Головна

балансує ВІДБІР

  1. " Аналітична професіограма "та загальна схема профвідбору
  2. Базові принципи відбору
  3. В) вибір методів відбору сукупностей
  4. Видоутворення і статевий відбір
  5. Питання: Основні вимоги до відбору клінічного матеріалу
  6. Генетичний рівень (відбір на рівні генів).

- Такий алгоритм вибору шлюбного партнера (перевага особин з алелями ГКГ, що відрізняються від своїх власних) дає перевагу рідкісним аллелям.

- В результаті виходить балансуючий («частотно-залежний») відбір.

- Це веде до зростання і підтримки високого рівня поліморфізму алелей ГКГ в популяції.

- Відбір, здійснюваний вірусними інфекціями, працює в тому ж напрямку.

- Інші приклади балансуючого відбору: співвідношення статей, "турботливі батьки" і "пронози".

Частина 5. Біологія розвитку (лекції 14-17)

--- ---

Принципове питання

Принципове питання: як клітини зародка «розуміють», що одні повинні стати печінкою, інші кістками, треті мізками? Здавалося б, повинен бути якийсь «центральний керуючий орган», головний центр, який керує розвитком. Інакше - хаос. Де ж цей центр?

Дивно, але єдиного центру дійсно немає. Виявляється, безліч однакових об'єктів - наприклад, клітин, які діляться - може вести себе цілком «осмислено» і формувати складні структури, не маючи єдиного керуючого центру. Такі процеси називають самоорганізацією або самосборке. Вони завжди викликають у нас відчуття дива, чогось нереального, але це - проблема нашої психіки, а не об'єктивної реальності.

Анекдот. Одного разу Джон Холдейн, еволюціоніст, який прославився своїми афоризмами, читав публічну лекцію, після якої одна дама встала і сказала: «А все-таки я не можу повірити, що з одноклітинного організму само собою могло розвинутися таке складне і досконале істота, як людина, навіть якщо у нього були на це мільярди років ». Холдейн на це відповів: «Мадам, ви самі це зробили. І у вас пішло на це всього дев'ять місяців ».

Ми могли б на це заперечити, що між онтогенезом і еволюцією (від одноклітинних до багатоклітинних) є принципова різниця: у разі онтогенезу вихідна клітина містить якусь генетичну «програму розвитку», що склалася в ході попередньої еволюції. У разі ж еволюційного розвитку аналогічної програми немає.

Але якщо подумати, це відмінність хоч і існує, звичайно, проте насправді воно, можливо, не настільки глибоко, як здається на перший погляд. Адже насправді в зиготі немає «програми розвитку» багатоклітинного організму, так би мовити, в чистому вигляді. Якщо розглядати геном як програму, то це насправді не програма розвитку ембріона. Це програма поведінки клітини, однієї клітини, і не більше того.

Все інше - це самоорганізація, або самосборка.

Базові принципи онтогенезу багатоклітинних багато в чому контрінтуітівное, важкі для розуміння. Тому що мозок Homo sapiens погано пристосований для розуміння процесів самоорганізації та самозборки. Наше мислення спеціалізоване для визначення мети, ми звикли планувати свої дії, орієнтуючись на очікуваний результат. Тому нам і здається, що якщо чогось не передбачиш, що не проконтролюєш, то нічого хорошого і не вийде - тільки розруха і хаос.

Тому коли ми бачимо, як з чогось простого само собою раптом утворюється щось складне, нам це здається дивом, і ми починаємо підозрювати вплив якоїсь особливої ??організуючої сили. Ми починаємо винаходити зайві сутності. Будь то ламарковскую «прагнення до досконалості», «радіальна енергія» Тейяра де Шардена, «активність» Юрія Вікторовича Чайковського, номогенез, ортогенезу і так далі. Ну а в разі самозборки сніжинки з хаотичнорухомих молекул води - абсолютно очевидно втручання діда Мороза.

Де закодовано будова сніжинки? Воно закодовано у властивостях молекули води в такому ж сенсі, в якому дорослий фенотип закодований в геномі зиготи. І зовнішнє середовище в обох випадках сильно впливає на результат.

Контрінтуітівное онтогенезу (як і еволюції) породжує безліч проблем, і багато блискучі теоретики дійсно спотикалися на цьому місці.

Спробуємо розібратися поступово.

Повернемося до грудочки клітин - зародку, який утворився з яйцеклітини в результаті декількох перших поділів. Кожна клітина зародка має один і той же геном. Геном визначає всі властивості клітини, це її «програма поведінки». Програма у всіх клітин зародка однакова. Однак клітини починають вести себе по-різному: одні перетворюються в клітини шкіри, інші - в клітини кишечника, і так далі.

