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.

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.