є7, 2002 г.

© Ћ.». орочкин

ќнтогенез, эволюци€ и гены

Ћ.».  орочкин
Ћеонид »ванович  орочкин, доктор медицинских наук, член-корреспондент –јЌ,
заведующий лабораторией нейрогенетики и генетики развити€
»нститута биологии гена –јЌ и заведующий лабораторией молекул€рной биологии
»нститута биологии развити€ им.Ќ. . ольцова –јЌ.

¬енцом общеэволюционной концепции прин€то считать синтетическую теорию эволюции (C“Ё). ¬ ней была предприн€та попытка совместить с дарвиновскими градуализмом и естественным отбором классическую генетику, первоначально довольно резко с ними расходившуюс€ [1].   числу создателей —“Ё принадлежат выдающиес€ российские ученые —.—.„етвериков и ‘.√.ƒобжанский, а УортодоксальнуюФ сторону представл€ли такие замечательные биологи, как ј.Ќ.—еверцов, ».».Ўмальгаузен, ƒ. .Ѕел€ев, Ћ.ѕ.“атаринов, ¬.ј.–атнер, ј.—.—еверцов и др.

¬ то же врем€ в зарубежной и отечественной науке постепенно складывались взгл€ды, противоречащие синтетической теории эволюции или существенно ее модифицирующие (нередко на уровне философско-биологическом).

¬ отечественной биологии выдел€ютс€ три вехи становлени€ недарвиновских взгл€дов на процессы эволюции [2]. ѕерва€ Ч концепци€ номогенеза Ћ.—.Ѕерга, сформулированна€ в 20-е годы. «аключаетс€ она в постулировании иных движущих эволюции, нежели тех, что формулировал ƒарвин и сторонники —“Ё: вместо монофилии Ч полифили€, вместо градуальности Ч скачкообразность, вместо случайности Ч закономерность [3]. “огда же в ———– распростран€лись ламаркистские взгл€ды, привлекательные дл€ марксистской идеологии и объ€сн€вшие эволюцию наследованием приобретенных признаков, чтобы залатать существовавшие в эволюционной концепции дыры. — развитием генетики, доказавшей несосто€тельность этого принципа, такие взгл€ды постепенно отмирали (в 50Ч60-е годы их возрождали ќ.Ћепешинска€ и “.Ћысенко).

¬ последнее врем€ некоторые западные биологи (главным образом работающие с бактери€ми и простейшими) пытаютс€ вернутьс€ к гипотезе о наследовании приобретенных признаков. »х представлени€ зижд€тс€ на эпигенетической наследственности у простейших и бактерий (она давно известна и наблюдаетс€ при дифференцировке клеток у многоклеточных организмов). ¬ действительности подобные взгл€ды основаны на непонимании тех пон€тий, которыми оперируют авторы. ¬едь о наследовании приобретенных признаков можно говорить только в том случае, если речь идет об организмах, клетки которых разделены на соматические и половые, и когда признак, приобретенный первыми, неведомым образом передаетс€ и закрепл€етс€ в геноме вторых. Ќапример, если фанат боди-билдинга с помощью специальных упражнений нарастит свои бицепсы до невиданной величины, то в согласии с неоламаркистскими взгл€дами геном его половых клеток должен каким-то образом об этом узнать и записать информацию; тогда у потомков данного субъекта подобные мышцы должны по€витьс€ без вс€кой тренировки. ѕока существование такого механизма не просматриваетс€. —сылки на генетический импринтинг не правомочны Ч с одинаковым успехом обычные мутации можно назвать наследованием приобретенных признаков. ќрганизм ведь их приобрел! »ными словами, хот€т того или нет новые ламаркисты (скорее всего не хот€т!), последовательное проведение в жизнь их точки зрени€ пр€мой дорогой ведет к отрицанию основных постулатов современной генетики, т.е. к лысенковщине, совсем другой парадигме, не имеющей каких-либо надежных экспериментальных оснований.

—ледующий этап становлени€ недарвиновских взгл€дов св€зан с ё.ѕ.јлтуховым и Ќ.Ќ.¬оронцовым (60Ч70-е годы). ѕервый Ч на западе ему вторит ј. арсон (1975) Ч подразделил геном на полиморфный и мономорфный и выдвинул гипотезу, согласно которой полиморфизм и обеспечивающа€ его часть генома способствуют посто€нству вида, расшир€ют его приспособительные возможности и соответственно ареал распространени€. ¬идообразование же происходит за счет скачкообразного изменени€ мономорфной части генома [4].

¬оронцов сформулировал концепцию мозаичной эволюции и разработал учение о роли макромутаций и сейсмических факторов в филогенезе [5], а также о быстром видообразовании, обусловленном изменени€ми в структуре хромосом.

