Прерывистое равновесие: кольчатые черви бросают вызов теории Дарвина

Тело кольчатых червей (аннелид) состоит из более или менее выраженных кольцеобразных сегментов — отсюда и название. На сегодняшний день известно 22 000 видов кольчатых червей. На самом деле их гораздо большеИсточник: Unsplash

В 1859 году Чарльз Дарвин представлял эволюцию как медленный, постепенный прогресс, в котором виды со временем претерпевают небольшие пошаговые изменения. Но даже он был удивлен, обнаружив в летописи окаменелостей недостающие звенья: промежуточных форм, которые должны были шаг за шагом рассказать эту историю, просто не было. Его объяснение было столь же неловким, сколь и неизбежным: по сути, летопись останков — это архив, большая часть страниц которого была мимоходом вырвана.

В 1972 году дефицит промежуточных форм побудил палеонтологов Стивена Джея Гулда (Stephen Jay Gould) и Найлза Элдриджа (Niles Eldredge) выдвинуть провокационную идею прерывистого равновесия (punctuated equilibrium). Согласно этой теории, виды не изменяются медленно, а остаются стабильными в течение тысяч или даже миллионов лет, а затем внезапно совершают быстрые, радикальные эволюционные скачки.

Гулд Стивен Джей (1941 — 2002), американский палеонтолог, биолог-эволюционист и историк наукиИсточник: https://ru.ruwiki.ru/

Эта модель могла бы объяснить, почему в летописи окаменелостей так мало информации о разнообразных видах: значительные изменения происходили внезапно и в небольших изолированных популяциях, которые были недоступны палеонтологическому наблюдению. Другие окаменелости подтверждают эту модель, но научное сообщество остается разделенным: это правило эволюции или привлекающее внимание исключение?

Исследовательская группа, возглавляемая Институтом эволюционной биологии (IBE), многоотраслевым исследовательским центром, входящим в состав Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и Университета Помпеу Фабра (UPF), впервые указывает на механизм быстрой и масштабной реорганизации генома, который мог сыграть свою роль в переходе из морских животных в наземных 200 миллионов лет назад. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Команда ученых показала, что морские кольчатые черви реорганизовали свой геном сверху донизу, сделав себя неузнаваемыми после выхода из океана.

Найлз Элдредж, род. 1943 г. Американский палеонтолог, соавтор Стивена ГулдаИсточник: https://www.up.pt/

Наблюдения согласуются с моделью прерывистого равновесия и могут указывать на то, что по мере адаптации прежде морских животных к наземным условиям могли происходить не только постепенные, но и внезапные изменения в геноме. Выявленный генетический механизм может изменить нашу концепцию эволюции животных и коренным образом изменить установленные законы эволюции генома.

Геномная библиотека беспозвоночных

Авторы составили высококачественную библиотеку геномов различных кольчатых червей (Annelida) и сравнили их с другими близкородственными видами (пиявками, щетинковидными червями или полихетами). Уровень точности был таким же, как и при секвенировании генома человека, но в данном случае все начиналось с нуля, без каких-либо сохранившихся ссылок на изучаемый вид.

До сих пор отсутствие полных геномов требовало изучения паттернов и характеристик на хромосомном уровне для многих видов, что ограничивало исследования мелкомасштабными явлениями — популяционными исследованиями нескольких генов, а не макроэволюционными изменениями на уровне всего генома.

После объединения геномных данных всех кольчатых червей команда смогла в буквальном смысле переместиться назад во времени, более чем на 200 миллионов лет, к тому моменту, когда были живы общие предки секвенированных видов.

Макросинтетическая эволюция клителлат. Нью-Йорк: Nature Ecology & Evolution, 2025. DOI: 10.1038/s41559–025–02728–1Источник: https://phys.org/

Роза Фернандес, ведущий исследователь лаборатории филогеномики и эволюции генома многоклеточных, подчеркивает, что это был важный эпизод в эволюции жизни на нашей планете, учитывая, что многие виды, и черви, и позвоночные, которые раньше жили в океане, впервые вышли на сушу.

Анализ показал: геномы вышедших на сушу аннелид трансформировались не постепенно, как предсказывала неодарвинистская теория, а в виде отдельных взрывов, глубокой генетической перестройки. Грандиозная перестройка геномов, которая наблюдается у червей при их перемещении из океана на сушу, не может быть объяснена с помощью экономичного механизма, предложенного Дарвином. Наблюдения гораздо больше согласуются с теорией прерывистого равновесия Гулда и Элдриджа.

