В биологии гомология — это сходство , обусловленное общим происхождением между парой структур или генов в разных таксонах . Типичным примером гомологичных структур являются передние конечности позвоночных , где крылья летучих мышей и птиц , руки приматов , передние ласты китов и передние конечности четвероногих позвоночных, таких как собаки и крокодилы, произошли от одной и той же предковой структуры тетрапод . Эволюционная биология объясняет гомологичные структуры, адаптированные для разных целей, как результат происхождения с модификацией от общего предка . Термин был впервые применен к биологии в неэволюционном контексте анатомом Ричардом Оуэном в 1843 году. Гомология была позже объяснена теорией эволюции Чарльза Дарвина в 1859 году, но наблюдалась и до этого, начиная с Аристотеля , и была явно проанализирована Пьером Белоном в 1555 году.
В биологии развития органы, которые развиваются в эмбрионе одинаковым образом и из схожего происхождения, например, из соответствующих зачатков в последовательных сегментах одного и того же животного, являются серийно гомологичными . Примерами служат ноги многоножки , верхнечелюстные и губные щупики насекомого, а также остистые отростки последовательных позвонков в позвоночнике . Мужские и женские репродуктивные органы являются гомологичными, если они развиваются из одной и той же эмбриональной ткани, как это делают яичники и яички млекопитающих, включая людей. [ необходима цитата ]
Гомология последовательностей между последовательностями белков или ДНК аналогичным образом определяется в терминах общего происхождения. Два сегмента ДНК могут иметь общее происхождение либо из-за события видообразования ( ортологи ), либо из-за события дупликации ( паралоги ). Гомология между белками или ДНК выводится из сходства их последовательностей. Значительное сходство является убедительным доказательством того, что две последовательности связаны дивергентной эволюцией от общего предка. Выравнивания нескольких последовательностей используются для обнаружения гомологичных областей.
Гомология в поведении животных остается спорным вопросом , но есть данные, указывающие на то, что, например, иерархии доминирования гомологичны у всех приматов .
Гомология была замечена Аристотелем (ок. 350 г. до н. э.) [1] и была подробно проанализирована Пьером Белоном в его «Книге о птицах» 1555 года , где он систематически сравнивал скелеты птиц и людей. Модель сходства интерпретировалась как часть статической великой цепи бытия в средние века и ранний современный период: тогда она не рассматривалась как подразумевающая эволюционные изменения. В немецкой традиции натурфилософии гомология представляла особый интерес как демонстрация единства в природе. [2] [3] В 1790 году Гете изложил свою теорию листвы в своем эссе «Метаморфозы растений», показав, что части цветка происходят от листьев. [4] Серийная гомология конечностей была описана в конце 18 века. Французский зоолог Этьен Жоффруа Сент-Илер в 1818 году в своей теории аналогий («теории гомологов») показал , что структуры являются общими для рыб, рептилий, птиц и млекопитающих. [5] Когда Жоффруа пошел дальше и стал искать гомологии между ответвлениями Жоржа Кювье , такими как позвоночные и моллюски, его утверждения спровоцировали дебаты Кювье-Жоффруа 1830 года . Жоффруа сформулировал принцип связей, а именно, что важно относительное положение различных структур и их связи друг с другом. [3] Эмбриолог Карл Эрнст фон Бэр сформулировал то, что сейчас называется законами фон Бэра, в 1828 году, отметив, что родственные животные начинают свое развитие как похожие эмбрионы, а затем расходятся: таким образом, животные в одном семействе более тесно связаны и расходятся позже, чем животные, которые находятся только в одном порядке и имеют меньше гомологий. Теория фон Бэра признает, что каждый таксон (например, семейство) имеет отличительные общие черты, и что эмбриональное развитие соответствует таксономической иерархии: это не то же самое, что теория рекапитуляции . [3] Термин «гомология» был впервые использован в биологии анатомом Ричардом Оуэном в 1843 году при изучении сходства плавников и конечностей позвоночных, который определил его как «один и тот же орган у разных животных при любом разнообразии формы и функции», [6] и противопоставляя его соответствующему термину «аналогия», который он использовал для описания различных структур с той же функцией. Оуэн кодифицировал 3 основных критерия для определения того, являются ли признаки гомологичными: положение, развитие и состав. В 1859 году Чарльз Дарвин объяснил гомологичность структур как то, что рассматриваемые организмы разделяют план тела от общего предка, и что таксоны являются ветвями одного древа жизни . [2] [7] [3]
