155 лет назад Эрнст Геккель сформулировал биогенетический закон

Закон, открытый и окончательно сформулированный немецкими биологами Геккелем и Мюллером в 1866 году, гласил: организмы в своем зародышевом развитии повторяют эволюционный путь, который прошли их предки со времени появления жизни на Земле, чтобы стать такими, какие они сейчас. В числе прочего этот закон объяснял, почему высшие животные имеют двустороннюю симметрию тела, при которой у них два глаза, а не один посередине лба, и если есть рога, то их на голове тоже симметричная пара, а не один посередине. Тем не менее сейчас достаточно несложно создать единорога методами эмбриональной хирургии. Циклопа ученые пока не научились делать, но непременно научатся, как только в обществе возникнет острая потребность в циклопах.

Две симметрии

Нет нужды обойти вокруг дерева, чтобы убедиться, что перед нами дерево, а не что-то другое. Даже бесформенный куст не вызовет такого желания. Чего его рассматривать со всех сторон: куст — он и есть куст. У растения есть ствол, от которого во все стороны отходят ветки с листьями, цветками или иголками. Понятно, что это самый общий план строения растений, который имеет массу исключений, но эти исключения вторичны, а высший, то есть самая общий для растения тип симметрии — радиальный, то есть оно симметрично вокруг одной оси симметрии — ствола.

Если мы знакомимся с человеком, то не стоим к нему спиной: во-первых, это невежливо, а во-вторых, глаза у нас не на спине, а спереди. С точки зрения сравнительной анатомии у нас есть передняя (брюшная) и задняя (спинная) стороны, они несимметричны друг другу. Но если смотреть спереди или сзади, то правая и левая половины нашего тела снаружи одинаковые, только они зеркальные относительно плоскости, делящей тело на левую и правую половинки.

Такая же геометрия у подавляющего большинства современных животных, начиная от плоских червей и насекомых и кончая млекопитающими. Если посмотреть на любого из них спереди или сзади, картина разная, то есть передний и задний конец несимметричные. Но у всех обязательно есть брюшная и спинная стороны, и правая, и левая стороны. Такая симметрия относительно плоскости, перпендикулярной плоскости, делящей тело на брюшную и спинную стороны, называется двусторонней, или билатеральной по-научному.

Симметрия живого на стадии зародыша

Античные ученые, которые были сильны в геометрии и в математике в целом, любили порассуждать насчет геометрии живого и очень на этот счет спорили, особенно насчет того, откуда симметрия, по сути, абстрактное понятие в науке, взялась в природе, и ладно бы в неживой природе, но ведь и в живой тоже! Теории, объясняющие это, они могли строить только умозрительные, фактов в их подтверждение у них не было. Факты появились только в Новое время, когда Левенгук придумал микроскоп, барон Кювье добавил в сравнительную анатомию животных давно исчезнувших видов, Шлейден и Шванн обосновали постулат клеточного строения всех живых организмов, Геккель и Мюллер сформулировали биогенетический закон, а Дарвин — общие принципы эволюции.

Закон Геккеля—Мюллера сразу же после его публикации подвергся критике их коллег, и чем дальше, тем больше ученые находили в нем несоответствий заявленному в нем принципу. Дело дошло до того, что появились призывы считать его ошибочным. Но как раз ненаучным было бы ожидать, что зародыш, например, курицы в яйце в точности и подробностях повторит весь путь эволюции птиц, и, разбив яйцо раньше срока, мы обнаружим в нем птеродактиля. Ведь в формулировке закона Геккелем ясно и четко сказано: «Онтогенез есть быстрое и краткое повторение филогенеза». Сегодня любая будущая мама видит на картинках УЗИ основные стадии филогенеза млекопитающих как само собой разумеющееся.