Це відбувається завдяки тому, що клітини обмінюються інформацією - посилають один одному хімічні сигнали і змінюють свою поведінку залежно від того, які сигнали вони отримали від сусідів. Деякі сигнали приходять і з зовнішнього світу. Наприклад, клітини зародків у рослин відчувають земне тяжіння і приймають його до уваги, коли вирішують, як їм себе вести. Нарешті, яйцеклітина може з самого початку мати простеньку «розмітку»: один її полюс може відрізнятися від іншого по концентрації яких-небудь речовин.

Програма поводження у всіх клітин спочатку одна і та ж, але вона може складатися з декількох окремих наборів правил. Те, який з наборів правил дана клітина буде виконувати, залежить від одержуваних клітиною сигналів. Кожне окреме «правило» виглядає приблизно так: «якщо виконуються такі-то умови, зроби таке-то дію». Основні дії, які роблять клітини, щоб увімкнути або вимкнути певних генів. Це змінює властивості клітини, вона починає по-іншому себе вести, по-іншому реагувати на сигнали.

Правила поведінки клітини «зроблені» з рецепторів, транскрипційних факторів, енхансером, сигнальних молекул і білків, що здійснюють синтез цих молекул. Наприклад, правило «якщо отриманий сигнал А, почни виділяти речовину Б», може бути зроблено з рецептора в-ва А, який активує транскрипційні фактор В, який прикріплюється до енхансером Г, розташованому близько гена Д, який кодує фермент, який відповідає за синтез речовини Б.

Як же виходить, що клітини зародка, що мають однакову програму поведінки і знаходяться, здавалося б, в однакових умовах, все-таки поводяться по-різному? Справа в тому, що вони насправді знаходяться в різних умовах - це виходить само собою в процесі ділення клітин. Хтось опинився всередині, хтось зовні, хтось знизу, хтось зверху, в когось концентрація речовини А висока (тому що дана клітина сформувалася з тієї частини яйцеклітини, де цієї речовини було багато), а в кого -то речовини А мало.

Ще у клітин може бути «лічильник поділів», який повідомляє їм, скільки разів яйцеклітина вже поділилася. Цей лічильник теж хімічний: в яйцеклітині спочатку були певні речовини, запас яких не поповнюється під час розвитку зародка, і по тому, скільки в клітці залишилося цих речовин, можна зрозуміти, скільки поділок пройшло з моменту початку розвитку.

Програма поводження клітини може містити, наприклад, такі команди:

«якщо ти зовні, і якщо концентрація речовини А в тебе така-то, і якщо концентрація речовини Б навколо тебе дорівнює нулю, і якщо з моменту початку розвитку пройшло вже 10 поділок, топочни виділяти речовину Б ».

До чого призведе виконання такої команди? Воно призведе до того, що на поверхні зародка в певний момент (після десяти поділів) з'явиться одна-єдина клітина, що виділяє речовину Б. Вона буде розташована на строго певній відстані від одного з полюсів зародка, тому що в нашому прикладі речовина А служить для початкової розмітки яйцеклітини. За концентрації речовини А клітина може визначити, на якій відстані від полюсів зародка вона знаходиться.

Чому така клітина, що виділяє речовину Б, буде тільки одна? А тому, що є інструкція: «Якщо концентрація речовини Б навколо тебе дорівнює нулю». Як тільки перша клітина, в якій виконуватися поставлені умови, почне виділяти речовину Б, його концентрація перестане бути дорівнює нулю, і тому інші клітини не почнуть його виділяти.

А що буде, якщо ми приберемо з програми інструкцію «Якщо концентрація речовини Б дорівнює нулю»? Тоді речовина Б почне виділятися не однієї клітиною, а цілої смужкою клітин, що оперізує зародок на певній відстані від полюсів. Ширина паска і його положення (ближче або далі від того полюса, де концентрація А максимальна) будуть залежати від того, які концентрації речовини А вказані в інструкції «Якщо концентрація речовини А в тебе така-то».

Тепер наш зародок розмічений вже набагато складніше і цікавіше, ніж раніше. У нього є «передня частина», в якій багато А, а концентрація Б зростає спереду назад; у нього є центральний поясок, де максимальна концентрація Б; і у нього є задня частина, де мало А і де концентрація Б убуває спереду назад. Наш зародок розділився на чітко відмежовані одна від одної частини, в яких клітини знаходяться в різних умовах і тому будуть виконувати різні підпрограми своєї вихідної загальної програми.

