Рис. 1. Два исследованных облика брахиопод (Brachiopoda) и их развитие. Вверху — Novocrania anomala, представитель беззамковых брахиопод (беззамковые вводят два класса, Craniata и Lingulida), для которого характерна вторичноротость. На карте показана точка, откуда выходят изученные экземпляры. На фотографиях представлены три стадии развития: гаструла, стадия удлинения вдоль передне-задней оси, ранняя личинка. В любой паре фотографий слева приведен вид сбоку (анимальный полюс плода, соответствующий переднему концу личинки, отмечен звездочкой); справа — вид с вегетативного полюса (для гаструлы) или с вентральной (брюшной) сторонки (для более поздних стадий). bp — бластопор, mo — рот. Под фотографиями приведены схемы постройки зародыша в продольном сечении. Синим цветом обозначен бластопор, алой стрелкой — место, где после метаморфоза прорывается анус. Внизу — Terebratalia transversa, представитель замковых брахиопод (класс Rhynchonelliformea), для какого характерна первичноротость. Обозначения те же. Изображения из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution и добавочных материалов к ней
Двусторонне-симметричные животные (билатерии) вскоре после своего появления поделились на два эволюционных ствола — Protostomia (первичноротые) и Deuterostomia (вторичноротые). Их основным отличительным приметой считается способ формирования рта: у первичноротых рот развивается из бластопора (эмбрионального рта — дыры первичной кишки на стадии гаструлы), а у вторичноротых рот не связан с бластопором. Дело осложняется тем, что в реальности вторичноротость характерна не только для Deuterostomia, но и для ряда представителей Protostomia. Изучение эмбрионального развития двух обликов брахиопод с разными способами закладки рта позволило норвежским и американским зоологам частично дешифровать молекулярно-генетические основы первично- и вторичноротости. Оказалось, что судьба бластопора связана с трудом эволюционно консервативных генов — регуляторов развития, участвующих в разметке эмбриональных материалов вдоль передне-задней оси. Авторы предполагают, что связь рта с бластопором или ее отсутствие — лишь побочный эффект рисунка экспрессии генов — регуляторов развития. Переходы от одного способа развития рта к иному могли происходить многократно, и в целом данный признак не так уж немало говорит об эволюционной истории изучаемых организмов.
Соотношение между бластопором и устой взрослого организма традиционно служит важнейшим критерием в классифицированию билатерий, а вопрос о том, какой из способов закладки рта является эволюционно первичным, вечно считался крайне важным для понимания происхождения и ранней эволюции билатерий. Проблема этот оказался чрезвычайно сложным, и на сегодняшний день он продолжает оставаться запутанным до крайности. К счастью, у читателей «Элементов» кушать возможность детально разобраться в проблеме благодаря двум детальным статьям Сергея Ястребова (Вторичноротость может оказаться первичной для двусторонне-симметричных звериных, 06.09.2015; Высказана гипотеза о происхождении вторичноротых от первичноротых, 08.12.2015).
Характерно, что в этих статьях говорится о двух ровно противоположных идеях. Согласно первой из них, исходно для билатерий была характерна первичноротость, а вторичноротость — производное состояние, какое возникло независимо у Deuterostomia и в нескольких ветвях Protostomia. Одинешенек из аргументов в пользу этой версии состоит в том, что при вторичноротости эмбриональное развитие в цельном выглядит проще и логичнее, поскольку и рот, и анус сразу закладываются там, где надо. Потому первичноротость, сопряженную с причудливыми трансформациями и перемещениями бластопора, легче трактовать как «тяжкое эволюционное наследие», а переход к вторичноротости — как избавление от ненужных сложностей и проявление всеобщей тенденции к рационализации развития (подробнее см. в новости Высказана гипотеза о генезисе вторичноротых от первичноротых, «Элементы», 08.12.2015). На рис. 2 показаны два вероятных сценария, которые рассматриваются в рамках идеи об исходной первичноротости билатерий.