“ретий этап (80Ч90-е годы) знаменуетс€ открытием томского генетика ¬.Ќ.—тегни€. ќн продемонстрировал видоспецифичность точек прикреплени€ политенных (в виде пучка хромосомных нитей) хромосом насекомых к €дерной мембране и доказал отсутствие полиморфизма по данному признаку [6]. —ледовательно, видообразование по постулированному —“Ё принципу постепенного изменени€ генных частот в данном случае исключаетс€ и должно происходить путем макромутации.

Ѕудучи сторонником макромутационной эволюции, € всегда придавал огромное значение единству исторического и индивидуального развити€ [7, 8], о котором заговорили сразу после создани€ эволюционной теории. ¬едь эволюционные преобразовани€ не могли начинатьс€ иначе, как через изменени€ программы индивидуального развити€.

ѕервоначально это единство выражали в так называемом биогенетическом законе. ќсновыва€сь на работах ».ћеккел€ и „.ƒарвина, немецкий биолог ‘.ћюллер еще в 1864 г. указал на тесную св€зь эмбрионального развити€ предков с эмбриогенезом потомков. »дею эту преобразовал в биогенетический закон известный дарвинист Ё.√еккель, который в 1866 г. сформулировал его следующим образом: Уќнтогенез €вл€етс€ коротким и быстрым повторением филогенеза, повторением, обусловленным физиологическими функци€ми наследственности (воспроизведени€) и приспособленности (питани€)Ф.

Ќаиболее выдающиес€ эмбриологи того времени (ј. елликер, ¬.√ис,  .Ѕэр, ќ.√ертвиг, ј.—еджвик) критически восприн€ли идеи ћюллераЧ√еккел€, полага€, что новое в онтогенезе возникает не за счет прибавлени€ новых стадий к онтогенезу предков, а за счет такого изменени€ хода эмбриогенеза, которое преобразует онтогенез в целом. ¬ 1886 г. ¬. лайненберг предположил, что такие, казалось бы, лишенные функции эмбриональные структуры, как хорда или трубчата€ закладка сердца у позвоночных, считавшиес€ примерами рекапитул€ции (т.е. повторением в эмбриогенезе современных организмов признаков, которые были у их взрослых предков), принимают участие в формировании более поздних структур. ќдин из основателей американской эмбриологии —.”итман пророчески писал в 1895 г., что наши глаза похожи на глаза наших предков не вследствие генеалогических св€зей, а потому, что молекул€рные процессы, определ€ющие их морфогенез, происходили в сходных услови€х.

Ќаконец, давно известно такое €вление, как преадаптаци€. ≈ще Ѕэр отмечал, что если бы биогенетический закон был верен, то в эмбриогенезе более низко организованных животных в проход€щем состо€нии не наблюдались бы образовани€, присущие лишь вышесто€щим формам. ѕодобных примеров множество. “ак, у всех млекопитающих челюсти в самом начале развити€ так же коротки, как у человека, а мозг птиц в течение первой трети эмбриогенеза гораздо ближе к мозгу млекопитающих, чем во взрослом состо€нии. ≈ще в 1901 г. российский палеонтолог ј.ѕ.ѕавлов показал, что молодые особи некоторых аммонитов обладают признаками, которые исчезают в зрелом возрасте, но обнаруживаютс€ у более высокосто€щих форм.

“рансформации ƒТјрси “омпсона. »зменени€ в направлении роста и клеточной пролиферации (линии координатной сетки) во врем€ развити€ могут вызвать существенные сдвиги в фенотипе животных (в данном случае рыбок). ћакромутации, вызывающие такого рода изменени€, способны продуцировать вариации видоспецифических, а то и родоспецифических признаков, посредством, например, сдвигов в скорости митотического цикла A Ч Diodon, Ѕ Ч Scaurus, ¬ Ч Pomacanthus, √ Ч Orthagoriscus. «аменив координаты рисунка, изображающего морскую рыбу Scaurus, на изогнутую ортогональную систему, мы получим изображение не очень отдаленного рода Pomacanthus, которое по отношению к Scaurus вполне можно назвать счастливым монстром √ольдшмидта.
¬ 20Ч30-е годы критику биогенетического закона продолжил ученик —еджвика ‘.√арстанг, утверждавший, что онтогенез не повтор€ет филогенез, а творит его. √арстанга поддержали Ћ.Ѕерталанфи и “.ћорган, который, в частности, отметил, что в ходе эволюции эмбриональные стадии могут измен€тьс€ и тер€ть сходство с соответствующими стади€ми более ранних форм. —ледовательно, если теори€ рекапитул€ции Ч закон, то он имеет так много исключений, что становитс€ бесполезным и часто ошибочным. ѕонима€ всю серьезность этих возражений и стрем€сь тем не менее спасти биогенетический закон, выдающийс€ российский биолог ј.Ќ.—еверцов выдвинул теорию филэмбриогенеза, в соответствии с которой эмбриональные изменени€ св€заны с филогенетическим развитием взрослого организма [9]. ќн выделил три типа филэмбриогенеза: надставка конечной стадии (например, развитие челюстей у саргановых рыб); изменение пути развити€ (развитие чешуи у акуловых рыб и рептилий); изменение первичных зачатков.