Ми розділили зародок на передній, середній і задній відділи. Вони можуть стати, наприклад, головою, тулубом і хвостом. Але хотілося б ще зрозуміти, де у нього буде спина, а де живіт. Як це зробити? Дуже просто, ми вже це проходили. Потрібна інструкція, яка веде до появи однієї клітини або групи клітин, що виділяють якусь речовину (наприклад, В) на будь-якому «боці» зародка, де-небудь посередині між головою і хвостом. І нехай ця речовина В запустить програму розвитку спини там, де його багато, і програму формування черева там, де його мало. Коли зародок докладно «розмічений», кожна група клітин може без праці визначити, де вона знаходиться, і активізувати заготовлену на цей випадок підпрограму (набір правил поведінки).

В ході розвитку зародка дійсно то тут, то там з'являються особливі «керуючі центри» або організатори - групи клітин, що виділяють ту чи іншу речовину, яке служить для інших клітин сигналом і впливає на їх поведінку. Але при цьому всі клітини як і раніше поводяться в суворій відповідності з початкової генетичною програмою, яка у всіх одна і та ж. Керуючі центри виникають самі, шляхом самоорганізації, ніхто їх навмисне туди не вставляє. І ніякого «єдиного централізованого керівництва» для цього не потрібно і його немає.

У розвитку справжніх тварин все складніше, ніж в нашому уявному прикладі, але, як не дивно, не набагато.

Отже, основний принцип, що лежить в основі онтогенезу багатоклітинних, полягає в тому, що онтогенез - це процес самозборки упорядкованих багатоклітинних структур, які формуються за рахунок узгодженої поведінки безлічі індивідуальних модулів (клітин), причому всі ці модулі спочатку слідують одному і тому ж набору «правил поведінки », закодованого в геномі.

Ще кілька пояснень. Адже ми говоримо про речі дійсно контрінтуітівное. Геном зиготи не містить нічого схожого на «креслення» організму. Між елементами креслення і елементами вироби, як правило, існує відповідність «один до одного». Кожен елемент креслення відповідає певному елементу вироби і навпаки. У геномі зиготи нічого такого немає. Між частинами (ознаками) організму і частинами генома (генами, локусами) немає співвідношення «один до одного»: більшість ознак залежить від безлічі генів і навпаки.

Трохи точніше буде порівняння з рецептом (або алгоритмом), на основі якого кухар готує торт. Між частинами пирога або соусу і окремими елементами рецепта (словами, пропозиціями) немає взаємно однозначної відповідності. По готовому виробу можна відновити його креслення близько до оригіналу. Відновити по «фенотипу» пирога його рецепт принципово важче, а відновити його дослівно в загальному випадку неможливо. Але метафора «рецепта» теж недосконала. Рецепт містить команди на рівні цілого вироби («надати тесту таку-то форму», «ретельно перемішати»). Але в геномі зиготи немає інструкцій, виконуваних на рівні цілого ембріона. Геном містить лише набір локальних правил поведінки, які виконуються на рівні окремих клітин. Геном можна називати рецептом або алгоритмом тільки з цим застереженням.

У програмуванні такі алгоритми добре відомі. Їх називають «алгоритмами самозборки».

Якби розвиток йшло не шляхом самоорганізації на основі програми, а за кресленням, нам було б важче еволюціонувати. Років сто тому, коли ми ще не знали законів розвитку ембріона, багато в еволюції здавалося незрозумілим. Наприклад, деякі дивувалися, як можуть в процесі еволюції подовжиться всі чотири ноги одночасно - адже для цього потрібно, щоб мутації одночасно змінили довжину відразу всіх чотирьох ніг! Дійсно, якби в геномі був записаний креслення організму, то треба було б внести в цей креслення цілих чотири поправки, щоб збільшити довжину чотирьох ніг. Тепер-то ми знаємо, що розвиток йде за програмою, в яку досить внести всього одна зміна, щоб довжина всіх чотирьох кінцівок змінилася, причому змінилася однаково.

Математики кажуть, що закодувати в геномі креслення тваринного було б набагато складніше, ніж таку програму. Ця програма, як не дивно, сама по собі набагато простіше, ніж виходить в результаті організм.

Отже, геном кодує інтерактивну програму поведінки клітини. В основі цієї програми лежать генно-регуляторні мережі, розшифровкою яких займається еволюційна біології розвитку, так звана ево-діво.

Ось де розташований організатор Шпемана у людського ембріона.

ГЕННО-РЕГУЛЯТОРНІ Каскад

Хід онтогенезу визначається генно-регуляторними мережами (каскадами). У них беруть участь сигнальні білки і ін. В-ва («морфогена»; виділяються кліткою в навколишній міжклітинний простір), рецептори, транскрипційні фактори, малі регуляторні РНК. Енхансери (сайти зв'язування ТФ) в регуляторних областях генів-регуляторів - важливий компонент «генетичної програми розвитку». Від енхасеров залежить, якими перемикачами (а значить, де і коли) буде включатися даний ген.

