Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
2 декабря 2016, пятница, 21:04
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

07 ноября 2012, 19:11

Эпигенетическое расследование

Хромосомы
Хромосомы

Карл Линней систематизировал многообразие растительного и животного мира, сформулировал понятие вида и определил связь в группах живых организмов по их признакам, достигнув вершины в биологической науке XVIII века. Выстроенная система, по словам Линнея, «сама по себе указывает даже на пропущенные растения».

Дарвин, обозначив вектор исторического развития, ввел шкалу времени для выявленных царств живых организмов, перекинул мост от систематики к эволюционистики.

Современные научные методы, прежде всего, молекулярные и генетические, приоткрыли механизмы наследования и передачи информации. Эти исследования дополняют и расширяют эволюционную теорию. О возникающих противоречиях в классификации, взглядах, позволяющих их разрешить, о принципах эволюции в беседе с Максимом Тужиковым рассуждает руководитель лаборатории млекопитающих Палеонтологического института РАН, доктор биологических наук, профессор Александр Карэнович Агаджанян.

Александр Карэнович, с чего начиналась систематика? 

А.К. Агаджанян

Первоначально систематика возникла, по-видимому, из желания структурировать наши знания. Мир многообразен, это понимал уже Аристотель, создавший так называемую лестницу существ, на вершине которой стоял человек. Это вполне логичное построение, понятный нам ход мыслей.

В дальнейшем все поколения естествоиспытателей, начиная от Средних веков и до Новейшего времени, пытались осмыслить окружающий мир, понять его структуру - и неизбежно выходили на принцип некоторой иерархии. Понятно, что цветы - это не животные. Собаки - это одно, а олени - это другое, и так далее. Эта попытка понять окружающий мир (пока отложим мир вообще, ограничимся живой природой) приводила к созданию систем: систем минералов, систем сообществ, например, разных природных зон, и прежде всего, к систематике того огромного многообразия растений и животных, которые окружают человека.

Одним из первых авторов такой системы был шведский ученый Карл Линней. Его система имеет свой смысл и поныне. Он предложил бинарную номенклатуру (первое слово — название рода, к которому принадлежат те или иные виды, а второе слово — имя вида или видовой эпитет - "Полит.ру"), т.е. каждый объект называть двойным именем. Допустим, Canis lupus, означает собака (представитель рода псовых) волк, или лисица обыкновенная - Vulpes vulpes означает лисица лисья. В номенклатуре было заложено представление о единстве групп, о том, что воробей и овсянка ближе, чем воробей и ласточка, что собака и лисица ближе друг к другу, чем к другим хищникам, например, медведям. Дальнейшее развитие системы породило необходимость, что было понятно уже Линнею, создания и более высоких таксономических рангах, например, объединяющих друг с другом хищников и противопоставления им копытных, или грызунов, или приматов и т.д.  

Возникновение и разработка некой иерархической системы было неизбежным в процессе познания и структурирования информации об окружающем мире.

В дальнейшем развитие систематики с неизбежностью привело к возникновению и разработке эволюционных идей.

Линней не ставил перед собой задачу, которая отражает сегодняшнее направление систематики, связанное с созданием эволюционных взглядов, исходя из системы. Его задача была проще – понять окружающее многообразие и в нем разобраться. К примеру, он различал растения по количеству пестиков и тычинок - применительно к генеративным органам это очень верный путь к их классификации. Оперируя такими формальными признаками, необходимо было их как-то разбить - и, вместе с тем, объединить в группу, например, растения.

Структурировав и обозначив признаки, можно дать название группам для которых они характерны, можно составить ключи-определители: скажем, у птиц такая-то длина крыльев – это одно, а наличие полосок на них или форма хвоста – это другое. Повторюсь, первоначально для систематики было важно облегчить наше понимание разнообразия, но нужно было чем-то аргументировать это разграничение, ввести четкие признаки, и, следовательно, разработать ключи для характеристики и определения таксонов.

С мировоззренческой точки зрения это оказалось опасным путем: как только была выстроена иерархия, возникло подозрение, что она появилась в связи с чем-то, что она что-то отражает. Виды, которые оказались вместе в родовом таксоне, они, вроде бы, ближе друг к другу, как-то вместе происходили и возникали. Получается, что чем выше ранг таксона в системе, тем их члены дальше друг от друга. В каком смысле дальше (в смысле родства)? Наверное, в смысле происхождения.