ќднако пионерные работы —еверцова не положили конец критике представлений √еккел€Чћюллера. Ќегативное отношение к ним продемонстрировали палеонтолог Ў.ƒепере, зоолог ј.ј.Ћюбищев, эмбриологи ƒ.ƒьюор, —.√. рыжановский, физиолог ».ј.јршавский и др.

“ак, ƒьюор заметил, что пищеварительный канал эмбриона некоторое врем€ замкнут (т.е. не св€зан ни со ртом, ни с анальным отверстием), а это вр€д ли может иметь смысл на какой-либо предковой стадии. «акладка однопалой конечности лошади с самого начала обнаруживает четкую специфичность: утрата в ходе эволюции латеральных пальцев не повтор€етс€ в онтогенезе этого животного. ”траченные пальцы редуцированы в самой ранней эмбриональной закладке [10].

ќ сходных противоречи€х говор€т и сравнительно-эмбриологические исследовани€. —тановление в онтогенезе плана строени€ тела различных организмов обусловлено изменени€ми в экспрессии генов сегментации и гомеозисных генов. —тади€, на которой в эмбрионах одной ветви морфологическое сходство наивысшее, называетс€ филотипической. —тади€, на которой у животных разных ветвей по€вл€ютс€ различи€ в плане строени€ тела, св€занные с работой гомеозисных генов, обозначаетс€ как зоотипическа€.

Ќапример, хордовые проход€т стадию развити€, на которой имеют сходное устройство нервной трубки, нотохорды и сомитов. Ёто та филотипическа€ точка, на которой устанавливаетс€ региональна€ идентичность экспрессии гомеозисных генов. Ќесмотр€ на консерватизм филотипической и зоотипической стадий, генетики развити€ определ€ют, что начальные стадии эмбриогенеза внутри каждой ветви разнообразны. Ќапример, эмбрионы человека, цыпленка и рыбы данио похожи на филотипической стадии, а на более ранних стади€х развити€ они морфологически совершенно различны, что находитс€ в противоречии с биогенетическим законом [8].

ќтражают ли морфологические и морфогенетические отличи€ какую-либо соответствующую им молекул€рно-генетическую специфичность? »меющийс€ фактический материал позвол€ет предположить, что молекул€рно-генетическа€ УмашинаФ во всех случа€х сходна€, а морфологические различи€ обусловлены сдвигами во временноШй последовательности одних и тех же молекул€рных процессов. »менно они определ€ют морфогенез разных таксонов.

Ёто можно проследить на примере эволюции насекомых. “ак, у дрозофилы полноценный набор сегментов тела устанавливаетс€ уже к концу стадии бластодермы. Ёмбрионов таких насекомых (мух, пчел) называют зародышами с длинной закладкой. ” кузнечика же синцитий и клеточна€ бластодерма формируютс€, как у дрозофилы, но только мала€ фракци€ бластодермы (зародышева€ закладка) участвует в развитии эмбриона, а остальна€ ее часть дает начало эмбриональным мембранам. ¬ этом случае план строени€ животного в зародышевой закладке не представлен полностью. »з нее возникает только головна€ область, а другие части развиваютс€ из зоны роста. “акие эмбрионы называют зародышами с короткой закладкой. —уществует и промежуточный тип развити€, когда из зародышевой закладки развиваютс€ голова и грудь, а брюшна€ область Ч позднее из зоны роста. ѕодобные €влени€ нелегко согласовать с биогенетическим законом, а посему пон€тен скепсис к нему.

ќднако в отечественной литературе по эволюционной биологии по-прежнему наблюдаетс€ серьезное отношение к биогенетическому закону, а в западной литературе его обычно вообще не упоминают или отрицают. яркий тому пример Ч книга –.–эффа и “. ауфмана [11], которые полагают, что Услабости биогенетического закона заключались в его зависимости от ламарковской теории наследственности и в его непременном условии, что нова€ эволюционна€ ступень может быть достигнута только как добавление к взрослой стадии непосредственного предкаФ. » еще: У¬ совокупности менделевска€ генетика, обособленность клеток зародышевой линии и важность морфологических признаков на всем прот€жении развити€ положили конец теории рекапитул€ции...Ф

Ёто, конечно, крайн€€ позици€, но она попул€рна на «ападе. ќднако у нас нет оснований сомневатьс€, что индивидуальное и историческое развитие организмов тесно св€заны, поскольку вс€кое эволюционное преобразование базируетс€ на тех или иных генетически детерминированных сдвигах в онтогенезе. —ледовательно, они составл€ют некое единство, при оценке которого следует исходить из того, что и индивидуальное, и эволюционное развитие основываютс€ на одном и том же материале, а именно на ƒЌ , и потому им должны быть присущи ќЅў»≈ закономерности.

