Неразумная симметрия

Знаете ли вы что симметрия тела досталась нам свыше от гуманоидов с планеты Нибиру (но это неточно)?

Симметрия живых организмов – излюбленный аргумент сторонников креационизма. И неспроста: ведь если не разумный создатель, то как тогда? Как эволюции удалось создать такие правильные пропорции, причём независимо у разных групп организмов? Это как должны совпасть случайные мутации, чтобы у петуха получились одинаковые гены для обоих крыльев?

Быть может, у животных есть особая биохимическая система, которая сверяет гены, кодирующие левую и правую половины тела?

Или может существует какой-то зеркальный ген, который подобно Paint’овской кнопке “отразить по-горизонтали” берёт пачку генов и применяет её к другой половине тела, но наоборот?

Как-то сложно… может всё-таки разумный создатель?

Как-то так…

Все эти рассуждения – редкий случай, когда ошибочны не просто выводы, а сама предпосылка.

Дело в том, что добиться симметрии в эмбриональном развитии несоизмеримо проще, чем асимметрии! Биологическая симметрия по сложности – это примерно как сдать чистый лист на экзамене: для неё не нужно делать вообще ничего.

Сферическая симметрия

Любая колония клеток, обладающая межклеточными связями и не скованная какими-либо внешними факторами, будет автоматически собираться в шар.

Саламандра на раннем этапе развития: факторы эмбриогенеза ещё толком не вступили в работу.

Происходит это по той же причине, по которой планеты не бывают квадратными: любая куча одинаковых частиц, между которыми есть силы притяжения, будет утромбовываться в шарообразную форму – так потенциальная энергия ниже.

Вот только при чём тут симметрия и шары?

А при том, что из всех геометрических фигур именно шар обладает самой совершенной симметрией: с любого ракурса, в любом направлении. Единственная фигура, которую можно разрезать на две одинаковые половины в любой плоскости.

Это называется сферическая симметрия – когда объект зеркалится по всем осям трёхмерного пространства:

Всё симметрично как ни крути…

Выходит, что идеальная симметрия по всем направлениям – это исходное состояние многоклеточных организмов. Не нужно никаких специальных механизмов, потому что базовые законы физики сделают всё сами. Нет никаких отдельных комплектов генов для лева и права: клетки с одной стороны экспрессируют те же самые гены, что и клетки с другой стороны.

Когда колония из одинаковых клеток читает одинаковые гены и упаковывается в наиболее стабильную форму – это нормально. Вот чтобы колония клеток стала треугольной, перекошенной на бок, или в форме надкусанного яблока™ – вот тут уже да, должно произойти что-то странное.

Q: У каких организмов бывает сферическая симметрия?

Любопытно, но взрослых организмов со сферической симметрией не так уж и много: это колониальные одноклеточные водоросли, а также некоторые простейшие:

Радиолярия.

Но назвать сферическую симметрию раритетом нельзя, потому что она присутствует у большинства организмов на ранних этапах онтогенеза (как у саламандр).

Сферическая симметрия полезна тем, что позволяет организму “действовать” одинаково во всех направлениях и не зависеть от положения тела в пространстве. К примеру, для вольвокса – колониальных водорослей, бултыхающихся в толще воды – очень важно, чтобы эффективность фотосинтеза не зависела от того, какой стороной колония повёрнута к солнцу.

Но если по справедливости, то рассуждать о функциональном значении сферической симметрии не очень корректно, потому что это – исходное состояние. Причина нужна, чтобы эволюционировать не в него, а из него.

Радиальная симметрия

Радиальная симметрия – вторая по совершенности после сферической. В отличие от саламандрьего зародыша, радиальные животные сохраняют симметрию только в двух направлениях: слева направо и с зада наперёд, – а по вертикали дифференцируются.

Можно ошибочно подумать, что “раз менее симметрично – значит проще”, но на самом деле всё наоборот. Легко поделиться на тысячу одинаковых клеток – сложно сломать симметрию, и заставить часть этих клеток развиваться по одному пути, а часть – по другому. Именно этим от скучного многоклеточного шарика отличается нескучная актиния:

Обратите внимание, что верх и низ тела актинии имеют разное строение: верхние клетки образуют щупальца, а нижние крепятся к субстрату. Это значит, что у зародышевых клеток актинии есть несколько путей развития, которые “выбираются” в зависимости от их расположения по вертикальной оси.

