Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

Когда леопард из сказки Киплинга получил свои пятна, он был очень доволен и ничего больше не хотел менять. Но с бабочками дело обстоит иначе, и в ходе эволюции пятна на их крыльях изменялись много-много раз. Это становится заметно, если посмотреть на бабочек разных видов, но я хочу начать с рассказа о бабочках из Малави, которые всякий раз меняют окраску при смене сезона.

Все, что мне было известно о бабочке Bicyclus anynana, мне рассказали Пол Брейкфилд и его студенты из университета города Лейден в Нидерландах, а также Верной Френч из Эдинбургского университета. Пол на протяжении многих лет изучал этих удивительных бабочек как в природе, в Малави, так и в гигантской популяции, которую он держит в своей лаборатории в Лейдене.

Дикие популяции В. anynana адаптировались к выраженным сезонным изменениям климата, научившись изменять рисунок на своих крыльях. В сезон дождей, когда вокруг много зеленой листвы, на крыльях бабочек появляются заметные пятна-глазки, которые помогают бабочкам избежать нападения птиц и ящериц (вкладка 8f слева). Но в сезон засухи, когда листья увядают и опавшая листва коричневого цвета, бабочки ведут менее активный образ жизни и крупные пятна-глазки на их крыльях становятся прекрасными мишенями на коричневом фоне, словно призывая: "Я здесь, съешь меня!". Поэтому, когда наступает похолодание и прекращаются дожди, гусеницы и куколки из последних кладок ощущают эти перемены, и новые бабочки появляются на свет почти без пятен, а лишь с маленькими крапинками на тех местах, где они должны были быть (вкладка 8f справа). Эти скучные коричневые бабочки прячутся в опавшей листве и ожидают окончания засухи и возвращения сезона дождей, когда они начнут спариваться. А у их потомства, подрастающего в теплом и влажном климате, на крыльях образуются яркие пятна, которые защищают их при более активном образе жизни.

Способность бабочек к адаптации — не сказка Киплинга. Пол и его студенты выпустили бабочек с крупными пятнами на крыльях на волю в период засухи и обнаружили, что их съедают гораздо чаще, чем их невзрачных коричневых родственников, так что в дикой природе работа отбора очевидна. В лабораторных условиях выращивание бабочек при разной температуре позволяет воспроизвести формы, наблюдающиеся в природе. Так, при температуре около 23°С развивается форма, характерная для влажного сезона, а при температуре около 17°С — форма засушливого сезона. Меняя температуру на разных стадиях развития бабочек, Пол и его сотрудники определили, что критическим периодом, определяющим размер пятен на крыльях, является стадия поздней гусеницы.

Когда мой студент Дэвид Кейс изучал экспрессию гена Distal-less у гусениц В. anynana при разной температуре, он обнаружил точное соответствие между температурой, количеством клеток, синтезирующих белок Distal-less, и размером пятен на крыльях взрослых бабочек. При низкой температуре белок Distal-less синтезировался в небольшом количестве клеток, тогда как при повышении температуры количество клеток, производящих белок Distal-less, значительно возрастало. У этого вида бабочек переключатель гена Distal-less, работающий в пятнах-глазках, функционирует по-разному при разной температуре. Мы не думаем, что переключатель способен напрямую воспринимать изменение температуры; скорее всего дело в том, что смена сезонов и температуры влияет на уровень образования в теле гусеницы некоторых гормонов. У насекомых, как и у нас с вами, гормоны регулируют стадии развития и дифференцировку многих тканей. Но в конечном итоге действие гормонов опосредовано генетическими переключателями. В переключателе гена Distal-less в крыльях В. anynana эволюционировала сигнатурная последовательность, реагирующая на присутствие гормона, что и позволило этому переключателю ощущать изменение внешних условий.

Способность контролировать появление пятен в ответ на изменение внешних условий — всего лишь один из множества примеров того, как развитие и форма изменяются под действием естественного отбора. В ходе эволюции бабочек возникли самые разные варианты окраски и узора крыльев. Например, только к одному роду Bicyclus принадлежат восемьдесят видов, различающихся по размеру, форме, расположению и иногда даже по количеству пятен-глазков. Это означает, что эволюция узора на крыльях бабочек происходит сравнительно "легко". В эволюции этого признака больше степеней свободы, чем в эволюции других структур. Причина этой гибкости, возможно, в том, что генетическая регуляция создания узора допускает мутации, которые затрагивают только этот узор и не влияют на другие структуры тела. Эволюцию бабочек и правда можно назвать "случайностью, пойманной за крыло".