Креода: Пути развития и эпигенетический ландшафт Ваддингтона.

Введение

Креод (англ. Creode) или хреод – неологизм, придуманный английским биологом XX века К. Х. Уоддингтоном для обозначения пути развития клетки по мере её роста и формирования в специализированный орган. Термин, образованный от греческих корней, означающих "необходимый" и "путь", был вдохновлён свойством регуляции. Когда развитие нарушается внешними факторами, эмбрион стремится восстановить нормальную траекторию развития, регулируя свой рост и дифференцировку.

Биология развития

Уоддингтон использовал этот термин наряду с канализацией и гомеорезисом, описывающим систему, возвращающуюся к устойчивой траектории, в отличие от гомеостаза, описывающего систему, возвращающуюся к устойчивому состоянию. Уоддингтон объясняет развитие метафорой шара, катящегося вниз по склону холма, где рельеф холма направляет шар в определенном направлении. В случае пути или креода, глубоко прорезанного в склоне холма, внешние возмущения вряд ли помешают нормальному развитию. Он отмечает, что креоды, как правило, имеют более крутые склоны на ранних стадиях развития, когда внешних воздействий редко бывает достаточно, чтобы изменить траекторию развития. Незначительные различия в начальном положении шара на вершине холма могут привести к кардинально разным результатам к тому времени, когда он достигнет дна. Это отражает тенденцию соседних областей раннего эмбриона развиваться в различные органы с радикально отличающимися структурами. Поскольку промежуточных структур между органами практически не существует, каждый шар, катящийся вниз по склону, "канализируется" в область, отличную от других, подобно тому, как глаз отличается от уха. Уоддингтон называет сеть креодов, прорезанных в склоне холма, "эпигенетическим ландшафтом", подразумевая, что формирование тела зависит не только от его генетического состава, но и от различных способов экспрессии генов в разных областях эмбриона. Он расширяет свою метафору, описывая обратную сторону эпигенетического ландшафта. Здесь мы видим, что "ландшафт" больше похож на гигантский лист, который бы унесло ветром, если бы не ряд натянутых тросов, удерживающих его. Колышки, соединяющие тросы с землей, – это гены. Сами тросы – это эпигенетические факторы, влияющие на экспрессию генов в различных областях эмбриона. Таким образом, глубина и направление каналов определяются сочетанием генетического состава и эпигенетических петель обратной связи, регулирующих гены. Хотя Уоддингтон утверждает, что процесс развития генетически обусловлен, он не пытается объяснить, как это работает, и даже приводит аргументы, опровергающие это. Он замечает, например, что гены обычно определяют периферические признаки, такие как цвет глаз, а не "основные" признаки, такие как структура самого глаза. Более того, когда генетическая мутация влияет на основные структуры, результатом обычно является полная трансформация одной структуры в другую, а не постепенное изменение, что Уоддингтон иллюстрирует примером шара, выкатывающегося из одного креода в другой. Таким образом, его описание создает впечатление, что гены влияют на развитие, возможно, изменяя ход развития определенной группы клеток, но не определяя конечную точку развития эмбриона. Это толкование подкрепляется обсуждением Уоддингтоном организации генофонда, где он отмечает, что "эпигенетический процесс, происходящий во время развития организма, может быть настолько буферизован или канализирован, что оптимальный конечный результат достигается независимо от генов, которыми обладает индивид". Чем глубже прорезаны креоды в эпигенетическом ландшафте, тем слабее влияние генов на развитие. Он также утверждает, что глубокие креоды будут устойчивы не только к генетическим, но и к экологическим воздействиям, стремящимся изменить ход развития. Это явление, которое он называет "стабилизирующим отбором", уравнивает гены и окружающую среду по степени вторичной важности по сравнению с эпигенетической системой. Акцент Уоддингтона на эпигенетике, а не на генах, предвосхитил современный интерес к эволюционной биологии развития. Как объяснили Шон Б. Кэрролл и другие, гены, участвующие в развитии, примерно одинаковы у всех видов животных, от насекомых до приматов. Вместо мутаций в генах развития эволюция обусловлена изменениями в экспрессии генов, то есть тем, какие гены экспрессируются в какое время и в каком месте в развивающемся организме.

Waddington used the term along with canalisation and homeorhesis, which describes a system that returns to a steady trajectory, in contrast to homeostasis, which describes a system which returns to a steady state. Waddington explains development with the metaphor of a ball rolling down a hillside, where the hill's contours channel the ball in a particular direction. In the case of a pathway or creode which is deeply carved in the hillside, external disturbance is unlikely to prevent normal development. He notes that creodes tend to have steeper sides earlier in development, when external disturbance rarely suffices to alter the developmental trajectory. Small differences in placement atop the hill can lead to dramatically different results by the time the ball reaches the bottom. This represents the tendency of neighboring regions of the early embryo to develop into different organs with radically different structures. Since intermediate structures rarely exist between organs, each ball that rolls down the hill is "canalised" to a region distinct from other regions, just as an eye, for instance, is distinct from an ear. Waddington refers to the network of creodes carved into the hillside as an "epigenetic landscape," meaning that the formation of the body depends on not only its genetic makeup but the different ways genes are expressed in different regions of the embryo. He expands his metaphor by describing the underside of the epigenetic landscape. Here we see that the "landscape" is really more like a giant sheet that would blow away except that a series of tension bearing cables holds it down. The pegs that connect the cables to the ground are the genes. The cables themselves are the epigenetic factors that influence gene expression in various regions of the embryo. The depth and direction of the channels is thus determined by a combination of genetic makeup and the epigenetic feedback loops by which genes are regulated. While Waddington does assert that the process of development is genetically driven, he makes no attempt to explain how this works and even offers evidence to the contrary. He observes, for instance, that genes ordinarily determine peripheral traits, such as eye color, rather than "focal" traits, such as the structure of the eye itself. Moreover, when genetic mutation influences basic structures, the result tends to be the complete transformation of a structure into another rather than piecemeal change, which Waddington illustrates with the developmental ball rolling out of one creode into another. Thus his account gives the impression that genes influence development, perhaps altering the course of a region of cells, without determining the endpoints toward which the embryo develops. This interpretation is further reinforced by Waddington's discussion of the organization of the gene pool, where he points out that "the epigenetic process occurring during the development of the organism might be so buffered or canalized that the optimum end result is produced irrespective of the genes which the individual contains." The more deeply creodes are carved into the epigenetic landscape, the weaker the influence of genes over development. He also argues that deep creodes will resist not only genetic but environmental pressures to change course. This phenomenon, which he calls "stabilizing selection," puts genes and environment on a par in secondary importance compared to the epigenetic system. Waddington's emphasis on epigenetics over genes prefigured the current interest in evolutionary developmental biology. As Sean B. Carroll and others have explained, genes involved in development are roughly the same in all animal species, from insect to primate. Instead of mutations in developmental genes, evolution has been driven by changes in gene expression, namely which genes are expressed at which times and locations in the developing organism.

Архитектура

Архитектурный теоретик Санфорд Квинтер назвал концепцию хреода «самой важной концепцией XX века». Слово «хреод» также точно описывает пути принятия решений в рамках пространства конфигураций, как его назвал Кристофер Александр, используя термин, которым Стюарт Кауфман обозначает «ландшафт пригодности». Согласно теории Александра, поскольку сознательные решения человека не обязаны следовать этим хреодам, сознательное проектирование может приводить к неоднозначным результатам. Поэтому он предлагает, что лучший способ добиться хороших результатов в архитектуре – это найти способы позволить ей следовать этим путям. Александр считает, что его теории «Фундаментального процесса», «структурно-сохраняющих преобразований» и «15 фундаментальных свойств», изложенные в его работе «Природа порядка», формируют пути в пространстве конфигураций.