На стадии бластулы, то есть комочка из нескольких десятков клеток, зародыш едва ли можно назвать симметричным, но когда он становится похожим на червячка, то это уже существо с передней и спинной сторонами, с левой и правой стороной. Будущий человек на этой стадии своего индивидуального развития (онтогенеза) уже симметричен, форма левой половины зеркально повторяет правую, и наоборот. Потом появится пара ручек и ножек, по одной с каждой стороны, а когда человек родится и откроет глаза, на мир он посмотрит двумя глазами.

Окончательно пазл симметрии живого сложился ближе к концу XIX века. Нашлись простые объяснения смены планов строения живых существ (и, соответственно, появления и смены у них типов симметрии) с момента возникновения жизни на Земле до наших дней. Подобно классической ньютоновской физике в биологии сложилась стройная и логичная картина мира в рамках парадигмы дарвинизма и рекапитуляции филогенеза в онтогенезе. Ученые-биологи, увлеченно споря друг с другом по поводу второстепенных деталей, прекрасно прожили в ней сто лет, пока совсем недавно, в конце прошлого, ХХ века, окончательно не впали в ересь релятивизма молекулярной биологии.

Эволюция симметрии

Если в самых общих чертах, то классическая история симметрии живого возникла и менялась так. Первые организмы на планете, возникшие в океане, были одноклеточными комочками, и симметрией тут даже не пахло. Общим гипотетическим предком всех многоклеточных организмов была колония одноклеточных организмов в виде шарика. Ископаемого оригинала в силу его нежного телосложения ученые пока не нашли, но есть ныне живущий его аналог — зеленая водоросль вольвокс.

Она имеет форму полого шара, стенки которого состоят из одинаковых одноклеточных водорослей. Каждая из них соединена с ближайшими соседями нитями своей и соседской протоплазмы, то есть они не просто держатся за руки друг с другом, а уже срослись в единое целое. Питаются они каждая по себе. Но уже есть специализированные клетки, заточенные на размножение, остальных, по-простому говоря, половой вопрос не колышет.

Дальше в мячике из клеток образовалась вмятина, которая росла, и в результате из шара получилось полое внутри полушарие, как половинка скорлупы грецкого ореха. По той же причине субтильности таких организмов ископаемых их прототипов нет, но есть ныне живущие и прекрасно себя чувствующие медузы, которых видели, наверное, все. Они типичный пример примитивного радиально симметричного животного.

В архейские времена все были такими. Те, что избрали сидячий (седентарный) образ жизни, заякорились на дне и в дальнейшем приобрели способность к фотосинтезу, дали начало растениям и генеральному плану их строения по типу радиальной симметрии. Те же, что занялись активным поиском пропитания, дали начало другим типам животных помимо кишечнополостных, как называют ученые тип животных, к которому принадлежат медузы.

Поиск пищи активными добытчиками определил два полюса их тела — передний и задний, по форме они стали похожи уже не на полое полушарие, а на палец перчатки: колбаска с пастью. В силу гравитации оседающие на дно приобрели брюшную (вентральную) и спинную (дорзальную) поверхности тела, потом на заднем конце прорвалась анальная пора, и дело в общем-то было сделано. Ископаемые остатки таких животных, похожих на современного слизня, палеонтологи находят в таком количестве, что даже создали их систематику, а эволюционные биологии уже давно строят теории, кто от кого среди них произошел.

Произошли от них почти все беспозвоночные животные — черви, моллюски, членистоногие (в том числе насекомые). Потом что-то произошло, и у некоторых на стадии зародыша на месте первичного рта прорывался анус, а вторичный рот возникал на противоположном, в эволюции исходно анальном, заднем конце тела. От таких вторичноротых организмов произошли все позвоночные, в том числе человек.

Впрочем, об этом лучше даже не думать, иначе рано или поздно в голову придет мысль, чем мы с точки зрения науки целуемся.

Главное заключалось в другом: раз возникли брюшная и спинная стороны тела, то по законам стереометрии у этого тела одновременно появились правая и левая стороны. В данном случае они были зеркальным отражением друг друга, потому что в плане естественного отбора никаких предпосылок отдавать предпочтение левой или правой стороне не было. Так появилась двусторонняя, билатеральная симметрия, и она характерна для всех высших животных. Есть, конечно, исключения, но из разряда тех, что подтверждают правило. Точно так же, как исключения есть и среди радиально симметричных организмов.

