Рассказу об этих биологических объяснениях кембрийской загадки мы и посвятим заключительную часть нашего очерка.
Первой из "чисто биологических" гипотез, выдвинутых для объяснения кембрийского взрыва, была "гипотеза жнеца", сформулированная в 1973 году американцем Стивеном Стенли. Стенли исходил из хорошо известного в экологии "принципа прореживания". Было замечено, что внедрение в искусственный пруд хищной рыбешки ведет к быстрому увеличению разнообразия зоопланктона в этом пруду. И напротив, достаточно удалить из скопления разнообразных водорослей питающихся ими морских ежей, как это разнообразие начинает уменьшаться. Иными словами, "прореживание" экологической ниши "жнецом-хищником", питающимся ее обитателями, необходимо для поддержания или расширения ее биологического разнообразия.
На первый взгляд, это противоречит здравому смыслу. Представляется, что такой "жнец", истребляя население ниши, будет уменьшать число населяющих ее видов, а некоторые, самые малочисленные, и вообще сведет на нет. Но, как видим, действительность опровергает это интуитивное рассуждение. И вот почему. Во всякой нише, населенной так называемыми первичными производителями (то есть организмами, получающими свою пищу напрямую - из фотосинтеза, а не посредством поедания других), один или несколько видов неизбежно становятся "монополистами" - они захватывают все жизненное пространство и питательные вещества ниши и не дают развиваться другим видам. Появившийся в этих условиях "жнец" будет скорее всего питаться этими господствующими видами (хотя бы потому, что они способны обеспечить его наибольшим количеством пищи) и, стало быть, будет в первую очередь уменьшать именно их биомассу. Но благодаря этому он расчистит часть жизненного пространства и тем самым освободит место новым видам. А это приведет к увеличению биологического разнообразия всей ниши. Тот же принцип, как видно из приведенных выше примеров, действует и в других экологических системах. Стенли же применил "принцип прореживания" для объяснения загадки кембрийского взрыва.
Легко видеть, что этот взрыв вполне укладывается в данную схему. В предкембрийскую эпоху земные океаны почти монопольно заселяли одноклеточные бактерии и водоросли нескольких немногих видов. Целые миллиардолетия их никто не "прореживал", и потому они не имели возможности быстро эволюционировать. Если бы в такой среде внезапно появился какой-нибудь одноклеточный растительноядный "хищник", он обязательно должен был бы - по "принципу прореживания" - вызвать быстрое появление новых видов. Это, в свою очередь, должно было привести к появлению новых, более специализированных "жнецов", расчищающих место для следующих новых видов, так что разнообразие биологических форм начало бы нарастать как снежный ком - а это и есть ситуация кембрийского взрыва.
Таким образом, по Стенли, "триггером" кембрийского взрыва было случайное появление некого "хищника" в среде простейших одноклеточных организмов предкембрийской эпохи. А тот факт, что этот взрыв имел характер резкого скачка, не представляет собой никакой особой загадки. Точно такой же характер имеет развитие многих биологических систем в условиях наличия достаточно свободного жизненного пространства и достаточно обильного количества пищи. Если, например, высадить небольшую колонию бактерий на питательную среду в лабораторной чашке Петри, она будет размножаться по тому же закону "снежной лавины", и это скачкообразное размножение прекратится лишь с заполнением всего доступного пространства и исчерпанием питательных веществ. Кембрийские океаны и были такой природной "чашкой Петри" для новых биологических видов. Когда же они заполнили собою эти океаны, условия для скачка исчезли и более никогда уже не повторялись, чем и объясняется, по Стенли, уникальность кембрийского взрыва.
Совершенно иное биологическое объяснение кембрийского взрыва предложили в 1994 - 1997 годах американские биологи Валентин, Эрвин и Яблонский. По их мнению, этот взрыв произошел в силу того, что у некоторых примитивных предкембрийских организмов в результате случайных генетических изменений появилась способность резко расширить спектр возможных телесных структур. Действительно, одной из важнейших особенностей кембрийского эволюционного скачка.было как раз такое вот внезапное появление множества биологических форм с совершенно новыми телесными признаками. Некоторые из этих новых организмов обрели четко выраженные головы и хвосты, у других отчетливо выделились сегменты и брюшко, у третьих возникли конечности, еще какие-то оделись в панцири, некоторые обзавелись усиками-антеннами или жабрами - и так далее. В общей сложности исследователи насчитывают целых 37 новых телесных планов, возникших - и притом почти одновременно - в ту эпоху бурной эволюционной активности. И все основные принципы телесной архитектуры современных организмов зародились именно тогда.