≈два ли заключенна€ в ƒЌ  наследственна€ информаци€ развертываетс€ в онто- и филогенезе принципиально иным путем. “ем не менее в насто€щее врем€ такое допущение общеприн€то. ѕолагают, что филогенез осуществл€етс€ на базе нецелесообразных, ненаправленных процессов и основываетс€ на постепенном накоплении в попул€ции случайных, мелких мутаций. Ќо, исход€ из принципа единства, разумнее и логичнее распространить экспериментально доказанные особенности онтогенеза на обусловленные ими эволюционные событи€, которые, как правило, не поддаютс€ точной проверке, а потому формулируютс€ как спекул€тивные, подт€нутые под ту или иную экспериментально непровер€емую концепцию.

ѕри экстрапол€ции данных генетики развити€ на филогенетические процессы необходимо опиратьс€ на следующие факты.

¬о-первых, онтогенез подчинен определенной цели Ч преобразованию во взрослый организм Ч и, следовательно, целесообразен. ќтсюда следует целесообразность и эволюционного процесса, коль скоро он зависит от того же самого материала Ч ƒЌ .

¬о-вторых, процесс онтогенеза не случаен, он протекает направленно от стадии к стадии. ¬с€кого рода случайности исключают точную реализацию плана нормального развити€. ќтчего же эволюци€ должна основыватьс€ на случайных мутаци€х и идти неведомо куда по УненаправленномуФ пути? ѕосмотрев внимательно на различные эволюционные р€ды и увидев в них сходные образовани€ (крыль€ у птиц, у летучих мышей, насекомых, древних рептилий, подобие крыльев у некоторых рыб), начинаешь подозревать наличие запрограммированного в самой структуре ƒЌ  филогенеза (как и онтогенеза), словно направленного по некоему УпреформированномуФ каналу, о чем говорил Ѕерг в теории номогенеза.

Ќаконец, в ходе онтогенеза фазы относительно спокойного развити€ смен€ютс€ так называемыми критическими периодами, которые отличаютс€ морфогенетической активностью €дер и активацией формообразовани€. ќчевидно (и это подтверждаетс€), и в эволюции длительные фазы поко€ смен€ютс€ взрывами видообразовани€. »ными словами, она носит не градуалистский, а скачкообразный характер.

Ёмбриологи уже давно рассматривают эволюцию не как результат накоплени€ мелких мутаций, постепенно ведущих к формированию нового вида через промежуточные формы, а как следствие внезапных и коренных преобразований в онтогенезе, сразу вызывающих возникновение нового вида. ≈ще ≈.–або в 1908 г. допускал, что видообразование сопр€жено с мутаци€ми большой амплитуды, про€вл€ющимис€ на ранних этапах морфогенеза и нарушающими сложную систему онтогенетических коррел€ций.

≈.√ийено считал, что ∆.Ѕюффон был близок к истине, когда, описыва€ нелепое строение и форму клюва, характерные дл€ некоторых видов птиц, причисл€л их к тератологическим (уродливым) отклонени€м, едва совместимым с жизнью. «аметив, что одни и те же уродства у некоторых групп беспозвоночных (например, иглокожих) представл€ютс€ то как случайные индивидуальные особенности, то как посто€нные признаки видов, родов и семейств, он предположил, что некоторые катастрофические уродства есть следстви€ макромутаций, измен€ющих ход онтогенеза. Ќапример, неспособность к полету у многих птиц открытых пространств (эпиорниса, страусов, казуаров) возникла как уродство, обрекающее его носителей на единственный образ жизни в ограниченном биотопе. ”сатые киты Ч насто€щий парадокс природы и жива€ коллекци€ уродств. √ийено считает, что любое животное можно описать в терминах тератологии. “ак, передние лапы крота Ч пример ахондроплазии (нарушени€ окостенени€ длинных костей конечностей), у китов наблюдаетс€ двусторонн€€ эктромели€ (врожденное отсутствие конечностей). ” человека анатомические особенности, св€занные с вертикальным положением тела, отсутствие хвоста, сплошного волос€ного покрова и т.д., можно рассматривать как уродство по сравнению с его предками.

Ѕельгийский эмбриолог ј.ƒальк предположил, что с кембрийского времени благодар€ радикальным трансформаци€м самых ранних стадий эмбриогенеза установилось два-три дес€тка основных планов строени€ (архетипов). –езкие преобразовани€ строени€, случись они у взрослого, обернулись бы дл€ него катастрофой и обрекли на гибель, а зародыши в силу своей чрезвычайной пластичности и высокой регул€ционной способности могли их переносить. ќн полагал, что основу эволюции составл€ет событие (названное им онтомутацией), которое про€вл€етс€ в радикальных и в то же врем€ жизнеспособных трансформаци€х в цитоплазме €йцеклетки как морфогенетической системе.