Рис. 2. Два вероятных сценария происхождения билатерий (а также первично- и вторичноротости) в рамках всеобщей идеи о том, что первичноротость является исходным, а вторичноротость — производным состоянием. «Сценарий амфистомии» (слева) предполагает, что у предка билатерий был щелевидный бластопор, какой замыкался посередине, оставляя два отверстия на концах. Переднее дыра становилось ртом, а заднее анусом. Такой способ развития именуют амфистомией. Необходимо пояснить, что, хотя на этом рисунке амфистомия (Amphistomy) как будто противопоставляется первичноротости (Protostomy), на самом деле амфистомию обыкновенно рассматривают как один из вариантов первичноротости: ведь при амфистомии рот развивается из бластопора. Амфистомия встречается у кое-каких Protostomia, но не характерна для Deuterostomia. «Планулоидно-ацелоидный сценарий» (справа) предполагает, что у первых билатерий ануса не было (как у нынешних плоских червей и ксенацеломорф, см.: Ксенотурбеллиды оказались близки к предкам двусторонне-симметричных звериных, «Элементы», 15.02.2016), а рот, по совместительству служивший также и анусом, формировался из бластопора. Когда кишечник сделался сквозным, анус стал формироваться независимо от бластопора, а бластопор должен был смещаться вдали вперед, чтобы образующийся из него рот оказывался на переднем крышке тела. Переход к вторичноротости в этом сценарии мог быть последствием упрощения (рационализации) онтогенеза, что способствовало более раннему формированию рта (Mouth forms precociously), поскольку при вторичноротости не необходимо никуда перемещать бластопор, а рот и анус сразу формируются там, где надо. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution
Альтернативную идею о первичности вторичноротости в заключительные годы активно развивали норвежские зоологи Хосе-Мария Мартин-Дюран (Jose Maria Martín-Durán) и Андреас Хейноль (Andreas Hejnol). Они, в частности, детально изучили развитие приапулид (представителей Protostomia, для каких характерна ярко выраженная вторичноротость) и показали глубокое сходство развития приапулид и Deuterostomia (подетальнее см. в новости Вторичноротость может оказаться первичной для двусторонне-симметричных звериных, «Элементы», 06.09.2015).
Важным аргументом в пользу идеи о первичности вторичноротости является распределение двух способов закладки рта на эволюционном дереве билатерий (рис. 3). Впрочем, это распределение в любом случае предполагает несколько самостоятельных переходов от вторично- к первичноротости или наоборот.
Рис. 3. Распределение первичноротости (апельсиновые линии) и вторичноротости (синие линии) на эволюционном дереве билатерий можно рассматривать как аргумент в прок того, что первичным состоянием для билатерий была вторичноротость. Подлинно, вторичноротость характерна для всех Deuterostomia, а также для некоторых сравнительно примитивных (базальных) групп Protostomia, таких как щетинкочелюстные (Chaetognatha) и приапулиды. Кроме того, вторичноротость встречается у кое-каких членистоногих (Arthropoda), брахиопод (Brachiopoda) и кольчатых червей (Annelida). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution
В новоиспеченной статье, написанной Мартином-Дюраном и Хейнолем в соавторстве с американскими коллегами, анализируется развитие двух обликов брахиопод (см. Brachiopod). Надо сказать, что выбранные виды отлично подходят для изучения природы первично- и вторичноротости. Брахиоподы — представители Protostomia, однако среди них кушать виды с обоими способами закладки рта. Хотя два изученных облика относятся к разным классам брахиопод, разделившимся свыше 500 млн лет назад, они весьма похожи друг на друга и в начале своего эмбрионального развития (на стадиях яйца, бластулы и ранней гаструлы), и в крышке (на стадии личинки). Различия затрагивают промежуточные стадии. Радикально отличается способ, посредством которого из одинакового начала (яйца, бластулы, гаструлы) онтогенез приходит к равному завершению (личинке).
Для первого вида, Novocrania anomala, характерна вторичноротость (рис. 1, наверху). У N. anomala, как у всех билатерий, бластопор формируется на вегетативном полюсе (см. Polarity in embryogenesis) бластулы, какой соответствует заднему концу личинки. В дальнейшем бластопор лишь немножко смещается с заднего конца на вентральную (брюшную) сторону, после чего он закрывается, а рот прорывается самостоятельно от бластопора в передней части тела. Затем около заднего крышки тела (но всё же не точно там, где был бластопор) прорывается анус. Проследив за судьбиной клеток, прилегающих к бластопору, авторы убедились, что эти клетки не принимают участия в формировании рта или других структур передней части тела личинки.
