Введение

Эволюционное сохранение структур, утративших свою необходимость в живых организмах

Вестигиальность – это сохранение в процессе эволюции генетически обусловленных структур или признаков, которые утратили часть или всю свою первоначальную функцию у данного вида. Оценка вестигиальности обычно требует сравнения с гомологичными структурами у родственных видов. Возникновение вестигиальности происходит посредством нормальных эволюционных процессов, как правило, в результате потери функции признака, который больше не подвергается положительному отбору, когда он теряет свою значимость в изменяющейся среде. Признак может подвергаться более интенсивному отбору, если его функция становится явно вредной, но если отсутствие признака не дает преимуществ, а его наличие не создает недостатков, то естественный отбор может не привести к его полному исчезновению, и он может сохраняться у разных видов. Примерами вестигиальных структур (также называемых дегенеративными, атрофированными или рудиментарными органами) являются потеря функциональных крыльев у островных птиц, человеческий вомероназальный орган и задние конечности змей и китов.

Обзор

Остаточные признаки могут принимать различные формы, например, это могут быть паттерны поведения, анатомические структуры или биохимические процессы. Как и большинство других физических признаков, даже если они функциональны, остаточные признаки у данного вида могут последовательно появляться, развиваться и сохраняться или исчезать на различных стадиях жизненного цикла организма, от раннего эмбрионального развития до поздней зрелости. Вестигиальность, с биологической точки зрения, относится к сохранению организмами органов, которые, по-видимому, утратили свою первоначальную функцию. Вестигиальные органы – общеизвестный факт эволюции. Кроме того, термин "вестигиальность" полезен для описания многих генетически обусловленных признаков, будь то морфологические, поведенческие или физиологические; однако, в любом таком контексте не обязательно, чтобы остаточный признак был совершенно бесполезным. Классическим примером на уровне макроанатомии является человеческий червеобразный отросток, вестигиальный в том смысле, что он не выполняет значимой пищеварительной функции. Аналогичные концепции применимы и на молекулярном уровне: некоторые последовательности нуклеиновых кислот в геномах эукариот не имеют известной биологической функции; некоторые из них могут быть "мусорной ДНК", но сложно доказать, что конкретная последовательность в определенном регионе генома действительно нефункциональна. Сам факт, что это некодирующая ДНК, не означает, что она не выполняет никаких функций. Более того, даже если существующая последовательность ДНК нефункциональна, это не означает, что она произошла от функциональной последовательности ДНК предка. Логически, такая ДНК не была бы вестигиальной в смысле остатка функциональной структуры. В отличие от этого, псевдогены утратили способность кодировать белки или перестали экспрессироваться в клетке. Независимо от того, сохранили ли они какую-либо функцию, они утратили свою прежнюю функцию и в этом смысле соответствуют определению вестигиальности. Вестигиальные структуры часто называют вестигиальными органами, хотя многие из них таковыми не являются. Такие остаточные структуры обычно дегенеративны, атрофированы или рудиментарны и, как правило, гораздо более изменчивы, чем гомологичные невестигиальные части. Хотя структуры, обычно считающиеся "вестигиальными", могли утратить некоторые или все функциональные роли, которые они играли у предковых организмов, они могут сохранять менее значимые функции или адаптироваться к новым ролям в существующих популяциях. Важно не путать понятие вестигиальности с понятием эксзаптации. Оба могут встречаться вместе в одном и том же примере, в зависимости от точки зрения. При эксзаптации структура, первоначально использовавшаяся для одной цели, модифицируется для новой. Например, крылья пингвинов являются примером эксзаптации, поскольку служат существенной новой цели (подводное передвижение), но все же могут рассматриваться как вестигиальные в том смысле, что утратили функцию полета. В отличие от этого, Дарвин утверждал, что крылья эму определенно вестигиальны, поскольку, по-видимому, не имеют существенной современной функции; однако функция – это вопрос степени, поэтому суждения о том, что является "существенной" функцией, субъективны; эму, кажется, использует свои крылья для поддержания равновесия во время бега. Аналогично, страус использует свои крылья для демонстрации и терморегуляции, хотя они, несомненно, являются вестигиальными как структуры для полета. Вестигиальные признаки могут быть вредными, нейтральными или полезными с точки зрения отбора. Некоторые из них могут быть ограниченно полезны для организма, но все же дегенерировать со временем, если они не дают достаточного преимущества с точки зрения приспособленности, чтобы избежать последствий генетического дрейфа или конкурирующего селективного давления. Вестигиальность в различных формах представляет собой множество доказательств биологической эволюции.

