Существование эволюционной ветви линяющих животных получило эмбриологическое подтверждение

К кольчецам спущусь и к усоногим…
О. Э. Мандельштам, «Ламарк»

Рис. 1. «Разные лики» усоногого рачка Elminius modestus. A — взрослые рачки в природных условиях, прикрепленные к камню. B — кладка яиц. C — два взрослых рачка, отделенных от субстрата и сфотографированных с той стороны, которой они к нему прикреплялись. D — живой зародыш на стадии 8 клеток. Иллюстрация из обсуждаемой диссертации

Тщательное исследование эмбрионального развития ракообразных (на примере усоногих) показало, что их зародыши имеют очень мало общих признаков с зародышами кольчатых червей и несколько больше — с зародышами круглых червей. Эмбриологические доводы в пользу старой гипотезы происхождения членистоногих от кольчатых червей теперь отвергнуты. Сравнительная эмбриология подтверждает современную идею о близости членистоногих к круглым червям, вместе с которыми они образуют группу линяющих животных.

«Усоногие ракообразные, чаще называемые морскими уточками, представляют собой абсолютно поразительную группу животных» («Cirripedes, more commonly known as barnacles, represent an absolutely amazing group of animals»). Этими словами начинается диссертация выпускницы Дальневосточного государственного университета Екатерины Пономаренко, защищенная на факультете математики и естественных наук Берлинского университета имени Гумбольдта (Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Humboldt-Universität zu Berlin).

С такой оценкой трудно не согласиться. Усоногие (Cirripedia) — это морские ракообразные, ведущие строго прикрепленный образ жизни, причем органом прикрепления к субстрату у них служит голова. Живут они в ракушках, из-за чего первые исследователи принимали их за моллюсков. Основатель эволюционной биологии Жан-Батист Ламарк (Jean-Baptiste Lamarck) даже считал усоногих переходной формой между ракообразными и моллюсками. Очень необычны жизненные циклы этих животных. У некоторых усоногих есть карликовые самцы, самым натуральным образом паразитирующие на крупных самках. А кое-кто из них сумел приобрести настоящую колониальность, что совершенно не свойственно их эволюционным родственникам (см. Исаева В. В., Шукалюк А. И., 2007. Колониальные корнеголовые ракообразные (Crustaceae: Rhizocephala)); попробуйте-ка, например, представить себе насекомое, почкующееся, как гидра! Так что удивительных особенностей у этих ракообразных в избытке.

Именно усоногие рачки были объектом крупнейшего зоологического труда Чарльза Дарвина (Charles Robert Darwin): он посвятил усоногим восемь лет работы и четыре тома ученых сочинений (два тома по современным усоногим и еще два по ископаемым). Вероятно, как раз близкое знакомство с разнообразием усоногих и убедило Дарвина окончательно в реальности эволюции (Максим Чертанов. Дарвин. М., 2013).

Казалось бы, группа животных, в исследовании которой поучаствовали такие классики, как Ламарк и Дарвин, должна быть к нашему времени изучена вдоль и поперек. Но это не так! Одна из главных проблем, связанных с усоногими, касается их раннего зародышевого развития. Вот в ней Екатерина Пономаренко и постаралась разобраться.

Правда, чтобы понять важность этой проблемы, надо сперва взглянуть на то, как устроено раннее развитие животных в целом.

Начнем «от яйца» (ab ovo); в данном случае эта латинская поговорка очень подходит. Строго говоря, любое животное проходит в своем жизненном цикле одноклеточную стадию, которая до оплодотворения называется яйцеклеткой, а после оплодотворения — зиготой. Главное свойство типичной яйцеклетки — полярность, то есть буквально наличие двух полюсов, как на глобусе. Вблизи анимального полюса находится ядро яйцеклетки, а вблизи вегетативного полюса скапливаются запасные вещества, нужные для питания зародыша (они называются желтком). Анимальный полюс более физиологически активен, именно с него начинаются клеточные деления.

Построение сложного зародыша начинается с дробления — серии из нескольких делений, превращающих оплодотворенную яйцеклетку (зиготу) в многоклеточную структуру. Клетки, участвующие в дроблении, принято называть бластомерами. В типичном дроблении плоскости первых двух делений проходят «вертикально» (через анимально-вегетативную ось), но перпендикулярно друг другу; в результате образуется четыре примерно одинаковых бластомера. А вот плоскость третьего деления проходит «горизонтально» — поперек анимально-вегетативной оси (рис. 2, А). Получается восемь бластомеров: четыре анимальных и четыре вегетативных (рис. 2, Б). Вегетативные бластомеры обычно крупнее, потому что в них есть желток. Дробление, начальные стадии которого полностью описываются этой схемой, называется радиальным, потому что зародыш долго сохраняет внешнюю лучевую симметрию (рис. 2, В–Г).

Рис. 2. Типы дробления. А–Г — радиальное дробление, Д–З — спиральное дробление, И — билатеральное дробление. Иллюстрации из статьи В. В. Малахов, 1991. Проблемы построения общей системы многоклеточных

У некоторых животных в момент третьего деления дробления анимальный квартет (четверка) бластомеров еще и поворачивается относительно вегетативного квартета примерно на 45 градусов (рис. 2, Д–Е). И при следующих делениях бластомеры опять поворачиваются, так что в итоге получается сложная и красивая геометрическая конструкция (рис. 2, Ж–З). Такое дробление называется спиральным.

Есть и другие типы дробления — например, билатеральное, при котором зародыш с самого начала двусторонне симметричен (рис. 2, И). Обычно оно встречается у мелких животных, тело которых состоит из относительно небольшого числа клеток.

Радиальное дробление присуще иглокожим, полухордовым, ланцетнику, а также архаичным группам круглых червей, таким как приапулиды.

Спиральное дробление является уникальным признаком эволюционной ветви животных, которая называется Spiralia (см. Платизои ставят под сомнение происхождение двусторонне-симметричных животных от целомического предка, «Элементы», 23.06.2014). Русский перевод этого названия — спиральнодробящиеся. Сюда относятся кольчатые черви и моллюски.

Билатеральное дробление «разбросано» по разным ветвям животного царства. Например, оно есть у нематод, у коловраток, у аппендикулярий (см. Причина особенностей генома оболочников — детерминированность их эмбрионального развития, «Элементы», 01.06.2014).

Почему всё это важно?

Великий эмбриолог Карл Максимович Бэр (Karl Ernst von Baer) в книге «История развития животных» (1828) сформулировал следующий принцип: «В каждой большой группе общее образуется раньше, чем специальное». Например, в развивающемся зародыше цыпленка сперва можно распознать позвоночное животное и только, потом — наземное позвоночное, потом — птицу, потом — курообразное, и лишь перед вылуплением — домашнюю курицу. Это означает, что признаки, отличающие друг от друга самые крупные группы животных, надо искать на самых ранних стадиях.

К принципу Бэра есть важные современные оговорки (см. М. Гельфанд, 2012. Песочные часы в биологии развития), но в значительной мере он сохраняет силу и сейчас. Чтобы найти стойкие отличия между большими группами животных, надо изучать ранние стадии их индивидуального развития. А уж дробление — точно одна из самых ранних стадий, до нее многоклеточного организма просто нет.

По современным представлениям, двустороннесимметричные животные делятся на три крупнейшие группы: Deuterostomia (вторичноротые), Spiralia (спиральнодробящиеся) и Ecdysozoa (линяющие). Различаются ли они по типу дробления? Да. Для вторичноротых характерно радиальное дробление, для спиральнодробящихся — спиральное. А вот с линяющими ситуация далеко не ясна. Здесь и кроется «интрига».

Линяющие, или Ecdysozoa, — огромная группа, к которой относятся членистоногие и круглые черви (см. Китайские палеонтологи нашли древнейшего головохоботного червя, «Элементы», 04.06.2014). В эту группу входит такой гигантский класс, как насекомые, поэтому по числу видов Ecdysozoa в несколько раз превосходят всех остальных животных. Но, по словам одного биолога, «даже если бы оказавшаяся поблизости лягушка съела общего предка всех насекомых, нематоды вместе с оставшимся членистоногими (многоножками, хелицеровыми и ракообразными) всё равно легко превзошли бы числом всех остальных животных вместе взятых» (M. Telford et al., 2008. The evolution of the Ecdysozoa). Так что по эволюционному успеху Ecdysozoa — вне конкуренции.

Тем удивительнее, что само существование Ecdysozoa как единой ветви было открыто только в 1997 году (A. M. Aguinaldo et al., 1997. Evidence for a clade of nematodes, arthropods and other moulting animals). До этого почти никто не думал о родстве членистоногих с круглыми червями. Общепринятой была идея о происхождении членистоногих от кольчатых червей, на которых они во взрослом состоянии гораздо больше похожи. Некоторые зоологи (например, профессор МГУ Константин Владимирович Беклемишев) даже считали, что членистоногих и кольчатых червей следует по старинке объединить в группу Articulata (членистые).

На рубеже XX и XXI веков конфликт между «гипотезой Ecdysozoa» и «гипотезой Articulata» волновал многих зоологов (см., например: C. Nielsen, 2003. Proposing a solution to the Articulata–Ecdysozoa controversy). За последовавшие годы молекулярная генетика и палеонтология дали очень сильные доводы в пользу того, что гипотеза Ecdysozoa верна. Но вот эмбриологического обоснования эта гипотеза так и не получила. Наоборот, эмбриологические данные по-прежнему заставляли в ней сомневаться. Если членистоногие — потомки кольчатых червей, они должны хоть в каком-то виде сохранить спиральное дробление. А есть ли оно у них на самом деле? Довольно многие авторы утверждают, что да...