Для второго облика, Terebratalia transversa, характерна первичноротость (рис. 1, внизу). Ранние стадии развития немного отличаются от первого вида — вплоть до того момента, когда бластопор немножко смещается на брюшную сторону. С этого момента развитие идет по-разному. В отличие от N. anomala, у T. transversa движение бластопора на этом не заканчивается: бластопор продолжает смещаться вперед, мощно вытягиваясь в передне-заднем направлении и приобретая щелевидную форму. Авторы заметили, что клетки переднего края движущегося бластопора активно делятся и скоро погружаются внутрь, что, по-видимому, вносит вклад в процесс смещения бластопора. В крышке концов передняя часть щелевидного бластопора приближается к переднему крышке зародыша и становится ртом, а задняя часть щели закрывается. Анус у T. transversa отсутствует, как и у иных замковых брахиопод.
У эмбрионов обоих видов авторы изучили нрав экспрессии нескольких эволюционно консервативных генов — регуляторов развития, включение каких соответствует выбору клетками своей дальнейшей «судьбы»: какие из них дадут начин передним, какие — задним эктодермальным структурам, а какие сделаются энто- и мезодермой. Результаты в упрощенном виде показаны на рис. 4.
Рис. 4. Районы экспрессии генов — регуляторов развития у вторичноротой брахиоподы N. anomala (слева) и первичноротой T. transversa. Кубовым цветом показаны гены, маркирующие передние эктодермальные структуры (six3/6, NK2.1, gsc, otx), травяным — «задние» гены (evx, cdx), желтым — энтодермальные (foxA), алым — мезодермальные (twi, foxC, foxF). Вид везде с вегетативной/вентральной сторонки. gp — гастральная пластинка (участок зародыша на стадии бластулы, какой в ходе гаструляции будет погружаться внутрь и даст начин энтодерме), bp — бластопор, mo — рот. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution
Очутилось, что рисунок экспрессии «передних» и «задних» генов сильно отличается у двух видов брахиопод, причем различия появляются на стадии гаструляции. У обоих обликов уже на стадии бластулы на вегетативном полюсе, на месте будущего бластопора, формируется гастральная пластинка — участок, в каком начинают работать энтодермальные гены (показаны желтым краской на рис. 4). Это значит, что клетки гастральной пластинки уже выбрали свою судьбину: они будут впячиваться внутрь и станут энтодермой. Вокруг гастральной пластинки экспрессируются «задние» гены (показаны травяным цветом). Это справедливо для обоих видов на стадии бластулы. Расхождения начинаются на вытекающем этапе — во время гаструляции.
У вторичноротой N. anomala область экспрессии задних генов опоясывает бластопор со всех сторон на всех стадиях, вплоть до закрытия бластопора. В соответствии с этим клетки кромки бластопора не участвуют в формировании передних структур, в том числе рта. У первичноротой T. transversa уже на стадии гаструлы район экспрессии задних генов соприкасается с бластопором только с одной сторонки — той, которая станет потом задней. В клетках противоположного (грядущего переднего) края бластопора экспрессируются передние гены (показаны кубовым на рис. 4). В этом состоит ключевое различие между обликами: у первичноротого вида область экспрессии передних генов «дотягивается» до переднего кромки бластопора, а у вторичноротого бластопор до конца остается со всех сторонок окруженным областью экспрессии задних генов. Это отлично согласуется с тем, что у первичноротого облика клетки переднего края бластопора участвуют в формировании рта (поскольку рот относится к «передним» структурам, он должен образовываться клетками, в каких в ходе развития включаются «передние» гены).
Различия открылись также в закладке мезодермы (показана красным цветом на рис. 4). У вторичноротого облика мезодерма начинает дифференцироваться только на стадии гаструлы и разрастается в основном в переднем курсе (вперед от бластопора). У первичноротого вида мезодермальные клетки выбирают свою судьбину еще на стадии бластулы, и мезодерма растет по большей части назад от бластопора.