ќсобенно €сно положени€ о филогенетической роли резких отклонений эмбрионального развити€ сформулировал –.√ольдшмидт в своей концепции макроэволюции. ќна включает несколько постулатов:

Ч макроэволюцию нельз€ пон€ть на основе гипотезы о накоплении микромутаций, она сопровождаетс€ реорганизацией генома;

Ч изменени€ хромосомной структуры могут вызывать значительный фенотипический эффект независимо от точковых мутаций;

Ч изменени€, основанные на преобразовании систем межтканевых взаимодействий в онтогенезе, могут иметь эволюционное значение Ч они обусловливают по€вление так называемых многообещающих уродов, отклон€ющихс€ в своем строении от нормы, но способных адаптироватьс€ к определенным услови€м среды и дать начало новым таксономическим единицам;

Ч системна€ реорганизаци€ онтогенеза реализуетс€ либо через эффекты генов-модификаторов, либо благодар€ макромутаци€м, существенно мен€ющим работу эндокринных желез, которые продуцируют различные гормоны, вли€ющие на развитие организма в целом.

¬ качестве примера фенотипических эффектов, вызванных гормонами, √ольдшмидт приводит акромегалию, гигантизм, карликовость. —.—токкард св€зывает с функцией эндокринных желез многие расовые признаки у собак, а ƒ. .Ѕел€ев продемонстрировал существенные сдвиги в функции эндокринных желез при одомашнивании лисиц.

ѕроведенные еще в начале 30-х годов эксперименты на рыбе из семейства илистых прыгунов Peryophthalmus megaris показали, что трехлетнее непрерывное введение гормона тироксина вызывает значительные морфогенетические перестройки. ¬ этом случае удлин€ютс€ грудные плавники, которые приобретают внешнее сходство с конечност€ми амфибий, а рассе€нные в норме эндокринные элементы, продуцирующие тироксин, группируютс€ в более компактные образовани€, похожие на структуры, свойственные амфиби€м. Ёти факты позволили √ольдшмидту сделать вывод о значительном фенотипическом эффекте тех изменений генома, которые отражаютс€ на механизмах гормонального контрол€. ¬оронцов, раздел€вший взгл€ды √ольдшмидта, представил два бесспорных факта макромутационного возникновени€ безволосых видов млекопитающих за счет единственной макромутации типа безволосости Ч hairless. Ёти данные противоречат концепции облигатного градуализма [5].

ќдин из крупнейших палеонтологов современности ќ.Ўиндевольф, также полага€, что онтогенез предвар€ет филогению, предложил теорию типострофизма. ќн игнорировал попул€ционные процессы, отверг эволюционную роль случайности и признал носителем эволюции отдельную особь. ќтсутствие промежуточных форм в палеонтологической летописи объ€сн€л быстрой трансформацией форм, обусловленной резкими изменени€ми уровн€ космической и солнечной радиации. ≈му же принадлежит крылата€ фраза: Уѕерва€ птица вылетела из €йца рептилииФ.

—хема эмбрионального развити€ и строени€ глаза головоногих моллюсков (вверху) и позвоночных. 1 Ч сетчатка, 2 Ч пигментна€ оболочка, 3 Ч роговица, 4 Ч радужка, 5 Ч хрусталик, 6 Ч ресничное (эпителиальное) тело, 7 Ч сосудиста€ оболочка, 8 Ч склера, 9 Ч зрительный нерв, 10 Ч покровна€ эктодерма, 11 Ч головной мозг. Ќа основе совершенно различных морфогенетических процессов формируютс€ подобные органы. »менно таким путем может быть осуществлено конвергентное развитие признаков у филогенетически неродственных организмов. ¬ основе событий, последовательно стро€щих данную структуру, лежит, очевидно, генетически запрограммированный план развити€. ѕоследовательное развертывание этих событий регулируетс€ сложным и точно настроенным генетическим механизмом, начало которому может положить одноразова€ макромутаци€ √ольдшмидта.
Cходные взгл€ды под названием теори€ прерывистого равновеси€ исповедуют американские палеонтологи Ќ.Ёлдридж, —.—тэнли и —.√оулд. ¬ажное значение в эволюции они придают педоморфозу, когда онтогенез укорачиваетс€ из-за утраты взрослой стадии и животные способны размножатьс€ на личиночной стадии. ¬идимо, таким путем возникли некоторые группы хвостатых земноводных (протеи, сиреновые), аппендикул€рии, насекомые (таракано-сверчки гриллоблаттиды), паукообразные (р€д почвенных клещей) [2].

 аковы же те конкретные процессы, которые могут вызвать преобразование типов онтогенеза? Ќа мой взгл€д, это особый вид мутаций, привод€щих к изменени€м временнџх параметров созревани€ взаимодействующих систем в развитии. ¬ сущности, онтогенез Ч это цепь эмбриональных индукций, т.е. взаимодействий индукторЧкомпетентна€ ткань. ѕолноценна€ эмбриональна€ индукци€ зависит от того, насколько точно соответствует в развитии врем€ созревани€ индуктора и компетентной ткани. ¬ нормальных услови€х компетентна€ система способна отвечать формообразованием в момент стимулирующего импульса от индуктора. –ассогласовани€ во времени созревани€ индуктора и компетентной ткани нарушают ход соответствующих морфогенетических процессов. ћутации, вызывающие такие рассогласовани€, веро€тно, распространены довольно широко.

