Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Эволюционная история любого вида определяет те его структуры и процессы, на которые может действовать естественный отбор. История и адаптация переплетаются друг с другом. Это привело к поразительному разнообразию личиночных морфологии. В некоторых группах сохраняются сходные типы развития и сходные личиночные стадии, несмотря на резкие различия морфологии взрослых особей. Так, у морских желудей и других ракообразных сохраняется считающаяся примитивной личинка науплиус, а у зародышей млекопитающих имеются структуры, напоминающие жаберные дуги рыб. Подобные случаи легли в основу закона Бэра, а позднее - геккелевского закона рекапитуляции. Известны, однако, и противоположные примеры. У некоторых насекомых, очень сходных на стадии имаго, личинки сильно различаются вследствие дивергентных личиночных специализаций. Такие случаи и существование специализированных структур, связанных с развитием (например, внезародышевые оболочки и плацента млекопитающих), представляют собой временные приспособления, по которым зародыши и личинки могут очень сильно отклоняться от предковых или даже родственных форм.

Зародышевые и личиночные стадии, хотя они должны обладать всеми атрибутами, необходимыми интегрированным и жизнеспособным организмам, тем не менее представляют собой стадии некоего динамического процесса, связанного с дифференцировкой и ростом в пределах зародыша. Если мы согласны с тем, что изменения этих процессов создают механическую основу для достижения морфологической эволюции, то тогда характер адаптации, лежащих в основе экспрессии генов, которые контролируют зародышевые стадии развития, представляет очень большой интерес.

В гл. 7-9 были приведены данные, показывающие, что гены действительно контролируют морфологическое развитие. В настоящей главе мы рассмотрим два главных аспекта экспрессии этих генов: генетическую стоимость развития в смысле доли генома, отдаваемой развитию, и специализации в организации генома, необходимые для поддержания развития.

К счастью, существуют методы, позволяющие оценить количество генетической информации, имеющейся у высших организмов. Один из самых тонких таких методов - классическая менделевская генетика. Главная трудность, связанная с этим методом, заключается в удивительно малом числе организмов, которые достаточно подробно изучены генетически, чтобы предоставить нам желаемые данные. В сущности, на сегодняшний день лишь один организм - плодовую мушку Drosophila melanogaster - можно считать достаточно хорошо изученной генетически. С тех пор как в 1910 г. Т. Морган и его ученики впервые внесли дрозофилу в лабораторию, по одному этому скромному насекомому было собрано внушительное количество информации. С помощью химических мутагенов и рентгеновых лучей у дрозофилы были индуцированы многие тысячи мутаций, разбросанных по всему ее геному. Современный каталог мутаций D. melanogaster - свидетельство усердия генетиков - занимает свыше 500 страниц.

Эта обширная коллекция мутаций, а также умение получать новые создают возможность для выявления зависимости между генами и морфологическими, метаболическими, морфогенетическими или поведенческими признаками организма. Мутации можно использовать для получения двух основных типов информации относительно развития: это, во-первых, важнейшие сведения относительно функции отдельных процессов онтогенеза и их регуляции, получаемые путем анализа способов, которыми мутации вмешиваются в такие процессы; во-вторых, это информация (она нас, собственно, здесь и интересует) о числе генов, контролирующих процессы развития, которая в свою очередь дает нам возможность оценить долю генома, участвующего в онтогенезе как таковом.

Каждый отдельный ген может дать ряд различных мутантных аллелей, проявляющихся в виде различных фенотипов; поэтому число генов, участвующих в том или ином процессе, нельзя оценить с помощью такой привлекательной по своей простоте процедуры, как подсчет мутаций. Рассмотрим две мутации, воздействующие на один определенный фенотипический признак. Вопрос о том, относятся ли эти две мутации к одному или к двум генам, решается при помощи стандартного теста на комплементацию.

Число групп комплементации, регулирующих развитие дрозофилы, можно оценить, взяв выборку мутаций какого-либо одного класса и определяя путем экстраполяции общее число генов этого класса во всем геноме. Такая экстраполяция основана на двух допущениях. Первое из них состоит в том, что гены, имеющие одинаковые функции, распределены либо в одной хромосоме, либо во всем геноме случайным образом; т.е. гены, выполняющие в развитии близкие функции, не образуют кластеров. За некоторыми важными исключениями, рассмотренными в гл. 8, это допущение кажется разумным. Второе допущение заключается в том, что гены, несущие сходные функции, мутируют с одинаковой частотой и что их мутации одинаково легко выявить. Это допущение не выполняется отдельными генами, которые оказываются более мутабильными, чем большинство других, но оно, по-видимому, оправданно применительно к большой выборке генов. Можно выявить мутации, блокирующие развитие различными способами, и сгруппировать их в определенные категории. По каждой категории собирают как можно больше мутаций, но сделать исчерпывающую выборку, в которой геном насыщен мутантными генами желаемой категории, конечно, невозможно. Поэтому берется ненасыщающая выборка, которую надо затем статистически расширить. Для этого необходимо, чтобы гены, попавшие в выборку просто потому, что они мутировали, действительно представляли собой случайную выборку из того класса, который интересует исследователя.

Какие классы генов исследователь считает существенными для развития, зависит от особенностей развития изучаемого организма. Важно помнить, что дрозофила - голометаболическое насекомое, т.е. ее развитие сопровождается полным превращением, и личинка по своей морфологии, физиологии и поведению совершенно не похожа на взрослую муху. При этом личиночные структуры не превращаются непосредственно в соответствующие имагинальные структуры. Муха - это своего рода феникс: большая часть ее личиночных тканей распадается и поглощается тканями взрослой особи, развивающимися из имагинальных дисков, находящихся в личинке. Таким образом, в этом организме на самом деле имеются две морфогенетические системы, в которых может осуществляться генная функция, играющая решающую роль в развитии взрослой особи. Первая система действует во время эмбриогенеза, когда происходит образование составных частей и морфологии личинки. Вторая система определяет становление, поддержание и пролиферацию имагинальных дисков в личинке и их дифференцировку, приводящую к формированию взрослой особи.