Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://herba.msu.ru/russian/biostantion/tezis/83.html
Дата изменения: Mon Nov 2 16:34:52 2015
Дата индексирования: Sun Apr 10 07:31:24 2016
Кодировка: koi8-r
Untitled Document

Что дает анализ морфологической изменчивости нормального развития для понимания его механизмов

В.Г.Черданцев, В.А.Скобеева

Кафедра теории эволюции биологического ф-та МГУ

Современная биология развития предпочитает иметь дело с лабораторными культурами модельных объектов, таких, например, как Xenopus laevis и zebra-fish, что крайне затрудняет изучение нормальной изменчивости развития. В любой лабораторной культуре гибель зародышей намного выше, чем в природных кладках икры, развивающихся в оптимальных условиях, поэтому мы не можем с уверенностью утверждать, что тот или иной морфологический вариант входит в состав нормальной изменчивости, а не является аномалией. Между тем, изучение нормальной изменчивости морфогенеза представляет удобный и дешевый метод изучения его эволюционно исходных механизмов (Cherdantsev, Scobeyeva, 1994; Скобеева, Черданцев, 1999; Cherdantsev et. al., 2000).

Работу с икрой нескольких видов бесхвостых амфибий, собранной в местах нереста, проводили на Звенигородской биостанции МГУ. Зародыши каждой кладки являются полными сибсами, оплодотворение происходит синхронно, а размер кладки - порядка нескольких тысяч яиц. В природе эмбриональная гибель может достигать 60% (например, у травяной лягушки), но она происходит оттого, что икра образует густые скопления, в которых зародыши гибнут прежде всего от недостатка кислорода. Если же, разрыхлив галлерты, расположить икру каждой кладки в один слой и дать ему развиваться при постоянной (близкой к оптимальной) температуре, то у травяной лягушки эмбриональная гибель вообще отсутствует, а у остромордой и прудовой лягушек составляет не более 5%.

Первое, что выявлено при анализе морфологической изменчивости гаструляции всех исследованных видов амфибий (травяной лягушки, прудовой лягушки и чесночницы) - огромная величина коэффициентов вариации признаков у зародышей, генетически однородных (из одной и той же кладки икры), развивающихся в совершенно одинаковых условиях и, главное, развивающихся нормально в смысле конечного результата эмбрионального развития. Она может быть больше 50 %, то есть почти на порядок превышает обычные масштабы изменчивости количественных признаков на дефинитивных стадиях развития фенотипа (ср. Falconer, 1981).

Получается, что при нормальном ходе развития морфология гаструлы испытывает флюктуации, по величине вполне соизмеримые с экспериментальным воздействием (например, обычными эмбриологическими микрооперациями), допускающим регуляцию морфогенеза. Тогда изучение изменчивости в каком-то смысле является более удобным способом изучения его механизмов, чем экспериментальное вмешательство, потому что при этом не может быть ошибки эксперимента - из-за отсутствия последнего. Более того, такая величина коэффициентов вариации неизбежно приводит к принципиально иному пониманию природы изменчивости. Если, при всех возможных оговорках и уточнениях, изменчивость понимают как следствие отклонений развития от нормы (не в биологическом, а в типологическом смысле), то морфогенетическая изменчивость - скорее средство ее формирования.

Изучать морфогенетическую компоненту нормальной изменчивости можно двумя способами: наблюдая индивидуальные траекторий развития, или же сравнивая зародышей, находящихся на одной и той же стадии развития, а поскольку морфологические критерии стадий развития условны, речь может идти только о сравнении зародышей в один и тот же момент времени, считая с момента оплодотворения. Для морфогенетической изменчивости оба способа должны приводить к сходным результатам. Дело в том, что если при переходе с одной стадии развития на другую разрушается исходная структура морфогенетических взаимодействий, то зародыш не может помнить о том, по какой траектории он развивался на предыдущей стадии. Индивидуальные траектории могут существовать лишь на отдельных и наименее интересных (наиболее изученных) отрезках развития, на которых структура морфогенетических взаимодействий остается неизменной. В техническом же смысле второй способ удобнее, поскольку позволяет работать с фиксированным материалом, количество которого ограничено только размером кладки и терпением исследователя.

Изменчивость морфогенеза плана строения зародыша - независимо от ее источников - естественнее всего изучать на гаструляционных стадиях развития, потому что на более ранних стадиях морфология слишком бедна, а на более поздних нужно уже изучать изменчивость морфогенеза отдельных эмбриональных закладок. Метод ее изучения достаточно прост. Нужно иметь достаточно много близкородственных зародышей (для того чтобы уменьшить вклад генетической компоненты изменчивости), которые должны развиваться в оптимальных и равных условиях (для того чтобы уменьшить вклад средовой компоненты). При этом желательно, а иногда и необходимо иметь дело с природными популяциями, в которых при оптимальных условиях эмбриональная гибель практически отсутствует, - для того чтобы быть уверенным в том, что наблюдаемая изменчивость нейтральна в отношении приспособленности.

Правила, которым нужно следовать при выборе количественных морфологических признаков, подлежащих измерению, также очевидны, - признаков должно быть как можно больше, но при этом должно быть известно направление, в котором они изменяются при нормальном ходе развития. Иными словами, количественные признаки, которые мы измеряем, должны характеризовать нормальную динамику морфогенеза. Часть признаков (например, признаки, характеризующие форму дорсального края бластопора) может быть измерена у целых зародышей, часть (например, длина крыши архентерона, толщина дорсальной губы, длина всей краевой зоны гаструлы от угла бластоцеля до дорсального края бластопора) - на грубых анатомических срезах. Кстати, при мягкой фиксации (лучше всего - в 8% формалине, разведенном на изотоническом солевом растворе) качество анатомических срезов позволяет разглядеть не только грубые морфологические особенности, но и отдельные клетки, а общая форма искажается гораздо меньше, чем при гистологической обработке.

Основной и универсальной закономерностью морфологической изменчивости гаструляции является наличие отрицательной связи между абсолютной величиной средних значений количественных признаков и величиной их коэффициентов вариации, и положительной - между величиной коэффициентов вариации и удельной скоростью изменения средних значений. Справедливо это только для признаков, средние значения которых при нормальном ходе развития возрастают. Следовательно, признаки с минимальными средними значениями характеризуют новые морфологические структуры, появившиеся в онтогенезе относительно недавно.

У амфибий в самом начале гаструляции инициируется гастральное впячивание и очерчивается край бластопора, но собственно дорсальной губы еще нет. Она появляется - в том смысле, что уже можно измерить ее собственные признаки - на стадии серповидного бластопора, то есть является новой структурой по сравнению, например, с краевой зоной гаструлы, которая оформляется еще до начала гаструляции.

У травяной лягушки на стадии серповидного бластопора изменчивость и удельная скорость изменения (при переходе на стадию полукруглого бластопора) формы дорсальной губы в 3-4 раза выше, чем изменчивость и скорость изменения формы краевой зоны (Cherdantsev, Scobeyeva, 1993). То же самое наблюдается и у чесночницы (Скобеева, Черданцев, 1999), у которой совсем иной тип гаструляции. Получается удивительная и отнюдь не внешняя аналогия между онтогенезом и эволюцией. Еще Дарвин отмечал, что эволюционно новые структуры, которые изменяются быстрее других, наиболее изменчивы, и объяснял это незавершенностью их отбора. Такое же объяснение дает и современная теория эволюции.