Канализация — это мера способности популяции производить один и тот же фенотип независимо от изменчивости ее окружающей среды или генотипа . Это форма эволюционной устойчивости . Термин был придуман в 1942 году CH Waddington, чтобы охватить тот факт, что «реакции развития, происходящие в организмах, подвергающихся естественному отбору ... регулируются таким образом, чтобы приводить к одному определенному конечному результату независимо от незначительных изменений условий в ходе реакции». [1] Он использовал это слово вместо устойчивости, чтобы считать, что биологические системы не являются такими же надежными, как, например, инженерные системы.
Биологическая устойчивость или канализация возникает, когда пути развития формируются эволюцией . Уоддингтон ввел концепцию эпигенетического ландшафта , в котором состояние организма катится «под гору» в ходе развития. В этой метафоре канализированный признак иллюстрируется как долина (которую он назвал креодом ) , окруженная высокими хребтами, надежно направляющими фенотип к его «судьбе». Уоддингтон утверждал, что каналы образуются в эпигенетическом ландшафте в ходе эволюции, и что эта эвристика полезна для понимания уникальных качеств биологической устойчивости. [2]
Уоддингтон использовал концепцию канализации для объяснения своих экспериментов по генетической ассимиляции . [3] В этих экспериментах он подвергал куколок Drosophila тепловому шоку. Это нарушение окружающей среды привело к тому, что у некоторых мух развился фенотип без поперечной жилки . Затем он провел селекцию на отсутствие поперечной жилки. В конце концов, фенотип без поперечной жилки появился даже без теплового шока. Благодаря этому процессу генетической ассимиляции фенотип, индуцированный окружающей средой, стал унаследованным. Уоддингтон объяснил это как образование нового канала в эпигенетическом ландшафте.
Однако возможно объяснить генетическую ассимиляцию, используя только количественную генетику и пороговую модель, без ссылки на концепцию канализации. [4] [5] [6] [7] Однако теоретические модели, которые включают сложную карту генотипа-фенотипа, обнаружили доказательства эволюции фенотипической устойчивости [8], способствующей генетической ассимиляции, [9] даже когда отбор осуществляется только для стабильности развития, а не для конкретного фенотипа, и поэтому количественные генетические модели неприменимы. Эти исследования показывают, что эвристика канализации все еще может быть полезна, помимо более простой концепции устойчивости.
Ни канализация, ни устойчивость не являются простыми величинами для количественной оценки: всегда необходимо указывать, какой признак канализирован (устойчив) к каким возмущениям. Например, возмущения могут исходить либо от окружающей среды, либо от мутаций . Было высказано предположение, что различные возмущения оказывают конгруэнтное воздействие на развитие, происходящее на эпигенетическом ландшафте. [10] [11] [12] [13] [14] Однако это может зависеть от молекулярного механизма, ответственного за устойчивость, и быть разным в разных случаях. [15]
Метафора канализации предполагает, что некоторые фенотипические признаки очень устойчивы к небольшим возмущениям, при которых развитие не выходит за пределы канала и быстро возвращается вниз, мало влияя на конечный результат развития. Но возмущения, величина которых превышает определенный порог, вырвутся из канала, перемещая процесс развития на неизведанную территорию. Например, изучение аллельного ряда для Fgf8 , важного гена для краниофациального развития, с уменьшающимися уровнями экспрессии гена показало, что фенотип остается канализированным до тех пор, пока уровень экспрессии превышает 40% от экспрессии дикого типа. [16]
Сильная устойчивость до предела, с небольшой устойчивостью за его пределами, является моделью, которая может увеличить эволюционируемость в флуктуирующей среде. [17] Канализация большого набора генотипов в ограниченное фенотипическое пространство была предложена как механизм для накопления, нейтральным образом, мутаций, которые в противном случае могли бы быть вредными. [18] Генетическая канализация может обеспечить эволюционную емкость , где генетическое разнообразие накапливается в популяции с течением времени, защищенное от естественного отбора , поскольку оно обычно не влияет на фенотипы. Это скрытое разнообразие затем может быть высвобождено экстремальными изменениями в среде или молекулярными переключателями, высвобождая ранее скрытые генетические вариации, которые затем могут способствовать быстрому всплеску эволюции, [18] явление, называемое деканализацией. Циклы канализации-деканализации могли бы объяснить чередующиеся периоды стазиса, когда генотипическое разнообразие накапливается без морфологических изменений, за которыми следуют быстрые морфологические изменения, когда деканализация высвобождает фенотипическое разнообразие и становится объектом естественного отбора в палеонтологической летописи , тем самым предоставляя потенциальное объяснение прерывистого равновесия с точки зрения развития . [17]
В 1998 году Сьюзан Линдквист обнаружила, что гетерозиготные мутанты Drosophila hsp83 демонстрируют большое разнообразие фенотипов (от половых гребней на голове до фенотипов скутовидных и выемчатых крыльев). Она показала, что эти фенотипы могут передаваться следующему поколению, что предполагает генетическую основу для этих фенотипов. [19] Авторы выдвинули гипотезу, что Hsp90 (ген, мутировавший в hsp83 ), как белок- шаперон , играет ключевую роль в сворачивании и активации многих белков, участвующих в сигнальных путях развития, тем самым защищая от генетической изменчивости в этих путях. [20] Мутанты hsp83 , таким образом, высвобождают скрытую генетическую изменчивость, что приводит к разнообразию фенотипов.
В 2002 году Линдквист показал, что фармакологическое ингибирование HSP90 в Arabidopsis thaliana также приводит к широкому спектру фенотипов, некоторые из которых можно считать адаптивными, что еще раз подтверждает канализирующую роль HSP90 . [21]
Наконец, тот же тип эксперимента на пещерной рыбе Astyanax mexicanus дал схожие результаты. Этот вид охватывает две популяции: популяцию с глазами, живущую под поверхностью воды, и слепую популяцию без глаз, живущую в пещерах. Пещерная популяция не только безглаза, но и демонстрирует значительно уменьшенный размер орбиты . Ингибирование HSP90 приводит к увеличению вариации размера орбиты, что может объяснить, как эта черта могла развиться всего за несколько поколений. Дальнейший анализ показал, что низкая проводимость в пещерной воде вызывает реакцию на стресс, имитирующую ингибирование HSP90 , обеспечивая механизм деканализации. [22]
Стоит отметить, что интерпретация оригинальной статьи о Drosophila [19] в настоящее время является предметом споров. Молекулярный анализ мутанта hsp83 показал, что HSP90 необходим для биогенеза piRNA , набора малых РНК, подавляющих транспозоны в зародышевой линии, [23] вызывая массивный транспозонный [24] инсерционный мутагенез , который может объяснить фенотипическую диверсификацию. [25]
Понимание изменчивости является важным аспектом понимания естественного отбора и мутаций. Изменчивость можно разделить на две категории: модуляция фенотипической изменчивости и модуляция производимых фенотипов. [26] Наличие этого так называемого смещения в генетической изменчивости позволяет нам получить дальнейшее представление о том, как определенные фенотипы более успешны с точки зрения их фактической морфологии, биохимического состава или поведения. [27] Научно известно, что организмам необходимо разрабатывать систематически интегрированные системы, чтобы процветать в своих конкретных экосистемах. Это распространяется на морфологию, где вариации должны происходить в систематическом порядке; в противном случае фенотипические мутации не будут сохраняться из-за возникновения естественного отбора. Изменчивость влияет на скорость и темп эволюционных изменений посредством отбора и модуляции фенотипических вариаций. [28] В конечном итоге это приводит к меньшему количеству разнообразия, наблюдаемого на протяжении эволюции, поскольку большинство фенотипов не сохраняются дольше нескольких поколений из-за их худшей морфологии, биохимического состава или физического движения или внешнего вида.