Добавочные эксперименты показали, что различия в экспрессии передних и задних генов у двух обликов брахиопод отчасти связаны с активностью сигнального каскада Wnt/в-catenin (см. Cигнальный линия Wnt), который играет у животных ключевую роль в формировании передне-задней оси тела (см.: Замечено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных, «Элементы», 02.06.2016). Ненастоящая гиперактивация сигнального пути Wnt при помощи вещества AZK (1-Azakenpaullone) ведет к подавлению активности передних генов и расширению районы экспрессии задних. Это приводит к тому, что рисунок экспрессии этих генов у первичноротого облика T. transversa становится более похож на то, что наблюдается у вторичноротой N. anomala. Впрочем, целого сходства не получается: один из передних генов (otx) всё равно продолжает экспрессироваться на переднем кромке бластопора, а задние гены evx и cdx — только на заднем. Можно ли обратить первичноротость во вторичноротость, усиливая активность сигнального пути Wnt, малопонятно, потому что применение AZK ведет к грубым нарушениям дальнейшего развития: в подневольности от стадии, на которой применяется это вещество, либо блокируется гаструляция, либо у личинки не развиваются передние доли тела.
Предположение о том, что в регуляции экспрессии передних и задних генов на вентральной сторонке зародыша как-то задействован сигнальный путь BMP, который у немало животных играет ключевую роль в формировании дорзо-вентральной (спинно-брюшной) полярности, было проверено и не подтвердилось.
Авторы стали на предположении, что существуют еще какие-то ранние сигналы, которые пока не удалось идентифицировать. Эти сигналы либо модулируют труд Wnt, либо действуют независимо. У первичноротого вида эти сигналы препятствуют тому, чтобы рубежи областей экспрессии передних и задних генов под действием сигнального линии Wnt слишком сильно смещались вперед на вентральной стороне.
Чтобы получить понятие о том, насколько общий характер могут иметь выявленные у брахиопод закономерности, авторы изучили развитие кольчатого червя Owenia fusiformis, для какого характерна первичноротость. Оказалось, что у этого червя, как и у первичноротой брахиоподы T. transversa, передние гены six3/6, NK2.1, gsc, otx экспрессируются на переднем кромке бластопора, а задние (evx, cdx) — только на заднем. Для близкого облика Owenia collaris, по литературным данным, характерна вторичноротость, но авторы не переизучили его развитие: наверное, сделают это в следующий раз.
На этом установленные факты заканчиваются и начинаются интерпретации и домыслы, какие в данном случае не могут не быть спорными.
По мнению авторов, полученные итоги не очень хорошо согласуются с двумя сценариями, показанными на рис. 2. «Сценарий амфистомии» предполагает некую симметричность в процессе замыкания бластопора: в случае первичноротости он должен быть щелевидным и замыкаться в своей задней доли (и это действительно наблюдается у первичноротой брахиоподы Terebratalia transversa), а в случае вторичноротости он тоже должен быть щелевидным и замыкаться в своей передней доли, но этого нет у вторичноротой брахиоподы Novocrania anomala: ее бластопор остается круглым и замыкается не линией схождения боковых краев, а просто зарастает. «Планулоидно-ацелоидный сценарий» предполагает весьма ранее формирование дефинитивного (взрослого) рта при вторичноротости, чего тоже не наблюдается.
