Введение
Канализация – это мера способности популяции производить один и тот же фенотип, несмотря на изменчивость среды или генотипа. Это форма эволюционной устойчивости. Термин был введен в 1942 году К.Х. Уоддингтоном для описания того факта, что "реакции развития, наблюдаемые у организмов, подвергшихся естественному отбору, настроены таким образом, чтобы приводить к одному определенному конечному результату, независимо от незначительных колебаний условий в ходе развития". Он использовал этот термин вместо "робастности" (устойчивости), чтобы подчеркнуть, что биологические системы не обладают устойчивостью в том же смысле, что и, например, инженерные системы. Биологическая устойчивость, или канализация, возникает, когда пути развития формируются в процессе эволюции. Уоддингтон предложил концепцию эпигенетического ландшафта, в котором состояние организма "скатывается вниз" в ходе развития. В этой метафоре канализуемый признак представлен в виде долины (которую он назвал креодой), окруженной высокими гребнями, которые надежно направляют фенотип к его "предопределенности". Уоддингтон утверждал, что каналы формируются в эпигенетическом ландшафте в ходе эволюции, и что эта эвристика полезна для понимания уникальных особенностей биологической устойчивости.
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.
Генетическая ассимиляция
Уоддингтон использовал концепцию канализации для объяснения своих экспериментов по генетической ассимиляции. В этих экспериментах он подвергал куколки дрозофилы тепловому шоку. Это воздействие среды приводило к развитию у некоторых мух фенотипа без поперечных жилок крыльев. Затем он проводил отбор по признаку отсутствия поперечных жилок. В конечном итоге фенотип без поперечных жилок проявлялся даже без теплового шока. В результате этого процесса генетической ассимиляции фенотип, индуцированный средой, стал наследуемым. Уоддингтон объяснил это образованием нового канала в эпигенетическом ландшафте. Однако генетическую ассимиляцию можно объяснить, используя только количественную генетику и пороговую модель, без обращения к концепции канализации. Тем не менее, теоретические модели, включающие сложную карту генотип-фенотип, обнаружили свидетельства того, что эволюция фенотипической устойчивости способствует генетической ассимиляции, даже когда отбор направлен только на стабильность развития, а не на конкретный фенотип, и поэтому модели количественной генетики неприменимы. Эти исследования показывают, что эвристика канализации может оставаться полезной, выходя за рамки более простого понятия устойчивости.
Гипотеза о сходстве
Ни канализация, ни устойчивость не являются простыми величинами для количественной оценки: всегда необходимо уточнять, какой признак канализован (устойчив) к каким возмущениям. Например, возмущения могут быть вызваны как факторами окружающей среды, так и мутациями. Предполагается, что различные возмущения оказывают сходное влияние на развитие, протекающее на эпигенетическом ландшафте. Однако это может зависеть от молекулярного механизма, обеспечивающего устойчивость, и различаться в разных ситуациях.
Эволюционная емкость
Метафора канализации предполагает, что некоторые фенотипические признаки очень устойчивы к небольшим возмущениям, при которых развитие не выходит за пределы канала и быстро возвращается в исходное состояние, практически не влияя на конечный результат развития. Однако возмущения, величина которых превышает определенный порог, приводят к выходу из канала, перемещая процесс развития в неизведанную область. Например, исследование аллельного ряда гена Fgf8, важного для развития краниофациальной области, с уменьшающимися уровнями экспрессии гена показало, что фенотип остается канализованным до тех пор, пока уровень экспрессии превышает 40% от уровня экспрессии дикого типа. Высокая устойчивость до определенного предела и небольшая устойчивость за его пределами – это закономерность, которая может повысить эволюционируемость в нестабильной среде. Канализация большого набора генотипов в ограниченное фенотипическое пространство была предложена в качестве механизма накопления мутаций нейтральным образом, которые в противном случае могли бы быть вредными. Генетическая канализация может обеспечивать эволюционный потенциал, при котором генетическое разнообразие накапливается в популяции с течением времени, защищенное от естественного отбора, поскольку обычно не влияет на фенотипы. Это скрытое разнообразие затем может быть высвобождено экстремальными изменениями в окружающей среде или молекулярными переключателями, высвобождая ранее скрытые генетические вариации, которые затем могут способствовать быстрому всплеску эволюции. Авторы предположили, что Hsp90 (ген, мутировавший в hsp83), как белок-шаперон, играет ключевую роль в правильном сворачивании и активации многих белков, участвующих в сигнальных путях развития, тем самым смягчая влияние генетических вариаций в этих путях. Мутации в hsp83, таким образом, высвобождают скрытые генетические вариации, что приводит к разнообразию фенотипов. В 2002 году Линдквист показал, что фармакологическое ингибирование HSP90 у Arabidopsis thaliana также приводит к широкому спектру фенотипов, некоторые из которых можно считать адаптивными, что дополнительно подтверждает канализирующую роль HSP90. Наконец, аналогичный эксперимент с пещерной рыбой Astyanax mexicanus дал схожие результаты. Этот вид включает в себя две популяции: популяцию с глазами, обитающую под поверхностью воды, и популяцию с редуцированными глазами, обитающую в пещерах. Пещерная популяция не только имеет уменьшенные глаза, но и значительно меньший размер глазницы. Ингибирование HSP90 приводит к увеличению вариаций в размере глазницы, что может объяснить, как этот признак мог эволюционировать всего за несколько поколений. Дальнейший анализ показал, что низкая проводимость воды в пещерах индуцирует стрессовый ответ, имитирующий ингибирование HSP90, обеспечивая механизм деканализации. Стоит отметить, что интерпретация оригинальной работы с Drosophila, вызвавшей массивный транспозонный инсерционный мутагенез, может объяснить фенотипическое разнообразие.
Значение изменчивости компонентов
Понимание изменчивости — важный аспект понимания естественного отбора и мутаций. Изменчивость можно классифицировать на две категории: модулирование фенотипических вариаций и модулирование производимых фенотипов. Наличие этого так называемого смещения в генетической изменчивости позволяет глубже понять, почему определенные фенотипы более успешны с точки зрения их фактической морфологии, биохимического состава или поведения. Научно доказано, что для процветания в конкретных экосистемах организмам необходимо развивать систематически интегрированные системы. Это относится и к морфологии, где вариации должны возникать в определенном порядке; в противном случае фенотипические мутации не закрепятся из-за естественного отбора. Изменчивость влияет на скорость и темпы эволюционных изменений посредством отбора и модуляции фенотипических вариаций. В конечном итоге это приводит к снижению разнообразия, наблюдаемого в ходе эволюции, поскольку большинство фенотипов не сохраняются более нескольких поколений из-за их неоптимальной морфологии, биохимического состава или особенностей движения или внешнего вида.