Пренатальное развитие

Почему онтогенез как бы повторяет филогенез

В конце XIX века немецкий ученый Карл фон Бэр основал науку «сравнительная эмбриология». Одним из его открытий было обнаружение яйца у млекопитающих; таким образом, он установил, что все млекопитающие (включая людей) развиваются из яиц. Позже, в том же столетии, другой немец, зоолог Эрнст Геккель, принял на вооружение идеи фон Бэра и согласовал их с концепциями эволюции по Дарвину. Результатом этого слияния эмбриологии и дарвинизма стал биогенетический закон Геккеля, сводящийся к знаменитой фразе: «Онтогенез повторяет филогенез». Говоря популярно, биогенетический закон Геккеля выдвигает теорию, что по мере прохождения индивидом стадий эмбриона и раннего плода его организм повторяет или вновь проходит эволюционную историю своего вида. Например, человеческий эмбрион за девять месяцев, проведенных в матке, проходит много стадий - от беспозвоночного к рыбе, затем - к амфибии, к рептилии, к млекопитающему, к примату, к подобию гоминид и к человеку как таковому. Универсальность этого закона была опровергнута современными биологами.

Карл фон Бэр выдвинул теорию, что эмбрионы одного вида проходят стадии, сопоставимые со стадиями других видов. В этой теории, известной как закон фон Бэра, оговаривалось, что эмбрионы одного вида могут напоминать эмбрионы (а не взрослых особей) других видов; и чем младше эмбрион, тем сильнее сходство. Закон фон Бэра представляет собой более точную модель реальности, чем биогенетический (резюмирующий) закон Геккеля. Закон фон Бэра подразумевает, что эволюционные изменения чаще происходят на поздних этапах развития, а ранние стадии более консервативны в эволюционном отношении. Это объясняется тем, что любая мутация, влияющая на раннее развитие, с большей вероятностью произведет выраженный фенотипический эффект, чем та, которая повлияет на развитие поздней стадии. Так как развитие продолжительно и кумулятивно, изменения на ранней стадии будут иметь все более и более выраженные последствия, по сравнению с изменениями на поздних этапах развития. Наиболее вероятный исход любой мутации, произошедшей на ранней стадии, - неблагоприятный и зачастую - летальный. У сравнительно более поздних (относительно срока развития) мутаций выше вероятность отсутствия негативных эффектов, а в некоторых случаях они могут даже повышать адаптацию путем тонких изменений фенотипа. Это явление можно проиллюстрировать, проведя аналогию со строительством небоскреба. Если внести изменения в план конструкции стен первого этажа, высока вероятность, что это повлияет на каждый расположенный выше этаж и, возможно, негативным образом. Любые изменения последнего этажа небоскреба не повлияют на нижние этажи, и здесь существует значительно большее число возможных вариантов, которые не повредят зданию в целом.

Закон фон Бэра в большей степени справедлив для организмов, развивающихся внутри матери (например, млекопитающих), чем для видов, имеющих личиночную стадию, на которой они должны сами о себе заботиться. При внутриутробном развитии ведущее к изменению давление естественного отбора со стороны внешней среды минимально или отсутствует. Однако личиночный организм, самостоятельно обеспечивающий свое выживание, постоянно подвергается давлению естественного отбора. Это объясняет то, почему ранние стадии развития млекопитающих настолько похожи у разных видов, а у таких организмов, как насекомые, личиночная стадия очень отличается от взрослой.

Регуляторные гены

Регуляторными генами называют участки ДНК, кодирующие белки, которые управляют «включением» и «выключением» других участков ДНК. Как ни странно, многие из этих генов состоят из одних и тех же последовательностей пар нуклеиновых оснований у столь разных видов, как мышь и домашняя муха (McGinnis & Kuziora, 1994). У эмбрионов всех животных сходные аспекты дифференцировки тела контролируются соответствующими группами генов, называемыми НОМ-генами у беспозвоночных и Нох-генами у позвоночных. [Согласно последним правилам молекулярной номенкулатуры, все гены (НОМ и Нох) стали называться Нох-генами. - Примеч. пер.]

На практике в ряде опытов была произведена трансплантация регуляторных генов между двумя видами, и, что примечательно, процесс развития происходил без неблагоприятных эффектов. В других экспериментах манипуляции этими генами привели к появлению «монстров». Например, у насекомых на месте антенны возникала нога. В целом эти типы генетических перестановок указывают на значительные возможности регуляторных генов, а также на их крайне древнее возникновение в филогенезе. Позвоночные имеют 13 подгрупп Нох-генов, которые не изменялись в течение сотен миллионов лет (Sharkey, Graba & Scott, 1997). Многие регуляторные гены совершенно точно присутствовали у общего предка членистоногих и позвоночных, предположительно - у простых многоклеточных животных, живших более полумиллиарда лет назад.

Вставка. Длина пальцев и маскулинизированный мозг (пальцы как показатель маскулинизации мозга)

Адаптивное значение токсикоза

У млекопитающих успешное развитие от зачатия и до рождения зависит от физиологии матери. При всестороннем рассмотрении онтогенеза млекопитающих необходимо коснуться и эволюции изменений у матери. Профет (Profet, 1992) выдвинул гипотезу, что токсикоз на самом деле - не патология, а приобретенная адаптация, предназначенная для защиты развивающегося эмбриона или плода от употребления матерью в пищу токсических веществ. Симптомы токсикоза наиболее интенсивны между шестью и восемнадцатью неделями от зачатия, когда органогенез эмбриона наиболее чувствителен к химической агрессии. Женщины, отмечающие у себя тошноту, имеют значительно меньший шанс не выносить беременность, чем те, которые не испытывают ничего подобного; а женщины, у которых отмечается рвота, не вынашивают еще реже, чем те, кто ощущает только тошноту (Flaxman & Sherman, 2000).

В западной культуре упоминания о токсикозе восходят к глубокой древности. Встречаются они и во многих традиционных культурах, однако не во всех. Минтурн и Вейхер (Minturn & Weiher, 1984) изучали кросс-культурную распространенность симптомов токсикоза и выявили, что он имеет место в 22 культурах, но в 8 культурах его нет. Интересно, что семь из восьми культур, в которых нет тошноты при беременности, имели (в противоположность 22 культурам, где тошнота встречается) диету, основанную на маисе. Профет предположил, что дефицит питательных веществ, характерный для диет с преобладанием маиса, может нарушить физиологические процессы, в норме вызывающие тошноту при беременности. Эти физиологические нарушения могут являться следствием дефицита никотиновой кислоты, который обычно развивается у людей, чье питание зависит прежде всего от маиса, бедного щелочами и солями кальция. Нехватка никотиновой кислоты сопровождается нарушениями в центральной нервной системе, желудочно-кишечными расстройствами и расширением сосудов. Однако существует более простое объяснение вариациям встречаемости токсикоза в разных культурах.

Флаксман и Шерман (Flaxman & Cherman, 2000) установили, что в тех традиционных сообществах, где никогда не наблюдалось токсикоза, значительно реже (по сравнению с теми сообществами, где токсикоз встречается) употребляют в пищу продукты животного происхождения и гораздо чаще - растительного (в основном, зерна). Более того, они обнаружили, что многие беременные женщины, особенно в первом триместре, испытывают отвращение к алкогольным и кофеинсодержащим напиткам, к пряным растениям, но в наибольшей степени - к мясу животных и птиц, к рыбе и яйцам. Продукты животного происхождения могут быть особенно опасны для беременных женщин и их эмбрионов, потому что они часто содержат паразитов и являются благоприятной почвой для патогенных микроорганизмов. Исходный риск, связанный с поеданием мяса, экспансивно усиливается у беременной женщины, потому что ее иммунная система подавлена с целью уменьшения вероятности отторжения белков ее собственного потомка.

