Гомологи и аналоги. Почему похожие органы живых существ часто имеют разное происхождение, а непохожие — одинаковое

Перед тем как спускаться в глубины, стоит немного разобраться в терминологии. Несмотря на то, что все живые организмы на планете очень разные и вряд ли можно найти много общего между дубом, сельдяным королем и человеком, когда-то давно у нас был общий одноклеточный предок. Ученые предположили, каким гипотетически могло быть его строение, так как знать, каким он был на самом деле, мы не можем. Современная биология называет предковую для всех клетку LUCA — last universal common ancestor (последний универсальный общий предок).

Лука, судя по всему, был крайне примитивным организмом — безъядерная клетка, обладающая способностью к обычному делению, имеющая ДНК и простейшие органеллы. Он делился, и его потомки в целом были очень похожи на «родителя», по сути, являлись его генетическими клонами с небольшими изменениями генома. Так проявилась первая главная сила эволюции — наследственность.

Считается, что Лука существовал очень-очень давно — несколько миллиардов лет назад (по оценкам некоторых ученых, 4 млрд лет назад!). Он жил и делился, а в некоторых из его дочерних клеток происходили мутации. Мутации — это отражение другой движущей силы эволюции — изменчивости. Постепенно мутации закреплялись, дочерние клетки уже были не так похожи на клетку-родителя. Изменения в ДНК формировали отдельные популяции и делали невозможными смешения генотипов между ними. Мутации накапливались и накапливались, случались эволюционные скачки — приобретение того или иного полезного свойства. В какой-то момент клетка обрела ядро (гипотез того, как именно это произошло, несколько). Появились первые эукариоты. Происходили и более любопытные скачки, например захват клеткой других клеток. Именно так, благодаря процессу под названием эндосимбиоз, образовались митохондрии, энергетические станции клетки, и пластиды — органеллы, важные для фотосинтеза.

Постепенно образовались царства живой природы — грибы, растения, животные и, конечно, бактерии с археями. Все они появились благодаря двум главным силам живого — наследственности и изменчивости. При этом «запрет» на смешение между представителями разных видов и тем более родов иногда нарушался: это так называемый горизонтальный перенос генов (в противовес вертикальному, «обычному», от родителя к потомку). Поэтому филогенетические деревья, где ветви расходятся от одного ствола, чтобы никогда больше не пересечься, не так уж достоверны — лучше думать о взаимосвязях между видами как о сети, где ветви иногда нет-нет да и пересекутся. Случаи горизонтального переноса на самом деле не так уж редки. Совсем недавно, например, его обнаружили у достаточно крупных многоклеточных — бабочек рода Megalopyge. Гусеницы бабочек ядовиты, и ученым удалось доказать, что отдельные компоненты яда — мегализины — были получены насекомыми от бактерий именно благодаря горизонтальному переносу.

Но чем сложнее виды, тем менее вероятен горизонтальный перенос: его легко представить между одноклеточными или даже простейшими многоклеточными, но вот перенос между растением и котом — вещь маловероятная, если не сказать невозможная. Чем сложнее устроен таксон, тем выше вероятность, что он монофилетический, то есть образовался от одной предковой формы. Такие монофилетические группы объединяются в кластеры. Например, когда-то давно предки птиц были больше похожи на рептилий, чем на нынешних птиц (согласно современной классификации, птицы являются одной из групп древних рептилий, выживших благодаря изменениям скелета и некоторым другим полезным приобретениям). Современные рептилии и птицы объединяются в одну кладу Reptilia, и у этой клады много миллионов лет назад был единый предок. Все представители одной клады так или иначе делят между собой одинаковые или, по крайней мере, схожие черты. Так, у птиц до сих пор есть чешуя на ногах, а у южноамериканского гоацина на крыльях сохранились не только пальцы, но и когти.

Постепенно виды расходились и шли собственными путями, уходя всё дальше и дальше от предковой формы и теряя сходство с родственниками. Им приходилось постоянно адаптироваться к среде обитания, выживали в ней и тем более давали потомство только те, кто подходил для условий этой среды лучше всего. Некоторые делали на своем пути резкие развороты — например, предки китов и других морских млекопитающих, ушедшие в море, или предки рукокрылых, независимо от птиц покорившие воздух. Различий становилось всё больше.

Предок человека и шимпанзе жил, по масштабам Вселенной, совсем недавно — мы еще не успели отойти от этой точки бифуркации достаточно далеко, а потому похожи и всё еще имеем ряд общих для всех приматов черт, даже хвост у нас есть, это копчик, только его позвонки срослись между собой и обычно не показываются за пределами тела.

А вот с предками котов мы разошлись довольно давно. Наша клада, к которой относятся приматы и зайцеобразные, разошлась с кладой, впоследствии породившей хищных и кошкообразных, 90 млн лет назад. Поэтому, хоть мы и относимся к одному классу млекопитающих, между нами есть существенные различия, которые формировались тысячи лет для того, чтобы каждый из нас «подходил» своей среде обитания. Да, у нас похожее строение тела: четыре лапы со сходным строением костей и суставов, те же системы организма. Провести параллель между котом и человеком в целом несложно. Но есть и разница: у котов другое строение зубов и черепа, очень маленькие, не соединенные с верхним плечевым поясом ключицы, есть важные для жизни хищника «приспособления» и т. д. Если же взять еще более дальних «родственников» — например, ланцетников, рыб или осьминогов, — то тут различий еще больше, а сходства уже как будто и нет. На самом деле оно, конечно, есть, просто не так заметно и часто проявляется на клеточном и молекулярном уровне — в строении белков, пигментов и метаболических путей.

Такие сходства и различия человечество заметило на самых ранних этапах развития науки. Ученые древности даже пытались их объяснить. Аристотель, например, и вовсе написал книгу, очень похожую на современные учебники по сравнительной зоологии: он первый попытался объяснить, почему лапа кота так похожа на руку человека и почему крылья летучих мышей и птиц разные, хотя и те и другие нужны для полета. И действительно — почему?

Гомологи

Гомологами называют такие структуры, которые не столько выполняют схожие функции, сколько, грубо говоря, созданы из одного и того же материала. Такие органы у родственных видов одинаково закладываются в эмбриогенезе. У первопредка рептилий, птиц, амфибий и млекопитающих было четыре лапы, поэтому у всех нас четыре конечности, так или иначе напоминающие друг друга. Да, в ходе эволюции они видоизменились: наши руки получили противопоставленный большой палец, а лапки кота — мощные когти, но обе эти структуры гомологичны. Гомологичны нашей руке и крылья рукокрылых, образованные вытянутыми передними конечностями с кожистой перепонкой, и оперенные крылья птиц. Все они так или иначе затрагивают верхний плечевой пояс и пальцы.

Гомологичны нашей руке и конечности копытных. У предка лошади — эогиппуса, жившего около 4 млн лет назад, — еще были обыкновенные пальцы, каждый из которых заканчивался утолщенным коготком, прообразом копыта. Эволюция не стояла на месте, и выживали по большей части те из эогиппусов, которые могли быстро и долго бегать. Так обеспечивался естественный отбор и закреплялись полезные мутации, сформировавшие одно большое копыто — сильно разросшийся коготь одного-единственного третьего пальца. Остальные пальцы оказались не нужны и перестали развиваться. Хотя и сейчас, изучая строение скелета лошади, можно заметить несколько маленьких косточек рядом с плюсной — это те самые фаланги давно не нужных пальцев.

У коров, как и у других парнокопытных, копыто образовалось не из одного, а из двух пальцев — третьего и четвертого, первый вовсе исчез, а второй и пятый остались рудиментами — небольшими бугорками. У свиней два оставшихся пальца еще более выражены, на них даже образуется что-то похожее на коготок. Так что редукция пальцев и сильное видоизменение конечности не мешают найти видимую связь.

Гомологами, конечно, могут быть и куда менее заметные структуры — например, отдельные белки или даже гены. Наш с вами гемоглобин гомологичен гемоглобинам других млекопитающих — и кошки, и верблюда — просто потому, что у всех гемоглобинов был когда-то единый предок, а сам белок не сильно изменился со временем. С генами всё немного сложнее: дело в том, что каждого гена у нас имеется две версии — одна пришла от мамы, вторая от папы. Такие «версии» хранятся на своих хромосомах, и хромосомы, повторяющие строение друг друга, называют гомологичными парами хромосом. Вы наверняка слышали, что у человека 46 пар хромосом. 22 пары, то есть 44 хромосомы, одинаковы и для мужчин, и для женщин. Их и составляют гомологичные пары хромосом. А вот последняя пара — пара половых хромосом — отличается. Х-хромосома, конечно, Y-хромосоме не гомологична. Гомология на молекулярном уровне — очень сложная область медицины, поскольку сочетает в себе и молекулярную биологию, и генетику, и филогению с эволюцией, и, конечно, биохимию со множеством «омик» — например, протеомику, науку, занимающуюся анализом белков.

Аналоги

А как же быть с очень похожими органами у тех видов, общий предок которых вовсе таких органов не имел? Взять, например, тонкое крылышко бабочки, мощное кожистое крыло рукокрылых и крыло птицы. Все они нужны для одного и того же — для полета. Но устроены по-разному: крыло летучей мыши, хоть и образовано кожистой перепонкой, а не перьями, как у птиц, образуется благодаря верхним конечностям — как и у пернатых. А потому их крылья гомологичны. Но у бабочки ситуация совсем другая: ее крылья образованы из чешуек, клеток, выделяющих внешний экзоскелет из хитина, то есть на самом деле являются хитиновыми выростами тела. Да и общий предок бабочек и птиц жил очень-очень давно, тогда, когда никаких крыльев и лап с пальцами в помине не было. Насекомые развили свои крылья независимо, и потому их крылья и крылья птиц аналогичны.

Аналогами в биологии называют такие органы, которые выполняют схожую функцию, но при этом структурно и анатомически не родственны друг другу. К крыльям можно добавить и ноги — например, лапы млекопитающих и лапки паука. Это тоже аналогичные органы, хоть и выполняют одну и ту же функцию и даже частично схожи по строению. Главная сила, влияющая на возникновение аналогичных органов, — это окружающая среда, именно она заставляет разные виды адаптироваться и формировать похожие структуры и органы.

Еще один любопытный пример аналогии — это глаза осьминога. Если вы когда-нибудь пристально всматривались в осьминога, то могли заметить, что он также пристально всматривается в вас и его глаза в целом очень напоминают наши с вами. Как так получилось? Неужели глаза — настолько древняя структура, что была еще у предковой формы, от которой образовались и позвоночные, и моллюски? Конечно, нет. Эта форма существовала больше 600 млн лет назад и была похожа, скорее всего, на червяка.

Глаз осьминога аналогичен нашему. Он действительно сложно устроен, в нем даже есть хрусталик, похожий по строению на человеческий. Осьминог может видеть во всех направлениях — его угол обзора составляет почти 360 градусов, тогда как у нас только 180 градусов. Такая «широта взгляда» достигается «растяжением» зрачка в стороны. Единственное существенное отличие в строении глаза осьминогов — это несколько иное расположение светочувствительных элементов: они находятся снаружи нервных окончаний, поэтому картинка получается не инвертированной, в отличие от нашей (наши глаза считывают изображение в перевернутом виде, а мозг потом переворачивает его обратно, чтобы мы не сходили с ума), а прямой. Кроме того, у осьминогов нет слепого пятна — той части глаза, которой мы с вами не видим, потому что это место «выхода» зрительного нерва. Так что в какой-то степени у моллюсков глаза будут получше наших…

Аналогичной может быть и форма тела, недаром морских млекопитающих, например дельфинов и китов, в древности считали рыбами. Они, конечно, не рыбы, их ближайшие родственники — парнокопытные животные, в частности бегемоты, их общую кладу так и называют: китопарнокопытные. Но много миллионов лет назад их предки «вернулись домой» — в водную среду, и эта среда потребовала формирования обтекаемого тела.

Любопытно, что и бегемоты, и китообразные имеют некоторые общие черты — например, почти полное отсутствие волосяного покрова и сальных желез, правда, утратили они их независимо друг от друга. А их общий предок, живший примерно 55 млн лет назад, был не водным, а вполне себе наземным животным.

У растений, кстати, тоже встречаются аналогичные органы, и иногда это незаметно не то что с первого, а даже со второго взгляда. Взять, например, усики тыквы, клубники и виноградной лозы: они развиваются как производное стебля и гомологичны друг другу. А вот усики гороха и чечевицы — это видоизменившиеся листья, и они уже аналогичны и виноградным усикам, и тыквенным. Хотя выглядят и те и другие очень похоже, образовываются они по-разному.

Как показывает практика, «совы не то, чем кажутся», то есть даже очень похожие органы, выполняющие одну и ту же функцию, могут быть абсолютно неродственными друг другу. А родственные могут быть вовсе не похожи на своих собратьев. Эволюция прижимиста и рациональна: если виду не нужны пальцы, то они исчезают, если не нужны целые конечности — от них остаются лишь маленькие косточки в толще тела. Сравнительная анатомия и физиология — это одни из самых интересных областей биологии, и кто знает, какие загадки с их помощью еще удастся решить!