Представлялось бы, если авторы отвергли эти два сценария, то последний оставшийся вариант — это их возлюбленная идея о первичности вторичноротости (то есть о том, что последний общий предок билатерий был вторичноротым, а первичноротость — производное состояние, какое возникало несколько раз независимо). Как ни странно, авторы на этот раз не мастерят акцента на данной идее. Вместо этого они намекают, что зоологи, вероятно, до сих пор придавали неоправданно большое значение способу закладки рта, какой на самом деле не является таким уж важным признаком, на каком нужно основывать представления о происхождении билатерий и об анатомии их всеобщего предка. Первично- или вторичноротость, возможно, является лишь побочным последствием более фундаментального признака, а именно паттерна экспрессии генов — регуляторов развития, в первую очередность передних и задних экто- и мезодермальных маркеров. Рот в любом случае развивается там, где экспрессируются передние гены. Если бластопор — эмбриональный рот — оказывается в необходимое время в нужном месте, его можно «кооптировать», то есть использовать для построения натурального (дефинитивного) рта. Это будет первичноротость. А если бластопора под рукой нет, то рот всё равновелико сформируется, где положено, но уже без участия бластопора. Это будет вторичноротость. Такая «коопция», как и несогласие от нее, могли происходить многократно. Попадет ли бластопор в ту часть эмбриона, где должен сформироваться рот, зависит от того, где проходят рубежи областей экспрессии передних и задних генов на вентральной сторонке эмбриона. Если они сдвинуты к заднему концу тела, бластопор оказывается между ними (первичноротость), если же они проходят ближней к переднему концу, то бластопор будет со всех сторон окружен районом экспрессии задних генов (вторичноротость).
Авторы сравнивают первично- и вторичноротость со знаменитыми spandrels (ветрилами) — архитектурными элементами, которые с легкой руки Стивена Гулда и Ричарда Левонтина сделались в биологии общепринятой метафорой для признаков, не имеющих собственного адаптивного смыслы и являющихся побочным результатом каких-то других, действительно значительных признаков (S. J. Gould, R. C. Lewontin, 1979. The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm: A Critique of the Adaptationist Programme).
Впрочем, ничто не воспрещает «парусам» быть хорошими таксономическими признаками, обладать эволюционной консервативностью и тащить ценную информацию о происхождении той или иной группы организмов. Кроме того, адаптивная ценность упомянутых отличий в паттернах экспрессии передних и задних генов тоже не чересчур очевидна.
Почему Мартин-Дюран и Хейноль в своей новой статье обходят сторонкой идею о первичности вторичноротости, которую они отстаивали в прежних трудах? Может быть, потому, что полученные ими результаты придают добавочный вес аргументу О. М. Ивановой-Казас, на основании которого она отвергала гипотезу о первичности вторичноротости. Сергей Ястребов пересказал этот аргумент в новинки Вторичноротость может оказаться первичной для двусторонне-симметричных животных («Элементы», 06.09.2015):
По суждению Ивановой-Казас, способ развития, достигнутый вторичноротыми и приапулидами, — незапятнанно технологически самый рациональный, предполагающий минимум смещений и трансформаций. Как уже произнесено, при этом способе рот и анус сразу закладываются «где надо». Переход от такого состояния к «первичноротости» представляется неоправданным усложнением, так что трудно представить давление естественного отбора, под каким он мог бы произойти. А вот обратный переход, избавляющий зародыш от необходимости перемещать или вытягивать бластопор, выглядит как раз выгодным, и не выключено, что он произошел неоднократно.
Новые данные по развитию двух обликов брахиопод ясно показывают, что первичноротость по сравнению с вторичноротостью, по крайней мере в этом конкретном случае, — это просто более сложный и муторный способ добраться от одной и той же отправной точки А (бластулы) до точки Б (личинки; вспомним, что план постройки ранних личинок двух видов брахиопод практически равён). Новые данные показали, что сложность и муторность распространяются не лишь на наблюдаемые морфогенетические процессы (отчаянное вытягивание и далекое переползание бластопора), но и на их молекулярно-генетический базис. Для первичноротости требуются некие добавочные регуляторы, работающие на вентральной стороне эмбриона и препятствующие сдвигу районов экспрессии передних и задних генов вперед под действием сигнального линии Wnt.
В свете этих данных эволюционный переход от первичноротости к вторичноротости подлинно выглядит более простым и вероятным (рационализация развития, связанная с утратой каких-то элементов регуляции, а не с приобретением новоиспеченных), тогда как переход в обратном направлении (от вторично- к первичноротости) представляется маловероятным и, по-видимому, не необходимым усложнением. В таком случае логично предположить, что исходным для билатерий способом развития была все-таки первичноротость, какая потом неоднократно замещалась вторичноротостью в разных эволюционных чертах, в том числе у последнего общего предка Deuterostomia.