Литтл и Хук (Little & Hook, 1979) продемонстрировали, что женщины, которые постоянно курили сигареты во время или до беременности, значительно реже страдали от тошноты, чем некурящие (соответственно, 52 и 79%). Это свидетельствует о том, что тошнота у беременных запускается обонятельными и вкусовыми сигналами, так как известно, что обоняние и хеморецепция при курении ухудшаются (Ahlstrom, Berglund, Engen & Lindvall, 1987).

По мнению Профета (Profet, 1992), функция адаптивной тошноты при беременности - предотвращение употребления в пищу токсинов, типичных для эпохи плейстоцена, а не современных ядов. Многие растения с целью защиты от поедания синтезируют горькие на вкус алкалоидные соединения. Исследования показали, что тошнота при беременности удерживает от употребления кофе (горького растительного алкалоида), но лишь слабо препятствует употреблению алкоголя и совсем не влияет на курение (Hook, 1976; Little & Hook, 1979). То количество алкоголя, которого достаточно, чтобы вызвать задержку умственного развития и врожденные дефекты, связанные с фетальным алкогольным синдромом, стало доступным беременной женщине лишь с возникновением сельского хозяйства (Tanaka, 1980).

Профет (Profet, 1992) утверждает, что наши предки находились в ситуации более значительного давления естественного отбора по сравнению с другими млекопитающими, так как в их пищевой рацион входило много разных растений и животных. На ранних стадиях беременности обоняние женщины становится острее, пища задерживается в желудке на более продолжительное время, прежде чем адсорбироваться (как будто проверяется на токсичность). Участок мозга, управляющий рвотным рефлексом, становится чувствительнее. Запасы гиноидного жира до беременности составляют у женщин значительно больший процент от массы тела, чем у подавляющего большинства млекопитающих. Таким образом, женщине во время беременности необходимо пропорционально меньшее ежедневное количество пищи (Prentice & Whitehead). С точки зрения развивающегося плода, было бы лучше, если бы мать вообще ничего не ела во время беременности, а просто расходовала бы энергетические резервы своего тела. В этом случае плод был бы защищен от любых возможных опасностей, таящихся в пище, особенно в мясной, где (до широкого распространения холодильников) нередко содержалось большое количество микроорганизмов и их токсинов.

Конкуренция матери и плода

Тесная связь между женщиной и развивающимся внутри нее плодом традиционно рассматривалась как идеальный пример объединения усилий и даже самопожертвования со стороны матери. Однако Хейг (Haig, 1993) указывает на то, что генетические интересы плода не совсем совпадают с генетическими интересами матери. Это обусловлено тем, что плод несет лишь половину генов своей матери. Ситуацию между матерью и плодом можно рассматривать с точки зрения трех независимых групп генов, интересы которых в чем-то расходятся. Гены матери составляют первую группу. Гены плода, унаследованные от матери (материнские), составляют вторую группу. А гены, унаследованные плодом от отца (отцовские), представляют собой третью группу.

С точки зрения генов матери, затраты на данный плод мешают заботиться о существующих или будущих детях. Если условия таковы, что затраты на этот плод серьезно ухудшают шансы выживания уже имеющихся детей или будущего потомства, то в интересах матери не вынашивать этот плод. Вместе с тем, даже в ситуации, в которой будущие дети выживут с большей вероятностью, чем этот плод, - с точки зрения материнских генов плода, последний важнее, чем будущее потомство. Это объясняется тем, что лишь определенный процент генов, унаследованных данным плодом от матери, будет унаследован и другими детьми. Генетические интересы отцовских генов отличаются от интересов матери еще сильнее. Так как у будущих детей отцовские гены могут быть унаследованы от других отцов, то данные отцовские гены могут быть представлены в следующих отпрысках еще в меньшей степени. Конфликт материнских и отцовских групп генов может быть разрешен благодаря явлению, называемому генным импринтингом. Импринтированные гены имеют разную экспрессию, в зависимости от того, унаследованы ли они от яйцеклетки или от сперматозоида.