ХОКС-гени

У всіх тварин за розмітку ембріона уздовж передньо-задньої осі відповідає особливе сімейство генів - HOX-гени. Спочатку знайшли у дрозофіли, потім у всіх тварин.

Відкриття подібних Hox-генів у різних типів тварин змусило по-новому поглянути на морфогенез тварин і його перетворення в ході еволюції. Стало ясно, що, змінивши один ген або час (або місце) його включення, можна трансформувати, створити, видалити або перенести в інше місце відразу цілий орган, зберігши при цьому загальний план будови.

Hox-гени у дрозофіли, людини і багатьох інших тварин розташовуються в хромосомі в строгому порядку, в тому самому, в якому відбувається диференціювання основних частин тіла двосторонньо симетричного тварини. Спочатку у раннього ембріона починають працювати гени, що відповідають за будову органів на голові, потім на грудях, потім гени починають оформляти і хвостову частину.

Сімейство Hox-генів підрозділяється на 14 класів. Вважається, що ці 14 класів виникли шляхом дуплікації одного або небагатьох вихідних генів, репліки потім мутували і знаходили нові функції. У кишковопорожнинних і гребневиков є всього 4 класу Hox-генів.

У передбачуваного загального предка двустороннесимметрічних тварин їх повинно було бути принаймні 8. У ссавців присутні всі 14 класів.

Принцип роботи цих генів однаковий. Всі вони є транскрипційними факторами, тобто їх функція полягає у «включенні» або «виключенні» інших генів. В результаті роботи Hox-генів запускається каскад реакцій, що приводить до появи в клітці потрібних білків.

Пізніше з'ясувалося, що у деяких тварин вони розташовані зовсім не так правильно, як у людини і дрозофіли.

Крім Хокс-генів, існує багато інших регуляторів розвитку. Для більшості характерна плейотропний. Плейотропний - множинність функцій і фенотипічних проявів. Один і той же ген-регулятор (ТФ) може регулювати кілька абсолютно різних процесів на різних стадіях ембріонального розвитку. Це «професійні перемикачі», яким в принципі все одно, що перемикати (був би у регульованого гена потрібний енхансер). Тому в ході еволюції під їх управління легко можуть потрапити нові «підпрограми». Так виникають нові ознаки.

Модель

Отже, онтогенез - це процес самоорганізації, в ході якого з узгоджених дій безлічі однаково запрограмованих клітин, наступних порівняно простому набору правил поведінки, «самозарождаются» складні багатоклітинні структури.

Якими властивостями повинна володіти онтогенез багатоклітинних виходячи з того, що він заснований на цьому принципі? Схоже на те, що багато специфічних, нетривіальні властивості онтогенезу можуть бути насправді неминучими наслідками цього принципу. У такому випадку для них не потрібні спеціальні пояснення.

Ми спробували за допомогою моделювання визначити коло властивостей онтогенезу, які можуть бути наслідками цього принципу. Для цього була розроблена програма EvoDevo.

Є такий афоризм - до речі, абсолютно неправильний - що модель, це така штука, в яку що закладеш, то і отримаєш. Так ось, в програму Ево-Діво спочатку НІЧОГО не закладено, крім ось цього принципу.

Програма дає нам одну вихідну клітину - зиготу. Ми можемо поставити будь-яке набір правил поведінки клітини. Слідувати цим правилам будуть всі клітини нашого ембріона. Ми не можемо поставити правило для всього ембріона. Ми не можемо сказати бластуле «зроби собі впячивание і перетворися в гаструлу». Ми можемо поставити тільки правила для клітки, наприклад: при таких-то умовах мігрують туди, де зростає концентрація такого-то речовини. Причому набір правил один і той же для всіх клітин. Ми пишемо цей набір правил ось в цьому віконці, потім натискаємо кнопку RUN, і наша зигота починає виконувати наші правила.

Клітка може виконувати наступні дії: виділяти одне або кілька сигнальних речовин («Морфогенія»), Ділитися, Переміщатися, відмирають, Ставати кліткою того чи іншого «типу» (аналог клітинної диференціації) і т.д.

Кожна дія виконується (або не виконується) клітиною в залежності від комбінації зазначених в «генотипі» умов, таких як концентрація Морфогенія, число клітин-сусідів і т.д.

Програма дозволяє, довільно змінюючи «генотип», створювати необмежену різноманітність онтогенезів і «організмів».

Ось кілька прикладів тварюшек.

Цей генотип ми розглянемо як приклад детальніше. Генотипи у нас пишуться, звичайно, не у вигляді послідовностей нуклеотидів, а на більш високому рівні, який приблизно відповідає рівню генно-регуляторних мереж. Це рівень поведінки клітини, включаючи її реакції на те, що відбувається навколо.

