Васильев А.Г., Васильева И.А., Большаков В.Н. Феногенетическая изменчивость и методы ее изучения. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

сходному фенотипическому результату, т.е. эквифинальное развитие фенотипа как некой

нормы, проявляется в обычных, традиционных для вида экологических условиях. Измене-

ние условий развития, выводящих эпигенетическую систему из равновесия за границы

нормальной канализированности, приводит к тому, что у многих особей преодолеваются

критические эпигенетические пороги и возникают многочисленные морфозы, информаци-

онно заложенные

в возможности системы. Проявление незарегулированных нюансов и

широкого спектра ранее скрытых и зарегулированных нормой путей развития означает

проявление «мобилизационного резерва» индивидуальной изменчивости (термин предло-

жен С.М. Гершензоном и широко использован И.И. Шмальгаузеном). Экспериментальные

примеры такого резкого увеличения спектра изменчивости в экологически нарушенной

среде были выявлены по количественным и

меристическим признакам на сортах пшеницы

и линиях дрозофил Н.В. Глотовым (1983). Если изменение экологических условий далее

будет сохраняться и в последующих поколениях, то начнется отбор в пользу самого жиз-

неспособного морфоза, который будет сопровождаться повышением устойчивости и кана-

лизированности его воспроизведения. Прежняя норма, оказавшаяся менее жизнеспособ-

ной, при этом начнет дестабилизироваться

и перейдет в разряд «аберрантной» траектории

развития. При дальнейшей стабилизации новой нормы она все больше будет регулировать

развитие, предотвращая появление других морфозов, и снизит их реализацию в этих но-

вых условиях до минимума. На длительном промежуточном этапе существования популя-

ции в измененной среде в ней могут одновременно присутствовать и старая,

и новая нор-

мы как две дискретные адаптивные модификации, или полиморфизм. В конечном итоге

старая норма может либо исчезнуть, либо превратиться в атавистический аберрантный

путь развития. В то же время, сохраняемое уклонение становится все более устойчиво на-

следуемым, превратившись в новую адаптивную норму.

М.А. Шишкин (1988) в итоге приходит к следующему

заключению: «Таким обра-

зом, созидательная роль отбора, как и каждого творческого процесса, заключается, в ко-

нечном счете, в «запоминании случайного выбора» …, которое выражается в данном слу-

чае в выборе одной из относительно равновероятных флуктуаций системы развития и в

превращении ее в новую устойчивую норму» (с. 166). Дополнением к эпигенетической

теории М.

А. Шишкина являются представления, развивавшиеся в работах П. Олберча.

Эпигенетическая концепция П. Олберча. Параллельно с М.А. Шишкиным в за-

падной науке к сходным представлениям пришел П.Олберч (Alberch, 1980), который од-

ним из первых осознал важность синтеза биологии развития и теории эволюции: «Я верю,

что понимание природы морфологической изменчивости и приемлемая методология для

описания онтогенеза необходимы для успешного синтеза между «развитийной»

(develoрmental) и эволюционной

теориями» (Alberch, 1980, р. 654). П. Олберч, рассматри-

вая роль развития в создании ограничений паттернов морфологической эволюции, задаю-

щих ее направленность, полагал, что природа морфологической изменчивости и проявле-

ния морфологических новшеств обусловлена эпигенетическими свойствами организма и

эпигенетическими ограничениями. Рассмотрение этих свойств является основой для кор-

ректировки теорий морфологической эволюции. Развитийные ограничения накладывают-

ся на

градуалистическое действие прямого движущего отбора и поэтому эволюция должна

представлять собой результат дифференциального выживания морфологических нов-

шеств. Тем не менее, создание морфологических новшеств на основе развитийных про-

грамм не случайно. Морфологическое проявление (экспрессия) генетических мутаций

есть эпигенетическое свойство.

