Что изучает новая наука эво-дево?

8 сентября 2016

Наука эво-дево в полной мере соответствует своему инопланетно звучащему названию. «Эво-дево» (evo-devo, evolutionary developmental biology) — это эволюционная биология развития. В рамках дисциплины изучают построение и работу генетических программ живых организмов, сравнивая их онтогенез. Благодаря этому учёные могут судить о том, как на ранних стадиях формируется будущая форма организма, как внешняя среда влияет на эволюционные процессы, почему существа одного вида могут сильно отличаться по фенотипу.

Этой прогрессивной и сравнительно молодой науке на стыке генетики и палеонтологии посвящена книга Шона Кэрролла «Бесконечное число самых прекрасных форм. Новая наука эво-дево и эволюция царства животных», выпущенная в России издательством Corpus в научно-популярной серии «Элементы».

Автор книги, американский исследователь Шон Кэролл, на примере разных животных демонстрирует, как работают механизмы биологии развития. В первой части, которая называется «Создаём животных», говорится об анатомических признаках, записанных в геноме. Во второй части, «Как сделать животных разнообразными» — о фенотипической пластичности, которая обеспечивает разнообразие. Именно эта способность генома реагировать на вызовы среды, и порождает изменчивость, благодаря которой вокруг нас существует столько форм, каждую из которых можно назвать прекрасной.

 

Источник: hhmi.org

В основе всех изменений организмов, которые происходят со временем, лежит сложная программа, которая использует старые гены для создания новых, создаёт новые «чертежи» на основе прошлых генных сетей и причудливо перестраивает структуры. Этот процесс может казаться как хаотическим буйством, так и продуманным замыслом. Однако речь идёт о самоорганизующейся системе, которая не заканчивается границами тела живого существа, поскольку фенотип представляет собой отклик на внешние факторы.

Существует точка зрения, согласно которой плотину бобров можно считать фенотипом бобра в той же мере, что и его зубы. Можно ли тогда сказать, что культура — фенотип человека?

Согласно Шону Кэроллу, наиболее успешными являются виды, способные к специализации отдельных частей тел. Это можно уподобить модульным электронным устройствам, которые которые обещают поменять индустрию благодаря возможности для независимых разработчиков вмешиваться в «эволюцию» гаджетов. Появилась необходимость поставить на смартфон более мощную камеру — меняй модуль, оставляя неизменными функции, которые тебя устраивают. Таким же образом, в основе измнений живых существ нет раз и навсегда написанных инструкций, хотя в «технологических решениях» есть повторяющиеся паттерны.

Мы публикуем фрагмент книги Шона Кэролла, который посвящён важнейшим секретам эволюции новых форм. Здесь автор кратко формулирует несколько принципов, которые можно проследить в окружающей нас природе.

 

Источник: hhmi.org

Четыре секрета эволюционных инноваций

Шон Б. Кэрролл
профессор молекулярной биологии, генетики и медицинской генетики

• Первый секрет заключается в том, что природа предпочитает работать с уже существующим материалом. Паутинные бородавки пауков не образовались de novo, а крылья у позвоночных не вырастали на спине или боках четвероногого животного. Эти и многие другие структуры являются модификациями уже существовавших конечностей. Более четверти века назад Франсуа Жакоб отразил эту важную особенность эволюции в статье «Эволюция и ремесло» (Evolution and Tinkering). Жакоб отметил, что природа больше похожа на ремесленника, подгоняющего доступные детали и беспрерывно переделывающего и перекраивающего структуры на протяжении целых эпох, а не на инженера, который следует определённому плану и использует инструменты специального назначения. Этот принцип работает и на генетическом уровне: одни и те же «старые» гены используются для разных нужд. Чаще всего эволюция следует зигзагом от A до B, а вовсе не от нуля напрямую к B.
• Второй и третий секреты — многофункциональность и избыточность — были впервые отмечены Дарвином. Любой элемент многофункциональной структуры, который хотя бы отчасти является избыточным, может стать более специализированным за счет разделения функций между элементами.
• Четвертый секрет эволюционных инноваций заключается в модульном строении тела. Я уже говорил о том, что считаю модульное строение членистоногих и позвоночных причиной их эволюционного успеха. Что модульное строение дало членистоногим животным? Возможность одновременно создавать множество полезных приспособлений на базе одного организма, а также массу эволюционных новшеств, благодаря которым членистоногие стали одной из самых разнообразных групп на Земле. А если говорить о позвоночных, один длинный четвёртый палец птерозавров или много длинных пальцев летучих мышей, на которых натянута перепонка крыла, удлинение тела змеи за счет увеличения числа позвонков до нескольких сотен или избирательная редукция скелета брюшных плавников (т. е. задних конечностей) колюшки — всем этим они обязаны модульному строению. Модульное строение позволяет модифицировать и специализировать отдельные части тела, иногда кардинальным образом, не затрагивая остальных частей тела.

В основе модульного строения взрослых животных лежит модульная география эмбрионов и модульная логика генетических переключателей. Эти переключатели позволяют изменяться одним частям тела, не затрагивая других. В переключателях заключается секрет модульного строения, а в модульном строении заключается секрет эволюционного успеха членистоногих и позвоночных животных.

Последствия для развития биоразнообразия очевидны: новшества позволяют осваивать новые экологические ниши, а заселение новых территорий приводит к расширению биоразнообразия.

---

Теория естественного отбора и знание о последовательности ДНК не дают ответа на вопрос о том, почему конкретные живые существа выглядят именно так, а не иначе. Эво-дево ищет ответы, выводя понимание форм из самого развития, в ходе которого из пары клеток образуется сложный организм.

Работа Шона Кэррола показывает ход этих процессов через множество примеров, позволяющих увидеть разнообразие и красоту схем, лежащих в основе «ремесла эволюции».

https://newtonew.com/author/zagryadskaya