При чем тут, однако, гены? На мысль о связи этого "архитектурного скачка" с генами авторов новой гипотезы натолкнули последние достижения так называемой биологии развития. Уже ранее было известно, что в ходе зародышевого развития любого многоклеточного организма его клетки проходят специализацию - из одних получаются, например, ноги, из других, скажем, мускулы, жабры или глаза. Было известно также, что команды на специализацию клеткам дают те или иные гены. Но в последние годы было установлено: для того, чтобы развитие шло по определенному плану - например, глаз не вырос там, где должна быть нога, - необходимо, чтобы эти гены "включались" в определенной последовательности, один за другим, в нужное время, и управляют таким планомерным включением особые, так называемые регулировочные гены. Наиболее изученной их разновидностью являются гены группы "hox". Они были впервые открыты при изучении дрозофил.
Было установлено, что гены этой группы регулируют процесс закладки самых основных и самых общих принципов телесной структуры организма. Восемь генов этой группы, имеющихся у дрозофил, расположены в одной из хромосом друг за другом, последовательно. Так же последовательно они и работают: первый по счету ген дает команду на построение головы, второй приказывает строить следующий сегмент тела вдоль его оси и так далее, до хвоста. Когда исследователи искусственно меняли последовательность этих генов, они получали мушек, у которых, например, ноги росли из головы.
Гены группы hox изучены также у лягушек. Это изучение показало, что, хотя лягушки и дрозофилы располагаются на двух разных ветвях эволюционного дерева (эти ветви различаются способом образования рта у эмбриона), шесть из их генов hox поразительно сходны. Например, один из них в дрозофиле отличается от своего аналога в лягушке только "знаком": у дрозофилы он регулирует появление брюшка, а у лягушки - спинки. Если пересадить его от дрозофилы лягушке, то ход развития совершенно не нарушится, только лягушачьи спинка и брюшко поменяются местами. Видимо, это различие возникло в результате мутации. Подсчитав, сколько таких мутационных различий накопилось в сходных генах hox за время раздельного существования мышей и лягушек, и зная среднее количество мутаций, происходящих за каждую сотню лет, исследователи определили, как давно жил общий предок лягушек и дрозофил. Это время оказалось настораживающе близко к времени кембрийского взрыва - порядка 565 миллионов лет.
Как мы уже сказали, у дрозофилы всего восемь hox генов; у млекопитающих, например, их целых 38. Но обнаружилось, что все эти 38 генов являются лишь слегка измененными дубликатами восьми первичных. Что же касается самих этих восьми первичных генов, то они оказались весьма сходными у всех современных типов организмов - от млекопитающих до насекомых. Как и в случае лягушки и дрозофилы, это сходство позволило вычислить, когда именно впервые появились эти восемь исходных hox генов, определивших (и до сих пор определяющих) самые общие принципы телесного строения всех современных организмов (конкретные различия в этом строении и форме их тел - скажем, между Мэрилин Монро и мушкой-дрозофилой - порождены различием в регулировочных генах других групп, появившихся позже, в ходе последующей эволюции).
Эти расчеты привели к тем же результатам, что и сравнение этих генов у лягушек и дрозофил. Оказалось, что первичные гены группы hox, сходные у всех современных организмов, восходят к общим предкам этих организмов, возникшим примерно 565 миллионов лет тому назад, то есть в эпоху, непосредственно предшествовавшую кембрийскому эволюционному взрыву. Как мы уже знаем, те планы строения тела, которые сохранились по сей день в виде самых общих принципов телесной архитектуры современных организмов, возникли в кембрийскую эпоху. А теперь мы видим, что регулировочные гены, ответственные за такие общие планы, появились незадолго до этого. Вполне естественно предположить, что именно появление первой полной группы генов hox (состоявшей из восьми первичных генов) сыграло роль триггера того уникального взрыва форм, который мы называем кембрийским взрывом.
Поначалу Валентин и его соавторы утверждали, что история развивалась следующим образом: до поры до времени существовали только простейшие организмы, у которых вся группа hox исчерпывалась одним-единственным геном, в предкембрийскую эпоху возникли первые многоклеточные, у которых число этих генов постепенно возросло до пяти-шести (у плоских червей); а в кембрийскую эпоху это число скачком увеличилось до восьми, и именно этого оказалось достаточно для возникновения поразительного разнообразия форм.