Он заключает, что такие случайные процессы, как генетические мутации и реком-

бинации,

не могут рассматриваться в качестве объяснения возникающего упорядоченного

паттерна на морфологическом уровне. Этот упорядоченный паттерн, который жестко под-

держивается существующей системой эпигенетической регуляции, обладает рядом важ-

ных свойств: во-первых, фенотипы являются хорошо забуференными гомеостатическими

системами, устойчивыми к средовым и генетическим пертурбациям в течение их онтоге-

неза; во-вторых, морфологическая изменчивость

на макроскопическом уровне не является

непрерывной, а распределяется между ограниченным набором дискретных состояний

(доменов); в-третьих, «морфологические мутации» неслучайны, т.е. их выражение неслу-

чайно на морфологическом уровне.

Пер Олберч, опираясь на широкоизвестные работы Конрада Уоддингтона и Рене

Тома, утверждает, что все наблюдаемые биологические формы не хаотичны и представле-

ны

типичными формами, которым мы даем названия, поэтому можно утверждать, что они

не образуют непрерывный ряд случайных переходов и не генерируются совершенно слу-

чайно. Дело в том, что так называемая непрерывная (количественная) изменчивость огра-

ничена (оконтурена) в виде дискретных устойчивых состояний, или «доменов». Их можно

легко обнаружить экспериментально, когда направленный отбор какого-либо параметра

(числа щетинок, общих размеров, двигательной активности и т.д.) в той или иной группе

организмов уже через малое

число поколений упирается в некие границы (пределы) из-

менчивости, и далее отбор обычно не эффективен без проведения специальных скрещива-

ний, направленных на повышение гетерогенности, или применения мощных мутагенов.

Для пояснения своей концепции Олберч приводит схему, на которой представлены гипо-

тетические домены изменчивости в двух условных морфологических измерениях «X» и

«Y» (

рис. 12).

При этом изменчивость количественных переменных предполагается генетически

контролируемой. Внутри доменов наблюдается унимодальное или полимодальное слу-

чайное варьирование значений, образующих сгущения вблизи неких центров, однако ме-

жду доменами существуют дискретные разрывы. За пределами доменов реализация фено-

типа невозможна из-за определенных морфогенетических и конструкционных ограниче-

ний. Стрелки, соединяющие эти домены изменчивости

, подобно линиям силовых полей,

указывают возможные канализованные (в понимании Уоддингтона) пути перехода из од-

ного домена в другой, если данная особь будет превышать или не достигать на том или

ином этапе развития некоторых пороговых значений при изменениях внутренней (геноти-

пической) или внешней среды. Таким образом, морфологическое пространство представ-

ляется дискретным

и состоящим из допустимых в развитии дискретных областей, в пре-

делах которых изменчивость может носить случайный характер.

Домены изменчивости, или устойчивые состояния (steady states), подразумеваются

в концепциях канализованности развития Уоддингтона (Waddington, 1957), гомеостаза

развития Лернера (Lerner, 1954) и стабилизирующего отбора (Шмальгаузен, 1946) и отра-

жают устойчивость фенотипа в ходе развития при изменении внешней и внутренней сре-

ды. Роль

отбора при этом сводится к нормализации и упрочению тонкой настройки адап-

тивных черт внутри доменов. Примером доменов могут быть разные таксономические

единицы или классы фенодевиантов. На уровне организма – это различия между разными

тканями или органами. Олберч так же, как и Шишкин, для обозначения разных путей ин-

дивидуального развития, ведущих в конечном итоге к этим устойчивым состояниям фено-

типа, использует термин «креод», предложенный Уоддингтоном.

В случаях, когда гомеостатические пороги преодолеваются из-за возмущений во

внутренней или внешней среде организма, система может переключать развитие с одного

устойчивого состояния на другое. В качестве примеров таких переключений Олберч при-

водит

гомеозисные явления, описанные Гольдшмидтом, и мутации, вызывающие наруше-

ния скелета, в частности случаи полидактилии, бескрылости и другие, которые рассмат-

риваются как тератологические отклонения. Он подчеркивал, что еще Дарвин указывал на

некоторые параллельно возникающие у разных видов аберрации и считал, что это может

пролить свет на механизмы их происхождения. Особенность представлений

Олберча за-

ключается в том, что перенос развития из одного в другое устойчивое состояние он считал

не случайным. Фактически некоторые морфологические новшества выглядят как повторе-

ния, которые проявляются чаще, чем другие. В этой связи Олберч обращает внимание на

факты, доказывающие, что проявление морфологических вариаций неслучайно и может

быть интерпретировано с эпигенетических

позиций, и использует для этого примеры из

работ Берри и Сиэла, посвященных встречаемости дискретных вариаций неметрических

признаков скелета грызунов, исследования Сэвина и Эдмондса по изменчивости структу-

ры отхождения сосудов в области аорты у кроликов и другие примеры.

В итоге Олберч приходит к двум важным выводам: во-первых, отношения между

генами

и фенотипом являются непрямыми и в общем нелинейными; во-вторых, прерыви-

стость (дискретность) фенотипического пространства имеет пороговую природу и являет-

ся эпигенетическим феноменом, поскольку определяется природой развитийной функции.

Поэтому эволюция представляет собой результат сдвигов в распределении значений кон-

тролирующих развитие параметров. Сложность взаимодействий в течение развития и пат-

терны морфологической эволюции

таковы, что их невозможно редуцировать до проблемы

изменения частот генов. Между скоростями структурной генной эволюции и морфологи-

ческой диверсификации существует очень слабая корреляция. Это доказывает, что именно

регуляторные взаимодействия на генетическом и эпигенетическом уровнях контролируют

процесс морфологической эволюции. Развитийные ограничения и взаимодействия созда-

ют определенные пределы для действия естественного отбора

и могут обусловливать фи-

летические тренды. Именно эти тренды на фоне сложного взаимодействия динамики раз-

вития, контролирующей появление морфологических новшеств, стабилизирующего отбо-

ра и экологических параметров (популяционных размеров, структуры размножения и др.)

совместно определяют вероятность «фиксации» новых морфологических решений. Дру-

гими словами, макроэволюция рассматривается как продукт взаимодействия между разви-

тием и экологией, но развитие

, по мнению Олберча, играет ведущую роль, поскольку обу-

словливает реальные возможности дальнейших преобразований. Он категорически отвер-

гает возможность рассматривать эволюционный процесс в терминах только случайных

преобразований, поскольку вклад развития в процесс морфологической трансформации не

случаен. В работе, написанной совместно с Дж. Остером, они приходят к заключению, что

эволюционные изменения обусловлены

бифуркацией развитийных программ (Oster, Al-

berch, 1982), что во многом перекликается с представлениями Л.В. Белоусова (1987) и его

последователей (Черданцев, 2003).

Таким образом, можно полагать, что взгляды П. Олберча почти изоморфны пред-

ставлениям М.А. Шишкина, а также имеет смысл говорить о теоретическом единстве

взглядов И.И. Шмальгаузена и К.Х. Уоддингтона, высказанных в середине XX

в. и глубо-

ком сходстве параллельно разработанных в конце века эпигенетической теории эволюции

М.А. Шишкина и эпигенетической концепции ограничений макроэволюционного процес-

са П. Олберча, которые развивают теоретические представления своих великих предшест-

венников.

Эпигенетическая изменчивость и эпигенетический ландшафт популяции.

Функционирование эпигенотипа, согласно взглядам Уоддингтона, забуферено таким об-

разом, что процесс развития оказывается «канализованным», жестко направленным, не-

смотря на наличие разного рода помех как со стороны внешней, так и со стороны внут-

ренней, генотипической, среды (Уоддингтон, 1964, 1970). Однако эта устойчивость небез-

гранична. Как уже подчеркивалось ранее, наряду с основной траекторией развития – крео

дом, которая ведет к формированию нормального для популяции или линии фенотипа

(«дикого типа», стандартного проявления «мутации» и т.д.), имеется набор «субкреодов»,

направленных в ходе развития на реализацию определенных, отличных от нормы устой-

чивых фенотипических состояний, или аберрантных фенотипов. Субкреоды вместе с кре-

одом формируют эпигенетическую систему, обеспечивающую поливариантность путей

развития.