Слово «гомология», появившееся около 1656 года, происходит от греческого ὁμόλογος homologos , от ὁμός homos «тот же самый» и λόγος logos «отношение». [8] [9] [a]
Похожие биологические структуры или последовательности в разных таксонах гомологичны, если они произошли от общего предка . Таким образом, гомология подразумевает дивергентную эволюцию . Например, многие насекомые (такие как стрекозы ) обладают двумя парами летательных крыльев . У жуков первая пара крыльев превратилась в пару жестких надкрыльев , [12] тогда как у двукрылых мух вторая пара крыльев превратилась в небольшие жужжальца, используемые для равновесия. [b] [13]
Аналогичным образом передние конечности предковых позвоночных превратились в передние ласты китов , крылья птиц , беговые передние конечности собак , оленей и лошадей , короткие передние конечности лягушек и ящериц и хватательные руки приматов , включая людей. Те же основные кости предплечья ( плечевая , лучевая и локтевая [ c] ) обнаружены в окаменелостях лопастеперых рыб , таких как Eusthenopteron . [14]
Противоположностью гомологичным органам являются аналогичные органы, которые выполняют схожие функции в двух таксонах, которые не присутствовали у их самого последнего общего предка , а скорее эволюционировали отдельно . Например, крылья насекомых и птиц эволюционировали независимо в широко разнесенных группах и функционально конвергировали для поддержки мощного полета , поэтому они аналогичны. Аналогично, крылья семени клена платана и крылья птицы аналогичны, но не гомологичны, поскольку они развиваются из совершенно разных структур. [15] [16] Структура может быть гомологичной на одном уровне, но только аналогичной на другом. Крылья птерозавров , птиц и летучих мышей аналогичны как крылья, но гомологичны как передние конечности, потому что орган служил предплечьем (а не крылом) у последнего общего предка четвероногих и эволюционировал по-разному в трех группах. Таким образом, у птерозавров «крыло» включает как переднюю, так и заднюю конечность. [17] Аналогия называется гомоплазией в кладистике и конвергентной или параллельной эволюцией в эволюционной биологии. [18] [19]
В таксономических исследованиях используются специальные термины. Первичная гомология — это первоначальная гипотеза исследователя, основанная на схожей структуре или анатомических связях, предполагающая, что состояние признака в двух или более таксонах является общим из-за общего происхождения. Первичную гомологию можно концептуально разбить дальше: мы можем рассматривать все состояния одного и того же признака как «гомологичные» части одной, неопределенной серии трансформаций. Это называется топографическим соответствием. Например, в выровненной матрице последовательности ДНК все A, G, C, T или подразумеваемые пробелы в данном сайте нуклеотида гомологичны таким образом. Идентичность состояния признака — это гипотеза о том, что конкретное состояние в двух или более таксонах «одинаковое» с точки зрения нашей схемы кодирования признаков. Таким образом, два аденина в одном и том же выровненном сайте нуклеотида гипотетически гомологичны, если только эта гипотеза впоследствии не будет опровергнута другими доказательствами. Вторичная гомология подразумевается анализом экономии , где состояние признака, которое возникает только один раз на дереве, считается гомологичным. [20] [21] Как подразумевается в этом определении, многие кладисты считают вторичную гомологию синонимом синапоморфии , общего производного признака или состояния признака , которое отличает кладу от других организмов. [22] [23] [24]
