Как трехкамерное сердце стало четырехкамерным

Выход позвоночных на сушу был связан с развитием легочного дыхания, что потребовало радикальной перестройки кровеносной системы. У дышащих жабрами рыб один круг кровообращения, а сердце, соответственно, двухкамерное (состоит из одного предсердия и одного желудочка). У наземных позвоночных – трех‑ или четырехкамерное сердце и два круга кровообращения. Один из них (малый) прогоняет кровь через легкие, где она насыщается кислородом. Затем кровь возвращается к сердцу и попадает в левое предсердие. Большой круг направляет обогащенную кислородом (артериальную) кровь ко всем прочим органам, где она отдает кислород и по венам возвращается к сердцу, попадая в правое предсердие.

У животных с трехкамерным сердцем кровь из обоих предсердий попадает в единый желудочек, откуда она затем направляется и к легким, и ко всем прочим органам. При этом артериальная кровь смешивается с венозной. У животных с четырехкамерным сердцем в ходе развития изначально единый желудочек подразделяется перегородкой на левую и правую половины. В результате два круга кровообращения оказываются полностью разделены: бедная кислородом кровь попадает из правого предсердия в правый желудочек и идет оттуда к легким, насыщенная кислородом – из левого предсердия только в левый желудочек и идет оттуда ко всем прочим органам.

Формирование четырехкамерного сердца было необходимой предпосылкой развития теплокровности у млекопитающих и птиц. Ткани теплокровных потребляют очень много кислорода, поэтому им необходима «чистая» артериальная кровь, максимально насыщенная кислородом. А смешанной артериально‑венозной кровью могут довольствоваться холоднокровные позвоночные с трехкамерным сердцем. Трехкамерное сердце характерно для амфибий и большинства рептилий, хотя у последних намечается частичное разделение желудочка на две части (развивается неполная внутри‑желудочковая перегородка). Настоящее четырехкамерное сердце развилось независимо в трех эволюционных линиях: у крокодилов, птиц и млекопитающих. Это яркий пример параллельной эволюции.

Биологам из США, Канады и Японии удалось частично расшифровать молекулярно‑генетические основы этого важнейшего эволюционного события (Koshiba‑Takeuchi et al., 2009). Ключевую роль в нем сыграли изменения в работе гена Tbx5. Этот ген, кодирующий регуляторный белок, по‑разному экспрессируется в развивающемся сердце у амфибий (шпорцевой лягушки Xenopus) и теплокровных (курицы и мыши). У первых он равномерно экспрессируется по всему будущему желудочку, у вторых его экспрессия максимальна в левой части зачатка (в будущем левом желудочке) и минимальна справа. А как обстоит дело у рептилий?

Выяснилось, что у рептилий – ящерицы и черепахи – на ранних эмбриональных стадиях ген Tbx5 экспрессируется так же, как у лягушки, т. е. равномерно по всему будущему желудочку. У ящерицы все так и остается до конца развития. Как и у лягушки, у ящерицы не формируется ничего похожего на перегородку (хотя бы частичную) между желудочками.

Что касается черепахи, то у нее на поздних стадиях формируется градиент экспрессии – такой же, как у цыпленка, только выраженный слабее. Иными словами, в правой части желудочка активность гена постепенно снижается, а в левой остается высокой. Таким образом, по характеру экспрессии Tbx5 черепаха занимает промежуточное положение между ящерицей и курицей. То же самое можно сказать и о строении сердца. У черепахи формируется неполная перегородка между желудочками, но на более поздних стадиях, чем у цыпленка. Сердце черепахи занимает промежуточное положение между типичным трехкамерным (как у амфибий и ящериц) и четырехкамерным, как у крокодилов и теплокровных.

Чтобы подтвердить ведущую роль гена Tbx5 в эволюции сердца, были проведены опыты с модифицированными мышами. У этих мышей можно было по желанию экспериментатора отключать ген Tbx5 в той или иной части сердечного зачатка. Оказалось, что если выключить ген во всем зачатке желудочков, то зачаток даже не начинает подразделяться на две половинки: из него развивается единый желудочек без всяких следов перегородки. Получаются мышиные зародыши с трехкамерным сердцем! Такие зародыши погибают на 12‑й день эмбрионального развития.

В другом эксперименте авторам удалось добиться, чтобы ген Tbx5 равномерно экспрессировался во всем зачатке желудочков мышиного эмбриона – так же как у лягушки и ящерицы. Это опять‑таки привело к развитию мышиных эмбрионов с трехкамерным сердцем.

