Кіріспе
Каналдық жүйе – популяцияның қоршаған ортаның немесе генотиптің өзгеруіне қарамастан, бірдей фенотипті шығару қабілетінің өлшемі. Бұл эволюциялық тұрақтылықтың бір түрі. Бұл терминді 1942 жылы К.Х. Уоддингтон «табиғи таңдауға ұшыраған организмдердегі даму реакциялары, реакция барысында жағдайдың шағын өзгерістеріне қарамастан, бір нақты нәтижеге жеткізу үшін реттеледі» деген фактіні түсіндіру үшін енгізген. Ол беріктік емес, осы сөзді қолдану арқылы биологиялық жүйелердің, мысалы, жасалған жүйелер сияқты толыққанды берік болмайтынын атап өткен. Биологиялық тұрақтылық немесе каналдық жүйе даму жолдары эволюция арқылы қалыптасқанда пайда болады. Уоддингтон эпигенетикалық ландшафт тұжырымын ұсынды, онда организмнің күйі даму кезінде «төменге қарай» иіліп өтеді. Бұл метафорада каналданған белгі бір ойыс түрінде бейнеленеді (ол оны креод деп атады), ол биік қыраттармен қоршалған, фенотипті қауіпсіз түрде оның «тағдырына» бағыттайды. Уоддингтон эволюция кезінде эпигенетикалық ландшафтта каналдар пайда болады деп мәлімдеді және бұл эвристика биологиялық тұрақтылықтың ерекше ерекшеліктерін түсінуге көмектеседі.
Canalisation is a measure of the ability of a population to produce the same phenotype regardless of variability of its environment or genotype. It is a form of evolutionary robustness. The term was coined in 1942 by C. H. Waddington to capture the fact that "developmental reactions, as they occur in organisms submitted to natural selection are adjusted so as to bring about one definite end result regardless of minor variations in conditions during the course of the reaction". He used this word rather than robustness to consider that biological systems are not robust in quite the same way as, for example, engineered systems. Biological robustness or canalisation comes about when developmental pathways are shaped by evolution. Waddington introduced the concept of the epigenetic landscape, in which the state of an organism rolls "downhill" during development. In this metaphor, a canalised trait is illustrated as a valley (which he called a creode) enclosed by high ridges, safely guiding the phenotype to its "fate". Waddington claimed that canals form in the epigenetic landscape during evolution, and that this heuristic is useful for understanding the unique qualities of biological robustness.
Генетикалық ассимиляция
Уоддингтон генетикалық ассимиляция бойынша өз тәжірибелерін түсіндіру үшін канализация тұжырымдамасын қолданды. Осы тәжірибелерде ол Drosophila қуыршақтарын жылулық соққыға ұшыратты. Бұл орталық фактордың бұзылуы кейбір шыбындарда көлденең тамырсыз фенотиптің дамуына себеп болды. Одан кейін ол көлденең тамырсызды таңдап алды. Ақырында, көлденең тамырсыз фенотип тіпті жылулық соққысыз да пайда болды. Осы генетикалық ассимиляция процесі арқылы ортадан туындаған фенотип мұраға көшті. Уоддингтон мұны эпигенетикалық ландшафтта жаңа каналдың қалыптасуы деп түсіндірді. Дегенмен, генетикалық ассимиляцияны канализация тұжырымдамасына сілтеме жасамай, тек сандық генетика және шектік модель арқылы түсіндіруге болады. Бірақ күрделі генотип-фенотип картасын қамтитын теориялық модельдер, тіпті таңдау белгілі бір фенотип емес, даму тұрақтылығы үшін ғана жасалған жағдайда да, генетикалық ассимиляцияға үлес қосатын фенотиптік тұрақтылықтың эволюциясы туралы деректер тапты, сондықтан сандық генетика модельдері қолданылмайды. Бұл зерттеулер канализация эвристикасының қарапайым тұрақтылық тұжырымдамасынан асып, әлі де пайдалы болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Конгруэнстік гипотеза
Канализация да, беріктік те сандық тұрғыда қарапайым шамалар емес: қай белгінің қандай өзгерістерге (бұзылуларға) төзімді екенін анықтау қажет. Мысалы, өзгерістер сыртқы ортадан немесе мутациялардан туындауы мүмкін. Эпигенетикалық кеңістікте жүзеге асырылатын дамуға әртүрлі өзгерістердің үйлесімді әсер ететіні ұсынылған. Алайда, бұл беріктікке жауапты молекулалық механизмге байланысты болуы мүмкін, және әртүрлі жағдайларда әртүрлі болуы мүмкін.
Эволюциялық сыйымдылық
Канализация метафорасы кейбір фенотиптік белгілердің шағын бұзылыстарға өте төзімді екенін көрсетеді, онда даму каналдан шықпайды және дамудың соңғы нәтижесіне аз әсер ете отырып, жылдам қалпына келеді. Бірақ белгілі бір шектен асып түсетін бұзылыстар каналдан шығып, даму процесін зерттелмеген аймаққа жібереді. Мысалы, Fgf8-дің аллельдік қатарын зерттеу, бұл ген краниофациалды даму үшін маңызды, ген экспрессиясының төмендеуі көрсетті, экспрессия деңгейі жабайы типті экспрессияның 40%-дан жоғары болғанда фенотип каналдандырылып қалады. Белгілі бір шекке дейін жоғары төзімділік, ал одан кейін төзімділіктің төмендеуі – бұл өзгермелі ортада эволюциялық қабілеттілікті арттыратын үлгі. Генотиптердің үлкен жиынтығын шектеулі фенотиптік кеңістікке бағыттау, әйтпесе зиянды болуы мүмкін мутациялардың бейтарап түрде жинақталуының механизмі ретінде ұсынылды. Генетикалық каналдану эволюциялық сыйымдылыққа мүмкіндік береді, онда генетикалық әртүрлілік уақыт өте келе популяцияда жинақталады, оны табиғи іріктеуден қорғайды, өйткені ол әдетте фенотиптерге әсер етпейді. Осы жасырын әртүрлілік қоршаған ортаның күрт өзгеруімен немесе молекулалық ауыстырғыштармен босатылуы мүмкін, бұрын жасырын генетикалық өзгерісті босатып, эволюцияның жылдам өрбуіне ықпал етеді. Авторлар Hsp90 (hsp83 генінде мутацияланған ген) шаперонды ақуыз ретінде даму сигналдық жолдарына қатысатын көптеген ақуыздардың бүктелуі мен белсендірілуінде маңызды рөл атқарады деп болжады, осылайша осы жолдардағы генетикалық өзгеріске қарсы буферлік қызмет атқарады. Сондықтан hsp83 мутанттары жасырын генетикалық өзгерісті босатады, нәтижесінде фенотиптердің әртүрлілігі пайда болады. 2002 жылы Линдквист HSP90-ды Arabidopsis thaliana-да фармакологиялық түрде тежеудің көптеген фенотиптерге әкелетінін көрсетті, олардың кейбіреулерін бейімделуші деп санауға болады, бұл HSP90-ның каналдаушы рөлін одан әрі нығайтады. Соңында, Astyanax mexicanus үңгір балықтарында жасалған тәжірибелер де ұқсас нәтижелер берді. Бұл түрдің екі популяциясы бар: су бетінде өмір сүретін көзді популяция және үңгірлерде өмір сүретін көзсіз популяция. Үңгірдегі популяцияда көздің мөлшері ғана емес, сонымен қатар орбитаның мөлшері де айтарлықтай төмендейді. HSP90-ды тежеу орбита мөлшеріндегі өзгерістерді күшейтеді, бұл қасиеттің неліктен бірнеше ұрпақ ішінде қалай дамитынын түсіндіруге болады. Қосымша талдаулар үңгір суының төмен өткізгіштігі HSP90-ды тежеуді имитациялайтын стресс-жауапты тудырады, бұл деканализация механизмін қамтамасыз етеді. Бұл фенотиптік әртараптандыруды түсіндіретін транспозондық инсерциялық мутагенезді тудыратын түпнұсқалық Drosophila мақаласының интерпретациясын атап өткен жөн.
Құралымдардағы өзгерушіліктің мәні
Түрлілікті түсіну табиғи іріктеу мен мутацияны түсінудің маңызды аспектісі болып табылады. Түрленуді екі санатқа бөлуге болады: фенотиптік түрленуді реттеу және туындайтын фенотиптерді реттеу. Генетикалық түрленудегі бұл бейімділік деп аталатын фактордың болуы, белгілі бір фенотиптердің морфологиясы, биохимиялық құрамы немесе мінез-құлқы тұрғысынан қалай табысқа жететіні туралы толыққанды түсінік алуға мүмкіндік береді. Организмдердің белгілі бір экожүйеде өркендеуі үшін жүйелі түрде үйлесімді жүйелерді дамытуы қажет екені ғылыми тұрғыдан дәлелденген. Бұл морфологияға да қатысты, онда түрленулер жүйелі тәртіппен болуы керек; әйтпесе, фенотиптік мутациялар табиғи іріктеу нәтижесінде сақталмайды. Түрлену, фенотиптік түрленулерді іріктеу және реттеу арқылы эволюциялық өзгерістердің жылдамдығы мен қарқынына әсер етеді. Нәтижесінде, эволюция барысында байқалатын түрліліктің азаюына себеп болады, себебі фенотиптердің көпшілігі нашар морфологиясы, биохимиялық құрамы немесе физикалық қимылы немесе сыртқы түріне байланысты бірнеше ұрпақтан кейін жоғалады.