“ак, становление пигментации у амфибий определ€етс€ взаимодействием эпидермиса (индуктора) и ткани нервного гребн€, который служит источником меланобластов, мигрирующих субэпидермально под вли€нием индуктора. ќдна из мутаций (d) в гомозиготе (dd) резко ослабл€ет окраску аксолотл€, так что лишь спина животного слегка окрашена (так называема€ бела€ раса аксолотлей). ¬ нашей лаборатории показано, что отсутствие окраски определ€етс€ рассогласованием во времени созревани€ двух взаимодействующих закладок, составл€ющих единую коррел€ционную систему. ¬ серии экспериментов по трансплантации кусочков презумптивного эпидермиса (из которого развиваютс€ те или иные органы) между зародышами аксолотлей белой расы мы обнаружили, что при некоторых сочетани€х возраста донора и реципиента в трансплантате развиваетс€ пигментаци€.

 ак продемонстрировали Ўмальгаузен и Ѕел€ев, типичным случаем такой дезинтеграции взаимодействующих систем служит доместикаци€. Ќапример, в окраске домашних животных наблюдаетс€ неправильное распределение п€тен различного цвета (у коров, собак, кошек, морских свинок), чего не бывает у диких животных (у них либо однотонна€ окраска, либо закономерное распределение полос или п€тен). » хот€ генетический контроль однотонной серой окраски достаточно сложен, его механизм легко разрушаетс€. ћутации, про€вл€ющиес€ при одомашнивании, действуют на уровне коррел€ционных св€зей. ѕри этом существенные св€зи часто тер€ютс€, а взамен по€вл€ютс€ совершенно новые. –азвитие у кур хохла и перьев на ногах, а также курдюка у овец обусловлены действительно новыми св€з€ми. Ўмальгаузен рассматривает редукцию органов как распад взаимодействующих систем, а атавизм как локальную реинтеграцию, в основе которых лежат сдвиги во времени формообразовательных реакций.

ћакромутации по ¬оронцову. ј Ч безволосые мутанты оленьих хом€чков (видны сохранившиес€ вибриссы и складки ороговевшего эпители€); в норме особи этого вида покрыты обычным меховым покровом. Ѕ Ч молодой, нормально пигментированный хом€чок Ч гомозигот по мутации hairless. ¬ Ч молодой безволосый хом€чок-альбинос (гомозигот по двум рецессивным Ч hairless, albino Ч несцепленным признакам). √ Ч безволосость как систематический признак у цейлонской бабируссы.
 аковы возможные феногенетические основы формообразовани€, обусловленного изменением временнџх параметров созревани€ взаимодействующих тканей? ѕредположим, имеетс€ два гена ј1 и ј2 (аллельные и неаллельные, дл€ данного случа€ не принципиально), которые контролируют соответствующие морфогенетические реакции (а1 и а2) через синтез специфических веществ а1 и а2. ќчевидно, транскрипци€ данного локуса еще не означает, что контролируемый им признак будет выражен в фенотипе. —уществуют многочисленные генетические элементы, способные подавить про€вление признака.

ƒопустим, что морфогенетическа€ реакци€, контролируема€ геном ј2, не имеет выхода в фенотип вследствие блока на каком-либо уровне регул€ции, например торможени€ синтеза вещества а2 или рассогласовани€ времен его синтеза и созревани€ реагирующей системы. “огда возможен лишь морфогенетический процесс а11 . ≈сли же в одном из генов-модификаторов (ћ) в результате мутации совпало врем€ синтеза вещества а2 и созревани€ реагирующей системы, а следовательно, и фенотипическое выражение признака, контролируемого геном ј2, осуществл€етс€ также событие а22 . ≈сли реакции а1 и а2 взаимодействуют, возможны дополнительные, промежуточные формообразовательные процессы. ѕоскольку на относительную выраженность каждой из этих реакций в фенотипе будут вли€ть многочисленные гены-модификаторы, количество возникающих при этом фенотипических вариантов почти безгранично. —ледует также учитывать, что ген ћ контролирует синтез того или иного гормона в развивающемс€ организме, а значит, и общий гормональный баланс. ј он играет важную роль в регул€ции особенностей, в том числе и временнџх, фенотипического выражени€ целого комплекса различных признаков и морфогенетических реакций. ¬идимо, именно такие преобразовани€ осуществл€ютс€ в ходе морфогенетического процесса, который нарушаетс€ макромутацией.

