда рыбы вроде тиктаалика утратили несколько маленьких косточек.
Можно сходным образом проанализировать развитие костей запястья, ребер, слуховых косточек и других частей нашего скелета – все эти части развились из структур рыб вроде тиктаалика. Это ископаемое – такая же часть нашей истории, как африканские гоминиды, например австралопитек афарский (Australopithecus afarensis) – знаменитая Люси. Изучая Люси, мы разбираемся в истории нас как продвинутых приматов. Изучая тиктаалика, мы разбираемся в истории нас как потомков рыб.
Итак, что мы узнали? В нашем мире царит такой высокий порядок, что прогулку по зоопарку можно использовать, чтобы предугадать, какого рода ископаемые будут обнаружены в тех или иных слоях горных пород, залегающих по всему свету. Такие предсказания могут позволить найти ископаемых, свидетельствующих о важных событиях в древней истории жизни на нашей планете. Следы этих событий записаны внутри нас в виде черт нашего строения.
О чем я еще не сказал, так это о том, что проследить нашу историю можно также по генам, то есть с помощью ДНК. Эти сведения о нашем прошлом не хранятся в горных породах – они хранятся в каждой клетке нашего тела. Мы воспользуемся и ископаемыми, и генами, чтобы разобраться в своей истории – в истории возникновения наших тел.
Глава 2
Откуда такая хватка
Увиденное на практических занятиях по анатомии человека невозможно забыть. Представьте себе, что вы заходите в комнату, где вам предстоит в течение нескольких месяцев разбирать человеческие тела по частям, слой за слоем, орган за органом, а также выучить десятки тысяч названий.
За месяцы перед тем, как мне впервые пришлось препарировать тело человека, я старался подготовиться к тому, что увижу, как на это отреагирую и что почувствую. Оказалось, что мир моего воображения нисколько не подготовил меня к этому опыту. Тот момент, когда мы сняли простыню и впервые увидели мертвое тело, был совсем не таким напряженным, как я ожидал. Нам предстояло вскрыть грудную клетку, поэтому мы обнажили ее, оставив голову, руки и ноги закрытыми пропитанной фиксирующей жидкостью марлей. Ткани этого тела казались не такими уж человеческими. Обработанное рядом фиксирующих растворов, тело не кровоточило в местах разрезов, а кожа и внутренние органы имели консистенцию резины. Я начал думать, что труп больше похож на куклу, чем на человека. Прошло несколько недель, в течение которых мы исследовали органы грудной клетки и брюшной полости. Мне казалось, что я уже достиг некоторого профессионализма. После изучения большинства внутренних органов во мне развилась уверенность в себе, основанная на всем полученном опыте. Я уже много раз своими руками резал и препарировал и выучил анатомию большинства основных органов. Все это делалось механически, бесстрастно, по-научному.
Эти приятные иллюзии полностью рухнули, когда дело дошло до кистей рук. Когда я освободил от марли пальцы и впервые увидел суставы, подушечки пальцев и ногти трупа, во мне высвободились эмоции, которые никак не проявляли себя в последние несколько недель. Это была не кукла, не манекен – когда-то это был живой человек, который носил что-то в этой руке и кого-то ею ласкал! Внезапно механическое занятие, препарирование, стало чем-то прочувствованным и глубоко личным. До этого момента я не испытывал к этому мертвому телу ничего. Я уже доставал из него желудок, желчный пузырь и другие органы, но какой душевно здоровый человек почувствует себя по-человечески связанным с другим при виде желчного пузыря?
Что такого есть в руке, что она кажется квинтэссенцией человеческого? Наверное, на этот вопрос можно ответить так: рука – это явная связь между нами, это символ того, что мы есть и чего можем достичь. Наша способность хватать, держать, строить и воплощать свои замыслы заключена в этом наборе костей, мышц, нервов и сосудов.
Общий план строения конечностей позвоночных животных: одна кость, за ней две кости, за ними маленькие косточки запястья или лодыжки, за ними пальцы.
Первое, что бросается в глаза, когда видишь человеческую руку изнутри, – это ее компактность. Возвышение большого пальца (тенар) содержит четыре разных мышцы. Повертите большим пальцем и наклоните кисть, и одновременно слаженно заработают десять мышц и по крайней мере шесть костей. Внутри запястья не меньше восьми маленьких косточек задвигаются друг относительно друга. Сгибая кисть, вы используете несколько мышц, которые начинаются у локтя, переходят в сухожилия и заканчиваются внутри ладони. Даже самые простые движения предполагают сложное взаимодействие разных структур, заключенных в небольшом пространстве руки.
Сложность и поразительная человечность наших рук уже давно вызывают интерес и восторг ученых. В 1822 году выдающийся шотландский хирург сэр Чарльз Белл написал классическую книгу об анатомии кистей рук. Ее заголовком уже все сказано: “Рука, ее механизм и важнейшие функции как свидетельство высшего замысла”. По мнению Белла, строение руки совершенно, потому что она сложна и как нельзя лучше приспособлена для нашего образа жизни. Ему представлялось, что такой совершенный замысел мог иметь лишь божественное происхождение.
Одним из ведущих ученых, занимавшихся поиском божественного порядка в наших телах, был великий анатом сэр Ричард Оуэн. Ему повезло быть анатомом в середине XIX века, когда науке еще предстояло открыть в удаленных уголках Земли немало групп животных, совершенно неизвестных ранее. По мере того как европейцы исследовали новые районы нашей планеты, в лаборатории и музеи попадали самые разнообразные экзотические существа. Оуэн впервые описал строение гориллы по экземпляру, привезенному из экспедиции в центральную Африку. Он впервые предложил термин “динозавр” – так он назвал ранее неизвестную группу ископаемых, одно из которых было обнаружено в Англии. Изучение всех этих причудливых созданий позволило ему увидеть определенный порядок в кажущемся хаосе биологического разнообразия.
Оуэн открыл, что наши руки и ноги, в том числе кисти и ступни, соответствуют некой общей для многих животных схеме. Анатомы и задолго до Оуэна знали схему строения скелета человеческой руки: одна плечевая кость, две кости предплечья, набор из девяти маленьких косточек запястья и пять пальцев, состоящих из нескольких последовательно соединенных костей. Скелет ноги устроен сходным образом: одна кость, две кости, много маленьких косточек и пять пальцев. Сравнивая эту схему со схемой строения разнообразных скелетов, привезенных со всего света, Оуэн сделал замечательное открытие.
Гений Оуэна проявился не в том, что он выявил различия между разными скелетами. Он открыл и впоследствии пропагандировал в своих лекциях и книгах черты исключительного сходства в строении таких непохожих существ, как лягушки и люди. У всех представителей наземных позвоночных конечности, будь то крылья, ласты, ноги или руки, принципиально устроены одинаково. Одна кость, плечевая в передних конечностях и бедренная в задних, соединена суставом с двумя костями, которые в свою очередь соединяются с рядом маленьких косточек, которые соединяются с костями пальцев. Такова схема строения любых конечностей наземных позвоночных. Хотите получить крыло летучей мыши? Сделайте пальцы очень длинными. Ногу лошади? Удлините средний палец и сократите остальные. Ногу лягушки? Удлините кости ноги и срастите некоторые из них друг с другом. Различия между скелетами этих существ состоят в форме и размере костей, а также в числе пальцев и косточек, с которыми они соединяются. Несмотря на существенные изменения функций и облика конечностей, принципиальный план их строения всегда остается одним и тем же.