Рассмотрим в этой связи следующую аналогию. Мы можем представить, что разви-

тие в норме канализовано, жестко направлено и напоминает движение шара вдоль ледяно-

го желоба, структура которого представлена трассой для санного спорта с врезанными в

нее ответвляющимися «субжелобами». В местах ветвлений субжелобов

глубина креода

(главного желоба) меньше, и случайные воздействия могут привести к перебросу шара на

другую устойчивую траекторию развития, в другой желоб, который приведет к другому

фенотипическому результату, как, например в известном случае гомеозисной мутации

aristoрedia, открытой Е.И. Балкашиной, у дрозофилы вместо антенны на голове возникает

подобие конечности. Такие

переключения развития широко распространены в природе.

В.Л. Вершинин (1989) обнаружил, что в черте города частота различных аберраций строе-

ния сеголеток бесхвостых и хвостатых амфибий на порядок выше, чем в окружающих

природных ландшафтах. На большом материале по различным формам азиатских горных

полевок рода Alticola И.А. Васильевой была обнаружена уникальная особь,

у которой

имелись четко сформированные четвертые верхние щечные зубы (рис. 13), хотя в норме у

всех представителей целого надсемейства Muroidea проявляются только три щечных зуба.

В рамках описанной выше аналогии канализованности развития в виде ледяного

ветвящегося желоба воздействие внешней среды, например «резкий боковой порыв вет-

ра», ведущий к изменению траектории развития, или воздействие

внутренней cреды, «му-

тация» в виде ледяного бугорка, обеспечивающего поворот движущегося шара в опреде-

ленный субжелоб, могут привести к формированию одного и того же фенотипа, отличного

от нормы. По своей сути это тот же прообраз хорошо известных гено- и фенокопий (Gold-

schmidt, 1940).

Уоддингтон (Waddington, 1957) ввел понятие «эпигенетический ландшафт» для

описания морфогенеза особи, когда

каждая «долина» ведет к формированию того или

иного органа или части организма. А.Г. Васильев вводит в этой связи представление об

«эпигенетическом ландшафте популяции», опираясь на многочисленные эмпирические

факты устойчивости, определенности и предсказуемости фенооблика каждой популяции

вида как по количественным параметрам, так и по частотам альтернативных вариаций

признаков (Васильев, 1988, 1996; Васильев и др., 2000). Сущность этого понятия легко

осознать из следующих рассуждений.

Понимая «онтогенез» не только как индивидуальное развитие особи, единичное

событие, но и как общую видовую программу развития, легко прийти к третьему его тол-

кованию. «Популяционный онтогенез» можно определить как общее для всех особей попу-

ляции преломление видовой

программы развития, исторически отшлифованное отбором

для конкретных условий ее существования (Васильев, 1988, 2004). Очевидно, что «попу-

ляционный онтогенез», являя собой, общие черты развития каждой особи в конкретной

популяции, в масштабе вида будет уникален и единичен.

Еще Уоддингтон (1964, 1970) подчеркивал крайнюю условность представления

развития в виде ландшафта и говорил о том, что развитие особи,

ее морфогенез, можно

представить как траекторию точки в фазовом (многомерном) пространстве. Такую траек-

торию, как уже отмечалось, называют иногда «онтогенетической траекторией» (Alberch,

1980). Если воспользоваться моделью-аналогией стеклянной горы, развитие можно пред-

ставить вслед за К.Х. Уоддингтоном в виде движения шарика по рельефному ландшафту,

но этот ландшафт – стеклянная гора, будет сначала

совершенно не виден из-за своей про-

зрачности. Прослеживая движение шарика, катящегося с вершины горы, что символизи-

рует процесс развития, и мысленно прорисовывая его траекторию, мы постепенно, раз за

разом, от попытки к попытке, нарисуем контуры этой исходно невидимой горы, причем