Ось приклад генотипу. Ви бачите, що це набір якихось правил поведінки клітини. Насправді генотипи у нас пишуться на мові С ++. Але тут для зручності я перевів цей генотип на російську мову.

Онтогенез, що генерується цим генотипом, показаний на цьому слайді. Можна помітити, що для розуміння співвідношення між генотипом і фенотипом у модельних організмів, як і у реальних тварин, потрібні відомі зусилля. Дивлячись на генотип, важко передбачити, який фенотип буде їм згенерований. Проте, на відміну від реальних тварин, в моделі все це можна простежити і зрозуміти.

ДЕМОНСТРАЦИЯ ПРОГРАМИ. Пояснення, як розвивається черв'як. В даному випадку онтогенез протікає в такий спосіб. Спочатку в результаті невпорядкованих поділів вихідної клітини і її нащадків формується округле скупчення клітин. Потім одна з клітин на краю скупчення починає виділяти морфогена 0, який задає передньо-задню полярність ембріона. Ця клітина стає «організатором», маркірують передній кінець ембріона. Коли скупчення трохи збільшиться в розмірі за рахунок зростання клітин, на його протилежному кінці виникає другий «організатор» - клітина, що виділяє морфогена 1 і маркуються задній кінець ембріона. Після цього відбувається диференціювання клітин ембріона на клітини передньої і задньої півсфер і «паска»; цей процес управляється співвідношенням концентрацій Морфогенія 0 і 1. Зовнішні клітини передньої півсфери утворюють щільний «епітелій». Клітини паска починають виділяти морфогена 2, який пригнічує поділ клітин задньої півсфери. Зовнішні клітини задньої півсфери, досить віддалені від заднього організатора («бічні»), перетворюються в клітки типу 1 і утворюють щільний епітелій, фіксуючи форму зростаючого хробака. Зовнішні клітини задньої півсфери, досить віддалені від паска і досить близькі до заднього організатору («хвостові»), діляться, забезпечуючи наростання заднього кінця ембріона. Внутрішні клітини задньої півсфери, досить віддалені від заднього організатора і від джерел морфогена 2, перетворюються в клітини септ, які поділяють «сегменти», і починають виділяти морфогена 2 (той же самий, що і клітини паска). Коли тіло хробака досягає певної довжини, концентрація морфогена 0 достатньо низька, і тоді задній організатор припиняє виділення морфогена 1, що веде до припинення росту ембріона і утворення щільного епітелію на його задньому кінці. Після цього всі клітини септ одноразово діляться, в результаті чого частина цих клітин мігрує («продавлюється») крізь епітелій і вступає в контакт до зовнішнім середовищем, що призводить до їх перетворення в клітини типу 5. Останні починають виділяти морфогена 3 і діляться по градієнту морфогена 2, що веде до зростання «кінцівок», який лімітується концентраціями Морфогенія 2 і 3.

У модельних організмів виявляється ряд важливих властивостей, схожих на той, що спостерігається в реальних онтогенезу.

Перше властивість - це стохастичность. Якщо не ввести в геном спеціальних стабілізуючих інструкцій, то, хоч би звіра ми ні створили, фенотип буде нестійкий. Наприклад, даний генотип не завжди дає «нормального» сегментированного хробака: розвиток часто зупиняється на ранній стадії.

Мабуть, онтогенезу реальних організмів теж притаманна така стохастичность, яка, однак, як правило, не проявляється через наявність спеціальних стабілізуючих адаптацій (пам'ятаєте, ми говорили про помехойстойчівості?).

Завжди є неминучі флуктуації на рівні біохімії та експресії генів. Активність гена неможливо відрегулювати з абсолютною точністю. Тому дві клітини з однаковими геномами обов'язково будуть відрізнятися за кількістю молекул тих чи інших білків. Це веде до відмінностей в поведінці клітин.

Як правило, в моделі не вдається зменшити стохастичность онтогенезу, не ускладнюючи геном, тобто не вносячи в нього додаткових правил.

Введення додаткового правила при моделюванні аналогічно появи в ході еволюції нового енхансера, що ставить активність гена - регулятора розвитку в залежність від якогось додаткового чинника. На думку провідних фахівців в області Evo-devo, саме зміни регуляторних ділянок ключових генів - регуляторів розвитку відіграють основну роль в морфологічної еволюції тварин.

Ми стабілізували цього черв'яка, додавши кілька правил. З цим «стабілізованою» генотипом ми провели «генно-інженерні експерименти». Випадкові мутації вносили в генотип по одній і дивилися, як ця мутація відіб'ється на фенотипі. Були виявлені наступні закономірності:

Наявність в програмі розвитку негативних зворотних зв'язків є необхідною умовою для формування більш-менш складного, упорядкованого фенотипу. В онтогенезі нашого черв'ячка на зворотних зв'язках побудована, наприклад, система виділення клітинами Морфогенія. Клітини починають виділяти морфогена тільки якщо його концентрація досить низька, і не виділяють його, якщо він вже виділяється в достатній кількості іншими клітинами.

Втрата таких зворотних зв'язків призводить до краху системи онтогенезу, тобто до різкого зниження здатності до самоорганізації. Фенотип виходить радикально спрощеним або разупорядоченності, дезорганізовані.

Для стабілізації ознаки, нестабільно відтворюється в онтогенезі, часто не можна обійтися без ускладнення генетичної програми розвитку, без додавання в неї додаткових регуляторних контурів.

Це узгоджується з ідеями про «творчої ролі» стабілізуючого відбору (Шмальгаузен). Відбір на стабільність має тягти за собою ускладнення програми розвитку. Тобто відбір, просто відсіває «виродків», в перспективі сприяє розвитку нових генно-регуляторних контурів, що підвищують стабільність відтворення «нормального» фенотипу.

Ці неминуче виникають негативні зворотні зв'язки і спеціальні стабілізуючі механізми надають онтогенезу стійкість (або еквіфінальних - тобто однаковий кінцевий результат при різних порушеннях в ході розвитку). ООС дозволяють онтогенезу компенсувати різні непередбачені перешкоди і приходити, незважаючи на них, до більш-менш «нормальному» підсумкового фенотипу. Фокус тут, мабуть, в тому, що регуляторний контур, який розвинувся для компенсації якихось перешкод, що виникають за деякою однієї причини, буде з тим же успіхом компенсувати такі ж перешкоди, що виникають з будь-яких інших причин. У тому числі - з причин, які не були спочатку передбачені програмістом (ну або природним відбором).

На цьому слайді показані деякі приклади. А - різко змінені ранні стадії розвитку, але тіло з сегментами і придатками все одно сформувалося. Тут було збільшено число поділок на ранніх стадіях розвитку, що безпосередньо призводить до збільшення голови. Отриманий результат можна також розглядати як прояв 1) «плейотропний» (множинності ефектів) генів - регуляторів розвитку: одна мутація призводить одночасно і до збільшення голови, і скорочення числа сегментів тулуба; 2) «морфогенетических кореляцій»: збільшення голови автоматично призводить до олигомеризации тулуба. Тобто створюється враження, що розвивається модельний організм поводиться як щось ціле (праці І. І. Шмальгаузена).

Багато мутації надають комплексний вплив на фенотип. Мабуть, плейотропний неминуче випливає з тієї обставини, що клітини ембріона впливають один на одного і спілкуються за допомогою хімічних сигналів. Тому поведінку клітин виявляється взаємопов'язаним, а весь організм поводиться в певному сенсі як єдине ціле. Плейотропний генів - регуляторів онтогенезу - це один з найважливіших емпіричних висновків сучасної еволюційної біології розвитку (Carroll, 2008). Плейотропний пов'язана і з тією обставиною, що наявні морфогена є дуже зручними «заготовками» для формування нових елементів генно-регуляторних мереж. Для того, щоб створити нову впорядковану структуру (наприклад, додаткову пару кінцівок або пляма на крилі), як в реальному еволюції, так і в моделі, простіше не створювати «з нуля» нові генно-регуляторні контури, а «прилаштувати» програму формування нової структури до вже наявних контурам. Звідси неминуче випливає плейотропний.

Б, В Г - це фенотипічні результати однієї і тієї ж мутації. У перших двох випадках вона привела до появи цікавих нововведень. З'явилася сепТу нового типу між головою і тулубом, з'явився один додатковий сегмент, і редукувався один з секторів голови. Тобто деякі мутації призводять до появи морфологічних нововведень, причому ступінь складності і впорядкованості фенотипу при цьому не знижується або навіть збільшується.

Але в третьому випадку при такому ж геномі розвинувся цілком нормальний фенотип. Це приклад завадостійкості або, що те ж саме, неповної пенетрантности, неповної проявляемостью мутацій. Мутація може проявитися у фенотипі, а може і не виявитися. Мабуть, чим більше негативних зворотних зв'язків і стабілізуючих механізмів, тим вище ймовірність, що випадкова мутація не виявив в фенотипі або проявиться слабо.

Д-Е: це інша мутація. В одному випадку з'явився новий ознака - придатки на голові, в іншому - вийшов нормальний фенотип. Це два варіанти розвитку при одному і тому ж геномі. Знову ми бачимо неповну пенетрантність нового ознаки, що виник в результаті мутації.