Различные интересы этих групп генов приводят к процессу непрерывно возрастающей эскалации. Такой вид «гонки вооружений» иногда называют гипотезой Черной Королевы. Черная Королева из сказки Льюиса Кэрролла бежала на месте целый день, но так никуда и не попала. Подобно этому, в эволюционном состязании становились быстрее хищники и становились быстрее их жертвы, а в результате баланс сохранялся на том же уровне. Примеры конкуренции «мать-плод» варьируют от простой проблемы сохранения беременности до борьбы за питательные вещества, если беременность сохраняется. Одно из следствий плацентарной беременности - способность плода выделять в кровь матери вещества, оказывающие определенные эффекты на ее физиологию (Haig, 1993). Среди этих веществ есть плацентарные гормоны, воздействующие на рецепторы матери. Один из примеров плацентарных гормонов - хорионический гонадотропин человека (hCG). Одна из функций плацентарного hCG - перехватывать роль гипофиза матери в синтезе hCG. Это затрудняет спонтанный аборт у матери в тех случаях, если плод генетически неблагополучен или если в данной ситуации имеет место недостаток еды или какой-либо другой стрессовый фактор. Хорионический гонадотропин человека косвенно способствует выработке прогестерона, необходимого для сохранения беременности. После восьмой недели с момента зачатия плацента начинает сама вырабатывать прогестерон, тем самым делая самопроизвольный аборт невозможным для матери.

Уровень сахара в крови матери обычно падает в начале беременности и сохраняется на достаточно низком уровне в течение всей гестации (Haig, 1993). Раннее снижение уровня сахара в крови не является результатом утилизации глюкозы плодом, так как потребности последнего на ранних стадиях сравнительно невелики. Сниженный уровень глюкозы в крови, как выяснилось, является адаптацией, приводящей к изменению контроля гомеостаза во время беременности, как бы для заблаговременной компенсации будущих потребностей плода. Мать с самого начала имеет низкий уровень сахара в крови, чтобы ограничить расходы на плод в течение беременности.

До беременности при употреблении богатой углеводами пищи уровень глюкозы в крови матери поднялся бы, но затем быстро бы вернулся к исходному уровню в ответ на выработку инсулина поджелудочной железой. Если мать съест то же самое на большом сроке беременности, то в ее крови и уровень глюкозы, и уровень инсулина резко возрастут и останутся на высоком уровне на значительно больший промежуток времени. Это явление имеет смысл с точки зрения развернутой «гонки вооружений», обусловленной конфликтом генетических интересов плода и матери. Мать и плод конкурируют за питательные вещества после каждого приема пищи. Чем дольше у матери будет повышен уровень сахара в крови, тем больше глюкозы сможет получить плод. Выяснилось, что устойчивость к инсулину у матери на поздних сроках вызвана плацентарной секрецией человеческого плацентарного лактогена (hPL). hPL - самого большого (по размерам молекулы) из белковых гормонов, продуцируемых приматами, и его концентрация возрастает в течение беременности. Секреция hPL у человеческого плода достаточно независима от материнской регуляции, от уровня глюкозы или аминокислот у матери. Интересно, что отсутствие hPL не оказывает заметного эффекта на беременность. Дети, родившиеся от беременности, протекавшей при полном отсутствии hPL, имели вес в пределах нормы. Плацента вырабатывает еще и ферменты, быстро расщепляющие инсулин; таким образом осуществляется противостояние выработке инсулина матерью. Синтезирующие инсулин клетки поджелудочной железы в течение беременности значительно увеличиваются, и матери, испытывающие в этот период патологическую толерантность к глюкозе, имеют повышенный риск развития гестационного диабета.