Радикальный механизм эволюции

Команда обнаружила, что морские черви разбили свой геном на тысячи частей только для того, чтобы «пересобрать» его и продолжить свой эволюционный путь на суше. Это явление бросает вызов известным на сегодняшний день моделям эволюции генома. Наблюдая практически за любым видом, будь то губка, коралл или млекопитающее, мы убеждаемся, что их геномные структуры сохраняются почти идеально в течение продолжительного времени. У червей же все пошло не так, причем сразу и резко.

Сегмент кольчатого червя в разрезеИсточник: https://en-m-wikipedia-org/

Причина, по которой эта радикальная реконструкция не привела к вымиранию, может заключаться в трехмерной структуре генома. Команда Фернандес обнаружила, что современные черви гораздо более гибкие, чем позвоночные и другие модельные организмы, причем как в прямом, так и в переносном смысле. Благодаря такой гибкости и адаптивности возможно, что гены в разных частях генома червей могут меняться местами и продолжать работать вместе. У более высокоорганизованных организмов это невозможно.

Серьезные изменения в ДНК могли помочь червям адаптироваться к жизни на суше, реорганизовав их гены таким образом, чтобы реагировать на новые вызовы — необходимость по-новому добывать пищу, напрямую дышать воздухом (а не фильтровать кислород из воды) и как-то приноравливаться к воздействию агрессивного солнечного света, которого нет или гораздо меньше под водой.

Исследование предполагает, что эти изменения не только перемещали гены, но и соединяли фрагменты генетических цепочек, которые были разделены, создавая новые «генетические химеры», которые стимулировали эволюцию и порождали у червей развитие сверхспособностей.

Почкование дождевого червяИсточник: https://en.wikipedia.org/

Наблюдения, приведенные в исследовании, согласуются с моделью прерывистого равновесия, в которой ученые наблюдали взрыв геномных изменений после длительного периода стабильности. Однако отсутствие экспериментальных данных, подтверждающих или опровергающих этот случай, — окаменелостей возрастом 200 миллионов лет — затрудняет безусловное подтверждение этой теории.

Хромосомный хаос: проблема или решение

Из этого исследования следует, что сохранение структуры генома на линейном уровне, то есть, когда гены находятся более или менее в одном и том же месте у разных видов, может быть не таким важным, как считалось ранее.

Феномен экстремальной генетической перестройки наблюдается при прогрессировании рака у людей. Термин «хромоанагенез» охватывает серьезные механизмы, которые разрушают и реорганизуют хромосомы в раковых клетках, где происходят изменения, схожие с теми, которые наблюдаются у червей.

Единственное печальное различие заключается в том, что черви благополучно переносят эти поломки и реорганизации генома и эволюционируют, а у людей они приводят к заболеваниям и преждевременной гибели. Результаты исследования открывают путь к лучшему пониманию силы этого радикального геномного механизма, который может оказаться критически важным для изучения причин развития онкологии и механизмов борьбы с ней.

Исследование также пробудило к жизни одну из самых оживленных научных дискуссий нашего времени. Как считает Роза Фернандес, точки зрения Дарвина и Гулда не противоречат друг другу, они совместимы и дополняют друг друга. Хотя неодарвинизм может прекрасно объяснить эволюцию популяций, он пока не смог объяснить некоторые исключительные и важнейшие эпизоды в истории жизни на Земле, такие как первоначальный всплеск животной жизни в океанах более 500 миллионов лет назад или переход с моря на сушу 200 миллионов лет назад. Именно здесь теория прерывистого равновесия могла бы дать недостающие ответы.

Чарльз Роберт Дарвин (1809 — 1882)

В будущем более широкое исследование геномной архитектуры беспозвоночных может пролить свет на механизмы, определяющие эволюцию видов. В беспозвоночных скрыто огромное разнообразие, о котором мы ничего не знаем, и их изучение может привести к новым открытиям о пластичности геномной организации и бросить вызов догмам о том, как протекает эволюция.

Уникальные генетические феномены наблюдаются не только в животном мире, но и в растительном. Недавно ученые выяснили, что у не имеющего корней печеночного мха есть ген, ответственный… за рост корней. Кстати, по возрасту мхи не уступают кольчатым червям.