Вот тут-то на сцену и выходят усоногие ракообразные. Дело в том, что свидетельства о следах спирального дробления у членистоногих относятся в первую очередь именно к ним (см., например: D. Costello, C. Henley, 1976. Spiralian development: a perspective). Если эти свидетельства подтвердятся, отмахнуться от них будет нельзя. Спиральное дробление — очень специфичный тип развития, который может быть только унаследован от общего со спиральнодробящимися животными предка. А спиральнодробящиеся животные — это кольчатые черви, но отнюдь не круглые. Значит, современную версию родственных связей членистоногих придется пересматривать. А это неизбежно перевернет представление о конфигурации эволюционного древа животных в целом (см., например: Новые данные позволили уточнить родословную животного царства, «Элементы», 10.04.2008). Так что от невзрачных усоногих рачков в данном случае зависит очень много.

Объектом исследования Екатерины Пономаренко стал Elminius modestus — достаточно типичный усоногий рачок, живущий в Северном море (рис. 1). Разводить его в лаборатории нетрудно. Эмбриологическое описание получилось подробнейшим; тут применялись и разные микроскопические методы, и тонкие гистохимические процедуры, и прижизненное окрашивание бластомеров с целью прослеживания судьбы клеток — их потомков.

Геометрия дробления усоногих довольно сложна (рис. 3). Она включает повороты и перекресты, действительно придающие зародышу некоторое сходство с зародышами Spiralia. Впрочем, примерно с тем же успехом возникающие фигуры можно сравнить и с билатеральным дроблением нематод. Ясно, что полагаться в таком деле надо не на внешнее сходство (которое может быть и поверхностным), а на физиологические особенности, поддающиеся точной оценке. И эти особенности идею о «спиральности» дробления усоногих не подтверждают.

Рис. 3. Зародыш Elminius modestus в процессе дробления. Рисунки из обсуждаемой диссертации

Во-первых, в типичном спиральном дроблении возникающие группы клеток обязательно чередуют направления поворотов: если одна группа повернулась по часовой стрелке, то следующая поворачивается против. У усоногих (и, видимо, вообще у ракообразных) такое чередование отсутствует начисто.

Во-вторых, спиральное дробление отличается высокой мозаичностью, то есть устойчивостью судьбы отдельных клеток. Существуют целые карты спирального дробления, на которых все бластомеры получают буквенно-цифровые обозначения, и известно, какие органы из каждого из них образуются. Эмбриологи, начавшие составлять такие карты в начале XX века, были поражены их совпадением у таких непохожих во взрослом состоянии животных, как морской кольчатый червь и улитка. Случайным такое совпадение быть не может. Значит, спиральнодробящиеся животные унаследовали свой тип развития от общего предка.

Для усоногих карта дробления теперь тоже получена. И никаких особенностей судеб клеток, которые можно было бы считать унаследованными именно от «спирального» типа развития, у них найти не удалось. Конечно, усоногие сильно отличаются от кольчатых червей и моллюсков, так что четкое сравнение не всюду возможно. Но там, где оно возможно, карты дробления показывают скорее различия, чем сходство.

Например, совсем по-разному у усоногих и у спиралий развивается энтодерма — внутренний слой зародышевых клеток, из которого образуется кишечник. Проявляется это вот в чем. И у кольчатых червей с моллюсками, и у ракообразных в начале развития есть стадия, когда зародыш состоит из четырех клеток (A, B, C и D). Так вот, у кольчатых червей и у моллюсков в состав энтодермы входят потомки всех этих четырех клеток. А у ракообразных вся энтодерма образована исключительно потомками бластомера D. Причем известно, что такой же способ развития энтодермы свойственен нематодам. Таким образом, по этому признаку ракообразные однозначно ближе к круглым червям, чем к кольчатым, как и предполагает гипотеза Ecdysozoa.

Работа Екатерины Пономаренко задумана широко, и она ясно показывает, что общая схема эволюции типов дробления у животных еще не построена. Вопросов осталось много (а некоторые даже возникли заново). Но важный «кирпичик» в этой конструкции теперь определенно встал на место. Реальность ветви Ecdysozoa впервые получила прямое эмбриологическое подтверждение. Можно сказать, что здесь наконец-то удалось успешно применить старинный принцип тройного параллелизма, согласно которому новые эволюционные гипотезы следует одновременно обосновывать данными сравнительной анатомии, палеонтологии и эмбриологии.

Источник: Ekaterina Ponomarenko. The embryonic development of Elminius modestus Darwin, 1854: диссертация — Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I, 2014.

Сергей Ястребов