История

Рудиментарные структуры были замечены с древних времен, и причина их существования долгое время оставалась предметом спекуляций, пока дарвиновская эволюция не предоставила общепринятое объяснение. В IV веке до н.э. Аристотель был одним из первых авторов, который в своей «Истории животных» прокомментировал рудиментарные глаза кротов, назвав их «недоразвитыми» из-за того, что кроты едва ли видят. Однако только в последние столетия анатомические рудименты стали объектом серьезного изучения. В 1798 году Этьен Жоффруа Сен-Илер отметил о рудиментарных структурах:

«Несмотря на свою бесполезность в данных обстоятельствах, эти зачатки не были устранены, потому что [[Natura non facit saltus]].

Его коллега Жан-Батист Ламарк назвал ряд рудиментарных структур в своей книге 1809 года «Философия зоологии». Ламарк отметил: «Спалакс Оливье, который живет под землей, как крот, и, по-видимому, подвергается воздействию дневного света еще меньше, чем крот, полностью утратил зрение: так что он демонстрирует лишь следы этого органа». Чарльз Дарвин был знаком с концепцией рудиментарных структур, хотя термина для них еще не существовало. Он перечислил ряд из них в книге «Происхождение человека», включая мышцы уха, зубы мудрости, аппендикс, копчик, волосы на теле и полулунную складку во внутреннем углу глаза. Дарвин также отметил в «Происхождении видов», что рудиментарная структура может быть бесполезна для своей основной функции, но все же сохранять вторичные анатомические роли: «Орган, служащий двум целям, может стать рудиментарным или полностью атрофироваться для одной, даже более важной цели, и при этом оставаться полностью функциональным для другой. [О]рган может стать рудиментарным для своей основной функции и использоваться для совершенно иного назначения». В первом издании «Происхождения видов» Дарвин вкратце упомянул о наследовании приобретенных признаков под заголовком «Влияние использования и неиспользования», выразив мало сомнений в том, что использование «укрепляет и увеличивает определенные части, а неиспользование уменьшает их; и что такие модификации наследуются». В более поздних изданиях он расширил свои мысли по этому поводу, и в заключительной главе 6-го издания пришел к выводу, что виды модифицировались «главным образом посредством естественного отбора многочисленных последовательных, незначительных, благоприятных вариаций; с важной помощью наследственных эффектов использования и неиспользования частей». В 1893 году Роберт Видерсгейм опубликовал книгу «Строение человека», посвященную анатомии человека и ее связи с эволюционной историей человека. В «Строении человека» содержался список из 86 человеческих органов, которые Видерсгейм описал как «органы, полностью или частично утратившие свою функцию, некоторые из которых появляются только в эмбрионе, другие присутствуют в течение жизни постоянно или непостоянно. В основном это органы, которые справедливо называть рудиментарными». С тех пор функция некоторых из этих структур была обнаружена, в то время как были выявлены другие анатомические рудименты, что делает список в первую очередь интересным как свидетельство знаний об анатомии человека того времени. В более поздних версиях список Видерсгейма был расширен до 180 человеческих «рудиментарных органов». Именно поэтому зоолог Горацио Ньюман в письменном заявлении, представленном в качестве доказательства в процессе Скоупса, заявил: «По словам Видерсгейма, в человеческом теле не менее 180 рудиментарных структур, достаточных, чтобы сделать человека настоящим ходячим музеем древностей».

Общее происхождение и теория эволюции

Вестигиальные структуры часто гомологичны структурам, нормально функционирующим у других видов. Следовательно, вестигиальные структуры можно рассматривать как свидетельство эволюции – процесса, в ходе которого полезные наследственные признаки возникают в популяциях на протяжении длительного времени. Существование вестигиальных признаков объясняется изменениями в окружающей среде и особенностями поведения организма. Изучение этих различных признаков показывает, что эволюция сыграла значительную роль в развитии организмов. Каждая анатомическая структура или поведенческая реакция имеет происхождение, когда она была полезной. С течением времени развивались и древние общие предки. Эволюционируя, естественный отбор играл огромную роль: более выгодные структуры подвергались отбору, а другие – нет. В результате этого некоторые признаки оказались ненужными. Когда функция признака перестает быть полезной для выживания, вероятность того, что потомство унаследует его "нормальную" форму, снижается. В некоторых случаях структура становится вредной для организма (например, глаза крота могут подвергаться инфекциям). Дуглас Футуйма утверждал, что вестигиальные структуры не имеют смысла без эволюции, точно так же, как написание и употребление многих современных английских слов можно объяснить только их латинскими или древнескандинавскими корнями. Вестигиальные признаки все еще можно рассматривать как адаптации, поскольку адаптация часто определяется как признак, который был благоприятен для естественного отбора. Таким образом, адаптации не обязательно должны быть полезными в данный момент, достаточно, чтобы они были полезными в какой-то момент в прошлом.

Животные, не являющиеся людьми

Рудиментарные признаки встречаются во всем животном царстве, и можно привести практически бесконечный список примеров. Дарвин говорил, что "невозможно назвать ни одно из высших животных, у которого бы какая-либо часть не находилась в рудиментарном состоянии". Глаза некоторых пещерных рыб и саламандр являются рудиментарными, поскольку они больше не позволяют организму видеть и представляют собой остатки функциональных глаз их предков. Животные, размножающиеся бесполым путем, как правило, теряют половые признаки, такие как способность находить/распознавать пол партнера и поведение при спаривании. У удавов и питонов имеются рудиментарные остатки таза, которые внешне видны в виде двух небольших тазовых шпор по обе стороны от клоаки. Эти шпоры иногда используются при спаривании, но не являются необходимыми, поскольку ни одна змея семейства ужеобразных (подавляющее большинство видов) не имеет этих остатков. Кроме того, у большинства змей левое легкое сильно редуцировано или отсутствует. Амфисбены, независимо развившие конечностей, также сохраняют остатки таза и плечевого пояса и потеряли правое легкое. Случай рудиментарных органов был описан у полиопистокотилевых моногеней (паразитических плоских червей). Эти паразиты обычно имеют задний орган прикрепления с несколькими крючками, представляющими собой склеротизированные органы, прикрепляющие червя к жабрам рыбы-хозяина. Эти крючки чрезвычайно важны для выживания паразита. В семействе Protomicrocotylidae у видов имеются либо нормальные крючки, упрощенные крючки, либо их полное отсутствие (в роде Lethacotyle). После сравнительного исследования относительной площади поверхности крючков у более чем 100 моногеней это было интерпретировано как эволюционная последовательность, ведущая к потере крючков. Параллельно с этим у протомикрокотилид развились другие структуры прикрепления (боковые лопасти, поперечные полосы). Таким образом, крючки у протомикрокотилид были признаны рудиментарными органами. В приведенных выше примерах рудиментарность обычно является (иногда случайным) результатом адаптивной эволюции. Однако существует множество примеров рудиментарности как продукта резкой мутации, и такая рудиментарность обычно вредна или контрпродуктивна. Одним из первых задокументированных примеров были рудиментарные крылья у дрозофилы. С тех пор появилось множество примеров в различных контекстах.

Люди

Человеческая вестигиальность связана с эволюцией человека и включает в себя разнообразные признаки, встречающиеся у людей. Многие из них являются рудиментарными у других приматов и родственных животных, в то время как другие примеры остаются хорошо развитыми. Человеческий слепой кишечник (цекум) является рудиментарным, как это часто бывает у всеядных, будучи редуцированным до одной камеры, принимающей содержимое подвздошной кишки в толстую кишку. У предковых форм слепой кишечник был бы большим, мешковидным выпячиванием, в котором устойчивые растительные материалы, такие как целлюлоза, подвергались бы ферментации для подготовки к всасыванию в толстой кишке. Аналогичные органы у других животных, схожих с человеком, продолжают выполнять сходные функции. Копчик, или крестец, хотя и является рудиментом хвоста некоторых предков приматов, функционален как место прикрепления определенных мышц таза, включая мышцу, поднимающую прямую кишку (levator ani), и самую крупную ягодичную мышцу (gluteus maximus). К другим рудиментарным структурам относятся полулунная складка во внутреннем углу глаза (остаток мигательной перепонки) и (как видно на рисунке справа) мышцы уха. Другие органические структуры (например, височно-лобная мышца) утратили свои первоначальные функции (предотвращение падения головы), но остаются полезными для других целей (выражение лица). У людей также присутствуют некоторые рудиментарные поведения и рефлексы. Образование "гусиной кожи" у человека в состоянии стресса является рудиментарным рефлексом; его функция у предков человека заключалась в том, чтобы поднимать шерсть, делая предка визуально больше и отпугивая хищников. Мышца, поднимающая волосяной фолликул (arrector pili), сокращается и вызывает появление "гусиной кожи". Существуют также рудиментарные молекулярные структуры у людей, которые больше не используются, но могут указывать на общее происхождение с другими видами. Одним из примеров является ген, функциональный у большинства других млекопитающих, который кодирует L-гулонолактон оксидазу – фермент, способный синтезировать витамин С. Задокументированная мутация деактивировала этот ген у предка современных обезьян и гоминид, и теперь он остается в их геномах, включая геном человека, в виде нефункциональной последовательности, называемой псевдогеном. Изменение рациона человека в сторону более мягкой и обработанной пищи со временем привело к уменьшению числа мощных жевательных зубов, особенно третьих моляров (также известных как зубы мудрости), которые часто подвержены ретенции.

Растения и грибы

У растений также имеются рудиментарные органы, включая бесполезные прилистники и плодолистики, редукция листьев у хвощей, парафизы грибов. Хорошо известными примерами являются уменьшения в демонстративности цветков, приводящие к более мелким и/или бледным цветам у растений, размножающихся без перекрестного опыления, например, посредством самоопыления или облигатного клонального размножения.

Объекты

Многие предметы повседневного использования содержат рудиментарные структуры. Хотя это не результат естественного отбора посредством случайных мутаций, сам процесс во многом схож. Дизайн продукта, как и эволюция, является итеративным: он опирается на уже существующие функции и процессы, располагая ограниченными ресурсами для внесения изменений. Нецелесообразно тратить ресурсы на полное устранение формы, которая не выполняет никакой функции (особенно если она при этом не является помехой). Эти рудиментарные структуры отличаются от концепции скеуморфизма тем, что скеуоморф – это элемент дизайна, который был специально реализован как отсылка к прошлому, чтобы помочь пользователям быстрее адаптироваться. Рудиментарный элемент не существует намеренно и даже не полезен. Например, мужские деловые костюмы часто имеют ряд пуговиц внизу рукава. Раньше они служили для расстегивания и подворачивания рукава. Эта функция полностью утрачена, хотя большинство костюмов по-прежнему создают впечатление, что это возможно, включая декоративные петли для пуговиц. Пример экспаптации можно найти и в деловом костюме: раньше пиджак можно было застегнуть до самого верха. Когда в моду вошел отворот лацканов, верхняя половина пуговиц и соответствующих петель исчезла, за исключением одной петли вверху, которая впоследствии стала использоваться для крепления значков, нашивок или бутоньерок. В качестве последнего примера можно привести солдат в парадной или церемониальной форме, носящих горжет – небольшой декоративный металлический элемент, подвешенный на цепочке вокруг шеи. Горжет не обеспечивает никакой защиты, однако существует прямая преемственность от горжета к полным доспехам средневековья. С появлением огнестрельного оружия доспехи все больше теряли свою полезность на поле боя. В то же время военные стремились сохранить статус, который они обеспечивали. Результатом стала нагрудная пластина, которая со временем "уменьшалась", но так и не исчезла полностью.