Общие состояния предковых признаков, симплезиоморфии, представляют собой либо синапоморфии более инклюзивной группы, либо дополнительные состояния (часто отсутствие), которые не объединяют никакую естественную группу организмов. Например, наличие крыльев является синапоморфией для крыловидных насекомых, но симплезиоморфией для голометаболических насекомых. Отсутствие крыльев у некрыловидных насекомых и других организмов является дополнительной симплезиоморфией, которая не объединяет никакую группу (например, отсутствие крыльев не дает никаких доказательств общего происхождения чешуйниц, пауков и кольчатых червей). С другой стороны, отсутствие (или вторичная потеря) крыльев является синапоморфией для блох. Подобные закономерности заставляют многих кладистов считать концепции гомологии и синапоморфии эквивалентными. [25] [24] Некоторые кладисты следуют докладистическому определению гомологии Хааса и Симпсона [26] и рассматривают как синапоморфии, так и симплезиоморфии как гомологичные состояния признаков. [27]
Гомологии обеспечивают фундаментальную основу для всех биологических классификаций, хотя некоторые из них могут быть крайне контринтуитивными. Например, глубокие гомологии , такие как гены pax6 , которые контролируют развитие глаз позвоночных и членистоногих, были неожиданными, поскольку органы анатомически различны и, по-видимому, развивались совершенно независимо. [28] [29]
Сегменты эмбрионального тела ( сомиты ) различных таксонов членистоногих разошлись от простого плана тела со множеством похожих придатков, которые являются серийно гомологичными, к разнообразным планам тела с меньшим количеством сегментов, оснащенных специализированными придатками. [30] Гомологии между ними были обнаружены путем сравнения генов в эволюционной биологии развития . [28]
Среди насекомых жало самки медоносной пчелы представляет собой модифицированный яйцеклад , гомологичный яйцекладам других насекомых, таких как прямокрылые , полужесткокрылые и перепончатокрылые , не имеющие жала. [31]
Три маленькие косточки в среднем ухе млекопитающих, включая людей, молоточек , наковальня и стремечко , сегодня используются для передачи звука от барабанной перепонки к внутреннему уху . Молоточек и наковальня развиваются у эмбриона из структур, которые формируют челюстные кости (квадратную и суставную) у ящериц и у ископаемых ящероподобных предков млекопитающих. Обе линии доказательств показывают, что эти кости гомологичны и имеют общего предка. [32]
Среди многих гомологий в репродуктивных системах млекопитающих яичники и яички являются гомологичными. [33]
Рудиментарные органы, такие как человеческий копчик , в настоящее время значительно уменьшенные по сравнению с их функциональным состоянием, легко воспринимаются как признаки эволюции , объяснение заключается в том, что они были вырезаны естественным отбором из функционирующих органов, когда их функции больше не были нужны, но не имеют никакого смысла, если виды считаются фиксированными. Копчик гомологичен хвостам других приматов. [34]
Во многих растениях защитные или запасающие структуры создаются путем модификации развития первичных листьев , стеблей и корней . Листья по-разному модифицируются из фотосинтетических структур, образуя кувшины для ловли насекомых у растений-кувшинчиков , челюсти для ловли насекомых у венериной мухоловки и колючки у кактусов , все они гомологичны. [35]
Некоторые сложные листья цветковых растений частично гомологичны как листьям, так и побегам, поскольку их развитие развилось из генетической мозаики развития листьев и побегов. [36] [37]
Четыре типа частей цветка, а именно плодолистики , тычинки , лепестки и чашелистики , гомологичны листьям и происходят от них, как правильно заметил Гете в 1790 году. Развитие этих частей посредством паттерна экспрессии генов в зонах роста ( меристемах ) описывается моделью развития цветка ABC . Каждый из четырех типов частей цветка последовательно повторяется в концентрических завитках, контролируемых небольшим числом генов, действующих в различных комбинациях. Таким образом, гены A, работающие по отдельности, приводят к образованию чашелистиков; A и B вместе производят лепестки; B и C вместе создают тычинки; C один производит плодолистики. Когда ни один из генов не активен, образуются листья. Еще две группы генов, D для образования семяпочек и E для цветочных завитков, завершают модель. Гены, очевидно, древние, такие же старые, как и сами цветковые растения . [4]
