CC BY
110
ISSN 0869-4362
Русский орнитологический журнал 2019, Том 28, Экспресс-выпуск 1755: 1626-1633
Молекулярная генетика и эпигенетика в механизмах морфогенеза
Л.П.Татаринов
Второе издание. Первая публикация в 2007*
Морфологическая эволюция по Дарвину основана на идее естественного отбора. Развитие в первой половине XX века генетики привело к появлению модификации дарвинизма в виде так называемой «синтетической теории эволюции» (Huxley 1942). Эта теория представляла собой синтез классического дарвинизма с взглядами генетиков 19201930-х годов на наследственность. «Синтетисты» считали, что наследственность по существу имеет случайный характер, но в ходе естественного отбора из массы элементарных случайных наследственных изменений (мутаций) методом проб и ошибок отбираются изменения, наиболее совершенные и лучше приспособленные к конкретным условиям среды обитания. В классической генетике на первых этапах её развития основное внимание уделялось наследованию небольших морфологических признаков.
Со временем простые представления о вполне случайном характере элементарных наследственных вариаций изменились. Ведущая роль при этом принадлежала молекулярной генетике, становлению которой предшествовало появление концепции «один ген — один фермент» (Bedle, Tatum 1941). Решающая победа молекулярной генетики связана с расшифровкой генетического кода, которая была отмечена в 1968 году Нобелевской премией. По существу, молекулярная генетика, по сравнению с классической популяционной генетикой, представляет новую науку (Ратнер 2002). Генотипические изменения оказались во многом неслучайными. На начальных этапах эволюции первостепенное значение имел химический процесс самосборки генов (Спирин 2003), а в последующем — также процесс самоорганизации генов и их продуктов (Эйген 1973). Примечательно, что при посредстве обратной тран-скриптазы в широком масштабе происходит встраивание в геном рет-ровирусов. Поразительны открытия гомеозисных генов и гомеобоксов, играющих важную роль в формировании важнейших структур эмбриона, связанных с определением плана строения организма (Корочкин 1999). На генетическом уровне встречаются и случайные нестатистические процессы, сходные с рассматриваемыми в теории физического
* Татаринов Л.П. 2007. Молекулярная генетика и эпигенетика в механизмах морфогенеза IIЖурн. общ. биол. 68, 3: 165-169.
хаоса (Davies 1900). Подобные нестатистические случайные изменения встречаются и в геноме, и в эволюции (Кимура 1985).
В результате представления о генетических процессах, рассматривавшихся в синтетической теории эволюции в годы её расцвета в 19201950-х годах, так изменились, что теперь, по-моему, можно говорить о новом синтезе классического дарвинизма и молекулярной, а не попу-ляционной, генетики. Прежняя синтетическая теория эволюции по существу описывала только микроэволюционные процессы и уровень её компетенции исчерпывался уровнем видообразования. Молекулярная генетика рассматривает и макроэволюционные процессы (Корочкин 1999), хотя в этих вопросах остаётся бездна неясностей.
Дискуссия о факторах эволюции продолжается, а в последнее время даже обостряется. Предметом больших разногласий является вопрос о факторах морфогенеза в эмбриональном развитии. В истории науки идеи преформизма и эпигенеза развивались со времени Аристотеля почти одновременно (Gould 1977, 2002). Одним из первых и очень влиятельных эпигенетиков был сам Аристотель. В начале Нового времени в эмбриологии преобладал преформизм, исходивший из концепции последовательного новообразования структур взрослого организма, предварительно заложенных в яйцеклетке, но уже в XVII веке распространение получили идеи эпигенеза по Дигби (Бляхер 1962). В формировании ранних эпигенетических концепций большую роль сыграли исследования У.Гарвея, К.Вольфа и особенно К.Бэра (Бэр 1950; Kull 1998). Но становление молекулярной генетики привело одновременно к появлению как неопреформистского, так и неоэпигенетического взглядов на эмбриогенез. Неопреформисты считают, что все закодировано в генотипе, тогда как неоэпигенетики выдвигают на передний план взаимосвязи между частями организма, выступающими на всех стадиях его развития как единое целое.