Открытие общего плана строения конечностей было для Оуэна лишь первым этапом. Исследуя черепа и позвоночники, да и весь скелет разных животных, он везде обнаружил то же самое. Существует фундаментальный план строения скелета, общий для всех позвоночных. Лягушки, летучие мыши, люди и ящерицы представляют собой вариации на одну и ту же тему. По мнению Оуэна, эта тема есть не что иное, как божественный замысел Создателя.
Вскоре после того, как Оуэн опубликовал свои выводы в классической монографии “О природе конечностей”, Чарльз Дарвин нашел этим фактам изящное объяснение. Причина, по которой крыло летучей мыши и рука человека обладают общей схемой строения, состоит в том, что летучие мыши и люди происходят от общего предка. То же относится к руке человека и крылу птицы, ноге человека и ноге лягушки – и к любым конечностям любых наземных позвоночных. Между теориями Оуэна и Дарвина есть принципиальная разница: теория Дарвина позволяет нам делать довольно точные предсказания. Следуя Дарвину, мы можем ожидать, что описанный Оуэном план имеет историю, которую можно проследить вплоть до существ, у которых вовсе не было конечностей. Где же нам искать истоки этой схемы? Их нужно искать в рыбах и в скелетах их плавников.
Обратимся к рыбам
Во времена Оуэна и Дарвина пропасть между плавниками рыб и конечностями наземных позвоночных казалась почти непреодолимой. Между этими органами нет никакого очевидного сходства. Снаружи плавники большинства рыб оторочены перепонкой. Наши конечности не имеют таких перепонок, как и конечности всех других наземных позвоночных, в том числе вторично вернувшихся в воду. Если мы вскроем плавник и рассмотрим его скелет, сравнивать то, что мы увидим, со строением скелета наших конечностей будет ничуть не проще. У большинства рыб нет ничего, что можно было бы сравнить с выявленной Оуэном схемой (кость – две кости – много косточек – пальцы). У всех наземных позвоночных в основании находится одна длинная кость – плечевая в передних конечностях и бедренная в задних. У рыб весь скелет выглядит совсем по-другому. В основании типичного рыбьего плавника расположено четыре или более костей.
В середине XIX века анатомы впервые познакомились с загадочными рыбами, живущими на южных материках. Одна из первых таких рыб была открыта немецкими учеными, работавшими в Южной Америке. Она похожа на обычную рыбу с плавниками и чешуей, но глубже глотки у нее имеются два больших сосудистых мешка – легкие! И все же у этого существа есть чешуя и плавники. Первооткрыватели этого животного были столь озадачены, что дали ему название Lepidosiren paradoxa, что означает “парадоксальное чешуйчатое земноводное”. Другие рыбы, тоже, как и лепидосирен, наделенные легкими, были вскоре обнаружены в Африке и в Австралии. Они получили название двоякодышащих. Исследователи Африки привезли одну такую рыбу Оуэну. Некоторые ученые, например Томас Гексли и Карл Гегенбаур, находили, что эти рыбы представляют собой что-то вроде гибрида между амфибией и рыбой. Местные жители считали их вкусными.
Схема строения скелетной основы плавников этих рыб, в которой на первый взгляд нет ничего особенного, сыграла в науке немалую роль. В основании их плавников находится всего одна кость, которая крепится к лопатке. Для любого анатома сходство с наземными позвоночными очевидно. У нас тоже есть всего одна плечевая кость, которая крепится к лопатке. Стало быть, двоякодышащие – это рыбы, у которых есть плечевая кость. Примечательно, что эти рыбы, кроме того, обладают легкими. Что это, простое совпадение?
Когда горстка живущих в наши дни видов этой группы стала известна науке XIX века, в распоряжение ученых стали поступать и свидетельства иного рода. Как вы уже, наверное, догадались, речь идет об ископаемых древних рыбах.
Одна из первых таких рыб была обнаружена на берегах полуострова Гаспе в Квебеке (Канада) в породе возрастом около 380 миллионов лет. Этой рыбе дали название Eusthenopteron. У эустеноптерона наблюдалась удивительная смесь признаков рыб и земноводных. Из описанных Оуэном костей конечности (кость – две кости – много косточек – пальцы) плавники эустеноптерона содержали первые два элемента (кость – две кости). Стало быть, у некоторых рыб плавники были устроены подобно конечностям позвоночных. Оуэновский архетип не был извечным божественным свойством жизни. Он развился постепенно, и следы его развития сохранились в породах девонского периода, которые образовались в промежутке между 390 и 360 миллионами лет назад. Это важное открытие определяло новую программу для дальнейших исследований: где-то в породах девонского периода нужно искать свидетельства возникновения пальцев.
В двадцатые годы XX века ископаемые принесли новые сюрпризы. Молодому шведскому палеонтологу Гуннару Саве-Содербергу посчастливилось исследовать восточное побережье Гренландии. В то время там была совершенная terra incognita, но Саве-Содерберг установил, что эта территория необычайно богата девонскими отложениями. Он был одним из немногих палеонтологов-полевиков того времени и благодаря неутомимому духу исследователя и исключительному вниманию к деталям смог добыть за свою недолгую жизнь немало ценных для науки ископаемых. (К сожалению, его жизнь трагически оборвалась: он умер молодым от туберкулеза вскоре после того, как его экспедиции принесли науке ряд поразительных открытий.) В ходе экспедиций, предпринятых в период с 1929 по 1934 год, команда Саве-Содерберга открыла ископаемых, которые в те времена прославились как одно из важнейших недостающих звеньев палеонтологической летописи. Об этом открытии писали газеты всего мира, его высмеивали в карикатурах и обсуждали его важность в редакционных статьях. Открытые группой Саве-Содерберга ископаемые обладали настоящим калейдоскопом признаков – голова и хвост напоминали рыбьи, но конечности были вполне сформированные, как у наземного позвоночного (с развитыми пальцами), а позвонки необычайно похожи на позвонки земноводных. После смерти Саве-Содерберга его друг и коллега Эрик Ярвик описал этих ископаемых, и одно из них получило название Ichthyostega soderberghi (ихтиостега Содерберга) в честь Гуннара Саве-Содерберга.
У большинства рыб (например, у рыбы-зебры, вверху) плавники окружены перепонкой, а в их основании находится много косточек. Двоякодышащие рыбы (вторая сверху) привлекли внимание ученых тем, что у них, как и у нас, в основании конечности располагается одна кость.
Эустеноптерон (второй снизу) показал, как заполнялся промежуток между рыбами и наземными животными: у него уже имеются кости, подобные нашему плечу и предплечью. Акантостега (внизу) повторяет структуру конечности эустеноптерона за тем исключением, что у нее уже наличествуют полностью сформированные фаланги пальцев.
