Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

1) ряды, образованные в результате измерения роста в процессе онтогенеза данного вида;

2) ряды, образованные близкими видами, различающимися по величине;

3) ряды, образуемые видами, составляющими одну линию в процессе эволюции.

Аллометрические зависимости между размерами двух структур часто описываются простой формулой, предложенной Гексли в 1932 г.:

y = bx α

где y - размер какой-либо одной структуры, а х - размеры всего тела или другой структуры, с которой структура у сравнивается. Член b - скалярный множитель, а α - отношение удельных скоростей роста структур у и х. Это уравнение можно переписать в виде

log y = log b + α log x .

Величины х и у обычно откладывают в логарифмическом масштабе по обеим осям. При этом получается линейный график с наклоном α и с точкой пересечения с осью х , равной log b. В тех случаях, когда α = 1, относительные размеры структур, представленных величинами х и у, постоянны независимо от их абсолютных размеров; иными словами, соотношение этих структур не изменяется, т.е. их рост происходит изометрически. Изометрический рост - это частный случай более общего спектра аллометрических зависимостей. В большинстве случаев α ≠ 1 и пропорции изменяются с изменением размеров.

Один особенно интересный пример аллометрии в ходе развития обсуждается Гексли в 1932 г. в его книге «Проблемы относительного роста» и представлен здесь на рис. 2-10. У некоторых видов муравьев рабочие особи полиморфны, причем самые крупные рабочие, у которых головы и челюсти чрезмерно велики, несут функции солдат. Вероятно, муравьиной семье выгодно иметь разнообразные типы рабочих особей, каждый из которых более способен к выполнению определенного круга задач. Такой ряд рабочих особей изображен на рис. 2-10, где приведен также график отношения размера головы ( х ) к размерам туловища (у) для рабочих особей одного вида муравьев. В пределах вида эти отношения для рабочих различных размеров укладываются в одну аллометрическую кривую. Это означает, что, хотя более крупные рабочие выглядят иначе, чем мелкие, из-за своих огромных голов и челюстей, весь этот ряд в целом отражает проявление одного генетически детерминированного закона роста.

Рис. 2-10.Аллометрическая зависимость между размерами головы и тела у муравья Pheidole instabilis (Huxley, 1932; с изменениями).

До сих пор мы рассматривали только аллометрические зависимости, выявляющиеся у отдельных особей в процессе роста. Можно, однако, построить также аллометрические кривые, чтобы сравнить взрослых особей последовательных видов, образующих одну эволюционную линию. Увеличение размеров в процессе эволюции происходит, как мы убедились, очень часто. В некоторых случаях увеличение размеров имеет очень интересные последствия. Когда аллометрические тенденции, характерные для предкового вида, сохраняются, то, если для какого-либо признака α ≠ 1, возникает парадоксальный результат: сохраняя тип роста, характерный для предкового вида, вид-потомок, превосходя предковый вид по размерам, приобретает иную форму. Такой способ, достойный «Алисы в стране чудес», лежит в основе морфологических изменений, наблюдаемых в некоторых хорошо известных эволюционных линиях. Одна из таких линий - травоядные млекопитающие титанотерии - достигла кульминации в олигоцене, где они представлены очень крупными формами; нос у этих форм был украшен парой массивных тупых рогов, достигавших в длину половины длины черепа. Эоценовые предки титанотериев были мельче, и рога у них либо отсутствовали, либо были короче. Размеры рогов у титанотериев радикально увеличились с увеличением общих размеров тела в процессе их эволюции в течение олигоцена. Означает ли эволюция этих крупных рогов приобретение нового варианта морфогенеза? В 1934 г. Герш (Hersh) ответил на этот вопрос отрицательно, что было неожиданным. При построении графика в логарифмическом масштабе по обеим осям все виды титанотериев укладываются в одну и ту же аллометрическую кривую с очень высоким значением α. Следовательно, регуляция роста в процессе онтогенеза титанотерия происходила таким образом, что увеличение размеров черепа сопровождалось еще большим увеличением его носовой области. Очевидно, крупные размеры всего тела и рогов создавали селективное преимущество, и поэтому данная аллометрическая тенденция сохранялась. Аналогичным примером служат гигантские рога вымершего плейстоценового оленя Megaloceros giganteus. У крупных самцов размах рогов достигал 3-3,5 м. Гулд (Gould) показал, что рога этого оленя подчиняются тем же законам аллометрического роста, что и рога других оленей. Поскольку это был очень крупный олень, следовало ожидать, что и рога у него будут особенно большими. Но было ли это единственной причиной гигантских размеров рогов? Гулд высказал мнение, что отбор сильно благоприятствовал таким огромным рогам, поскольку они играли важную роль в брачном поведении.

Другое, более раннее, объяснение состояло в том, что эволюция рогов у титанотериев и у Megaloceros giganteus - результат ортогенеза. Согласно теории ортогенеза, несущей в себе некоторые элементы греческой трагедии, эволюция той или иной линии канализируется в определенном направлении, отклониться от которого она не может даже тогда, когда это направление перестает быть адаптивным; следовательно, ее вымирание неизбежно. Подобные представления подразумевают направленную эволюцию телеологического толка и носят мистический характер; они мало что могут дать для понимания действительных эволюционных процессов. Тем не менее в эволюции все же существуют некие направления и они должны быть исследованы.

Изменения аллометрических зависимостей в процессе эволюции могут происходить другими, возможно, более важными способами. В эволюционирующей линии может произойти изменение любого из двух параметров, α или b. Изменение α ведет к модификации пропорций организма в результате изменения характера роста в процессе развития. На рис. 2-11 показана аллометрическая зависимость между длиной замка и периметром раковины в линии ископаемых двустворчатых моллюсков рода Myalina, у которых происходило постепенное увеличение размеров. Точки для самых древних видов располагаются на одной кривой, более поздние - на другой, которой соответствует иное, более высокое, значение α (больший угол наклона), и ряд завершается крупным моллюском, резко отличающимся по форме раковины от предковых видов. Все эти события в целом заняли примерно 50 · 10 6лет, но время, в течение которого произошли изменения аллометрии, не превышает 10 · 10 6лет.