Разногласия между неопреформистами и неоэпигенетиками затрагивают и общее отношение к природе биологической эволюции. Этот вопрос оказался даже более трудным и неоднозначным, чем думали ещё недавно. В эволюции жизни преформизм более характерен для начальных её этапов, представленных вирусами и бактериями. У этих «праорганизмов» в эволюции преобладают генные изменения, ведущие к синтезу новых метаболитов — ферментов, витаминов, гормонов. Для вирусов и частью также для прокариот неопреформистский подход более справедлив, чем неоэпигенетический.
У многоклеточных организмов в основном сохраняется обусловленный генами синтез метаболитов, но в онтогенез и в жизненный цикл в широком масштабе включаются морфогенетические процессы. Понимание морфогенеза невозможно без учёта важнейшей роли эпигенетических процессов. Их роль выявляется во многом благодаря достиже-
ниям экспериментальной эмбриологии. Разногласия между неопреформистами и эпигенетиками обострились потому, что на ранних этапах зарождения молекулярной генетики исследователи склонны были думать, что преобразованиями элементарных генов и связанных с ними ферментов можно объяснить все эволюционные процессы. В действительности же концепцию онтогенеза многоклеточных организмов следовало бы называть молекулярно-эпигенетической. Одноклеточные эвкариоты занимают промежуточное место между молекулярно-гене-тическими вирусами и бактериями и молекулярно-эпигенетическими многоклеточными.
Необычайные трудности переноса элементарных генных изменений на морфогенез обнаружились почти сразу. Это относится и к про-тистам, в отношении которых А.Н.Северцов (1939) говорил даже, что у них нет настоящего онтогенеза, а изменения в их жизненном цикле скорее могут быть уподоблены гистогенезу. Хотя А.Н.Северцов и делал некоторое исключение для колониальных жгутиковых, в целом его взгляд об отсутствии онтогенеза у протистов является сильно упрощённым. На ошибочность этой точки зрения указывали А.А.Захваткин (1949) и Волперт ^о1рег1 1989).
Понятно, что именно многоклеточные организмы особенно трудны для выявления механизмов морфогенеза. Имеется огромная брешь между типичными генотипическими мутациями, связанными с преобразованиями ферментов и отдельных метаболитов, включая гормоны, и морфологическими изменениями в ходе онтогенеза, понимание которых необходимо для познания основных макроэволюционных процессов. Даже в сравнительно простых морфогенетических механизмах действия гормонов, таких, как тироксин и половые гормоны, по сей день остаётся много неясного.
Много нового в изучение процессов морфогенеза на молекулярном уровне внесло изучение гомеобоксных генов, открытых в 1984 году. Эти гены характеризуются наличием 180-нуклеотидной последовательности, гомеодомен которой, предположительно, определяет ДНК-связы-вающую активность белка. Но тонкие механизмы действия генов го-меобокса остаются неясными. У позвоночных гены гомеобокса, унаследованные от похожих на ланцетника предков, были дуплицированы. Это, по-видимому, сыграло большую роль в появлении новых генов, участвующих в контроле определения плана развития позвоночных (Холланд, Гарсия-Фернандес 1996).
Показательны опыты с пересадкой гомолога дрозофильного гомео-боксного гена Рах-6 от мыши или кальмара к дрозофиле. Этот гомео-боксный ген у всех названных животных участвует в развитии глаз, хотя глаза приобретались этими животными независимо и они морфологически не гомологичны. При пересадке гена Рах-6 от мыши или
кальмара к дрозофиле у этого насекомого появляется дополнительный мозаичный глазок мушиного типа, функционирующий электрофизио-логически, но не связанный с мозгом и потому для дрозофилы бессмысленный (ОеЬгтд 1998).
Несмотря на эти открытия, большей ясности в вопросах о молеку-лярно-генетической теории морфогенеза так и не удалось достигнуть. Это уже давно привело к известному возрождению современных эпигенетических концепций морфогенеза, которые, в отличие от прежних взглядов Гарвея—Вольфа, можно называть неоэпигенезом. Возрождение современной эпигенетики связано с именами И.И.Шмальгаузена (1942) и К.Уоддингтона (1947). Неоэпигенетики рассматривают морфогенез как системный фактор, в котором взаимодействуют не изолированные отдельные гены, а системы эмбриона, функционирующие как единое целое. Во взглядах на теорию онтогенеза И.И.Шмальгаузен и К.Уоддингтон занимали более или менее сходные позиции, но я склонен особо выделить научное наследие И.И.Шмальгаузена, по праву считающегося одним из самых выдающихся эволюционистов своего времени. Отметим всё же, что концепция формообразования под управлением организма, действующего как единое целое, выдвигалась и раньше (Вег1а1ап£Еу 1928), хотя интимный механизм этой целостности остался непознанным.