К сожалению, ихтиостега не сильно помогла решению нашей проблемы. По ряду черт строения головы и позвоночника она и правда была весьма примечательной промежуточной формой, но мало говорила о происхождении конечностей, потому что у нее уже были пальцы на ногах, как у всех настоящих амфибий (земноводных). Несколько десятилетий спустя другое открытое Саве-Содербергом ископаемое, которому, когда о нем было объявлено, не уделили особого внимания, позволило сильно продвинуться в решении вопроса о происхождении конечностей наземных позвоночных. Этому второму ископаемому суждено было оставаться загадкой до 1988 года, когда моя коллега-палеонтолог Дженни Клэк, представленная читателям в первой главе, вернулась на исследованные Саве-Содербергом местонахождения и обнаружила там новые остатки этого древнего существа. Это животное было описано по добытым шведским ученым фрагментам еще в двадцатые годы и получило название Acanthostega gunnari (акантостега Гуннара). Новые находки позволили выяснить, что у акантостеги тоже были полноценные конечности с развитыми пальцами. Но один из ее признаков оказался настоящим сюрпризом: Дженни Клэк установила, что конечность акантостеги имела форму плавника, подобного ластам тюленя. Исходя из этого Дженни предположила, что древнейшие конечности наземных позвоночных возникли как орган для плавания, а не для передвижения по суше. Эта идея была ощутимым прорывом, но по-прежнему оставался без ответа вопрос, как именно возникли конечности, ведь у акантостеги были вполне сформированные пальцы, а также запястье и лодыжка и не было свойственной рыбьим плавникам перепонки. Конечности акантостеги были полноценными конечностями наземного позвоночного, хотя и весьма примитивного. Чтобы узнать, как возникли кисти рук и ступни ног, запястье и лодыжка, нужно было искать более древних ископаемых. Так обстояли дела вплоть до 1995 года.
Открытие пальцев и запястий рыб
Как-то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно-строительных работ. Мы нашли чудесный участок выемки грунта на 15-й трассе к северу от Уильямсфорта, где департаментом транспорта был сотворен гигантский обрыв из песчаника возрастом около 365 миллионов лет. Песчаник здесь взрывали динамитом, и вдоль дороги были оставлены груды больших камней. Это было идеальное место для охоты на ископаемых. Мы вышли из машины и стали ползать по камням, многие из которых были размером с небольшую микроволновую печь. На поверхности некоторых из них попадалась рыбья чешуя, и мы решили захватить несколько таких камней с собой в Филадельфию. Когда мы приехали к Теду домой, его четырехлетняя дочка Дейзи выбежала встречать папу и спросила, что мы нашли.
Наш несравненный плавник. К сожалению, нам удалось найти только этот отдельный образец. Рисунок вверху воспроизведен с разрешения Скотта Ролинса (Университет Аркадия). Фото автора.
Показывая Дейзи один из камней, мы внезапно осознали, что из него выступает фрагмент плавника крупной рыбы. В поле мы этого почему-то не заметили. Вскоре нам предстояло узнать, что это не обычный рыбий плавник: внутри его было немало костей. Препараторы в лаборатории потратили около месяца на извлечение скелета этого плавника из камня, и когда он был извлечен, взорам людей впервые предстали остатки скелета рыбы, соответствующие схеме Оуэна. Ближе всего к туловищу располагалась одна кость. К ней крепились еще две. От них отходили шесть рядов небольших костей. По всем признакам это была рыба, наделенная пальцами.
Плавник этой рыбы обладал полноценной перепонкой, его основание было покрыто чешуей, а лопатка относилась к рыбьему типу, но в глубине плавника находились кости, во многом соответствующие костям “стандартной” конечности наземного позвоночного. К сожалению, в нашем распоряжении был лишь отдельный плавник. Теперь нам надо было найти место, где можно было обнаружить полные скелеты таких существ. Единственный отдельный плавник никогда бы не позволил нам ответить на главные вопросы – как это существо пользовалось своими плавниками и были ли в его плавниках суставы, соответствующие нашим и работающие по тому же принципу. Ответ можно было найти, только добыв целый скелет.
На его поиск ушло почти десять лет. И не мне первому посчастливилось увидеть его. Первыми были два препаратора ископаемых, Фред Маллисон и Боб Машек. Препараторы у нас занимаются тем, что с помощью зубоврачебного оборудования удаляют фрагменты породы с собранных нами в поле образцов, тем самым извлекая на свет заключенные в толще породы ископаемые остатки. Препаратору требуются месяцы, а иногда и годы на то, чтобы превратить большой камень, содержащий ископаемые остатки, в красивый образец, доступный для изучения.
В ходе экспедиции 2004 года мы собрали на острове Элсмир три крупных куска породы девонского периода размером с большой предмет ручной клади. В каждом из них были остатки животного с плоской головой: те, что я обнаружил подо льдом на дне карьера, экземпляр Стива и еще один экземпляр, найденный нами в последнюю неделю экспедиции. В полевых условиях мы очистили головы этих ископаемых и извлекли окружавшие их крупные куски породы, чтобы в лабораторных условиях исследовать строение тела этих существ. Затем образцы были упакованы в гипс для транспортировки. Когда в лаборатории с образцов снимают гипс, это похоже на вскрытие капсулы с посланием из прошлого. В этом гипсе заключены фрагменты нашей жизни в Арктике, о которых у нас также имеются сделанные в поле заметки, посвященные каждому собранному образцу. Когда мы снимаем гипс, образцы пахнут тундрой.
Кости переднего плавника тиктаалика – рыбы, у которой есть запястье.
Фред в Филадельфии и Боб в Чикаго одновременно удаляли породу с двух разных образцов. Из одного из них Боб извлек маленькую косточку, входившую в состав плавника большой рыбы (тогда мы еще не назвали ее тиктааликом). Но вот что отличало эту кубическую косточку от любой другой известной ранее косточки рыбьего плавника: на ее конце был сустав с углублениями для четырех других костей. Иными словами, эта косточка была поразительно похожа на кость запястья. К сожалению, плавники образца, с которым работал Боб, слишком плохо сохранились, чтобы можно было сказать что-то большее. Новые данные пришли неделей позже из Филадельфии. Фред, пользуясь своими зубоврачебными инструментами, как по волшебству извлек из камня остатки целого плавника. Как раз на правильном месте, на конце плечевой кости, в этом плавнике была та самая косточка. И к той самой косточке крепились четыре следующих. Нашим взорам предстало свидетельство происхождения части наших собственных тел, заключенное в рыбе возрастом 375 миллионов лет. Мы нашли рыбу, у которой было запястье.
За последующие несколько месяцев нашим взорам предстала значительная часть остального скелета этой конечности. Она представляла собой нечто среднее между рыбьим плавником и конечностью наземного позвоночного. На плавниках у нашей рыбы была перепонка, но их скелет представлял собой примитивный вариант схемы Оуэна: одна кость – две кости – много косточек – пальцы. В полном соответствии с предсказанием, следующим из теории Дарвина, в определенном месте и в отложениях определенного времени мы нашли форму, промежуточную между двумя разными группами животных.
Находка этого плавника была лишь первой частью нашего открытия. Самое интересное для Теда, Фэриша и меня началось, когда мы стали разбираться с функциями и работой этого плавника и выдвигать гипотезы о том, почему в нем вообще возник сустав запястья. Решение этих проблем можно найти, изучая строение костей и соединяющих их суставов.