Биологи, правда, выделяют еще примерно полдюжины типов симметрии (анаксонная, сферическая, неопределенно полиаксонная, правильная полиаксонная, ставраксонная, монаксонная гетерополярная, скользящая симметрия, фрактальная симметрия и т. д.). Но если опустить одноклеточных простейших, то основных типов симметрии у живого на Земле всего два: радиальная и билатеральная. Первая преобладает у растений, вторая — у животных. Касается это общей формы тела. Внутренние органы, а порой и наружные — например, глаза — могут располагаться несимметрично.

Циклопы в природе и в мифах

Особенно экстравагантно природа расположила глаза планктонных рачков. На личиночной стадии (стадии науплиуса) большинство из них циклопы: у них один личиночный (науплиальный) глаз, который у взрослого рачка обычно зарастает, и появляется пара фасеточных глаз. Но иногда личиночный глаз не зарастает и остается в рабочем состоянии. В итоге у рачка образуются три глаза — два парных и один непарный между ними. Иногда фасеточные глаза не образуются, и остается только один науплиальный глаз, как у рачков из семейства циклопов. Поэтому ученые так их назвали, когда описали в середине XIX века. Но выглядят они при этом очень мило, и не надо строить теории о том, что древние люди, впечатленные их видом, придумали миф о великанах-циклопах.

Более экзотический вариант вообще не заметен для стороннего наблюдателя, хотя жаброногого рачка щитня, который вырастает до 10–12 см, можно хорошо рассмотреть без микроскопа. Щитни относятся к роду Triops (от греч. «трехглазый»), но сколько его ни разглядывай, видна у него будет только пара фасеточных глаз. Но между ними есть неприметный бугорок, а под ним — непарный науплиальный глаз, глазной бокал которого направлен вниз. Под ним находится прозрачный соединительнотканный столбик, который заканчивается на брюшной стороне участком покровов, лишенным пигмента. Благодаря этому щитни могут воспринимать свет, направленный как снизу, так и сверху. Говоря проще, третий, непарный глаз у них на затылке.

Еще более впечатляющий вариант — всем знакомая дафния, которой кормят аквариумных рыб. На голове у нее расположен непарный фасеточный глаз, образовавшийся в результате слияния двух глаз. Он находится в постоянном движении благодаря специальным мышцам. Это хорошо заметно у живых дафний. А ниже него лежит непарный науплиальный глазок.

Спутники Одиссея не сильно испугались гиганта с одним глазом посередине лба, точнее, их испугало его появление, а не внешний вид: про его одноглазость они знали заранее. Испугались бы они по-настоящему, если бы у Полифема было два глаза, один под другим, как у дафнии, и при этом верхний постоянно вращался в орбите, а нижний неподвижно в упор смотрел на Одиссея. Или другой вариант: ослепленный вероломными гостями Полифем захохотал бы, повернулся бы к ним спиной и подмигнул глазом на затылке.

Одноглазые существа присутствуют в мифах очень многих народов, что говорит о весьма почтенном их возрасте. Гомер жил в IX веке до н. э., но, как пишет в своем классическом труде «The Homeric Odyssey» (1955) один из самых авторитетных исследователей «Одиссеи» профессор Деннис Пейдж из Кембриджа, одноглазые великаны были хорошо известны слушателям Гомера. Это ясно из гомеровского рассказа о визите Одиссея на остров циклопов: там отсутствует даже упоминание о том, что у циклопа был один глаз, это все знали и до Гомера. В «Теогонии» Гесиода (VIII-VII век до н. э.), то есть всеобщей естественно-научной истории того времени, у циклопов имеется вполне определенная функция — производство грома и молний для Зевса.