Чтобы сломать симметрию, нужно каким-то образом нарушить идентичность верхнего и нижнего полюсов зародыша: клетки развиваются по-разному только тогда, когда они сами чем-то отличаюся друг от друга (например, химическим составом).

Стандартная методика: нечто воздействует на зиготу так, что специальное вещество – морфоген – распределяется внутри клетки неравномерно и образует градиент. Тогда после деления в разных дочерних клетках окажется разное количество морфогена и прочитаются разные гены:

Зачинщики градиента бывают разными:

• Гравитация – когда морфоген оседает в нижней части клетки под собственной тяжестью.
• Оплодотворение – когда сперматозоид меняет концентрацию морфогена в точке его слияния с яйцеклеткой.
• Материнские факторы – когда мамка помещает морфоген внутрь яйцеклетки у одной из её стенок в ходе оогенеза.

Проще говоря, чтобы зародыш радиального организма мог правильно развиться, ему нужен химический ориентир: он должен “понимать”, как проходит вертикальная ось и куда она направлена. Потребовались сотни миллионов лет, чтобы жизнь отточила этот механизм и “научилась” стабильно дифференцироваться по одной из осей.

Q: Зачем радиальные организмы намеренно отказываются от совершенства и жертвуют симметрией по одной из осей?

Напомним главный плюс сферической симметрии: она позволяет организму действовать в любом направлении с одинаковой эффективностью и не зависеть от ориентации в пространстве.

Но что если организму наоборот важно действовать в двух направлениях по-разному: например, одним концом тела добывать пищу, а другим концом ползать?

Что если организм имеет постоянную ориентацию в пространстве: например, ведёт прикреплённый образ жизни?

В таких случаях дифференциация по одной из осей становится выгодной: орган, эффективный для питания, может быть так себе для передвижения, и наоборот. Так почему бы не обзавестись двумя органами сразу и не поместить их на противоположных концах тела – тогда один орган будет жрать, второй ползать, и они не будут мешать друг другу?

В первую очередь, к радиальникам относятся так называемые сидячие организмы, которые нижним концом тела крепятся к субстрату, а верхним добывают пищу. К сидячим относится уже упомянутая актиния, а также гидра:

Два конца тела гидры чётко дифференцированы на липу́чую подошву, секретирующую клейкую жидкость, и корону из щупалец, окружающих ротовое отверстие.

Другой пример – это морская звезда:

Морские звёзды – бентосные животные, которые ползают по дну в поисках пищи. Поэтому и ротовое отверстие, и ходильные ножки у них расположены с нижней стороны тела, а верхняя сторона приспособлена под другие функции (например, защиту и маскировку).

Получается, что асимметрия – это такая специализация: организмы жертвуют умением делать всё во всех направлениях и приспосабливают разные концы тела под разные задачи.

При этом, радиальники сохраняют симметрию по-горизонтали: морской звезде без разницы, в каком направлении ползать, а гидре неважно, с какой стороны к ней подплывёт добыча. Они вообще не знают, что такое “перед”, “зад”, “лево” и “право”: для них есть только низ, верх, а всё остальное просто “сбоку” – на 360 градусов вокруг.

Билатеральная симметрия

Билатеральная симметрия – самая несимметричная из всех симметрий. Если гидры и медузы дифференцированы только по одной оси, то раки, черви и бизоны дифференцированы сразу в двух направлениях, поэтому в них отчётливо читаются не только низ-верх, но и пе́ред-зад.

Единственное, что у них осталось от былого совершенства – это симметрия слева-направо:

Сломать симметрию сразу в двух направлениях сложнее, чем в одном… но только не в два раза, а скорее в двадцать два! Мало того, что сразу два независимых фактора должны установить в зародыше два градиента двух разных веществ – так ещё и нужно убедиться, что эти градиенты установятся строго перпендикулярно друг другу.

Обратите внимание, что градиенты красного и синего морфогенов перпендикулярны друг другу: красное вещество распределено строго сверху-вниз, а синее – строго справа-налево.

Просто взять и воткнуть два морфогена в яйцеклетку в двух рандомных местах не прокатит: если направление обоих градиентов нечаянно совпадёт, то голова и спина могут стать одним и тем же местом (что бы это ни значило).

Как говорится: “Что за хрень я только что увидел?”

Билатералы и впрямь достойны восхищения – вот только большинство людей восхищаются не тем, чем надо. Симметрия слева-направо – это самая невпечатляющая фишка нашего тела: две половины эмбриона просто развиваются своим чередом и экспрессируют одни и те же гены по одному и тому же принципу. Никаких эмбриональных лайфхаков, никаких зеркальных генов – просто клетки с одинаковым химическим составом, которые проходят через одни и те же стадии. А раз гены одни и те же, то когда эволюционирует левая рука, то автоматически эволюционирует и правая.

Когда формируется билатеральность, все усилия идут не на то, чтобы добиться идеальной симметрии слева-направо, а наоборот: чтобы сломать симметрию во всех направлениях кроме слева-направо. Контринтуитивно, но наука она такая…

Q: Поясните за мотивацию.

Билатеральная симметрия – это адаптация для активного передвижения: вместо того, чтобы еле-еле ползать в любом направлении, билатералы приспособились двигаться только вперёд – но зато очень быстро и эффективно. Для этого нужна дифференциация по-горизонтали: чтобы плыть мордой вперёд, надо бы мордой сперва обзавестись.

Главный плюс рыбы: всегда понятно, в какую сторону она собирается плыть.

И это тоже специализация: боком или хвостом вперёд рыба передвигается медленнее медузы, но зато лицом вперёд она выигрывает офигеть во сколько раз.

Q: Но почему именно билатеральная симметрия? Разве нельзя плавать мордой вперёд без оформленных брюха и спины?

Фишка в том, что верх и низ в природе фундаментально отличаются друг от друга:

• Чтобы подняться наверх, надо приложить усилия, а вниз наоборот всё падает само.
• Сверху светит солнце, а снизу… не светит.
• Снизу есть земля/дно, по которым можно ползать и в которых можно ковыряться – а сверху только твердь небесная, по которой ползают разве что души.

Иначе говоря, на спину и на брюхо животного всегда действуют немного разные факторы: есть гравитация, которая тянет вниз; есть хищники, которые живут в верхних слоях воды и всегда атакуют сверху; есть кормовые ресурсы, которые можно добыть только на дне и т.п.

1) Несимметричное расположение спинных и брюшных плавников (чтобы рыбонька могла нивелировать эффект гравитации при отталкивании и не тонуть); 2) Рот, расположенный снизу (чтобы можно было кусать вниз и более эффективно вкладывать собственную массу в атаку); 3) Разная окраска спинной и брюшной сторон (тёмная спина рыбоньки сливается с морским дном, если смотреть на неё сверху, а светлое брюхо сливается с солнечным светом, если смотреть снизу).

Так же и с наземными животными: бегать ногами одновременно и по полу, и по потолку – такое бывает только в фильмах ужасов.

Проще говоря, верхние и нижние половины тела животного подвержены разным факторам естественного отбора, и фактически эволюционируют независимо друг от друга. О как!

Для наглядности, гипотетические рыбы, которые забыли дифференцироваться сверху вниз (если вдруг неясно, это вид сбоку).

Почему лево и право остались симметричными? Да потому что они фундаментально не отличаются, и вообще субъективны (поворот на 180°, и лево внезапно превращается в право). Не существует факторов среды, которые устойчиво влияют на объекты только с одной стороны – не бывает хищников, которые почему-то любят кусать добычу исключительно за правый бок.

Более того, эффективное передвижение вперёд подразумевает равномерную передачу усилия, поэтому асимметричная рыба просто не сможет нормально передвигаться. Если бы у рыбы были грудные плавники разного размера, или разные мышцы слева и справа хвоста, то при попытке уплыть вперёд она бы уплывала куда угодно, но только не вперёд. Законы физики не только помогают соблюдать симметрию, но и сурово наказывают за её несоблюдение.

Заключение

Мы настолько привыкли, что симметрия в быту – это сложно и невероятно, что неизбежно проецируем эти взгляды в естественные науки. Действительно, вылепить симметричную лошадь из глины непросто – вот только живые организмы не из глины лепятся, а формируются за счёт принципиально других процессов.

Для того, чтобы биологическая симметрия работала, не нужны никакие зеркальные гены, квантовые отражатели генов и прочая гомеопатия – всё работает само: клетки утромбовываются в симметричную форму за счёт адгезии и начинают экспрессировать одни и те же гены. Сиди, ничего не делай, крути одну и ту же генетическую пластинку во всех клетках, держись подальше от катаклизмов – вот и весь рецепт счастья.

Разумный создатель симметрию не просто не создавал – там и создавать нечего.

P.S. Вот асимметрия – это уже да, искусство. Древнейшее искусство на Земле.

Часто задаваемые вопросы

Q: Если симметрия – это исходное состояние, то почему у людей асимметричные внутренние органы?

Асимметрия внутренних органов – это прогрессивная фича.

Животные с наиболее сложным эмбриональным развитием умудряются сочетать общую билатеральность с отдельными асимметричными элементами. Это возможно потому, что некоторые наши системы – например, пищеварительная – дифференцируются не по двум, а по трём осям:

Такая дифференцировка – чрезвычайно сложный эмбриональный процесс, который задействует сотни морфогенов, сложные пути клеточных миграций, различные сигнальные белки и т.п. Мы точно знаем, что асимметрия пищеварительной системы – это не случайность и не какой-то архаизм, поскольку расположение асимметричных органов наследуется: у всех людей печень расположена справа, желудок слева, а толстая кишка делает одинаковый завиток. А значит существуют эмбриональные механизмы, которые очень точно координируют закладку этих органов относительно всех трёх осей: печень не просто бултыхается в брюшной полости абы где, а из поколения в поколение оказывается в нужном месте.

Кстати, у примитивных билатералов – в том числе базальных хордовых – внутренние органы симметричны. Например, у ланцетников:

Q: Если симметрия – это исходное состояние, то откуда на Земле столько асимметричных организмов: губки, почти все высшие растения и т.п.?

По умолчанию, все вышеперечисленные организмы обладают радиальной симметрией: тело дерева отчётливо делится по-вертикали на корень и крону, тело губки – на подошву и устье, а по-горизонтали они не дифференцированы вообще.

Почему тогда у них нет настоящей радиальности?

Да потому что они не могут поддерживать её в силу особенностей своего развития: они растут и дифференцируются пожизненно, постоянно находясь под воздействием множества факторов, которые влияют на рост отдельных их частей: например, деревья “тянутся” ветками к свету, а губки “искривляются” под напором течений. Неравномерное освещение, ветер, течения, неровный субстрат – все эти факторы выступают в роли тысяч эдаких “мини-морфогенов”: они где-то ускоряют, где-то замедляют, а где-то меняют направление роста отдельных веточек и стеночек, чем в итоге искажают общую симметрию тела.

Все очень любят приводить губки в пример асимметричного плана строения, хотя исходная радиальная симметрия в них читается достаточно легко.

При этом, если посадить дерево в теплице с идеальными условиями: одинаковым освещением со всех сторон, равномерным поливом и т.п. – то влияние среды будет нивелировано, и растение вырастет полностью симметричным.

В этом смысле деревья и губки иллюстрируют принцип: “Асимметрия – это когда исходная симметрия была нарушена каким-то внешним воздействием”.

В плане строения дерева отчётливо прослеживается исходная радиальная симметрия, в которую факторы внешней среды предвнесли множественные “несовершенства”.

Q: Почему этого не происходит с нами?

В отличие от растений и кораллов, которые растут всю жизнь в неоднородной среде, у нас с вами есть очерченная фаза эмбрионального развития, которая проходит в защищённой, однородной среде (матке/яйце и т.п.), подальше от внешних воздействий. А к моменту рождения все основные фичи нашего плана строения уже будут заложены, и внешние факторы не смогут на них повлиять.

Таким образом, рецепт идеальной симметрии – это дать колонии клеток межклеточную адгезию, поместить в однородную среду, и поменьше беспокоить: просто дать развиваться своим чередом.

Рекомендуемое чтиво:

Статья про морфогенез
Интересная статья