Когда мы разобрали по частям скелет плавника тиктаалика, мы обнаружили нечто весьма примечательное: поверхности костей в каждом суставе очень хорошо сохранились. У тиктаалика были лопатка, плечо, предплечье и запястье, состоящие из тех же костей, что и соответствующие части человеческой руки. Изучая строение суставов, соединяющих эти кости, чтобы понять, как они двигались друг относительно друга, мы убедились, что конечности тиктаалика были приспособлены для выполнения довольно необычной функции: эта рыба могла отжиматься.
Когда мы отжимаемся, ладони наших рук прижаты к земле, руки согнуты в локтях, и мы поднимаем и опускаем туловище с помощью грудных мышц. Тело тиктаалика позволяло ему проделывать то же самое упражнение. Конечности могли сгибаться в локтях, как наши руки, а запястье позволяло отогнуть конец плавника в сторону, так что рыбья “ладонь” прижималась к земле. Что же до грудных мышц, у тиктаалика они были, по-видимому, прекрасно развиты. Если мы посмотрим на его лопатки и на нижнюю сторону его плечевых костей в том месте, где они соединялись друг с другом, мы увидим массивные гребни и борозды, к которым, вероятно, крепились крупные грудные мышцы. Тиктаалик умел выполнять известный приказ “упал-отжался”!
Реконструкция тиктаалика в натуральную величину (вверху) и рисунок его плавника (внизу). В этом плавнике есть плечо, предплечье и протозапястье, которые позволяли тиктаалику выполнять что-то вроде отжиманий.
Зачем рыбе могло понадобиться отжиматься? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим все ее тело. Плоская голова с глазами наверху и ребра, по-видимому, говорят нам о том, что тиктаалик мог успешно передвигаться по дну на мелководьях рек или озерков и даже шлепать по грязи возле берега. Плавники, позволяющие поддерживать тело, помогали бы рыбе сохранять маневренность во всех этих средах. Эта интерпретация также соответствует геологическим особенностям места, где мы нашли ископаемые остатки тиктаалика. Строение слоев здешних горных пород и зернистая структура самих этих пород обладают характерными признаками отложений, оставленных неглубокой рекой, окруженной обширной, регулярно заливаемой поймой.
Но зачем вообще жить в подобной среде? Что могло заставить рыбу покинуть толщу воды и поселиться на мелководьях? Подумайте вот о чем: едва ли не все рыбы, жившие в реках в те далекие времена, 375 миллионов лет назад, были хищниками того или иного рода. Некоторые из них достигали в длину пяти метров – вдвое больше, чем самый крупный тиктаалик. Самая обычная рыба, остатки которой встречаются рядом с остатками тиктаалика, превышала два метра в длину и имела голову размером с баскетбольный мяч. Ее зубы были размером с костыли, которыми закрепляют железнодорожные рельсы. Захотелось бы вам поплавать в этой древней реке?
Не будет преувеличением сказать, что в этой среде шла война всех против всех. Стратегии, которые позволяли выжить в таких условиях, вполне очевидны: стать большим, одеться в доспехи или выбраться из воды. Похоже, наши древние предки были не из тех, кто лезет в драку.
Эта склонность наших предков избегать конфликтов имеет для нас огромное значение. Мы можем найти истоки структур наших собственных конечностей в плавниках этих рыб. Подвигайте кистью руки, сгибая и разгибая руку в запястье. Сожмите и разожмите пальцы. Делая это, вы пользуетесь суставами, впервые возникшими в плавниках рыб вроде тиктаалика. До этого таких суставов не было. После этого мы находим их в конечностях наземных позвоночных.
Перейдем от тиктаалика к амфибиям и дальше, к млекопитающим, и нам станет совершенно ясно, что древнейшие обладатели костей нашего плеча и предплечья и даже нашего запястья и кисти руки обладали также чешуей и перепонкой на плавниках. Эти существа были рыбами.
Что нам дает этот план строения, одна кость – две кости – много косточек – пальцы, который Оуэн считал замыслом Создателя? У некоторых рыб, например двоякодышащих, у основания скелета плавников тоже имеется одна кость. У других, например у эустеноптерона, есть уже конструкция “одна кость – две кости”. Далее идут существа вроде тиктаалика, у которых есть одна кость, две кости и много косточек. В наших конечностях заключена не одна рыба, а целый аквариум. Фундаментальный план Оуэна был разработан рыбами.
Хотя тиктаалик, по-видимому, действительно мог отжиматься, он никак не мог играть в бейсбол или на фортепиано и ходить на двух ногах. Путь от тиктаалика к человеку очень долог. Но вот важный и во многом удивительный факт: большинство костей, которые позволяют людям ходить, или бросать что-нибудь, или хватать что-нибудь рукой, впервые появились у животных, живших десятки и сотни миллионов лет назад. Предшественники наших плечевых и бедренных костей были у рыб вроде эустеноптерона, которому 380 миллионов лет. Тиктаалик открыл нам ранние этапы эволюции нашего запястья, ладони и пальцев. Первые настоящие пальцы мы видим у амфибий, которым 365 миллионов лет, таких как акантостега. Наконец, полный комплект всех костей человеческого запястья и лодыжки впервые встречается у рептилий возрастом 250 миллионов лет. Скелет наших рук и ног формировался за сотни миллионов лет, сперва в плавниках рыб, затем в конечностях амфибий и рептилий.
Но в чем состояли те важнейшие изменения скелета, которые позволили нам пользоваться руками и ходить на двух ногах? Как они происходили? Давайте обратимся к двум простым примерам о конечностях, чтобы отчасти ответить на эти вопросы.
Мы, люди, как и многие другие млекопитающие, можем вращать большим пальцем руки относительно предплечья. Это нехитрое умение очень важно для использования рук в повседневной жизни – представьте, как сложно нам было бы есть, писать или бросать мяч, если бы наша кисть была зафиксирована неподвижно. Мы обладаем этой способностью потому, что одна из костей предплечья, лучевая, вращается относительно оси, проходящей через локтевой сустав. Его строение на удивление хорошо приспособлено для этого. В конце плечевой кости располагается шарик. Кончик лучевой кости, закрепленный здесь, снабжен красивым маленьким углублением, в которое входит участок поверхности шарика. Этот шаровой шарнир и позволяет нам вращать кистью руки. Такое движение называют “пронация” (вращательное движение кисти снаружи внутрь – правая рука при этом будет двигаться, соответственно, против часовой стрелки, левая – по часовой стрелке) и “супинация” (в обратном направлении). У кого мы находим истоки этой способности? У существ вроде тиктаалика. У тиктаалика на конце локтевой кости располагается удлиненное утолщение, с которым соединяется углубление на конце лучевой кости. Когда тиктаалик сгибал конечность в локте, кончик его радиальной кости вращался (пронатировал) относительно локтя. Стадии совершенствования этой способности мы наблюдаем у амфибий и рептилий, у которых конец плечевой кости превращается в настоящий шарик, почти такой же, как у нас.
Обратимся теперь ко второй паре конечностей. Здесь мы найдем ключевой признак, который позволяет нам ходить.
Этот признак есть не только у нас, но и у других млекопитающих. В отличие от рыб и амфибий у нас колени и локти смотрят в разные стороны. Это отличие принципиально: представьте себе, каково было бы ходить, если бы колени смотрели назад. Совсем другую картину мы видим у рыб вроде эусте-ноптерона, у которых сочленения, соответствующие нашим коленям и локтям, смотрят по сути в одну и ту же сторону. В ходе внутриутробного развития колени и локти у нас поворачиваются и занимают положение, свойственное человеку.
Когда мы ходим на двух ногах, движения наших бедер, коленей, лодыжек и ступней несут наше тело вперед в выпрямленном положении, совсем не похожем на приземленную позу таких существ, как тиктаалик. Принципиальная разница заключается в положении бедра. Наши ноги не торчат в стороны, как ноги крокодила или амфибии или плавники рыбы: они направлены вниз, под туловище. Положение ног поменялось благодаря изменениям тазобедренного сустава, таза и бедра: наш таз приобрел форму чаши, вертлужная впадина тазобедренного сустава, в которой крепится бедро, углубилась, а само бедро обрело свою характерную шейку, которая позволяет ему быть направленным вниз, а не вбок от туловища.
Означают ли эти факты нашей древней истории, что людей нельзя считать особенными и уникальными среди других живых существ? Конечно, нет. Напротив, знания о глубоких корнях человечества делают факт нашего существования еще примечательнее: все наши экстраординарные способности развились на основе признаков, выработанных в ходе эволюции древними рыбами и другими животными. Из общих для многих животных частей возникла поистине уникальная конструкция. Мы не отделены пропастью от мира прочих живых существ – мы являемся его частью до мозга костей и, как мы вскоре убедимся, даже до генов, заключенных в наших клетках.
Оглядываясь назад, я понимаю, что тот момент, когда я впервые увидел запястье рыбы, означал для меня не меньше, чем тот, когда я освободил от марли пальцы трупа на практических занятиях по анатомии человека. В обоих случаях я открыл для себя глубокую связь между мной самим и другим существом.
Глава 3
Ручные гены
В июле 2004 года, пока мы с моими коллегами добывали в Арктике первые образцы тиктаалика, Рэнди Дан, молодой сотрудник моей лаборатории, трудился в поте лица в Чикаго над генетическими экспериментами с зародышами акул и скатов. На морских пляжах нередко можно встретить небольшие черные яйцевые коконы, которые называют “кошельками русалок”. Внутри такого “кошелька” заключено содержащее желток яйцо, в котором развивается эмбрион (зародыш) ската. За годы работы Рэнди провел многие сотни часов, экспериментируя с эмбрионами, заключенными в этих яйцевых коконах, нередко продолжая работу далеко за полночь. В то решающее лето 2004 года Рэнди занимался тем, что с помощью шприца вводил в исследуемые яйца химический аналог витамина A. После этого он оставлял зародыши развиваться в течение нескольких месяцев, пока они не вылуплялись из яйца.
Такие опыты могут показаться странным способом проводить большую часть года, тем более для молодого ученого, планирующего успешную научную карьеру. Почему акулы и скаты? Почему витамин A?
Чтобы объяснить, в чем смысл этих экспериментов, надо вернуться на шаг назад и посмотреть, на какие вопросы они могут ответить. В этой главе мы наконец добрались до рецепта, записанного в нашей ДНК, по которому из единственной яйцеклетки развивается все наше тело. В момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом у нее нет, например, маленьких рук, из которых развились бы руки эмбриона. Руки будут построены на основании информации, содержащейся в яйцеклетке. Здесь мы подходим к очень глубокой проблеме. Одно дело – сравнивать скелет наших рук со скелетом рыбьих плавников. Но что может дать нам сравнение генетического рецепта, по которому формируются наши руки, с рецептом, по которому формируются рыбьи плавники? Чтобы вместе с Рэнди найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться с чередой открытий, которые позволили увидеть общие корни наших рук, акульих плавников и даже мушиных крылышек.
Как мы уже убедились, прорубить широкое окно в наше далекое прошлое позволяет открытие существ, которые часто демонстрируют упрощенные варианты наших тел внутри своих. Мы не можем ставить эксперименты с давно вымершими животными. А эксперименты – великая вещь, потому что они позволяют манипулировать условиями и смотреть, как это скажется на результатах. По этой причине моя лаборатория разделена на два подразделения: половина занимается ископаемыми, а другая половина – зародышами и ДНК. Вот такое у нашей лаборатории раздвоение личности. Закрытое на замок хранилище, где лежат ископаемые остатки тиктааликов, соседствует с морозильной установкой, где хранятся наши драгоценные образцы ДНК.
Эксперименты с ДНК обладают огромным потенциалом для поиска в себе рыбы. Что если поставить такой эксперимент: обрабатывать рыбий зародыш разными химическими веществами и добиться, чтобы его плавник стал отчасти похож на нашу руку? Или эксперимент, который показал бы, что гены, отвечающие за формирование рыбьих плавников, по сути соответствуют генам, отвечающим за формирование наших рук?
Начнем с очевидной загадки. Наше тело состоит из клеток сотен разных типов. Разнообразие клеток определяет строение и функции наших тканей и органов. Клетки, из которых состоят наши кости, нервы, кишечник и другие органы, выглядят и ведут себя совершенно по-разному. Несмотря на эти различия, у всех клеток нашего тела есть одно фундаментальное общее свойство: в них содержится совершенно одинаковая ДНК. Если в ДНК записана информация о том, как должны развиваться наше тело, его ткани и органы, почему же в таких разных клетках, как те, из которых состоят мышцы, нервы и кости, содержится одинаковая ДНК?
Ответ на этот вопрос состоит в том, что в разных клетках включены и работают разные фрагменты ДНК (гены). Клетка кожи отличается от нейрона (нервной клетки) тем, что в этих клетках работают разные гены. Когда ген включен, по записанному в нем рецепту синтезируется белок, который может определять облик и поведение клетки. Поэтому, чтобы понять, в чем разница между клеткой, входящей в состав глаза, и клеткой, входящей в состав скелета руки, нужно разобраться в тех генетических переключателях, которые управляют активностью генов во всех клетках и тканях.
Вот что особенно важно: эти генетические переключатели и позволяют формировать наше тело в ходе развития. В момент зачатия наш организм возникает в виде единственной клетки, содержащей ДНК с полным рецептом для сборки будущего тела. План, по которому строится все наше тело, реализуется посредством инструкций, которые все записаны внутри этой единственной микроскопической клетки. Чтобы пройти путь от простой яйцеклетки до всего человека, состоящего из триллионов специализированных клеток, выстроенных в правильном порядке, на строго определенных этапах развития должны включаться и выключаться целые батареи генов. Как симфония, которая получается из того, что множество отдельных инструментов исполняет разные ноты, человеческое тело формируется за счет работы множества генов, включаемых и выключаемых внутри каждой клетки в ходе нашего развития.
Гены – это отрезки ДНК, содержащейся в каждой клетке нашего тела.