„то же заставл€ет гены мен€ть врем€ экспрессии? ¬озможно, важную роль здесь играют гетерохроматиновые участки хромосом (они могут составл€ть от 20 до 80% генома). ‘енотипический эффект гетерохроматина часто про€вл€етс€ в раннем эмбриогенезе, например, уменьшаетс€ количество клеток на орган или сохран€ютс€ фетальные характеристики после рождени€. »менно гетерохроматину и в первую очередь вход€щей в его состав сателлитной ƒЌ  приписывают функцию регул€тора скорости клеточного делени€ и, следовательно, временных параметров индивидуального развити€.

√етерохроматин и сателлитна€ ƒЌ , возможно, вли€ют на врем€ экспрессии генов дво€ким способом: они могут ассоциироватьс€ с определенным классом белков, способных мен€ть структуру хроматина или вли€ть на трехмерную организацию интерфазного €дра. ¬ примере с нарушением пигментации у аксолотлей времена созревани€ взаимодействующих тканей обусловлены, веро€тно, выпадением кусочка гетерохроматина в области €дрышкового организатора. “ак, у Drosophila littoralis получены лабораторные линии, отличающиес€ наличием (или отсутствием) гетерохроматинового блока в районе G4 хромосомы 2, прилежащем к кластеру генов, которые кодируют изоферменты эстеразы. ќказалось, что гетерохроматиновый блок сдвигает врем€ экспрессии изоферментов эстеразы в различных органах дрозофилы в онтогенезе.

√енетическа€ регул€ци€ пигментогенеза у аксолотлей. ј Ч контрольные эмбрионы аксолотлей белой линии на стади€х 39Ч40. Ќа их боковой поверхности отсутствуют пигментные клетки. Ѕ Ч результаты трансплантации презумптивного эпидермиса от эмбрионов белой линии на стади€х 34Ч35 эмбрионам той же линии на стади€х развити€ 25Ч26. Ёмбрионы зафиксированы на стади€х 40Ч41. ¬ месте трансплантата развилась пигментаци€ (показана стрелками).
ќсобенно интересны случаи, когда гетерохроматиновый блок располагаетс€ вблизи района G5 хромосомы 2 D.littoralis. “ам наход€тс€ гены, кодирующие три изофермента b-эстеразы, в том числе эстеразы, расщепл€ющей ювенильный гормон (ё√-эстеразы). ¬ этом случае особи, гомозиготные по гетерохроматиновому блоку, погибают на стадии куколки. “огда не только задерживаетс€ врем€ синтеза изоферментов ё√-эстеразы, но и тормозитс€ свойственный нормальному развитию рост их активности. ¬еро€тно, низка€ активность ё√-эстеразы и вызывает дисбаланс в соотношении гормон линьки экдизон/ювенильный гормон, и сложившийс€ гормональный статус развивающейс€ дрозофилы не позвол€ет завершить метаморфоз.

ћо€ ученица ».ё.–аушенбах высказала гипотезу (1990), согласно которой этот органо- и тканеспецифичный изофермент вместе с нейроэндокринными органами составл€ет целостную систему, регулирующую адаптивную реакцию дрозофилы. ¬ результате селекции отбираютс€ комплексы генов-модификаторов, контролирующих экспрессию ё√-эстеразы в критические моменты развити€ особей, способству€ сохранению или уничтожению сложившихс€ генотипов в определенных услови€х среды. ¬ соответствии с этими представлени€ми колебани€ активности ё√-эстеразы есть часть реакции системы, ответственной за регул€цию онтогенеза. ¬незапные и глубокие наследственные перестройки в работе таких систем могут произвести на свет Умногообещающих уродовФ с эволюционным будущим. “аким образом, перераспределение гетерохроматина вызывает функциональную реорганизацию генома в целом, порою затрагивающую лишь отдельные признаки, а порою достаточно глубоко преобразующую фенотипическое становление систем признаков.

¬ св€зи с этим особенно интересна организаци€ кариотипа у разных видов Drosophila группы virilis, отличающихс€ по количеству гетерохроматина в геноме и отчасти по его распределению. Ёта группа включает по крайней мере 12 видов, объедин€емых по степени морфологического, биохимического сходства, а также скрещиваемости между собой. –азличные группы четко отличаютс€ по количеству сателлитной ƒЌ , собранной преимущественно в гетерохроматиновых районах хромосом.

“ак, у D.virilis количество сателлитной ƒЌ  составл€ет почти 50% генома. ¬ группе texana (D.texana, D.americana, D.novamexicana, D.lummei) количество гетерохроматина значительно меньше, чем у D.virilis, а в группах littoralis и montana оно снижено еще больше.

ƒж.√олл с сотрудниками обнаружили, что есть три главных типа сателлитной ƒЌ  у D.virilis: 25% генома составл€ет последовательность нуклеотидов 5ТACAAACT, 8% генома Ч 5ТATAAACT и 8% Ч 5ТACAAATT. »звестна тканева€ специфичность в распределении и дифференциальной репликации разных фракций сателлитной ƒЌ . ≈е небольшие количества в эухроматиновых районах по-иному распределены у разных видов Drosophila группы virilis. —тегний показал, что количество сателлитной ƒЌ  определ€ет видоспецифическую трехмерную организацию хроматина €дра, а также точки прикреплени€ хромосом к €дерному матриксу.

