Осьминоги, каракатицы, адские вампиры. 500 миллионов лет истории головоногих моллюсков

Подопытные кролики и библиотека видов

Даблдей и ее коллеги первыми взялись за количественную оценку «бума головоногих», однако его предсказывали и многие другие исследователи. Так, Хосе Хавьер из университета Коимбры в Португалии в статье 2014 г. пророчески отметил:

Головоногие произошли от кембрийского предка-моллюска. Они пережили массовые вымирания в конце палеозоя и в конце мезозоя и процветают, несмотря на конкуренцию со стороны рыб. Некоторые группы головоногих, такие как аммониты и белемниты, вымерли, но колеоиды выжили и увеличили свое разнообразие. Особенности их жизненного цикла помогли им приспособиться к изменениям экологических условий и обеспечили им возможность быстро эволюционировать в ответ на новое давление отбора. Следовательно, есть все основания предполагать, что эти особенности также позволят головоногим успешно эволюционировать и в эпоху глобального изменения климата, избежать вымирания и в конечном итоге породить новые формы жизни, приспособленные к новому «парниковому миру»[228].

Хавьер и его коллеги провели семинар «Будущие задачи науки о головоногих»; процитированная выше статья, которую они написали по итогам этого семинара, предлагает вопросы на любой вкус, которые только и ждут исследователей, готовых ими заняться. Среди указанных задач выделяются две первоочередные, особенно необходимые для изучения современных головоногих, которые можно обозначить как «подопытные кролики» и библиотека видов.

Чтобы понять, почему важны именно эти задачи, начнем с загадки, которой почти столько же лет, сколько и мне, а именно с парадокса крупного кальмара. Когда в 1988 г. биолог Дэниел Поли взялся точно рассчитать, сколько энергии нужно было бы потребить кальмару, чтобы вырасти до действительно больших размеров, он убедился, что такой рост занял бы много времени. И тем не менее результаты вычисления возраста кальмаров по слоям в статолитах — тем самым камешкам у них в ушах — свидетельствуют о стремительном росте. Например, кальмар Гумбольдта может менее чем за год достичь длины, равной моему росту (мне же потребовалось 20 лет, чтобы вырасти до 1,5 м). Так, может быть, в вычисления Поли вкралась ошибка? Вполне вероятно, но обнаружить ее никто не смог.

Если бы можно было выращивать крупных кальмаров в лаборатории, мы могли бы измерить, сколько они съедают и как быстро растут. Тем или иным способом мы бы разрешили парадокс. Но я билась над этой задачей все годы работы над диссертацией, и у меня ничего не вышло. Кальмары такие привередливые! Я держала дома осьминога еще в 10-летнем возрасте, но вырастить кальмара мне так и не удалось. Другие, более опытные и успешные, аквариумисты, например работавшие в Океанариуме залива Монтерей, сумели вырастить карликовых кальмаров и рифовых каракатиц, но даже им не удалось вырастить крупных пелагических (обитающих в толще воды) кальмаров, таких как кальмар Гумбольдта.

Вообще, содержать кальмаров в неволе труднее, чем осьминогов и каракатиц, — они не будут тихо сидеть вблизи дна. Они хотят плавать, в результате неизбежно врезаются в стены любой емкости и калечатся. С пелагическими кальмарами особенно трудно — они привыкли к бескрайним голубым пространствам, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. А крупные пелагические кальмары вроде кальмара Гумбольдта — особенно сложный случай, потому что у них самые мелкие детеныши. Таких крошечных хрупких детенышей трудно кормить и легко потерять.

Если в лаборатории сложно даже просто содержать этих животных, то попытки сделать из любого головоногого то, что биологи называют «модельный организм», кажутся заранее обреченными на неудачу. Модельный организм — вид, представителей которого легко содержать и разводить в лабораторных условиях, чтобы на его примере изучать различные биологические явления. К таким видам относятся, например, плодовые мушки, кролики или мыши, которых используют во многих опытах. Хавьер и его коллеги в своей статье подчеркивают необходимость поиска модельного организма среди головоногих моллюсков. И вот Эрик Эдсингер-Гонсалес, с которым мы уже познакомились в связи с его вкладом в секвенирование генома осьминога, начал работу над преобразованием прелестного карликового кальмара в тот самый модельный организм. Небольшие размеры и оседлый образ жизни моллюсков этого вида позволяют обойти некоторые из препятствий на пути разведения головоногих.

Карликовые кальмары примерно такого же размера, как и другой водный модельный организм — рыбки данио-рерио. Данио наполняют аквариумы в исследовательских лабораториях по всему миру, они летали в космос в 1976 г., их клонировали в 1981 г., они постоянно участвуют в новейших исследованиях онкологических заболеваний, врожденных пороков развития и т. д. У карликовых кальмаров и рыбок данио есть еще одна невероятно полезная общая черта: их яйца и зародыши прозрачны. Можете себе представить, насколько удобны для изучения прозрачные организмы. Можно увидеть каждый шаг развития животного, при помощи флуоресцентных маркеров можно отследить конкретные вещи, например рост отдельного нейрона (маркеры здесь молекулярные, а не такие, которыми выделяют текст в учебниках). Можно даже управлять нейронами, направив свет на прозрачный организм, если в него при помощи сплайсинга встроить светочувствительный ген. Эдсингер-Гонсалес говорит: «При помощи света можно остановить и запустить сердцебиение. Можно заставить червя ползти»[229].

Если появится головоногий модельный организм, подобные технологии можно будет применять к животным, которые состоят с нами в очень дальнем родстве, но при этом обладают многими общими чертами с позвоночными, которые возникли в результате конвергентной эволюции. По словам Хавьера и коллег, «это позволит лучше разобраться не только в эволюции головоногих, но и в эволюции человека»[230]. Если мы узнаем, как в ходе эволюции моллюсков развились глаза, мозг и определенные паттерны поведения, мы сможем с новой точки зрения взглянуть на их развитие у человека.

Это настоящая биология будущего с ультрасовременным лабораторным оборудованием, — казалось бы, совсем непохоже на старые добрые времена, когда натуралисты работали в поле, ловили бабочек сачком и зарисовывали животных в блокнотах. Но выясняется, что даже самая передовая наука опирается на естествознание старой школы. Генетика, биология развития и эво-дево, соединяющая обе эти науки, — все это невозможно без работы с живыми животными. Нам не обойтись без тщательного изучения животного, его анатомии и морфологии, выявления его характерных особенностей, чтобы определить его место на эволюционном древе жизни.

Но чтобы описать, зарисовать и зафиксировать все особенности животного, нужно много времени. Ученым времени всегда недостает, потому что они хватаются за большее количество задач, чем могут решить за одну жизнь, а поэтому обычно отказываются от подробных измерений и просто берут образец ДНК. Нарубите его мелкими кусочками, прочитайте несколько последовательностей — и, скорее всего, в генетической базе данных обнаружится соответствие, по которому можно определить, что у вас за вид. Но у вас не будет данных о его физических особенностях.

Новые технологии, вероятно, могут помочь решить эту проблему, позволяя убить сразу двух зайцев: получить анатомически точное описание и провести множество экспериментов, на которые иначе бы не хватило времени. Почему бы к задачам современной морфологии не приспособить 3D-сканеры вроде тех, с помощью которых Риттербуш исследует ископаемые раковины, а Крюта — ископаемые радулы? Хавьер предлагает шагать в ногу с технологическим прогрессом. Вместо скучных описаний на двухмерном листе бумаги (подобном, увы, тому, что вы сейчас читаете) ученые могли бы начать публиковать трехмерные сканы, скажем, осьминогов. Хавьер пишет: «Головоногие составляют достаточно немногочисленный класс моллюсков, чтобы задача получить цифровые сканы представителей каждого рода или вида оказалась вполне осуществимой»[231].

Представьте себе цифровую библиотеку головоногих, в которую можно заходить с собственного компьютера или в шлеме виртуальной реальности. Можно прогуляться вокруг гигантского кальмара, можно, не боясь, подержать в руке синекольчатого осьминога. А когда в нашем распоряжении будут трехмерные сканы, станет возможной и 3D-печать. Можно будет выбрать любой вид головоногих, чтобы напечатать трехмерную модель у себя в лаборатории или дома и разглядывать на досуге, стряхнув пыль со старой таксономической науки и выведя ее на орбиту XXI в.

Компьютерная томография, трехмерная печать и сканирование становятся привычными инструментами повседневной исследовательской работы, объединяя изучение ныне живущих моллюсков и давно вымерших головоногих, существующих только в виде окаменелостей. Можно представить, как в одной лаборатории Хавьер сканирует и печатает 3D-копии осьминогов, а в другой Риттербуш сканирует и печатает окаменелые раковины аммоноидов. Оба эти направления открывают нам глаза на волшебство и величие природного мира, его прошлого и настоящего.