Биология развития может идентифицировать гомологичные структуры, которые возникли из одной и той же ткани в эмбриогенезе . Например, у взрослых змей нет ног, но у их ранних эмбрионов есть зачатки конечностей для задних ног, которые вскоре теряются по мере развития эмбрионов. Предположение о том, что у предков змей были задние ноги, подтверждается ископаемыми свидетельствами: у меловой змеи Pachyrhachis problematicus были задние ноги в комплекте с тазовыми костями (подвздошная кость , лобковая кость , седалищная кость ), бедренной костью ( бедренная кость ), костями ног ( большеберцовая кость , малая берцовая кость ) и костями стопы ( пяточная кость , астрагал ), как у четвероногих с ногами сегодня. [38]
Как и в случае с анатомическими структурами, гомология последовательностей между последовательностями белков или ДНК определяется в терминах общего происхождения. Два сегмента ДНК могут иметь общее происхождение либо из-за события видообразования ( ортологи ), либо из -за события дупликации ( паралоги ). Гомология между белками или ДНК обычно выводится из сходства их последовательностей. Значительное сходство является убедительным доказательством того, что две последовательности связаны дивергентной эволюцией общего предка. Выравнивания нескольких последовательностей используются для указания того, какие области каждой последовательности являются гомологичными. [40]
Гомологичные последовательности являются ортологичными, если они произошли от одной и той же предковой последовательности, разделенной событием видообразования : когда вид разделяется на два отдельных вида, копии одного гена в двух полученных видах считаются ортологичными . Термин «ортолог» был придуман в 1970 году молекулярным эволюционистом Уолтером Фитчем . [41]
Гомологичные последовательности являются паралогичными, если они были созданы в результате дупликации внутри генома. Для событий дупликации генов , если ген в организме дуплицируется, две копии являются паралогичными. Они могут формировать структуру целых геномов и, таким образом, в значительной степени объяснять эволюцию генома. Примерами являются гены гомеобокса ( Hox ) у животных. Эти гены не только подвергались дупликациям генов внутри хромосом , но и дупликациям всего генома . В результате гены Hox у большинства позвоночных распределены по нескольким хромосомам: кластеры HoxA–D изучены лучше всего. [42]
Некоторые последовательности гомологичны, но они разошлись настолько, что их сходство последовательностей недостаточно для установления гомологии. Однако многие белки сохранили очень похожие структуры, и структурное выравнивание может быть использовано для демонстрации их гомологии. [43]
Было высказано предположение, что некоторые формы поведения могут быть гомологичными, основанными либо на общем характере для родственных таксонов, либо на общем происхождении поведения в развитии особи; однако понятие гомологичного поведения остается спорным, [44] в основном потому, что поведение более склонно к множественной реализуемости, чем другие биологические черты. Например, DW Rajecki и Randall C. Flanery, используя данные по людям и нечеловекообразным приматам , утверждают, что модели поведения в иерархиях доминирования гомологичны у всех приматов. [45]
Как и в случае с морфологическими признаками или ДНК, общее сходство в поведении свидетельствует об общем происхождении. [46] Гипотеза о том, что поведенческий признак не является гомологичным, должна основываться на неконгруэнтном распределении этого признака по отношению к другим признакам, которые, как предполагается, отражают истинную картину взаимоотношений. Это применение вспомогательного принципа Вилли Хеннига [47] .
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )надкрылья имеют очень мало сходства с типичными крыльями, но явно гомологичны передним крыльям. Следовательно, бабочки, мухи и жуки имеют две пары спинных придатков, которые гомологичны среди видов.
Например, крыло и жужжальца являются гомологичными, но при этом сильно расходящимися органами, которые обычно возникают как дорсальные придатки второго грудного (Т2) и третьего грудного (Т3) сегментов соответственно.
Наконец, множество недавних данных о поведении детей и нечеловекообразных приматов в группах, сочетание точных данных о людях и точных данных о нечеловекообразных приматах, подтверждают достоверность нашего сравнения. Наш вывод заключается в том, что, основываясь на их согласии по нескольким необычным характеристикам, модели доминирования гомологичны у приматов. Это согласие необычных характеристик обнаруживается на нескольких уровнях, включая мелкую моторику, крупную моторику и поведение на уровне группы.
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка )