[У серпні в журналі Bioinspiration & Biomimetics було опубліковано статтю Стюарта Берджесса «Універсальний оптимальний дизайн у кінцівках хребетних і уроки для біоінспірованого дизайну»]. Він [Берджесс] демонструє, що спільні риси кінцівок хребетних краще пояснюються дизайном, ніж походженням від спільних предків. Він пояснює, як кінцівки проєктуються навколо тришарнірної схеми, тому що ця схема найкраще підходить для виконання різноманітних складних рухів. Він також докладно розповідає про те, як реалізація цієї схеми в кожній групі хребетних (наприклад, у птахів) оптимально пристосована до довкілля та поведінки групи. Тут я розповім про те, як ембріологічні дослідження ще більше підривають еволюційні пояснення подібності кінцівок і, як наслідок, підтверджують висновки Берджесса.

Еволюційні передбачення 

Еволюціоністи припускають, що риси, які вони відносять до гомологічних, мають схожість завдяки тому, що походять від спільного предка. Наприклад, передня кінцівка ссавця багато в чому схожа на крило птаха. Вважається, що передні кінцівки кожного з них походять від передніх кінцівок спільного предка, який мав такі самі подібності. Еволюціоністи передбачили, що гомологічні риси повинні мати схожі шляхи розвитку – конкретні етапи міграції та диференціації клітин, які формують рису в міру розвитку яйця в потомство.

Манфред Д. Лаубіхлер – видатний біолог-теоретик та історик науки. У своїй статті «Гомологія в розвитку та розвиток концепції гомології»¹ він резюмує це очікування:

«Основне припущення концепції біологічної гомології полягає в тому, що гомологи є одиницями фенотипічної еволюції. Як такі вони являють собою індивідуалізовані квазіавтономні частини організму, у яких є спільні певні елементи та варіативні властивості. Тому, якщо дві ознаки гомологічні, вони можуть різнитися тільки в тих аспектах своєї структури, які не піддаються загальним обмеженням розвитку. Роль механізмів розвитку полягає в тому, щоб гарантувати ідентичність двох структур, оскільки вони обмежують варіативні властивості квазіавтономних одиниць». (Підкреслення додано)

Іншими словами, відмінності між гомологічними ознаками у різних видів зумовлені тим, як міг змінитися шлях розвитку їхнього спільного предка, а схожість між їхніми ознаками відповідає тому, як цей шлях не міг змінитися. У контексті хребетних гомологічні кінцівки мають бути результатом дуже схожих шляхів розвитку, оскільки тришарнірна схема збереглася у більшості предків завдяки обмеженням у розвитку та експлуатації.

Неспроможність передбачення

Однак ембріологічні дані свідчать про хибність цього головного передбачення. Еволюційні біологи Тацуя Хірасава та Шігеру Куратані в своїй статті «Еволюція скелета хребетних: морфологія, ембріологія та розвиток» докладно описують, як гомологічні кістки часто розвиваються різними шляхами розвитку, підтримуваними різними генами:

«Історична безперервність скелетних елементів як ступінчастих морфологічних змін вздовж філогенетичної лінії виводиться з детального порівняльного аналізу. Однак всередині цих континуумів виникають розриви генетичних та еволюційних основ, коли морфологічно гомологічні кістки утворюються в результаті різних процесів розвитку». (Підкреслення додано)

Відмінності можуть полягати в тому, що гомологічні кістки виникають в різних регіонах ембріона в різних типах клітин і в них можуть використовуватися абсолютно різні клітинні міграції, клітинні диференціювання, генетичні механізми та шляхи. Автори пояснюють, як це відкриття суперечить еволюційним очікуванням:

«Аналогічний редукціоністський аргумент був колись широко розповсюджений з неясними очікуваннями на зорі еволюційної біології розвитку; а саме, що морфологічно гомологічні структури мають бути сформовані через певні незмінні інфраструктури, як-от функції еволюційно збережених наборів регуляторних генів або генних регуляторних мереж, що еволюційно збереглися». (Підкреслення додано)

Наслідки

Інші дослідження виявили безліч додаткових відмінностей в розвитку кінцівок хребетних.^{2 3} Те ж саме справедливо й для всіх планів тіла⁴ різних груп хребетних. Ці часто драматичні відмінності як у шляхах розвитку, так і в їхніх генетичних основах ставлять під сумнів твердження, що гомологічні кінцівки можна пояснити спільним походженням.

Як аналогію можна навести дві версії Microsoft Windows, які мають дуже схожий вигляд, а також їхнє програмне забезпечення й комп'ютери, на яких вони працюють, теж дуже схожі. Подібність як у зовнішньому вигляді операційних систем, так і в програмному та апаратному забезпеченні дає змогу припустити, що одна операційна система послужила основою для іншої або в них є спільний прабатько. На відміну від них, Microsoft Windows і Mac OS також мають дуже схожий вигляд, але їхнє програмне забезпечення і комп'ютери, на яких вони працюють, сильно відрізняються. Їхня зовнішня схожість – не результат спільного походження, а результат того, що інженер-програміст вирішив спроектувати одну систему аналогічно до іншої.

Так само дві кінцівки хребетних можуть виглядати однаково, але ця схожість може бути результатом принципово різних шляхів розвитку, підтримуваних різними наборами генів. Отже, схожість найкраще пояснюється тим, що розум вирішив створити їх на основі одного й того ж загального шаблону дизайну. Інші загальні шаблони дизайну в біології обговорювалися в нещодавніх статтях біологині Емілі Рівз та наукового журналіста Девіда Коппеджа, що ще більше ілюструє, як рамки дизайну важливі для розвитку нашого розуміння високорівневої організації живих систем.