Сторонники неоэпигенетических концепций склонны считать мо-лекулярно-генетическое толкование онтогенеза явно редукционистским, заводящим в тупик все попытки выяснения подлинных механизмов онтогенеза. Особенно примечательна в этом смысле блестяще написанная статья М.А.Шишкина (2006). Но у меня сложилось впечатление, что М.А.Шишкин уделяет внимание только морфогенезу многоклеточных. Морфогенез протистов, так же как и особенности наследования у первичных организмов — бактерий и «про-организмов» — вирусов, им не рассматриваются, так что говорить об эпигенезе как об универсальной теории эволюции на основании этой статьи не приходится.
Многие эпигенетики указывают на большую внутривидовую изменчивость ранних стадий морфогенеза и стабилизацию морфогене-тических процессов на поздних стадиях онтогенеза (Шмальгаузен 1942; Шишкин 2006). Как правило, такая стабилизация существует, хотя сомнительно, чтобы она не происходила и на начальных этапах морфогенеза - стадиях дробления яйцеклетки и гаструляции. Но у ряда организмов стабилизация поздних стадий нарушается развитием внутривидового полиморфизма, в гротескной форме характеризующего некоторых гидроидных полипов и сифонофор (Наумов и др. 1987), а также некоторых общественных насекомых, как, например, термитов (Шмальгаузен 1969).
Регуляционные факторы, делающие возможным такой повышенный внутривидовой полиморфизм, изучены только в самых общих чертах. Здесь в различных случаях могут действовать и половые гормоны, и сигналы, поступающие из окружающей среды. У дафний пусковым сигналом, резко изменяющим конфигурацию защитного шлема, служит, например, гормон кайромон, выделяемый в среду хищными рачками (БеЬа! 2006).
Углублённое изучение онтогенеза в XX веке привело исследователей к пониманию того, что при этом должна учитываться целостность организма на всех стадиях развития. Но конкретные механизмы работы организма как целого в онтогенезе обычно рассматриваются несколько умозрительно, а без этого призыв к целостности остаётся только красивым лозунгом. По мнению Р.Тома (1970), в любом физико-химическом пространстве могут существовать неустойчивые центры притяжения, которые могут получать поверхностное сходство с биологическими системами целостности.
Тут не может помочь возрождение Г.Дришем (1915) аристотелиево-го термина «энтелехия», обращение к которому, как указывает Берта-ланфи (Вег1а1ап£Еу 1928), означало бы не что иное, как признание банкротства биологии как объективной эмпирической науки. Более гибкая идея предложена А.Г.Гурвичем (1944) в его замечательной книге «Теория биологического поля». Целое, по Гурвичу, действует на уровне всего организма, но в ходе онтогенеза оно подразделяется на частные анизотропные клеточные поля, управляющие развитием отдельных органов. Природа этих полей А.Г.Гурвичем не раскрывается. Предположительно, А.Г.Гурвич считал, что эти поля связаны с высокомолекулярными субстанциями клеточных ядер. Протоплазма, по Гурвичу, понятие не морфологическое, а чисто физиологическое, она не разделена на вещество, энергию и информацию, а представляет собой их неразрывное единство. Заметим, что, по Гурвичу, ген, в отличие от протоплазмы, — это материальная частица, которую можно идентифицировать вне его действия. Понятие биологического поля вне его действия, по Гурвичу, бессмысленно.
В этих работах механизмы целостности организма в развитии остались не раскрытыми. В известном смысле на этом фоне предпочтительнее выглядит книга Дж.Леба (1924) «Организм как целое с физико-химической точки зрения», в которой, правда, лишь вскользь рассматриваются вопросы онтогенеза. С биохимической точки зрения более удачным, мне кажется, сформулированный Э.С.Бауэром (1935) принцип «устойчивого неравновесия», в котором при жизни находится протоплазма.