Возможность работать с генами – неоценимый подарок для тех, кто изучает строение и работу живых организмов. Благодаря этой возможности мы можем сравнивать действие разных генов и выяснять, какие изменения происходят под их действием при формировании новых органов в процессе развития. Возьмем, к примеру, конечности. Сравнивая набор генов, работающих в клетках формирующегося рыбьего плавника, с набором генов, работающих в клетках развивающейся человеческой руки, мы можем установить, какие различия есть между плавником и рукой на генетическом уровне. Такое сравнение позволяет нам выявить возможных виновников – генетические переключатели, изменение которых могло привести к превращению плавников в конечности наземного позвоночного. После этого мы можем изучить работу этих генов в организме эмбриона и попытаться выяснить, как именно они изменились. Можно ставить даже такие эксперименты – манипулировать работой генов и смотреть, как меняется организм эмбриона под действием определенных условий или веществ.
Чтобы разобраться в том, в каких генах записан рецепт формирования наших рук и ног, мы должны действовать подобно криминалистам из телесериала “C.S.I.: Место преступления” – начинать с тела и докапываться до сути. Мы начнем с того, что рассмотрим строение наших конечностей, а затем перейдем к тканям, клеткам и генам, которые это строение определяют.
Создавая руки
Наши конечности трехмерны – у них есть верх и низ, сторона мизинца и сторона большого пальца, основание и конец. Кости на конце конечности – в пальцах – отличаются от костей внутри плеча или таза. Сторона мизинца и сторона большого пальца тоже отличаются друг от друга. Большой палец устроен иначе, чем мизинец. Окончательная цель наших исследований развития конечности, их Святой Грааль, состоит в том, чтобы разобраться, какие гены определяют различия между элементами ее скелета и что управляет ее развитием во всех трех измерениях. Какие отрезки ДНК делают большой палец не таким, как мизинец? Что делает наши пальцы не такими, как кости плеча и предплечья? Если разобраться в генах, которые всем этим управляют, мы проникнем в тайну рецепта, по которому формируется наше тело.
Все генетические переключатели, определяющие формирование пальцев, запястья, костей плеча и предплечья, срабатывают в период с третьей по восьмую неделю после зачатия. В самом начале своего развития человеческие конечности представляют собой крошечные зачатки в виде выростов на поверхности тела эмбриона. Две недели эти выросты увеличиваются в размерах, пока на конце их не образуется уплощенное расширение. Внутри этого расширения располагаются миллионы клеток, из которых в конечном итоге разовьются скелет, нервы и мышцы, которыми человек будет пользоваться всю оставшуюся жизнь.
Развитие конечности на примере крыла цыпленка. Все ключевые стадии развития скелета крыла проходят внутри яйца.
Для изучения процессов формирования всех этих структур нужно исследовать строение эмбрионов и иногда вмешиваться в процесс их развития, чтобы выяснять, что происходит, когда развитие идет как-то неправильно. Кроме того, нужно исследовать различных мутантов, их внутреннее строение и их гены, иногда на материале специально выведенных мутантных пород. Конечно, нельзя изучать такими методами людей. Главная задача ученых, которые первыми начинали подобные исследования, состояла в том, чтобы найти таких животных, исследование которых откроет нам тайну нашего собственного развития. Пионеры экспериментальной эмбриологии, занявшиеся развитием конечностей в тридцатые и сороковые годы прошлого века, столкнулись с несколькими проблемами. Им нужно было выбрать организм, у которого конечности зародыша были бы доступны для изучения и экспериментов. Этот зародыш должен быть сравнительно крупным, потому что иначе с ним нельзя работать хирургическими методами. Также немаловажно, чтобы этот зародыш развивался в условиях, защищающих его от воздействия сотрясений и других внешних факторов. Кроме того, и это совершенно необходимо, зародыши должны быть доступны круглый год и в большом количестве. Вполне закономерно, что ученые остановили свой выбор на объекте, который мы покупаем в магазине, – на курином яйце.
В пятидесятые и шестидесятые годы некоторые биологи, в том числе Эдгар Цвиллинг и Джон Сондерс, провели ряд остроумных экспериментов на куриных яйцах, чтобы разобраться в том, как формируется структура скелета. Куриные эмбрионы в то время буквально разбирали и собирали по кусочкам. Их оперировали, перемещая на другие места фрагменты разных тканей, чтобы увидеть, как это скажется на развитии эмбриона. Такой подход предполагал использование тончайших методов микрохирургии и манипуляций с кусочками тканей толщиной не больше миллиметра. Пользуясь этими методами, Цвиллинг и Сондерс выявили некоторые ключевые механизмы, лежащие в основе формирования таких разных конечностей, как птичьи крылья, ласты китов и человеческие руки.
Они открыли два небольших участка ткани, которые управляют всем развитием скелетных структур внутри конечности.
Более того, крошечная полоска ткани на самом конце зачатка по сути управляет вообще всем процессом развития конечности. Стоит удалить эту полоску, и развитие останавливается. Если удалить ее на раннем этапе, у зародыша разовьется только плечо или его часть. Если удалить немного позже, разовьется плечо и предплечье. Если удалить еще позже, конечность сформируется почти полностью, но пальцы будут короткими и деформированными.
Еще один эксперимент, впервые поставленный Мэри Гасселинг в лаборатории Джона Сондерса, открыл новое перспективное направление исследований. Возьмем небольшой участок ткани с той стороны зачатка конечности, где должна сформироваться сторона мизинца, на раннем этапе развития и пересадим этот участок на противоположную сторону зачатка, чуть пониже того места, где должен сформироваться первый палец. Дадим зародышу цыпленка развиваться дальше и сформировать крыло – и получим результат, который когда-то почти для всех оказался откровением. Крыло цыпленка развилось целиком, но у него был полностью удвоенный набор пальцев. Кроме того, что еще примечательнее, дополнительный набор пальцев был зеркальным отражением нормального набора. Очевидно, что-то внутри этого участка ткани, какое-то вещество или ген, направляло процесс формирования всех пальцев конечности. Это открытие вызвало настоящую лавину новых экспериментов, которые позволили узнать, что точно такого же эффекта можно добиться и множеством других способов. Например, можно взять куриный эмбрион и вколоть немного витамина A в зачаток его конечности или просто ввести витамин A в яйцо и дать цыпленку развиваться дальше. Если ввести витамин A в определенном количестве и на определенном этапе развития, можно получить такие же зеркально удвоенные конечности, как в опытах Гасселинг, Сондерса и Цвиллинга с пересадкой участка ткани. Этот участок назвали зоной поляризующей активности (ЗПА). По сути ЗПА и служит тем фактором, который делает сторону мизинца отличной от стороны большого пальца. Разумеется, у цыпленка нет ни настоящего мизинца, ни настоящего большого пальца, потому что пальцы в птичьих крыльях редуцированы. Мы пользуемся этими терминами условно, для обозначения тех сторон конечности, где у наделенных пятью пальцами позвоночных образуются пятый и первый пальцы соответственно.
Пересадка небольшого участка ткани, так называемой ЗПА, приводит к удвоению пальцев.
Эти открытия вызвали немалый интерес: получалось, что ЗПА каким-то образом управляла образованием пальцев. Но как? Некоторые ученые считали, что клетки ЗПА производят вещество, которое затем распространяется по зачатку конечности, указывая клеткам, какие пальцы им формировать. Главная идея была в том, что в основе всего этого явления могло лежать действие какого-то неизвестного вещества. В участках, близких к ЗПА, где концентрация этого вещества высока, клетки реагируют формированием мизинца. На противоположной стороне развивающейся руки, далеко от ЗПА, это вещество разбавлено, и клетки реагируют на это формированием большого пальца. Клетки, расположенные посередине, тоже реагируют соответственно концентрации этого вещества, формируя указательный, средний и безымянный пальцы.