характерная основная траектория движения (креод) будет видна наиболее отчетливо. Ка

ждая особь имеет свои детали онтогенетической траектории, но если «заставить» ее про-

жить множество жизней, то этот ландшафт, «прорисованный» от нее, будет в значитель-

ной степени напоминать ландшафт, «полученный» из онтогенетических траекторий всех

особей ее популяции. Каждая особь на всех этапах онтогенеза будет иметь главные (инва-

риантные) черты, присущие всем

особям данной популяции. Это не означает, что все осо-

би имеют совершенно сходный набор возможных путей развития (равную норму реак-

ции), напротив, каждая особь, по определению, генетически уникальна, и условия ее раз-

вития повторимы лишь в идеале, а следовательно, фенотип особи тоже уникален. Это оз-

начает лишь то, что каждая особь

популяции на всех этапах онтогенеза при хорошей тех-

нике анализа может быть определена как относящаяся именно к данной популяции. Дру-

гими словами, на каждой особи популяции лежит «отпечаток» ее принадлежности к этой

популяции, так как ее развитие обусловлено в значительной степени общим эпигенетиче-

ским ландшафтом популяции.

Каждая зигота (особь) популяции в ходе развития может реализовать любой из

имеющихся в конкретной популяции путей развития, однако с определенной, заданной

для этой популяции

вероятностью их осуществления. В этом смысле каждая особь содер-

жит инвариантную информацию о едином для популяции эпигенетическом ландшафте.

Это не противоречит, как уже говорилось, тому, что генотип каждой особи уникален, так

как, по определению, эпигенетическая система устойчиво преодолевает различного рода

помехи не только внешней, но и внутренней среды в ходе

развертывания онтогенетиче-

ского креода. Поэтому фенотип отдельной особи можно рассматривать как вероятностную

копию общей для популяции эпигенетической модели. Анализ множества особей популя-

ции, принадлежащих одной и той же генерации, позволяет статистически рассмотреть ос-

новной контур эпигенетического ландшафта популяции.

Далее в книге будут приведены некоторые факты, позволяющие считать реально-

стью единую эпигенетическую

систему популяции. Порождаемую этой системой законо-

мерную (ограниченную эпигенетическими порогами) изменчивость в протекании разви-

тия следует назвать эпигенетической изменчивостью (Васильев, 1988, 2004). Таким обра-

зом, эпигенетическая изменчивость представляет собой вероятностное осуществление

имеющегося в пределах групповой нормы реакции популяции набора устойчивых онтоге-

нетических (эпигенетических) траекторий. Все траектории развития, уклоняющиеся от

главного пути, будем

вслед за М.А.Шишкиным (1984) называть аберрантными эпигенети-

ческими траекториями, понимая, что большинство из них являются нормальными атрибу-

тами реализации эпигенетического ландшафта популяции, но имеющими лишь низкую

вероятность своего осуществления.

Рассмотрим в этой связи предложенную М.А. Шишкиным общую схему эволюци-

онных преобразований эпигенетической системы, поскольку это важно для дальнейшего

изложения

(рис. 14). По М.А. Шишкину, при изменении условий может наблюдаться дес-

табилизация развития, и основной его путь – креод (N

), характерный для нормальных

исходных условий, может оказаться неэффективным. Это приведет к тому, что возникнет

веер возможных аберрантных путей развития, из которых будет выбран и в ходе естест-

венного отбора углублен («накатан») новый креод (N

), который приведет к иному фено-

типическому решению. Важно подчеркнуть, что по теории М.А. Шишкина «накатывание»

нового креода одновременно приводит к общей деформации эпигенетической системы и

порождает, с одной стороны, возможность появления новшеств (новых субкреодов или

деформации старых), а с другой – необратимость и поступательность эволюционных пе-

рестроек.

Таким образом, можно

заключить, что разные популяции вида в силу уникальности

их исторического взаимодействия с конкретной локальной экологической обстановкой

будут эпигенетически различными. Смежные, соседние, популяции будут обладать сход-

ным, но не всегда тождественным эпигенетическим ландшафтом. Эти представления по-

зволяют говорить о возможности становления особой области исследований – популяци-

онной эпигенетики, нацеленной на сравнительное внутри- и

межвидовое изучение про-

цессов развития на популяционном уровне и опирающейся на групповой анализ внутри-

индивидуальной изменчивости морфогенетической реализации билатеральных морфоло-

гических структур. Ключевыми объектами в этом случае, как и в фенетике, являются фе-

ны неметрических признаков и их комбинативные сочетания (композиции), о которых

речь пойдет в следующем разделе главы. В

дальнейшем мы неоднократно будем возвра-

щаться к проблемам популяционной эпигенетики и феногенетики и более подробно рас-

смотрим их методы и прикладные возможности.

Пороговые неметрические признаки, фены и их композиции. Важным следует

считать вывод М.А. Шишкина, во многом созвучный с мыслями П. Олберча (Alberch,

1980) о том, что развитие представляет собой систему с ограниченным выбором возмож-

ных результатов, и что все они имеют одну и ту же основу – количественные пороговые

нарушения нормальной координации процессов онтогенеза. В этой связи уместно вновь

напомнить,

что английские генетики (Grüneberg, 1950, 1963; Searle, 1954; Truslove, 1961) в

50-60-х годах XX в. экспериментально обосновали представление о пороговых признаках

(threshold characters) и явлении эпигенетического полиморфизма (Berry, Searle, 1963). Об-

судим здесь лишь основные итоги этих исследований.

100

Существует множество альтернативно варьирующих неметрических признаков, ко-

торые на самом деле имеют количественную основу варьирования. В ходе развития на их

варьирование накладываются эпигенетические пороговые ограничения. При достижении

критической (пороговой) величины такой количественный признак может вести себя как

качественный, т.е. проявиться или не проявиться в фенотипе (Grüneberg, 1955). Проявив-

шись в фенотипе

, он варьирует как обычный количественный признак. Если в процессе

его эмбриональной закладки пороговый уровень не достигается, то признак вообще не

проявится в фенотипе, хотя генетически его появление достаточно жестко детерминиро-

вано. Наиболее известен классический пример отсутствия у части мышей линии CBA

третьего верхнего коренного (щечного) зуба, который приводится в работах Грюнеберга

(Grüneberg, 1951,1952). Как уже отмечалось, Грюнеберг экспериментально показал, что

если критическая масса эмбрионального зачатка зуба не достигается, он может не про-

явиться в фенотипе. Наши опыты (Васильева и др., 1988) по резкой разбалансировке мате-

ринской диеты, проведенные на мышах линии CBA, приводили к сильному уменьшению

размеров тела потомков, что сопровождалось трехкратным увеличением экспрессии этой

аномалии: частота фена - отсутствие третьего щечного зуба возрастала – с 2-3% в контро-

ле до 9-10 % в экспериментальной группе. И.А. Васильевой на значительном материале по

полевкам Alticola была обнаружена особь, у которой также отсутствовал третий щечный

зуб. Хорошо известно появление у человека с возрастом так называемого «зуба мудро-

сти», который тоже является типичным

примером порогового признака.

Поскольку характерными свойствами, которые позволяют отнести данную вариа-

цию неметрического признака к категории «фена», являются дискретность и «порого-

вость» его структурного проявления, то для билатеральных признаков простым и надеж-

ным критерием является наличие четырех типичных билатеральных сочетаний – компо-

зиций признака. Если кодировать проявление признака знаком «+», а отсутствие –

знаком

«-», то для «типичных» фенов билатеральные композиции будут представлены набором

сочетаний в проявлении признака на разных сторонах тела: +/+, +/-, -/+ и -/- (см. ниже,

глава 5 и Приложение). Примерами фенов билатеральных неметрических признаков могут

служить вариации в проявлении структурных элементов скелета, в частности отростки по-

звонков (рис. 15), структуры рисунка пигментированности тела (рис. 16), строения листо-