Мы думаем, что неоэпигенетическое видение эволюции нуждается в синтезе с молекулярно-генетическим, причём эпигенетические про-
цессы не носят первичный характер, а надстраиваются над молеку-лярно-генетическими, характеризуя больше многоклеточных животных и растения, а также грибы. В процессах биологической эволюции случайность постоянно сочетается с детерминизмом. Экспериментально уже известны многие примеры, когда в онтогенезе молекулярно-генетические и эпигенетические факторы сочетаются в развитии. В различных клеточных генерациях разные супрагенетические процессы сменяют друг друга, но этому сопутствует или предшествует различная закодированная последовательность экспрессии генов (Wolpert 1989; Wolffe, Matzke 1999; Sternberg 2000; Debat 2006). Подобные процессы разыгрываются также при дифференциации зародышевых стволовых клеток.
Известные факторы морфологической эволюции неоднократно анализировались многими авторами. В данной статье представлена попытка раскрыть последовательность действия основных факторов морфогенеза на различных его этапах. Вопросы экологической и биосферной эволюции здесь не рассматривались, представления автора об их значении для общей теории эволюции в кратчайшей форме даны в специальной статье (Татаринов 2005). Сейчас я бы выделил в особое направление также вопросы эволюции паразитизма и симбиоза. Симбиозу на прокариотном уровне отводится в последнее время даже ведущая роль в происхождении настоящих кариотных клеток (Маргелис 1983). Может быть, симбиоз вирусов и белков сыграл большую роль и в происхождении бактерий. Теория эволюции охватывает всё новые области знания и создание всеобъемлющей теории вряд ли возможно. Но в любом случае молекулярная биология и генетика не может не занять в теории эволюции важнейшее место.
Неполная удовлетворённость существующим положением вещей по разным причинам встречается повсеместно. И почти повсюду признаётся, что дальнейший прогресс теории эволюции невозможен без молекулярной генетики. Кэрролл (Carroll 2000, 2002) считает, что новый эволюционный синтез должен учитывать молекулярную генетику, молекулярную биологию развития, систематику, геологию и палеонтологию. Сходных взглядов придерживается и Гулд (Gould 2002), который отводит большое место концепции прерывистого равновесия. Имеются на Западе и убеждённые сторонники эпигенетики (Newman, Müller 2000; Saunders 1990; Salthe 1989; Wolffe, Matzke 1999). Из приверженцев неоэпигенетики в России назовём Э.И.Воробьёву (1991), Д.Л.Грод-ницкого (2001) и особенно М.А.Шишкина (2006). У наших неоэпигене-тиков справедливо большой популярностью пользуется замечательная книга И.И.Шмальгаузена (1942) «Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии», рассматриваемая как достаточное на первых порах объяснение причин морфогенеза. Но со времени опубли-
кования этой книги прошло более 60 лет и прогресс науки требует некоторых дополнений в эти идеи. В свете открытий в области молекулярной генетики требуют уточнений и в целом правильные эпигенетические воззрения на механизмы морфогенеза.
Мы разделяем позиции эпигенетиков о несводимости эволюции морфогенеза к элементарным изменениям генов, но считаем наиболее ответственными за морфогенез многоклеточных организмов скоррелиро-ванные генные системы, в которых участвуют и гомеобоксы. В процессе онтогенеза эти генные системы взаимодействуют с отдельными белками и могут видоизменяться. Но относительно простые биохимические реакции в организмах, как правило, зависят от отдельных генов. На этом зиждется большая часть прикладной генной инженерии.
За помощь в работе над рукописью статьи искренне благодарю Е.Н.Курочкина. Исследование поддержано грантом Президента РФ для ведущей научной школы НШ-6228.2006.4.
Литератур а
Бауэр Э.С. 1935. Теоретическая биология. М.; Л.: 1-206.
Бляхер Л.Я. 1962. Очерк истории морфологии животных. М.: 1-265.
Бэр К.М. 1950. История развития животных. Л., 1: 1-466.
Воробьёва Э.И. 1991. Эволюционный синтез и эволюционная морфология // Современная
эволюционная морфология. Киев: 244-251. Гродницкий Д.Л. 2001. Эпигенетическая теория эволюции как возможная основа нового
эволюционного синтеза // Журн. общ. биол. 62, 2: 99-108. Гурвич А.Г. 1944. Теория биологического поля. М.: 1-155. Дриш Г. 1915. Витализм, его история и система. М.: 1-272.
Захваткин А.А. 1949. Сравнительная эмбриология низших беспозвоночных. М.: 1-395. Кимура М. 1985. Молекулярная биология: теория нейтральности. М.: 1-396. Корочкин Л.И. 1999. Введение в генетику развития. М.: 1-253.
Леб Дж. 1924. Организм как целое с физико-химической точки зрения. М.; Л.: 1-204. Маргелис Л. 1983. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: 1-351.
Наумов Д.В., Пастернак К.К., Гинецинская Т.А. 1987. Тип Кишечнополостные (Coe-
lenterata) или Стрекающие (Cnidaria) // Жизнь животных. М., 1: 154-227. Ратнер В.А. 2002. Концепция генов в развитии // Генетика, молекулярная кибернетика. Новосибирск: 82-96.
Северцов А.Н. 1939. Морфологические закономерности эволюции. М.; Л.: 1-610. Спирин Ф.С. 2003. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи //
Вестн. РАН 73, 2: 117-127. Татаринов Л.П. 2005. Контуры современной теории биологической эволюции // Вестн. РАН 75, 1: 36-40.
Том Т. 1970. Динамическая теория морфогенеза // На путях к теоретической биологии. М.: 145-157.
Уоддингтон К.Х. 1947. Организаторы и гены. М.: 1-240.
Шишкин М.А. 2006. Индивидуальное развитие и уроки эволюционизма // Онтогенез 37, 3: 179-198.
Шмальгаузен И.М. 1942. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. М.; Л.: 1-211. Шмальгаузен И.М. 1969. Проблемы дарвинизма. Л.: 1-494.
Холланд П., Гарсия-Фернандес X. 1996. Гены Hox, эволюция развития и происхождение позвоночных // Онтогенез 27, 4: 273-279. Эйген М. 1973. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М.: 1-216.
Bedle G.W., Tatum E.L. 1941. Genetic control of biochemical processes in Neurospora //
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 27: 499-506. Bertalanffy L. 1928. Kritische Theorie der Formbildung. Berlin: 1-67. Carroll R.L. 2000. Toward a new evolutionary synthesis // TREE 15, 1: 27-32. Carroll R.L. 2002. Evolution of the capacity to evolve // J. Evol. Biol. 15: 911-921. Davies P. 1900. Chaos frees the Universe // New Sci. 6 Oct.: 48-51. Debat V. 2006. L'environnement sculpture genes // Recherche 398: 58-62. Gehring W.J. 1998. Master control genes in development and evolution. The homeobox story.
Yale Univ. Press: 1-134. Gould S.J. 1977. Ontogeny andphylogeny. Cambridge Univ. Press: 1-501. Gould S.J. 2002. Structure of evolutionary theory. Cambridge Univ. Press: 1-1433. Huxley J. (ed.) 1942. Evolution. The modern synthesis. London: 1-645.
Kull B. 1998. Baerian biology: evolution by means of organism's interpretation // Emergence,
Complexity, Hierarchy, Organisation. Acta Polytech. Scand.: 197-200. Newman S., Müller G. 2000. Epigenetic mechanism of character origination // J. Exp. Zool. 288: 304-317.
Salthe S.N. 1989. Evolving hierarchical system. Their structure and representation. Columbia Univ. Press: 1-343.
Saunders P.G. 1990. The epigenetic landscape and evolution // Biol. J. Linn. Soc. 39, 2: 125134.
Sternberg R., von. 2000. Genomes and form. The case for teleomorphic recursivity // Ann.
New York Acad. Sci. 901: 224-236. Wolffe A., Matzke M. 1999. Epigenetic // Science 286: 481-486. Wolpert L. 1989. The evolution of development // Biol. J. Linn. Soc. 39, 2: 109-134.
Ю ^
ISSN 0869-4362
Русский орнитологический журнал 2019, Том 28, Экспресс-выпуск 1755: 1633-1640
О гнездовании зарянки Erithacus rubecula в искусственных укрытиях
В.Б.Зимин
Второе издание. Первая публикация в 1988*
Сложность отыскания гнёзд некоторых видов птиц существенно препятствует получению достаточного материала для изучения их гнездовой биологии и основных вопросов популяционной экологии. Особенно трудно найти обычно хорошо укрытые гнёзда наземногнездя-щихся птиц, тем более тех из них, которые скрытны в период постройки гнезда, насиживания кладки и выкармливания птенцов.
* Зимин В.Б. 1988. О гнездовании зарянки (Erithacus rubecula L.) в искусственных укрытиях II Фауна и экология наземных позвоночных. Петрозаводск: 1988.