Идею зависимости формирования пальцев от концентрации некоторого вещества вполне можно было проверить. В 1979 году Деннис Саммербелл вживил крошечный фрагмент фольги в зачаток конечности цыпленка между участком ЗПА и остальной конечностью. Замысел был в том, чтобы предотвратить просачивание каких-либо веществ от ЗПА на другую сторону конечности. Затем Саммербелл пронаблюдал, что происходило с клетками по обе стороны от этой преграды. Клетки на стороне ЗПА формировали пальцы. Клетки на другой стороне не всегда формировали пальцы, а если формировали, то недоразвитые и деформированные. Вывод был очевиден: некое вещество, выделяемое ЗПА, действительно управляет формированием пальцев и определяет их облик. Чтобы выделить это вещество, исследователям пришлось обратиться к ДНК.
Рецепт на ДНК
Эту работу выполняло уже новое поколение ученых. До девяностых годов прошлого века, когда стали доступны новые молекулярные технологии, ученым не удавалось выяснить, какие гены управляют действием ЗПА.
Важный прорыв был сделан в 1993 году, когда охотой на эти гены занялись в лаборатории Клиффа Тейбина в Гарварде. Целью этой охоты было выяснить, какие молекулярные механизмы дают ЗПА способность делать мизинец непохожим на большой палец. К тому времени, когда группа Тейбина начала работу в начале девяностых, ряд экспериментов вроде тех, что я описал выше, привел ученых к убеждению, что в основе всего этого явления лежало какое-то вещество. Великолепная теория, если не считать того, что никто не знал, что это за вещество. Люди предлагали на эту роль то одно соединение, то другое и всякий раз убеждались, что эти вещества не оказывают искомого действия. Наконец сотрудники лаборатории Тейбина применили другой подход, имеющий непосредственное отношение к предмету нашей книги. Они решили обратиться за ответом к мухам.
Генетические эксперименты восьмидесятых годов позволили обнаружить поразительный набор генов, под действием которых сложное тело будущей мухи лепится из единственной яйцеклетки. Тело плодовой мушки дрозофилы имеет передний и задний концы. На переднем находится голова, на заднем – брюшко, посередине – крылья. Целые батареи генов включаются и выключаются по ходу развития личинки, и последовательность их включения и выключения позволяет оформляться различным частям тела будущей мухи.
Тейбин тогда еще не знал об этом, но в двух других лабораториях – Энди Макмэхона и Фила Ингама – тоже независимо друг от друга пришли к той же самой идее. Результатом этого совпадения стало очень успешное сотрудничество трех разных лабораторий. Внимание Тейбина, Макмэхона и Ингама привлек один из мушиных генов. Они заметили, что работа этого гена делает один конец сегмента тела мухи отличным от другого. Генетики, работающие с дрозофилами, назвали этот ген “hedgehog” (то есть “ежик”). Разве не напоминает работа “ежика” в ходе формирования тела мухи – делать один участок тела непохожим на другой – работу ЗПА, которая делает мизинец непохожим на большой палец? От сотрудников трех лабораторий не ускользнуло это сходство. И они взялись за дело, разыскивая ген hedgehog в клетках таких животных, как куры, мыши и рыбы.
В этих лабораториях знали, как устроен ген hedgehog у мух, и сравнивали его с генами курицы, чтобы найти похожий. Каждый ген обладает определенной последовательностью составляющих его элементов (нуклеотидов). Молекулярные методы позволили исследователям “просматривать” ДНК курицы в поисках такой же последовательности, как в гене hedgehog. После долгих проб и ошибок им наконец удалось найти куриный аналог гена hedgehog.
Точно так же, как палеонтологи дают названия новым открытым видам, генетики дают названия новым генам. Генетики, занимавшиеся мухами-дрозофилами и открывшие ген hedgehog, назвали его так потому, что у мух, у которых в этом гене была мутация, на теле были щетинки, напоминающие колючки ежа. Тейбин, Макмэхон и Ингам назвали куриный аналог этого гена “Sonic hedgehog" в честь ежика Соника – персонажа видеоигр, выпускаемых компанией Sega.
Настало время для самого интересного вопроса: что именно делает Sonic hedgehog в конечностях? В лаборатории Тейбина к молекуле, присоединяющейся к этому гену, приделали пигмент, который позволял наблюдать, в каких клетках зачатка конечности этот ген работает. К немалому удивлению исследователей, они обнаружили, что этот ген задействован лишь в небольшом участке ткани, а именно в ЗПА!
Отсюда с очевидностью следовало, что нужно делать дальше. Ген Sonic hedgehog работает точно там же, где работает сама ЗПА. Вспомним, что если обработать конечность ретиноевой кислотой (витамином A), то еще одна ЗПА вступает в действие на противоположном конце конечности. Нетрудно угадать, что будет, если обработать конечность ретиноевой кислотой и после этого посмотреть, где будет действовать Sonic hedgehog. Как и следовало ожидать, после обработки ретиноевой кислотой этот ген активен на обеих сторонах конечности – мизинца и большого пальца, – точно так же, как и ЗПА.
Зная строение куриного гена Sonic hedgehog, другие исследователи занялись поиском этого гена у других живых существ, наделенных пальцами, от лягушек до людей. Оказалось, что у всех позвоночных с четырьмя конечностями есть Sonic hedgehog. И у всех исследованных к настоящему времени животных этот ген активен в ткани ЗПА. Если Sonic hedgehog не включается как следует в течение восьмой недели развития, у эмбриона или формируются лишние пальцы, или большой палец и мизинец оказываются похожи. В некоторых случаях, когда этот ген поврежден, формируется рука, похожая на широкое весло, аж с двенадцатью похожими пальцами.
Сегодня известно, что Sonic hedgehog представляет собой один из десятков генов, работа которых позволяет формировать наши конечности от плеча или бедра и до кончиков пальцев за счет их последовательного включения и выключения в определенное время. Примечательно, что работы, проведенные на курицах, лягушках и мышах, дали одинаковые результаты. Записанный на ДНК рецепт формирования плеча, предплечья, запястья и пальцев по сути один и тот же у всех наземных позвоночных.
Как далеко в прошлое можем мы проследить историю гена Sonic hedgehog и других фрагментов ДНК, которые управляют развитием наших конечностей? Работают ли те же гены при формировании рыбьих плавников? Или наши руки и ноги принципиально отличаются генетически от плавников рыб? Мы нашли черты рыбы в строении наших рук и ног. Но как насчет ДНК, управляющей их развитием?
Здесь и вступил в дело Рэнди Дан со своими “русалочьими кошельками”.
Дадим акуле руку
Рэнди Дан пришел в мою лабораторию с простой, но довольно изящной идеей: обработать эмбрионы скатов так же, как Клифф Тейбин обрабатывал куриные яйца. Замысел Рэнди состоял в том, чтобы провести на скатах все эксперименты, проведенные на куриных яйцах учеными, изучавшими развитие кур, от хирургических операций на тканях Сондерса и Цвиллинга до генетических экспериментов Клиффа Тейбина. Развитие зародыша ската проходит внутри яйца, покрытого своеобразной скорлупой и содержащего запас желтка. К тому же эмбрионы у скатов довольно крупные, сравнимые по размеру с эмбрионами курицы. Все эти свойства были очень кстати – они позволяли нам изучать эмбрионы скатов, пользуясь генетическими, хирургическими и другими методами, разработанными для изучения куриных эмбрионов.
Что мы могли бы узнать, сравнивая развитие плавника ската или акулы с развитием крыла или ноги цыпленка? И, что еще важнее, что могли бы мы узнать о себе самих из такого сравнения?
Конечности цыплят, как показали Сондерс, Цвиллинг и Тейбин, представляют собой на удивление хорошую модель для изучения развития наших собственных конечностей. Все, что открыли Сондерс и Цвиллинг, вырезая и вживляя кусочки ткани, и все, что установили Тейбин и его коллеги в своих опытах с ДНК, с тем же успехом относится и к нашим конечностям. У нас тоже есть ЗПА, тоже есть Sonic hedgehog, и для нашего нормального развития они играют ту же ключевую роль. Как мы уже убедились, неправильно работающая ЗПА или мутация в гене Sonic hedgehog могут привести к серьезным деформациям конечностей, причем и у человека тоже.
Рэнди хотел узнать, насколько механизм формирования наших конечностей отличается от такого механизма у акул и скатов. Насколько глубока наша связь с остальными живыми существами? Новый ли рецепт обеспечивает правильное формирование наших рук, или он имеет глубокие корни в других существах? И если имеет, то насколько глубокие?
Акулы и их родственники – самые древние существа, у которых плавники имеют скелетную основу. В идеале, чтобы ответить на вопрос Рэнди, надо было бы добыть ископаемую акулу возрастом 400 миллионов лет, привезти ее в лабораторию, разрезать на кусочки и посмотреть на ее гены. Затем надо было бы поэкспериментировать с эмбрионами ископаемого, чтобы узнать, работает ли в зачатках их плавников ген Sonic hedgehog и включается ли он там же, где он включается в зачатках наших конечностей. Это был бы чудесный эксперимент, но, к сожалению, провести его невозможно. Из таких древних ископаемых уже нельзя извлечь ДНК, а если бы и можно было, все равно нам не удалось бы заполучить эмбрионы этих ископаемых, чтобы проводить на них наши опыты.
Поэтому мы обращаемся к следующему по качеству объекту – современным акулам и их родственникам. Плавник акулы никто не перепутает с человеческой рукой – сложно представить себе две более непохожих конечности. Не только сами акулы состоят с человеком в довольно далеком родстве, но и скелетная основа их плавников совсем не похожа на скелет наших конечностей. В плавниках акулы нельзя найти ничего, даже отдаленно напоминающего оуэновское “кость – две кости – много косточек – пальцы”. Вместо этого внутри акульего плавника находятся кости, похожие на прутья: длинные и короткие, широкие и узкие. Мы их называем костями, но на самом деле они состоят из хрящевой ткани (акул и скатов именуют хрящевыми рыбами, потому что их скелеты никогда не затвердевают до состояния настоящих костей). Если уж мы решили выяснить, уникальны ли функции гена Sonic hedgehog для наземных позвоночных, то почему бы не посмотреть на животное, во многих отношениях совсем другое? Кроме того, почему бы не выбрать представителя самых примитивных из современных позвоночных, у которых вообще имеются парные конечности? Акулы прекрасно подойдут и для того и для другого.
Наша первая задача была довольно проста. Нам нужен был надежный источник эмбрионов акул и скатов. Оказалось довольно сложно найти способ регулярно получать яйца акул, но со скатами, их близкими родственниками, дела обстояли лучше. В итоге мы начали наши эксперименты с акул и перешли на скатов, когда запасы акул иссякли. Мы нашли поставщика, который примерно раз в пару месяцев присылал нам контейнер с двадцатью-тридцатью яйцами с эмбрионами внутри. У нас, как у туземцев-островитян, выработался настоящий карго-культ, когда мы каждый месяц с нетерпением ожидали прибытия драгоценных эмбрионов.
Результаты, полученные Тейбином и другими генетиками, помогли Рэнди правильно спланировать эксперименты. Со времени работы Тейбина 1993 года ген Sonic hedgehog был найден уже у очень многих видов позвоночных, от рыб до людей. Зная строение гена Sonic hedgehog, Рэнди мог “просмотреть” ДНК ската и акулы в поисках этого гена. Очень скоро он нашел его – акулий Sonic hedgehog.
Теперь нужно было ответить на следующие два главных вопроса. Где в эмбрионе акулы работает Sonic hedgehog? И, что еще важнее, что именно он делает?
Работая с яйцами скатов, Рэнди установил, где и когда включается Sonic hedgehog в ходе развития их эмбрионов. Вначале он выяснил, когда происходит включение этого гена – на том же этапе развития конечности, что у цыпленка, или нет. Оказалось, что на том же. Затем он выяснил, включается ли этот ген на участке ткани на заднем краю плавника, который соответствует нашей стороне мизинца. И снова оказалось, что именно там. Затем он провел эксперименты с витамином A. Это был самый захватывающий этап. Если обработать зачаток конечности цыпленка или млекопитающего этим соединением, то на стороне большого пальца появится еще один участок, на котором работает ген Sonic hedgehog, и это приведет к удвоению костей конечности. Рэнди ввел витамин A в эмбрионы, подождал около суток и затем проверил, вызывает ли витамин A у зародышей скатов, как и у зародышей курицы, включение гена Sonic hedgehog на противоположной стороне конечности. Оказалось, что вызывает. Теперь нам предстояло долго ждать. Мы уже узнали, что Sonic hedgehog в зачатках плавников акул и скатов вел себя так же, как в зачатках наших рук и куриных крыльев. Но какое действие окажет все это на формирование скелета? Ответа пришлось ждать два месяца.
Эмбрионы развивались внутри непрозрачной оболочки яиц. Все, что мы могли узнать, – жив ли эмбрион. То, что находится внутри его плавников, увидеть было нельзя.
Полученный в итоге результат явил нам поразительный пример свойства, которое объединяет нас с акулами и скатами: зеркально отраженный плавник. Внутренние структуры грудных плавников удвоились в направлении голова-хвост точно так же, как удваиваются в таких экспериментах крылья цыпленка. Структуры крыла удваиваются, отражая друг друга. Структуры плавника акул, а также и скатов делают ровно то же самое. Ген Sonic hedgehog действует сходным образом при формировании скелетной основы самых разнообразных конечностей.
Как вы, возможно, помните, один из эффектов гена Sonic hedgehog состоит в том, что он делает пальцы одной конечности разными, отличными друг от друга. Как мы видели на примере опытов с ЗПА, какой именно палец разовьется, зависит от его близости к месту, где работает Sonic hedgehog. Нормальный плавник взрослого ската содержит множество напоминающих прутья скелетных элементов, похожих друг на друга. Можем ли мы сделать так, чтобы эти прутья были разными, как наши пальцы? Рэнди взял небольшой шарик, пропитанный белком, производимым геном Sonic hedgehog,
1 Диаметр монеты в четверть доллара – около 2,5 см. – Примеч. перев.
Скачать книгу