Рано или поздно, с неизбежностью из систематики стала рождаться эволюционистика. Невольно человек задумывался над дистанциями между таксонами разного ранга, над общностью этих таксонов, о степени их родства, о дистанции их происхождения. Так были выделены высокие ранги: типы, отряды, семейства. Вскоре после работ Линнея появились труды Ламарка и – позднее - Дарвина.

Систематика, возникшая для удобства описания и понимания окружающего мира, вольно или невольно приводит к мыслям о родстве, о происхождении видов, об эволюции.

Вами перечислены внешние морфологические признаки. Понятно, что развитие естествознания вело к созданию новых методов и подходов в классификации - расскажите, как они развивались? 

Методы Линнея - традиционные, классические: построение подобной иерархии основано на внешнем морфологическом сходстве. Линней к этому пришел интуитивно, опираясь в том числе и на строение генеративных органов, которые отражают внешнее сходство. Уже было понятно, что лепестки, например, могут значительно варьировать по своей форме, а, допустим, количество тычинок у цветков, члеников у беспозвоночных, пальцев или чешуек у позвоночных очень стабильно, по таким признакам легче и проще систематизировать многообразие.

Однако, при попытке классификации животных, особенно беспозвоночных, стало понятно, что одни насекомые откладывают яйца, из них вылезает, к примеру, маленькая саранча и начинает расти, постепенно меняя облик. Такие группы беспозвоночных стали определять по признаку неполного превращения. Но, скажем, бабочки откладывают яйца и из них вылезает гусеница, она растет, потом окукливается, потом из неё вылетает новая бабочка. Даже не вдаваясь в физиологию и клеточное строение, стало ясно, что изучение эмбриогенеза (стадии развития многоклеточного организма от оплодотворения до рождения -"Полит.ру"), натального, постнатального развития даёт обширный набор признаков для познания, которые можно использовать при классификации.

Дарвину и его современникам было ясно, что у ракообразных очень разные стадии развития личинок. Получается, что взрослые особи и развивающийся организм имеют разную степень сходства. В результате уровень постнатального развития даёт новые признаки для классификации.

Например, при изучении земляных червей (Lumbricina), целого ряда водных организмов, у которых внешние различия неочевидны, неясны, стали производить классификацию по внутреннему строению. Это весьма характерно для классификации моллюсков. В 60-70-е годы наш талантливый ученый А.А. Шилейко обнаружил, что внешнее сходство раковин даёт одни признаки, а строение половой системы - дополнительные, куда более точно диагностирующие разные виды моллюсков.

Скажем, многих птиц, например, наших пеночек, по голосу очень легко отличить. Невозможно спутать весничку, которая поёт очень красиво и мелодично, с теньковкой или трещеткой. Два последних вида также очень хорошо различаются по своему пению. А внешне эти три вида почти неразличимы. Пение для птиц – стабильный признак их опознания.

В 60-е годы появился еще один метод классификации, основанный на применении сонограмм (изображения, показывающие зависимость спектральной плотности мощности звука от времени - "Полит.ру"). Так, записи криков, к примеру, приматов или пищух (эти крики разных видов и на слух заметно отличаются) на сонограммах, дающих на сонографе определенные кривые, различаются четко. Такой подход позволяет проводить дифференциацию видов более тонко и точно.

Получается, что мы подходим к молекулярным методам ?

По мере развития генетики, гистологических методов, совершенствования оптических систем стали широко использовать признаки строения хромосомного аппарата. Хромосома – это макроединица наследственности. В 30-е годы наш соотечественник, крупный биолог, генетик Н.К. Кольцов, не зная еще деталей внутреннего строения хромосом, выстроил схему из двух цепочек, несущих генную информацию.

В 1953-м году Крик и Уотсон расшифровали эту структуру. Стало понятно, что носителями генной информации являются нуклеотидные последовательности. Для каждого вида характерен свой набор хромосом. Даже при анализе только внешнего строения хромосом набирается 5-6 признаков, которые можно использовать для дифференциации таксонов. В первую очередь к этим морфологическим признакам относят разницу длин в так называемых плечах хромосом, тип их соединения с центриолями и ряд других.

Наука развивалась дальше, в 70-е годы был разработан метод дифференциальной окраски, позволяющий выделить определенные участки хромосомы. У разных таксонов эти участки можно гомологизировать. То есть провести макроанализ, благодаря которому выделяются участки, состоящие из сотен, а может, и тысяч генов. Они прокрашиваются при разных красителях по-разному, что позволяет с поверхности заглянуть в структуру хромосомы и оценить, какие участки хромосом общие, а какие совершенно разные. Такой подход позволяет более полно оценить структуру хромосомного аппарата, историю его формирования, и, таким образом, определить степень родства таксонов.

В 90-е годы специалисты проникли внутрь хромосомы, вплоть до её кирпичиков, до последовательности нуклеотидов. Дальше идет уже атомарный уровень, который к наследственности не имеет непосредственного отношения.

Разработка этих методов позволила еще более тонко оценить степень родства между группами. Поскольку анализ при этом идет на уровне молекул, то он называется молекулярным методом.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это безусловно носитель генетической, наследственной информации. Однако она не единственная, которая, определяет облик животного или растения, то, что специалисты называют фенотипом (совокупность внешних и внутренних признаков организма, сформированных на основе генотипа в результате индивидуального развития - "Полит.ру").  

Между геномом – набором зашифрованных в ДНК признаков - и их выражением, их реализацией - фенотипом, лежит огромный пласт структур, процессов и явлений.
И.И. Шмальгаузен
Фото: Архивы Российской академии наук

Это понимали Конрад Уоддингтон и Иван Иванович Шмальгаузен. Уоддингтон называл это идентификаторами, а И.И. Шмальгаузен - регуляторными механизмами.

Эти представления расходятся с тем, что было на заре генетики у Вейсмана и Моргана. Тогда считали, что есть гены как фактор наследственности, которые только и обуславливают развитие животного и его формирование. Вейсман различал генеративные клеткии соматические - клетки сомы, т.е. тела, что абсолютно справедливо.

Но уже в то время было понятно, что существуют какие-то регуляторы, которые обуславливают проявление этих генов. Было сформулировано понятие о том, что существуют гены депрессивные и экспрессивные. И это всё в рамках одного организма, значит, должны быть какие-то механизмы, которые обуславливают депрессию и экспрессию генов.

Наука к этому подходила постепенно, и сейчас передовой рубеж - это понятие генных сетей. Уже давно оставлено понятие системы «один ген – один признак». Гены политропны, т.е. они обуславливают множество признаков.  

Каждый ген не проявляется одним конкретным признаком, как первоначально установил Мендель. Любой признак обусловлен десятками генов, а их реализация - их взаимосвязью и существованием генных сетей.

Самое главное – между геном и признаком (проявлением гена) существует огромный пласт регуляторных механизмов, о которых говорил и писал И.И. Шмальгаузен. И теперь идет их интенсивное изучение.

А что это такое?

Это ферменты, системы ферментативных процессов. Более того, тут есть еще одна трудность, её нужно чётко понимать. Дело в том, что это взаимоотношение разных генов и ферментативных структур носит вероятностный характер. Далеко не все связи и процессы одинаково задействованы.

Конрад Уоддингтон
Фото: laverdad.es

При моделировании генных сетей используются дифференциальные исчисления с множеством неизвестных. Не случайно лидерство в нашей стране в создании, реконструкции генных систем принадлежит академику Н.А. Колчанову, возглавляющему Институт цитологии и генетики в Новосибирске.

Регуляторные механизмы, о которых писал И.И. Шмальгаузен, сейчас приобрели вполне материальную основу, но описать их крайне сложно. Это механизмы между фенотипом, с которым работает палеонтолог, морфолог, с одной стороны, - и наследственностью, не только реализуемой благодаря ДНК, но и включающей эпигенетические механизмы, с другой. Родственные взаимоотношения между таксонами определяются не только случайными мутациями, которые заложены в геноме, но и эпигенетическими механизмами (эпигенетика изучает эпигенетическое наследование — изменение экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими изменение последовательности ДНК, - "Полит.ру"):

В этой связи приходится сделать заключение, идущее вразрез с синтетической теорией. Последняя в качестве основы морфогенетических преобразований рассматривает мутационный процесс, отводя главную роль фактора эволюционных преобразований естественному отбору. Однако с позиции эпигенетической теории внешняя среда играет очень большую роль в эволюционном процессе и создании таксономического разнообразия.

Есть еще один момент, о котором прямо пишет Н.А. Колчанов: нейрогуморальные процессы играют большую роль в реализации генных сетей. Процессы возникновение таксономического разгообразия - и эволюционные, и генетические - могут рассматриваться только в рамках целого организма, на чем всегда настаивал И.И. Шмальгаузен. Сейчас происходит возвращение к этим положениям. Это связано с тем, что эволюционные изменения, как проповедует эпигенетическая теория, начинаются не в геноме, а в фенотипе, что отбор идет по фенотипу, и то, что в этом отборе большую роль играют эпигенетические структуры и процессы.

Важно понимать, что наследственный признак постепенно заглубляется, т.е. он идет не от генома к фенотипу, в историческом развитии, а от фенотипа к геному.

Было бы нелогично и “неэкономично”, если бы проявление каждого признака, например, число волосков, было бы обусловлен каким-то самостоятельным геном в геноме. Либо каждому морфотипу соответствует свой ген, что вряд ли. На самом деле имеют место регуляторные механизмы, которые реализуют веер фенеотипов на основании одного гена. Генетиками давно установлено, что каждый признак, каждая его реализация полигенна, а гены плейотропны.

В 1940-м К.Х. Эддингтон писал, что, может быть, мы никогда не узнаем про регуляторные механизмы: например, никогда не увидим обратную сторону Луны. На русском работа была опубликована в 1947-м, когда у Королева на столе лежали чертежи тех ракет, которые вскоре сфотографировали обратную сторону Луны.

Так же и понятия регуляторных механизмов сегодня приобретают реальные очертания.

Как в таком случае идет эволюция? 

Схема смены адаптивных норм по опыту Г.Х. Шапошникова (составлено А.С. Раутяном). 1 - старая и новая устойчивая адаптивная норма; 2 - стадия дестабилизации старой нормы; 3 - стадия стабилизации новой адаптивной нормы. По осе абцисс отложена величина признака; по ординате - частота соответствующих количественных значений величины признака

Если бы только гены обуславливали эволюцию, то она была бы прерывиста. И почему так - сейчас поясню. Наш коллега по институту, А.С. Раутян, сделал хороший график по результатам исследований тли, проведенных Георгием Шапошниковым. Этот исследователь в эксперименте всячески терроризировал бедных насекомых, создавая им самые невероятные условия. Это поставило экспериментальную популяцию почти на грань вымирания, но породило очень высокую изменчивость особей. В конце концов особи одного из фенотипов оказались удачными, адекватными новым условиям, и на их основе сформировалась популяция нового фенотипа.

Считалось, что преобладающий морфотип сдвигается постепенно, как мы видим - это не совсем так. Если рассматривать кривую частотного распределения фенотипов, то 60-80% особей близки по своим параметрам адаптивной норме. Кроме того в популяции существуют «уклонисты», доля которых не превышает 15-20%, т.к. все уклонения беспощадно уничтожает канализирующий отбор.

Когда ослабевает канализирующий отбор, норма начинает расползаться. Все, что заложено в геноме, начинает проявляться - все флуктуации, которые допускают регуляторные механизмы. Разнообразие фенотипов особей значительно увеличивается. Соответственно, снижается уровень, частота высокоадаптивных особей. Чем больше разнообразие, тем ниже общеадаптивные возможности популяции.

Возможно, рано или поздно в какой-то из частей этого разнообразия какой-то из уклоняющихся фенотипов окажется адаптивным, и по нему начнется отбор. В итоге он останется один и вернется по встречаемости к тому уровню, на котором была старая норма, но новая норма будет уже иметь другие параметры (другой фенотип). Это показано на основе экспериментальных данных. На математических моделях именно так и идет преобразование. Вывод - в критической ситуации перестает работать канализирующий отбор, потому что нет оптимума среды и, соответственно, множество аберраций остаются живы. И какая-то из них оказывается адекватна данным параметрам среды. Однако при этом значительно снижаются общие адаптивные возможности всей популяции.

Например, это происходит на наших глазах с вирусами или бактериями при их адаптации к антибиотикам, которые являются жестким прессом. При этом возбудитель как бы исчезает на время, его численность резко падает, но при этом снижаются параметры оптимизации, и среди возникшего разнообразия появляется форма, которая устойчива к этим антибиотикам.

То есть не будет никаких переходных форм между старым и новым штаммами? 

Да - чем больше изменчивость, тем дальше может быть дистанция между новой и старой формами, а это значит, тем меньше общий уровень адаптационных возможностей популяции, тем выше вероятность исчезновения (вымирания) в ходе эволюционного процесса. Чем они ближе, тем больше вероятность, что популяция «проскочит» игольное ушко перестройки.

Переход на новый уровень может происходить либо медленно, либо быстро. Она происходит быстро при очень высоком уровне дестабилизации. И тогда дистанция между старой и новой формой будет больше. Когда перестройка происходит медленно, вас могут обойти конкуренты, которые, в тех же сходных условиях, оказались более приспособленными. Ведь условия, как правило, действуют на всю биоту, на многие таксоны а не только на один.

Замедленный вариант менее опасен, т.к. риск для популяции минимален, а доля адаптированных индивидов высока. Но если условия будут меняться слишком быстро, индивиды популяции не успеют преобразоваться, уровень новизны превысит возможности модернизации таксона. Быстрый вариант, конечно, очень выгоден, но и очень опасен, потому что резко снижается доля адаптированных, особей, приспособленных к существующим конкретным условиям. Возможен сбалансированный вариант: не слишком медленный чтобы конкуренты не обошли, и не настолько быстрый, чтобы популяция из-за дестабилизации, не адаптировавшись к среде, исчезла.

Можно ли говорить о пределе биологической эволюции?

Насколько вечен мир, настолько вечно живое и эволюционный процесс.

Даже в стабильных условиях происходит дрейф генов. Внутри популяции при реализации эпигенетических механизмов будут появляться особи, более адаптированные к данным условиям и менее. По ним будет идти отбор. Но мир не стабилен. Причем отчасти эту нестабильность обуславливают сами таксоны. Даже если представить, что климат сверхстабилен, гидросеть – не меняется (чего быть не может), Солнце стабильно - если не миллионы, то хотя бы десятки тысячи лет (это средняя скорость эволюции видов позвоночных), то сами таксоны будут создавать нестабильность среды.

Нужно напомнить, например, почему существуют разные группы крови. В Африке распространена вторая, не самая выгодная группа крови, потому что люди с второй группой более устойчивы к малярии. Все связано через генные сети, и признак может быть ответом, например, на изменчивый радиационный фон, от тех же радоновых источников на Тянь-Шане. Н.Н. Воронцовым и его коллегами было показано на слепушонках, что в зонах тектонической активности идет активный процесс видообразования.

Есть ли сейчас новые гипотезы о происхождении жизни? 

На тему зарождения жизни можно говорить бесконечно. Эта проблема сейчас активно разрабатывается, в т.ч. и в нашем институте. Если этой проблемой раньше занимались преимущественно биохимики и биофизики (Опарин, Холдейн), сейчас подключены, с одной стороны, биологи самого широкого профиля, с другой стороны - геологи, а с третьей – астрофизики.

Наши коллеги в институте из сектора беспозвоночных, который возглавляет академик А.Ю. Розанов, находят структуры в метеоритах, - аналогичные тем, что содержатся в земных породах и напоминают мицелии грибов, клетки бактерий. 

Я не берусь высказывать свою точку, но понятно, что это сложнейший процесс, не столь простой, как казалось во времена Опарина.

Сейчас известно, что 3,8 млрд. лет назад существовала прокариотическая (доядерная), но клеточная жизнь. Это значит, что химические, условно говоря, опаринские процессы возникновения жизни на молекулярном уровне - нужно отодвигать во времени, но куда?

Древнейшие датировки Земли - это 4,8 млрд. лет, а с точки зрения скоростей этого процесса должны быть 6-8 млрд. лет. Это один из аргументов в пользу того, что если жизнь и возникла на Земле, то не в том виде, в котором мы её знаем. Возможно, что первые молекулы возникли в протопланетном облаке. Такую модель разрабатывают теперь астрофизики.Сейчас есть рабочая гипотеза, которая допускает, что матрицей для формирования спирально закрученных белковых молекул, в т.ч. и ДНК, могли быть глинистые минералы: они образуют структуры спиралезакрученной формы.

Как одна из возможных, рассматривается модель возникновения белковых структур не в океане, а в коре выветривания на глинистых минералах. Это огромная тема, но сам я этим лично не занимаюсь, во-первых, и, во-вторых, она бесконечна!

Изучение эволюции не кончится, и, соответственно, исследователи постоянно в пути!

Обсудите в соцсетях


ПОДГОТОВКА ИНТЕРВЬЮ: Максим Тужиков
Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.