Ці ж приклади показують, що мутації можуть призводити до дестабілізації онтогенезу. Початковий варіант генома ніколи не приводив до придатків на голові. Мутація може дестабілізувати онтогенез таким чином, що іноді все буде нормально, а іноді будуть виростати придатки на голові. Поява мутації з неповною пенетрантностью і дестабілізація онтгогенеза - це одне і те ж. Був один стандартний фенотип - відбулася мутація - вийшло кілька варіантів фенотипу, один з яких відповідає старій нормі, а інші представляють собою різні відхилення (морфози). В результаті мутації новий ознака може виникнути у вигляді рідкісної аномалії. Наступні мутації можуть цей новий ознака стабілізувати.

Неповна пенетрантність нових ознак, в поєднанні зі збереженням колишньої «норми» в якості одного з варіантів розвитку, підвищує еволюційну пластичність онтогенезу. Ця властивість робить мутації більш «безпечними». Рідкісна аномалія може виявитися шкідливою в одних умовах, але корисною в інших, і тоді відбір підтримає мутації, що підвищують частоту реалізації даної аномалії, і вона в підсумку стане «нормою».

Мабуть, наявність в «генетичній програмі розвитку» зворотних зв'язків і стабілізуючих механізмів надає їй властивість, яке комп'ютерники неформально називають «розумом»: «розумна» програма здатна впоратися з різними позаштатними ситуаціями, в тому числі навіть такими, які не були передбачені програмістом .

Одне і те ж морфологічна зміна може бути викликане багатьма різними мутаціями. Один із прикладів у нашого черв'яка - це поява ніг на голові. Ми знайшли 7 різних мутацій, що призводять до появи цієї ознаки. В результаті морфологічна різноманітність, що породжується мутаціями, виявляється в цілому набагато менше, ніж різноманітність самих мутацій. Іншими словами, у змінах фенотипу виявляється набагато менше ступенів свободи, ніж в змінах генотипу. Це дозволяє говорити про «Каналізування» еволюційних перетворень онтогенезу, про наявність в ньому обмеженого числа прихованих альтернативних шляхів, або креодов. Тобто в онтогенезі наших модельних звірів ми бачимо те саме, що Уоддінгтон і Шмальгаузен побачили в онтогенезі реальних тварин.

Отже, багато властивостей онтогенезу модельних організмів характерні і для онтогенезу реальних тварин. На слайді перераховані такі властивості. Це дозволяє припускати, що закладений в програму базовий принцип може бути достатнім поясненням цих властивостей.

Цей принцип, нагадаю, полягає в тому, що в ході онтогенезу самосборка упорядкованих структур відбувається завдяки узгодженим поведінки індивідуальних клітин, спочатку «запрограмованих» однаковим чином, причому в поведінці цих клітин присутній непереборний елемент випадковості.

ДОПОВНЕННЯ: Демонстрація деяких інших мутантів

--- ---

16-е заняття: Письмова контрольна робота. 17-е заняття: розбір есе та контрольної.

Частина 6. Походження життя (лекції 18-20)

ІМОВІРНОСТІ. Одна авіакатастрофа приблизно на 106 годин польоту. Навіть якщо ми літаємо дуже багато, припустимо, по 102 годин на рік, то за своє життя налетаем не більше 5000 годин. Ймовірність загинути в авіакатастрофі всього лише 1/200 (дуже малий). Але якби ми жили по 100000 років, то за життя літали б 107 годин, і практично гарантовано гинули б у авіакатастрофі.

Шлях від неорганічних молекул до першої живої клітині був довгим і важким. За один крок такі перетворення не відбуваються. На цьому довгому шляху було безліч розвилок, зупинок, тимчасових відступів, всіляких проміжних етапів і «перехідних ланок». Найприкріше, що ці події не залишили, мабуть, ніяких слідів в палеонтологічного літопису. Земна кора просто не зберегла настільки древніх порід. До того ж ранні етапи шляху могли бути пройдені і зовсім не на Землі, а в протопланетному хмарі або на інших небесних тілах. Що стосується «перехідних ланок», то всі вони вимерли, не залишивши після себе прямих нащадків, за винятком одного-єдиного - так званого «останнього універсального загального предка» всіх сучасних живих істот. Фахівці називають його Лукою (Last Universal Common Ancestor, LUCA). Лука був уже досить складним організмом, що нагадує бактерію.

Докази єдиного походження: у всіх - ДНК, РНК і білки; єдиний генетичний код; близькі системи реплікації, транскрипції і трансляції.

Тому доводиться задовольнятися розробкою гіпотез про те, ЯК міг бути пройдений довгий шлях від мертвої матерії до живій клітині. Ці гіпотези піддаються експериментальній перевірці, але таким способом можна довести лише принципову можливість того чи іншого перебігу подій. Набагато важче довести, що все насправді саме так і відбувалося.

Проте навіть у цій вкрай важкою області дослідники в останні роки досягли помітних успіхів.