В природе циклопы встречаются только среди членистоногих, которые едва ли могли стать источником для мифов об одноглазых людях, поэтому один непарный глаз у высших животных и человека не укладывается в гипотезу реальности существования таких монстров в доисторическом прошлом. Иное дело — единорог.

Единорог жвачный

В 2008 году новостные агентства разнесли по миру фотографию олененка с единственным рогом по центру головы. Он родился в неволе в заповеднике Прато близ одноименного города в Тоскане. Директор Центра естественных наук в Прато (заповедника) сообщил журналистам, что однолетняя косуля по прозвищу Единорог родилась с генетическим дефектом, а у ее близнеца — два рога, как полагается. Такое вполне могло случиться, и в прошлом по той же причине могли рождаться однорогие косули.

Вероятно, генетический дефект был рецессивным, естественным отбором не поддерживался, и такие случаи были очень редкими. Отсюда и пошли легенды про единорога, встреча с ним сулила счастье.

Но возможно также, что косуля-единорожка появилась на свет в результате не генетической, а родовой травмы. Ученые-эмбриологи знают, что кожа и ее производные (рога, волосы, когти, ногти, копыта, чешуя, эмаль зубов), а также нервная система развиваются у зародыша из эктодермы — наружного зародышевого листка. Эктодерма, в свою очередь, обособляется в бластуле, превращая ее в двухслойную гаструлу. Снаружи гаструла покрыта эктодермой, под ней — энтодерма (внутренний зародышевый листок), и тогда же идет процесс инвагинации, то есть процесс впячивания части внешней стенки бластулы внутрь зародыша, при этом образуются рот и первичная кишка.

Иными словами, получается аналог медузы с радиальной симметрией. Настоящие медузы тоже двухслойные, у них есть только внешний слой клеток (как раз они стрекающие) и внутренний (переваривают пищу). У более продвинутых животных между наружной эктодермой и внутренней энтодермой образуется третий зародышевой листок — мезодерма, который дает начало мышцам и внутренним органам и скелету.

У зародыша жвачных животных на поздних стадиях его развития из эктодермы образуются на голове два нароста роговой ткани. В 1935 году в Journal of Experimental Zoology была опубликована статья Уильяма Франклина Дава из Университета штата Мэн «Физиология роста рогов: изучение морфогенеза, взаимодействия тканей и эволюционных процессов менделевского рецессивного характера посредством трансплантации тканей» (Dove, W. F. «The physiology of horn growth: A study of the morphogenesis, the interaction of tissues, and the evolutionary processes of a mendelian recessive character by means of transplantation of tissues»), в которой он описал успешную пересадку роговой ткани у однодневного бычка.

Доктор Дав в 1933 году пересадил ткань роговых наростов новорожденному в центр его темени. Бычок получился однорогим, вырос и даже доминировал потом над сверстниками в загоне, а доктор Дав получил прозвище Доктор Единорог. Возможно, нечто подобное произошло без вмешательства трансплантологов и у единорожки из Тосканы. При родовой травме один роговой бугорок был уничтожен, второй сместился к центру головы. Впрочем, гадать тут бессмысленно, надо изучать вопрос, вот только история с тосканской Единорожкой почему-то заглохла. Подозрительный человек, а ученые по определению люди подозрительные, когда дело касается их науки, мог бы подумать нехорошее про заповедник Прато, где втихую прооперировали косулю по методу доктора Дава. Ради рекламы люди и не на такое идут. Но думать о людях нехорошо — плохая привычка. Главное здесь то, что по крайней мере единорога несложно создать искусственно, прооперировать двурогого при рождении или на стадии зародыша.

С циклопами дело сложнее: здесь потребуется нейротрансплантология, да и куда девать две внушительных размеров глазницы в черепе, непонятно. Но если взяться за дело серьезно, то и эти трудности можно преодолеть. Главное — определиться, зачем нам нужны циклопы. У Зевса они работали на производстве грома и молний, а сейчас что им делать?

Ася Петухова