Конечно, было бы еще интереснее сконструировать таких генно‑модифицированных ящериц или черепах, у которых Tbx5 экспрессировался бы как у мышей и кур, т. е. в левой части желудочка сильно, а в правой – слабо, и посмотреть, не станет ли у них от этого сердце больше похожим на четырехкамерное. Но это пока неосуществимо: генная инженерия рептилий еще не продвинулась так далеко.

Ясно, что эволюция для создания теплокровности и всего того, что обеспечивает это преображение (сердце, система кровообращения, покровы, система выделения и т. д.), пользовалась простыми инструментами: чем меньше требуется менять настроек, тем лучше. И если трехкамерное сердце можно превратить в четырехкамерное за один шаг, то нет причин этим не воспользоваться.

–––––

Дупликация генов

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГЕНЫ – ОСНОВА ЭВОЛЮЦИОННЫХ НОВШЕСТВ.

Мысль о том, что дупликация генов служит важнейшим источником эволюционных новшеств, была высказана еще в 1930‑е годы выдающимся биологом Джоном Холдейном (Haldane, 1933). Сегодня в этом нет никаких сомнений. Идея проста. Появление в геноме «лишней» копии гена открывает свободу для эволюционного экспериментирования. Мутации, возникающие в одной из двух копий и ослабляющие исходную функцию гена, не будут отсеиваться отбором, потому что остается вторая копия, сохраняющая прежнюю функциональность. Отбор отсеивает только те мутации, которые снижают приспособленность организма, а для этого нужно, чтобы испортились сразу обе копии гена. Поэтому одна из копий, скорее всего, останется более или менее неизменной, а другая начнет свободно накапливать случайные мутации. С большой вероятностью эта меняющаяся копия будет безнадежно испорчена или вовсе потеряна. Однако есть шанс, что какая‑нибудь мутация придаст меняющейся копии новое полезное свойство. Достаточно, чтобы это свойство поначалу было выражено в самой минимальной степени. Отбор «ухватится» за возникшее преимущество и начнет оптимизировать ген для выполнения новой функции.

Такой способ возникновения эволюционных новшеств называют неофункционализацией. Одна из копий удвоившегося гена остается под действием очищающего отбора, не меняется и сохраняет старую функцию, в то время как другая копия приобретает новую. Разумеется, в большинстве случаев новая функция будет родственна исходной: это будет некая вариация на старую тему (помните, мы говорили в главе 1 о трудности перехода с одной возвышенности ландшафта приспособленности на другую?)

Часто бывает и так, что белок, оптимизированный отбором для какой‑то одной функции, способен с низкой эффективностью выполнять и другие, второстепенные или вовсе ненужные организму функции – просто в качестве побочного эффекта. Например, большинство ферментов, специализированных для работы с каким‑то одним субстратом, могут немножко работать и с другими молекулами, похожими на основной субстрат. Про такие ферменты можно сказать, что они преадаптированы к приобретению новой функции. Если условия изменятся таким образом, что эта дополнительная функция окажется полезной, белок может специализироваться на ней – превратить свое хобби в основную работу (Conant, Wolfe, 2008). Причем это будет особенно легко сделать, если ген данного белка случайно подвергнется дупликации. Ведь в этом случае одна из копий гена может сохранить старую специализацию, а другая – оптимизироваться для выполнения новой функции. Это называют субфункционализацией, или попросту разделением функций.

Ну а если основная функция белка по‑прежнему полезна, дополнительная функция («хобби») тоже полезна, а разделения функций не происходит, потому что ген не дуплицировался? В этом случае отбор будет оптимизировать белок для выполнения обеих функций одновременно. Это самое обычное дело: многие гены действительно выполняют в организме не одну, а несколько полезных функций (для простоты изложения будем говорить о случае, когда функций две). Такой ген находится в состоянии адаптивного конфликта. Если в нем возникает мутация, улучшающая выполнение одной из функций, она окажется полезной только в том случае, если от этого не слишком пострадает вторая функция. В результате ген балансирует между двумя направлениями оптимизации, и его структура представляет собой компромисс между противоречивыми требованиями отбора. Понятно, что в такой ситуации ни одна из двух функций не может быть доведена до совершенства. Для таких генов дупликация может стать «долгожданным избавлением» от внутреннего конфликта. Если многофункциональный ген наконец дуплицируется, возникшие копии с большой вероятностью поделят между собой функции и быстро оптимизируются в разных направлениях. Такова схема ухода от адаптивного конфликта.

–––––