„то же вызывает перераспределение гетерохроматина в ходе эволюции? ћы предположили, что за такие событи€ ответственны подвижные генетические элементы, как бы УрастаскивающиеФ кусочки гетерохроматиновой ƒЌ  по разным €чейкам генома и вызывающие гольдшмидтовские макромутации. ѕодвижные генетические элементы могут по крайней мере дво€ким способом вли€ть на реализацию наследственной информации в развитии. ¬о-первых, внедр€€сь в область структурного гена, они измен€ют скорость транскрипции и соответственно концентрацию кодируемого им белка в несколько раз. “ак, в лаборатории американского генетика  .Ћаури показано, что внедрение подвижного генетического элемента в зону гена алкогольдегидрогеназы снижает активность фермента примерно в четыре раза. ≈сли в подобной ситуации окажетс€ ген, кодирующий фактор, который формирует пол€рный градиент, это скажетс€ на развитии эмбриона. ¬о-вторых, подвижные генетические элементы способны мен€ть врем€ экспрессии генов, что отражаетс€ на взаимодействии тканей в развитии и соответственно на морфогенетических процессах.

√ипотетическа€ схема макромутации (ћ), вли€ющей на морфогенетические процессы. ѕродукт а1 кодируетс€ геном ј1 и детерминирует реализацию морфогенетической реакции а1, продукт а2 кодируетс€ геном ј2 и принимает участие только под вли€нием гена-модификатора (ћ). ¬ этом случае он детерминирует реализацию морфогенетической реакции а22 . ¬заимодействие продуктов обеспечивает вариации в морфогенетических событи€х, контролируемых каждым из них ( орочкин, 1999).
»ными словами, происход€щие в определенных точках генома элиминации, вставки и перераспределени€ блоков сателлитной ƒЌ , обусловленные их УзахватомФ подвижными генетическими элементами, могут быть механизмом реализации направленности эволюционного процесса (места этих вставок расположены закономерно, а не разбросаны как попало по геному). “акого рода перемещени€, видимо, способствуют УвзрывамФ инверсий и транслокаций, как правило, сопровождающих видообразование. ¬ работах ћ.Ѕ.≈вгеньева четко продемонстрирована коррел€ци€ в расположении сателлитной ƒЌ  и подвижных генетических элементов у различных видов Drosophila группы virilis, что косвенно подтверждает эту гипотезу.


“канеспецифическое распределение фракций сателлитной ƒЌ 
в различных органах Drosophila virilis (Endow, Gall, 1975).
 

ѕредложенна€ ƒовером схема внутригеномной миграции последовательности ƒЌ  с исходной хромосомы 1 на гомологичные и негомологичные хромосомы (2, X, Y). Ѕуквы (а, б, в, г) указывают пути миграции подвижных элементов. ќчаг размножени€ подвижных элементов хромосом обозначен синими точками. ƒрозофила, у которой подвижных элементов много, способна заражать другие особи (на рисунке справа).
 ак показал английский генетик √.ƒовер, массовые перемещени€ генетических элементов, св€занные с резким увеличением их количества на геном, могут быть молекул€рно-генетическим механизмом скачкообразного видообразовани€. Ѕольшое значение в происхождении видообразовательных УвзрывовФ придает подвижным генетическим элементам и современный палеонтолог ƒж.¬алентайн (1975). » все же основанные на данных генетики развити€ эволюционные представлени€ пока лишь гипотезы, и решающее слово еще остаетс€ за палеонтологами.
 

Ћитература

1. √рант ¬. Ёволюци€ организмов.ћ., 1991.

2. Ќазаров ¬.». ”чение о макроэволюции. ћ., 1991.

3. Ѕерг Ћ.—. “руды по теории эволюции.Ћ., 1977.

4. јлтухов ё.ѕ. √енетические процессы в попул€ци€х. ћ., 1983.

5. ¬оронцов Ќ.Ќ. –азвитие эволюционных идей в биологии. ћ., 1999.

6. —тегний ¬.Ќ. јрхитектоника генома. —истемные мутации и эволюци€. Ќовосибирск, 1991.

7. Korochkin L. // Evolut. Biol. 1993. V.7. P.153Ч172.

8.  орочкин Ћ.». ¬ведение в генетику развити€. ћ., 1999.

9. —еверцов ј.Ќ. ћорфологические направлени€ эволюционного процесса. ћ., 1967.

10. Dewar D. Difficulties of the evolution theory. L., 1931.

11. –эфф –.,  ауфман “. Ёмбрионы, гены, эволюци€. ћ. 1986.

 


VIVOS VOCO! - «ќ¬” ∆»¬џ’!
»юнь 2002