Етапи зародження життя:

- Абіогенний синтез простих органічних сполук (немає проблем)

- Абіогенний синтез складних органічних сполук - «цеглинок» життя (основні проблеми майже вирішені)

- Поява реплікаторів (РНК?) (Проблем ще багато, але вони поступово вирішуються)

- Після цього всі вже набагато простіше, тому що починає працювати «дарвінівський» еволюційний механізм (спадковість, мінливість, відбір)

- Поява всього іншого: універсального механізму точного синтезу поліпептидів (генетичного коду і механізму трансляції), ДНК, ліпідних мембран і перших клітин.

- LUCA - Last Universal Common Ancestor

Наші предки й гадки не мали, що питання про походження живого з неживого може стати серйозною проблемою для їхніх нащадків. Для них все навколо було живим, одухотвореним. Мудреці Античності і Середньовіччя не бачили непереборної межі між живим і неживим. Слідом за Аристотелем аж до XVII століття всі вчені вважали зародження життя самим звичайним, повсякденним явищем. У гниючих відходах зароджуються хробаки і мухи, в старому ганчір'я - миші, на підводних каменях і днищах кораблів - молюски. Могутня «життєдайна сила» пронизує світобудову; вона-то і змушує відсталу матерію породжувати життя. Це вчення - віталізм - не суперечило і біблійній версії космогенеза. «І сказав Бог: Нехай земля вродить ...» «І сказав Бог: Нехай вода плазунів ...» Бог дав стихіям творчі сили. І з тих пір - чому ж дивуватися? - Вода виробляла, а земля проізращівала.

Реді довів, що личинки мух НЕ заведуться в тухлому м'ясі, якщо м'ясо накрити ганчіркою, зробивши його недоступним для дорослих мух.

Публіка погодилася з Реді, що такі складні тварини, як мухи і миші, можуть народжуватися тільки від відповідних батьків. Але ось прості одноклітинні організми - вони-то, без сумніву, породжуються брудною водою, що гниють відходами і тому подібним. Ця концепція проіснувала в суспільній свідомості близько ста років, а потім вчений чернець Ладзаро Спалланцани виявив, що мікроби теж розмножуються - діляться навпіл, даючи початок таким же мікроорганізмів. Мало того, коли він кипить бульйон і щільно закривав його кришкою, ніяких мікробів там не з'являлося.

Однак багато вчених вважали, що для зародження життя необхідна «життєва сила». Вона не може проникнути в закриту банку, саме тому там і не з'являються мікроби. Луї Пастер в 1865 році хитромудрим експериментом зумів довести, що ніякої життєвої сили немає.

З віталізмом було покінчено, але все дивіденди дісталися не науці, а ... церкви. Нелегке завдання постало перед тими вченими, які не хотіли залучати надприродні сили для пояснення природних явищ. Після того як було доведено неможливість самозародження, вони повинні були тепер довго і болісно доводити його можливість. Нехай не тут і зараз, а дуже давно, і не за годину-другу, а за мільйони років.

Спочатку справа здавалася безнадійною, адже хіміки ще не вміли отримувати органічні речовини з неорганічних. Грань між живою та неживою матерією здавалася нездоланною. Правда, ще в 1828 році Фрідріх Велер синтезував сечовину, але це нікого не переконало. Однак в 1854 р Марселен Бертло зумів штучно отримати ліпіди, а в 1864 р А. М. Бутлеров відкрив реакцію синтезу вуглеводів з формальдегіду. Незабаром хіміки навчилися одержувати й інші органічні речовини з неорганічних.

Стало ясно, що між живою та неживою матерією на хімічному рівні немає непереборної грані. Це був перший великий успіх теорії абиогенеза. Вчені зрозуміли, що, хоча пряме самозародження живих істот неможливо, життя могло з'явитися поступово в результаті довгої хімічної еволюції. Ця теорія, на відміну від креаціонізму, є науковою, тобто допускає принципову можливість спростування. Наприклад, якби виявилося, що органічні речовини дійсно неможливо отримати з неорганічних, як думали багато аж до дослідів Бертло і Бутлерова, то абіогенез довелося б визнати неспроможною теорією. Однак цього не відбувається. Навпаки, у міру розвитку науки один за іншим прояснюються всі нові етапи довгого шляху від неживої матерії до першої клітці.



Попередня   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   Наступна

Ненейтральні мутації і алельних заміщення | Висновок формули аллельного заміщення | статеве розмноження | рівень популяції | Рівень особин (Індивідуальний, або організменний відбір). | Генетичний рівень (відбір на рівні генів). | видоутворення | Ланцюгова реакція видоутворення | Експерименти по видоутворення | Видоутворення і статевий відбір |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати