Реферат
На тему: «Гомеозіс в онтогенезі і філогенезі»
Гомеозіс і гомеозісние мутації
Дія генів найтіснішим чином пов'язане з онтогенезом, і ця їхня зв'язок виявляється при виникненні мутацій, які різко переривають розвиток організму. Існують, однак, мутації іншого класу, які змінюють процес онтогенезу, але не переривають його. Це гомеозісние мутації. На важливу роль і теоретичне значення цього роду зміни розвитку вперше вказав Вільям Бетсон (William Beateson) у своїй книзі «Матеріали до вивчення мінливості», опублікованій в 1894 р. Його міркування при створенні терміна «гомеозіс» і визначення цього терміна все ще зберігають силу і привертають увагу до найбільш істотних рис цієї концепції.
«Перетворення антени комахи в ногу, очі ракоподібного - в антену, пелюстки - в тичинки і тому подібне - все це приклади одного роду. Бажано і навіть необхідно, щоб такі зміни, що складаються в тому, що один із членів ряду мерістіческіх структур приймає форму або набуває ознак, властиві іншим членам ряду, були виділені в особливу групу явищ ... Тому я пропоную ... термін гомеозіс, ..., оскільки головне тут не в тому, що відбулося якесь зміна, а в тому, що одне, змінившись, набуло схожість з чимось іншим ».
Потім Бетсон переходить до перерахування прикладів гомеозісних змін у настільки різних організмів, як ссавці і кільчасті черви. Якщо говорити про ссавців, то описано, наприклад, кілька рідкісних особин вимерлих неполнозубих, у яких в крижовому відділі хребта виявлені хребці, схожі на грудні. Набагато частіше, проте, гомеозісние зміни зустрічаються у членистоногих - тварин, цілком побудованих з ряду метамерних сегментів; а з членистоногих найбільше відомостей про типи та механізми гомеозіса отримано на комах. Залишки деяких із найдавніших вимерлих комах знайдені в шарах, що відносяться до кам'яновугільного періоду. У цих комах, як і у сучасних крилатих комах, було чотири крила, подібні по морфології з крилами нині живучих видів. На відміну від сучасних комах у них була, крім того, пара крилоподібних придатків, або паранотальних лопатей, що відходять від спинки першого грудного сегмента. Ці лопаті вважалися можливим свідченням того, що крила виникли як виступаючі назовні складки интегумента. Вони могли спочатку служити органами, що допомагають комасі планувати. Примітивні ознаки - розташування крил на другому і третьому грудних сегментах і наявність паранотальних лопатей - у сучасних комах відсутні. Однак вони можуть виникати в результаті гомеозісной мутації у таргана Blattella germanica. Росс (Ross) описав у цього примітивного комахи спадкову мутацію Prowings, що викликає розвиток крилоподобних придатків на спинці переднегруді. Подібне гомеозісное зміна описав Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster. Інша зчеплена зі статтю рецесивна мутація labiopedia описана у хрущака Tribolium confusum. У особин, гомо-чи гемізиготність по цій мутації, лабіальні щупики перетворюються в грудні ноги. Таке перетворення спостерігається як на личинкової, так і на дорослій стадії). При цьому відбувається повна перебудова, аж до розвитку мускулатури, зазвичай є у ніг. Однак ці м'язи, очевидно, позбавлені іннервації, так як лабіальні ноги нерухомі. Більш різко виражені трансформації спостерігаються в шовковичного шовкопряда Bombyx mori (лускокрилі). У цієї комахи є комплекс мутацій, відомих під назвою серії E-алелів (Extra legs). Його гусінь має дуже своєрідною морфологією: за темно пофарбованої головою з розташованими на ній очима йдуть три грудних сегменти, що несуть членисті ніжки. На спинний боці другого грудного сегмента є темна глазчатое пляма. Черевце складається з восьми сегментів, за якими слід кінцевий хвостовій сегмент. Черевні сегменти 3-6 і хвостовий сегмент забезпечені м'ясистими ходильні ніжками. На спинний поверхні другого черевного сегмента є пігментна пляма у формі півмісяця, а на спинній поверхні п'ятого - пляма у формі зірки. Домінантні мутантні алелі Е-серії викликають переміщення цих плям на інші сегменти. Так, у особин, гетерозиготних по мутації E El (Extra Crescents and legs), голова і груди такі ж, як у дикого типу, але на відміну від останніх на першому і другому черевному сегментах у них є ходильні ніжки, а на третьому грудному та перший черевному - пігментні плями у формі півмісяця. Мутація E N (Extra legs - New additional crescent) викликає появу півмісяця на третьому і зірок - на шостому, сьомому і восьмому черевних сегментах; на п'ятому черевному сегменті зірка зникає. Ці модифікації можна пояснити як результати зміни індивідуальностей (специфічних особливостей) черевних і грудних сегментів (як на спинний, так і на черевній їх сторонах). У найбільш різкій формі ці зміни проявляються у гомозигот за згаданим вище аллелю E N. Такий генотип детальний та призводить до загибелі у личинок ранніх личинкових віків.
Нормальна сегментація у дрозофіли
Після запліднення і злиття гамет у зародка дрозофіли спостерігається ряд синцитіальних поділів дроблення, тобто ділення ядер, що не супроводжуються утворенням клітин зародка. Перші дев'ять таких розподілів відбуваються по всій цитоплазмі яйця, і після дев'ятого поділу більша частина ядер мігрує в кортикальну цитоплазму. За цим слідують ще чотири поділу ядер, і після завершення тринадцятий поділу відбувається целлюлярізація, що приводить до утворення бластодерми, що складається приблизно з 6000 клітин. Ця стадія зображена на рис. 8-6, на якому соматичні клітини бластодерми можна відрізнити за їх морфології від сферичних полярних клітин (презумптівние клітини зародкового шляху), розташованих на задньому кінці зародка. Саме на цій стадії розвитку детермінується доля клітин, тобто визначається їх призначення як в личинкових, так і в імагінальних структурах. Крім того, саме в цей момент геном зиготи вперше починає проявляти помітну транскрипційних активність. Під час гаструляції на передньому кінці зародка утворюється латеральна складка, звана головний борозною. Ця борозна відокремлює більшу частину голови від тулуба. Одночасно відбувається перенесення полярних клітин із заднього кінця зародка на його дорсальную поверхню шляхом подовження зародкової смужки. У результаті утворення трьох окремих випинань - вентральної борозни, заднього і переднього зачатків середньої кишки - мезодерма і передня і задня ентодерма переміщуються всередину зародка. Слідом за цим, приблизно на 8-й год розвитку, поверхня зародкової смужки покривається поруч латеральних складок, які фізично розділяють зародок на сегменти. Сегменти зародка можна бачити на рис. 8-6; вони відповідають метамерних сегментами личинки та імаго. Таким чином, після розвитку протягом 10 год зародок складається з трьох зародкових листків і розділений на голову, груди і черевце. Голова складається з кліпеолабрального, процефаліческого, мандибулярні, максиллярние і нижньогубні сегментів. Три останніх сегмента об'єднують під назвою гнатоцефаліческіх. Груди складаються з трьох сегментів: переднегруді, среднегруді і задньогрудей. Решта дев'ять сегментів діляться на вісім черевних і один кінцевий хвостовій сегмент. Ембріогенез завершується створенням цього основного метамерного типу будови, освітою кутикулярних покривів і внутрішніх органів личинки. Личинка вилуплюється через 24 годин після запліднення яйця. Передній вентральний край кожного з трьох грудних і восьми черевних сегментів облямований рядами зубчиків, форма яких дозволяє відрізняти черевні сегменти личинки від грудних. Сегменти голови інвертовані таким чином, що голова виявляється усередині личинки, де гнатоцефаліческіе сегменти дають початок ротовим частинам личинки. Зачатки імагінальних структур, або імагінальні диски, які детермінуються і на стадії клітинної бластодерми відокремлюються від клітин, що дають початок тканинам личинки, ростуть протягом трьох личинкових стадій, а потім досягають свого дорослого диференційованого стану під час метаморфозу на стадії лялечки. Доросла особина подібно зародку і личинці, має метамерное будову. Різні імагінальні диски, очевидно, походять з клітин, розподілених по різних метамерами зародка. Голова дорослої особини несе очі, антени, кліпеолабрум і максиллярние і нижньогубні щупики. Три останніх елемента ротових частин імаго, ймовірно, походять з відповідних сегментів зародка. У вищих двокрилих, до яких відноситься і дрозофіла, на імагінальний стадії мандибулярні елемент відсутній. Очі і антени, цілком ймовірно, походять з процефаліческой лопаті зародка. Вся голова імаго розвивається з трьох дисків, причому більша частина головної капсули формується з очі-антеннальние диска, який дає також початок максиллярние Щупика, тобто цей диск відбувається з декількох сегментів. Два інших диска відбуваються кожен з одного сегмента. Всі три грудних сегменти несуть по парі ходильні ніг, причому кожна пара відбувається з одного диска. Диски ніг є на кожному з трьох грудних сегментів зародка. Дорсальная сторона грудей імаго утворена в основному мезотораксом і відбувається з Крилової диска. Дорсальні частини як про-, так і метаторакса сильно скорочені. На метатораксе розташовані вже згадувані жужжальця. Нарешті, вісім черевних сегментів і кінцеві статеві структури імаго відбуваються з відповідних сегментів личинки. Чи відбуваються статеві залози з хвостового сегмента, не відомо. Усі межі між сегментами з'являються одночасно під час гаструляції. Встановлено, проте, що процес сегментації не абсолютно мозаїчний за своїм характером. Експерименти Шубігера і Вуда (Schubiger, Wood), а також Херта і Сандера (Herth, Sander) з накладенням лігатури на зародків, що знаходяться на різних стадіях дроблення, показали, що становлення структури сегментів з перебігом процесу дроблення поступово посилюється. Повний набір сегментів утворюється лише після досягнення стадії бластодерми, коли настає час детермінації долі різних клітин. Очевидно, для нормальної сегментації зародка необхідна взаємодія між його різними ділянками. Подальші відомості про природу факторів, що визначають характер сегментації, дали експерименти, в яких клітини і їх нащадків мітили, викликаючи в них шляхом рентгенівського опромінення соматичні рекомбінації. Використовуючи клітинні маркери, що експресують незалежно один від одного і які зачіпають пігментацію і морфологію кутикулярних елементів дорослої особини, Гарсіа-Беллідо (Garcia-Bellido) і його співробітники створювали на стадії клітинної бластодерми клони рекомбінантних клітин в початках, що дають грудні структури дорослих особин. Простеживши за взаємовідносинами між клітинними лініями, вони зуміли показати, що всі нащадки спочатку поміченої клітини виявляються тільки в одному сегменті. Більше того, клітини, що походять від однієї гомозиготною дочірньої клітини, зазвичай залишаються один біля одного, утворюючи пляму мічених клітин. Як показали подальші експерименти з використанням Μ (Minute) - мутацій, межі між такими ділянками відображають обмеженість клітинних потенцій, і сегменти справді діляться на два таких обмежених ділянки. Клітини, гетерозиготні за домінантною мутації Μ (Μ / Μ +), ростуть повільніше, ніж гомозиготні клітини дикого типу (Μ + / Μ +), а гомозиготні клітини по мутації М (М / М) гинуть. Якщо клони клітин М + / М + індукувати за допомогою соматичної рекомбінації на тлі клітин Μ / Μ +, то ці нормальні клітини обганяють у рості своїх гетерозиготних сусідів. У великих клонах клітин М + / М + виявляються ті ж обмеження потенцій, які спостерігалися в попередніх експериментах. Отже, три сегменти, з яких складається груди імаго, розділені на передню та задню області («компартменти»). Всі ці експерименти з клонуванням проводилися на кутикулярних елементах дорослих мух. Перенесення отриманих при цьому результатів на зародків і личинок до деякої міри довільно. Однак проведений Корнбергом (Kornberg) аналіз мутантних алелей локусу єп (engrailed) підтверджує таку можливість. Leaky-мутації локусу єп викликають перетворення елементів задніх компартментов грудних сегментів у структури передніх компартментов. Це особливо ясно виражено у разі імагінальний платівки крила, яка у мутанта складається з двох передніх половинок, дзеркально-симетричних одне за одним. Інші алелі викликають загибель зародка на пізніших стадіях розвитку. У цих мертвих особин виявлені подібні дзеркально-симетричні дуплікації всіх грудних і черевних сегментів. Тому створюється враження, що компартменталізація відбувається вже у зародка і що цей розподіл клітинних потенцій всередині сегмента має місце як у личинки, так і в дорослої особини.
Співвідношення між гомеозісом і нормальної сегментацією
У детермінації індивідуальності сегментів, мабуть, безпосередньо беруть участь дві групи гомеозісних локусів. Цікаво зазначити, що ці два набори генів представляють собою два кластери тісно зчеплених між собою локусів, що знаходяться в правому плечі третього хромосоми. Про членів групи, розташованої дистальніше, ми вже говорили. Вона відома під загальною назвою Bithorax Complex, і в неї входить не менше 10 комплементарних локусів. В іншу, більш проксимальну групи входить не менше 6 членів, і вона відома під назвою Antennapedia Comple. Члени групи ВХ-С відповідальні за детерминирование індивідуальності кожного з сегментів, розташованих ззаду від середовищ-негрудного сегмента в личинки і в імаго. Як ми вже бачили, у відсутність локусів bx і pbx задньогруди імаго перетворюється на среднегрудью. Мутація bxd (bithoraxoid) викликає подібне перетворення першого черевного сегмента в середньогрудного. У цьому випадку трансформація спостерігається також і в личинки. Ці три рецесивні мутації комплементарні один одного (тобто особини з генотипом bx / pbx або bx / bxd, наприклад, мають нормальним фенотипом, але жодна з трьох не комплементарна домінантною мутації Ubx (Ultrabithorax). Льюїс (Lewis) прийшов до висновку , що дефекти, викликані мутацією Ubx, відповідають мутацій в тій частині комплексу ВХ-С, яка відповідальна за регуляцію локусів bx, pbx і bxd. Особини, гомозиготні з якої-небудь мутації Ubx, гинуть на пізніх стадіях зародкового розвитку; при цьому у них відбувається перетворення третього грудного і першого черевного сегментів у другу груди - результат, відповідний уявленням Льюїса про функції локусу Ubx. Чим більше дистальних локусів комплексу ВХ-С піддається делеції (рис. 8-8, Б), тим більше черевних сегментів перетворюється на грудні сегменти . Так делеція локусів iab-2, iab-3 і iab-8 призводить до перетворення черевних сегментів у среднегрудью. При делеції всього комплексу ВХ-С всі сегменти від заднегрудного до 8-го черевного перетворюються на среднегрудью, як це схематично показано на рис. 8-9. Всі ці перетворення - результат відсутності функції генів. Однак у комплексу ВХ-С є й інші домінантні варіанти, що призводять до аномальної активації функцій в межах цього комплексу. Домінантна мутація Cbx (Contrabithorax) призводить до розвитку мух, крила яких перетворені на жужжальця. Як показала генетична перевірка, це викликано дерепресія функцій локусів bx + і pbx + в среднегруді, де вони зазвичай не проявляють активності. Такого роду мутації існують принаймні у трьох точках комплексу ВХ-С і, за припущеннями, впливають на cis -регуляторний ділянку, контролюючий дію входять в цей комплекс локусів, яке в нормі обмежена окремими сегментами.
Комплекс гомеозісних локусів, розташований більш проксимально, викликає подібні перетворення сегментів в передніх частинах зародка і імаго. Локус pb (proboscipedia) необхідний для нормального розвитку нижньогубні сегмента дорослої особини. У відсутність функції pb + нижньогубні щупики імаго перетворюються на передньогрудна ноги. Делеція локусу Scr (Sex combs reduced) призводить до перетворення переднегруді в среднегрудью. Це найкраще видно на дорослих самцях дрозофіли, у яких статевий гребінець (структура, зазвичай наявна тільки на передньогрудна ногах) відсутня. Крім того, про перетворення першої пари ніг у другу свідчить загальна картина розподілу щетинок на передньогрудна ногах як у самців, так і у самок. Таке ж перетворення можна спостерігати у личинок, у яких типова для переднегруді морфологія змінюється, так що передньогруди стає схожою на среднегрудью. Нарешті, деякі алелі локусу Antp обумовлюють перетворення среднегруді і задньогрудей у передньогруди як у личинок, так і в імаго. Це можна спостерігати у дорослих самців, у яких при цьому з'являються статеві гребінці на всіх шести ногах. При делеції всього комплексу ANT-C зародок гине на пізній стадії розвитку, перед самим вилуплення личинки першого віку. Вивчення цих особин, а також більш ранніх стадій до настання загибелі показало, що всі їхні сегменти від максиллярние до заднегрудного схожі на передньогрудна сегменти. Подібно комплексу ВХ-С, домінантне посилення функції відбувається також у результаті мутацій, що відносяться до комплексу ANT-C. Найбільш очевидне з них - порушення функції локусу Antp, що викликає перетворення антени в ногу. Функція алелі Antp +, встановлена на основі фенотипу, що виходить при делеції цього локусу, полягає у забезпеченні належного розвитку середньо-та задньогрудей. При домінантних мутаціях в локусі Antp ця функція проявляється в передніх члениках антени і в її зачатки. Аллель Antp + не бере участь в нормальному розвитку антени, про що свідчить нормальна морфологія антени, навіть у тому випадку, якщо в цьому органі за допомогою соматичного кросинговеру створюються гомозиготні клони клітин Antp - Якщо ж створити такі клони у другий і третій парі ніг, то розвиток піде по типу переднегруді або антени. Таким чином, функція алелі Antp +, очевидно, необхідна для нормального розвитку вентральних частин середньо-і задньогрудей, а перетворення антени в ногу відбувається в результаті аномальної активації цієї функції в зачатку антени.
На тему: «Гомеозіс в онтогенезі і філогенезі»
Гомеозіс і гомеозісние мутації
Дія генів найтіснішим чином пов'язане з онтогенезом, і ця їхня зв'язок виявляється при виникненні мутацій, які різко переривають розвиток організму. Існують, однак, мутації іншого класу, які змінюють процес онтогенезу, але не переривають його. Це гомеозісние мутації. На важливу роль і теоретичне значення цього роду зміни розвитку вперше вказав Вільям Бетсон (William Beateson) у своїй книзі «Матеріали до вивчення мінливості», опублікованій в 1894 р. Його міркування при створенні терміна «гомеозіс» і визначення цього терміна все ще зберігають силу і привертають увагу до найбільш істотних рис цієї концепції.
«Перетворення антени комахи в ногу, очі ракоподібного - в антену, пелюстки - в тичинки і тому подібне - все це приклади одного роду. Бажано і навіть необхідно, щоб такі зміни, що складаються в тому, що один із членів ряду мерістіческіх структур приймає форму або набуває ознак, властиві іншим членам ряду, були виділені в особливу групу явищ ... Тому я пропоную ... термін гомеозіс, ..., оскільки головне тут не в тому, що відбулося якесь зміна, а в тому, що одне, змінившись, набуло схожість з чимось іншим ».
Потім Бетсон переходить до перерахування прикладів гомеозісних змін у настільки різних організмів, як ссавці і кільчасті черви. Якщо говорити про ссавців, то описано, наприклад, кілька рідкісних особин вимерлих неполнозубих, у яких в крижовому відділі хребта виявлені хребці, схожі на грудні. Набагато частіше, проте, гомеозісние зміни зустрічаються у членистоногих - тварин, цілком побудованих з ряду метамерних сегментів; а з членистоногих найбільше відомостей про типи та механізми гомеозіса отримано на комах. Залишки деяких із найдавніших вимерлих комах знайдені в шарах, що відносяться до кам'яновугільного періоду. У цих комах, як і у сучасних крилатих комах, було чотири крила, подібні по морфології з крилами нині живучих видів. На відміну від сучасних комах у них була, крім того, пара крилоподібних придатків, або паранотальних лопатей, що відходять від спинки першого грудного сегмента. Ці лопаті вважалися можливим свідченням того, що крила виникли як виступаючі назовні складки интегумента. Вони могли спочатку служити органами, що допомагають комасі планувати. Примітивні ознаки - розташування крил на другому і третьому грудних сегментах і наявність паранотальних лопатей - у сучасних комах відсутні. Однак вони можуть виникати в результаті гомеозісной мутації у таргана Blattella germanica. Росс (Ross) описав у цього примітивного комахи спадкову мутацію Prowings, що викликає розвиток крилоподобних придатків на спинці переднегруді. Подібне гомеозісное зміна описав Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster. Інша зчеплена зі статтю рецесивна мутація labiopedia описана у хрущака Tribolium confusum. У особин, гомо-чи гемізиготність по цій мутації, лабіальні щупики перетворюються в грудні ноги. Таке перетворення спостерігається як на личинкової, так і на дорослій стадії). При цьому відбувається повна перебудова, аж до розвитку мускулатури, зазвичай є у ніг. Однак ці м'язи, очевидно, позбавлені іннервації, так як лабіальні ноги нерухомі. Більш різко виражені трансформації спостерігаються в шовковичного шовкопряда Bombyx mori (лускокрилі). У цієї комахи є комплекс мутацій, відомих під назвою серії E-алелів (Extra legs). Його гусінь має дуже своєрідною морфологією: за темно пофарбованої головою з розташованими на ній очима йдуть три грудних сегменти, що несуть членисті ніжки. На спинний боці другого грудного сегмента є темна глазчатое пляма. Черевце складається з восьми сегментів, за якими слід кінцевий хвостовій сегмент. Черевні сегменти 3-6 і хвостовий сегмент забезпечені м'ясистими ходильні ніжками. На спинний поверхні другого черевного сегмента є пігментна пляма у формі півмісяця, а на спинній поверхні п'ятого - пляма у формі зірки. Домінантні мутантні алелі Е-серії викликають переміщення цих плям на інші сегменти. Так, у особин, гетерозиготних по мутації E El (Extra Crescents and legs), голова і груди такі ж, як у дикого типу, але на відміну від останніх на першому і другому черевному сегментах у них є ходильні ніжки, а на третьому грудному та перший черевному - пігментні плями у формі півмісяця. Мутація E N (Extra legs - New additional crescent) викликає появу півмісяця на третьому і зірок - на шостому, сьомому і восьмому черевних сегментах; на п'ятому черевному сегменті зірка зникає. Ці модифікації можна пояснити як результати зміни індивідуальностей (специфічних особливостей) черевних і грудних сегментів (як на спинний, так і на черевній їх сторонах). У найбільш різкій формі ці зміни проявляються у гомозигот за згаданим вище аллелю E N. Такий генотип детальний та призводить до загибелі у личинок ранніх личинкових віків.
Нормальна сегментація у дрозофіли
Після запліднення і злиття гамет у зародка дрозофіли спостерігається ряд синцитіальних поділів дроблення, тобто ділення ядер, що не супроводжуються утворенням клітин зародка. Перші дев'ять таких розподілів відбуваються по всій цитоплазмі яйця, і після дев'ятого поділу більша частина ядер мігрує в кортикальну цитоплазму. За цим слідують ще чотири поділу ядер, і після завершення тринадцятий поділу відбувається целлюлярізація, що приводить до утворення бластодерми, що складається приблизно з 6000 клітин. Ця стадія зображена на рис. 8-6, на якому соматичні клітини бластодерми можна відрізнити за їх морфології від сферичних полярних клітин (презумптівние клітини зародкового шляху), розташованих на задньому кінці зародка. Саме на цій стадії розвитку детермінується доля клітин, тобто визначається їх призначення як в личинкових, так і в імагінальних структурах. Крім того, саме в цей момент геном зиготи вперше починає проявляти помітну транскрипційних активність. Під час гаструляції на передньому кінці зародка утворюється латеральна складка, звана головний борозною. Ця борозна відокремлює більшу частину голови від тулуба. Одночасно відбувається перенесення полярних клітин із заднього кінця зародка на його дорсальную поверхню шляхом подовження зародкової смужки. У результаті утворення трьох окремих випинань - вентральної борозни, заднього і переднього зачатків середньої кишки - мезодерма і передня і задня ентодерма переміщуються всередину зародка. Слідом за цим, приблизно на 8-й год розвитку, поверхня зародкової смужки покривається поруч латеральних складок, які фізично розділяють зародок на сегменти. Сегменти зародка можна бачити на рис. 8-6; вони відповідають метамерних сегментами личинки та імаго. Таким чином, після розвитку протягом 10 год зародок складається з трьох зародкових листків і розділений на голову, груди і черевце. Голова складається з кліпеолабрального, процефаліческого, мандибулярні, максиллярние і нижньогубні сегментів. Три останніх сегмента об'єднують під назвою гнатоцефаліческіх. Груди складаються з трьох сегментів: переднегруді, среднегруді і задньогрудей. Решта дев'ять сегментів діляться на вісім черевних і один кінцевий хвостовій сегмент. Ембріогенез завершується створенням цього основного метамерного типу будови, освітою кутикулярних покривів і внутрішніх органів личинки. Личинка вилуплюється через 24 годин після запліднення яйця. Передній вентральний край кожного з трьох грудних і восьми черевних сегментів облямований рядами зубчиків, форма яких дозволяє відрізняти черевні сегменти личинки від грудних. Сегменти голови інвертовані таким чином, що голова виявляється усередині личинки, де гнатоцефаліческіе сегменти дають початок ротовим частинам личинки. Зачатки імагінальних структур, або імагінальні диски, які детермінуються і на стадії клітинної бластодерми відокремлюються від клітин, що дають початок тканинам личинки, ростуть протягом трьох личинкових стадій, а потім досягають свого дорослого диференційованого стану під час метаморфозу на стадії лялечки. Доросла особина подібно зародку і личинці, має метамерное будову. Різні імагінальні диски, очевидно, походять з клітин, розподілених по різних метамерами зародка. Голова дорослої особини несе очі, антени, кліпеолабрум і максиллярние і нижньогубні щупики. Три останніх елемента ротових частин імаго, ймовірно, походять з відповідних сегментів зародка. У вищих двокрилих, до яких відноситься і дрозофіла, на імагінальний стадії мандибулярні елемент відсутній. Очі і антени, цілком ймовірно, походять з процефаліческой лопаті зародка. Вся голова імаго розвивається з трьох дисків, причому більша частина головної капсули формується з очі-антеннальние диска, який дає також початок максиллярние Щупика, тобто цей диск відбувається з декількох сегментів. Два інших диска відбуваються кожен з одного сегмента. Всі три грудних сегменти несуть по парі ходильні ніг, причому кожна пара відбувається з одного диска. Диски ніг є на кожному з трьох грудних сегментів зародка. Дорсальная сторона грудей імаго утворена в основному мезотораксом і відбувається з Крилової диска. Дорсальні частини як про-, так і метаторакса сильно скорочені. На метатораксе розташовані вже згадувані жужжальця. Нарешті, вісім черевних сегментів і кінцеві статеві структури імаго відбуваються з відповідних сегментів личинки. Чи відбуваються статеві залози з хвостового сегмента, не відомо. Усі межі між сегментами з'являються одночасно під час гаструляції. Встановлено, проте, що процес сегментації не абсолютно мозаїчний за своїм характером. Експерименти Шубігера і Вуда (Schubiger, Wood), а також Херта і Сандера (Herth, Sander) з накладенням лігатури на зародків, що знаходяться на різних стадіях дроблення, показали, що становлення структури сегментів з перебігом процесу дроблення поступово посилюється. Повний набір сегментів утворюється лише після досягнення стадії бластодерми, коли настає час детермінації долі різних клітин. Очевидно, для нормальної сегментації зародка необхідна взаємодія між його різними ділянками. Подальші відомості про природу факторів, що визначають характер сегментації, дали експерименти, в яких клітини і їх нащадків мітили, викликаючи в них шляхом рентгенівського опромінення соматичні рекомбінації. Використовуючи клітинні маркери, що експресують незалежно один від одного і які зачіпають пігментацію і морфологію кутикулярних елементів дорослої особини, Гарсіа-Беллідо (Garcia-Bellido) і його співробітники створювали на стадії клітинної бластодерми клони рекомбінантних клітин в початках, що дають грудні структури дорослих особин. Простеживши за взаємовідносинами між клітинними лініями, вони зуміли показати, що всі нащадки спочатку поміченої клітини виявляються тільки в одному сегменті. Більше того, клітини, що походять від однієї гомозиготною дочірньої клітини, зазвичай залишаються один біля одного, утворюючи пляму мічених клітин. Як показали подальші експерименти з використанням Μ (Minute) - мутацій, межі між такими ділянками відображають обмеженість клітинних потенцій, і сегменти справді діляться на два таких обмежених ділянки. Клітини, гетерозиготні за домінантною мутації Μ (Μ / Μ +), ростуть повільніше, ніж гомозиготні клітини дикого типу (Μ + / Μ +), а гомозиготні клітини по мутації М (М / М) гинуть. Якщо клони клітин М + / М + індукувати за допомогою соматичної рекомбінації на тлі клітин Μ / Μ +, то ці нормальні клітини обганяють у рості своїх гетерозиготних сусідів. У великих клонах клітин М + / М + виявляються ті ж обмеження потенцій, які спостерігалися в попередніх експериментах. Отже, три сегменти, з яких складається груди імаго, розділені на передню та задню області («компартменти»). Всі ці експерименти з клонуванням проводилися на кутикулярних елементах дорослих мух. Перенесення отриманих при цьому результатів на зародків і личинок до деякої міри довільно. Однак проведений Корнбергом (Kornberg) аналіз мутантних алелей локусу єп (engrailed) підтверджує таку можливість. Leaky-мутації локусу єп викликають перетворення елементів задніх компартментов грудних сегментів у структури передніх компартментов. Це особливо ясно виражено у разі імагінальний платівки крила, яка у мутанта складається з двох передніх половинок, дзеркально-симетричних одне за одним. Інші алелі викликають загибель зародка на пізніших стадіях розвитку. У цих мертвих особин виявлені подібні дзеркально-симетричні дуплікації всіх грудних і черевних сегментів. Тому створюється враження, що компартменталізація відбувається вже у зародка і що цей розподіл клітинних потенцій всередині сегмента має місце як у личинки, так і в дорослої особини.
Співвідношення між гомеозісом і нормальної сегментацією
У детермінації індивідуальності сегментів, мабуть, безпосередньо беруть участь дві групи гомеозісних локусів. Цікаво зазначити, що ці два набори генів представляють собою два кластери тісно зчеплених між собою локусів, що знаходяться в правому плечі третього хромосоми. Про членів групи, розташованої дистальніше, ми вже говорили. Вона відома під загальною назвою Bithorax Complex, і в неї входить не менше 10 комплементарних локусів. В іншу, більш проксимальну групи входить не менше 6 членів, і вона відома під назвою Antennapedia Comple. Члени групи ВХ-С відповідальні за детерминирование індивідуальності кожного з сегментів, розташованих ззаду від середовищ-негрудного сегмента в личинки і в імаго. Як ми вже бачили, у відсутність локусів bx і pbx задньогруди імаго перетворюється на среднегрудью. Мутація bxd (bithoraxoid) викликає подібне перетворення першого черевного сегмента в середньогрудного. У цьому випадку трансформація спостерігається також і в личинки. Ці три рецесивні мутації комплементарні один одного (тобто особини з генотипом bx / pbx або bx / bxd, наприклад, мають нормальним фенотипом, але жодна з трьох не комплементарна домінантною мутації Ubx (Ultrabithorax). Льюїс (Lewis) прийшов до висновку , що дефекти, викликані мутацією Ubx, відповідають мутацій в тій частині комплексу ВХ-С, яка відповідальна за регуляцію локусів bx, pbx і bxd. Особини, гомозиготні з якої-небудь мутації Ubx, гинуть на пізніх стадіях зародкового розвитку; при цьому у них відбувається перетворення третього грудного і першого черевного сегментів у другу груди - результат, відповідний уявленням Льюїса про функції локусу Ubx. Чим більше дистальних локусів комплексу ВХ-С піддається делеції (рис. 8-8, Б), тим більше черевних сегментів перетворюється на грудні сегменти . Так делеція локусів iab-2, iab-3 і iab-8 призводить до перетворення черевних сегментів у среднегрудью. При делеції всього комплексу ВХ-С всі сегменти від заднегрудного до 8-го черевного перетворюються на среднегрудью, як це схематично показано на рис. 8-9. Всі ці перетворення - результат відсутності функції генів. Однак у комплексу ВХ-С є й інші домінантні варіанти, що призводять до аномальної активації функцій в межах цього комплексу. Домінантна мутація Cbx (Contrabithorax) призводить до розвитку мух, крила яких перетворені на жужжальця. Як показала генетична перевірка, це викликано дерепресія функцій локусів bx + і pbx + в среднегруді, де вони зазвичай не проявляють активності. Такого роду мутації існують принаймні у трьох точках комплексу ВХ-С і, за припущеннями, впливають на cis -регуляторний ділянку, контролюючий дію входять в цей комплекс локусів, яке в нормі обмежена окремими сегментами.
Комплекс гомеозісних локусів, розташований більш проксимально, викликає подібні перетворення сегментів в передніх частинах зародка і імаго. Локус pb (proboscipedia) необхідний для нормального розвитку нижньогубні сегмента дорослої особини. У відсутність функції pb + нижньогубні щупики імаго перетворюються на передньогрудна ноги. Делеція локусу Scr (Sex combs reduced) призводить до перетворення переднегруді в среднегрудью. Це найкраще видно на дорослих самцях дрозофіли, у яких статевий гребінець (структура, зазвичай наявна тільки на передньогрудна ногах) відсутня. Крім того, про перетворення першої пари ніг у другу свідчить загальна картина розподілу щетинок на передньогрудна ногах як у самців, так і у самок. Таке ж перетворення можна спостерігати у личинок, у яких типова для переднегруді морфологія змінюється, так що передньогруди стає схожою на среднегрудью. Нарешті, деякі алелі локусу Antp обумовлюють перетворення среднегруді і задньогрудей у передньогруди як у личинок, так і в імаго. Це можна спостерігати у дорослих самців, у яких при цьому з'являються статеві гребінці на всіх шести ногах. При делеції всього комплексу ANT-C зародок гине на пізній стадії розвитку, перед самим вилуплення личинки першого віку. Вивчення цих особин, а також більш ранніх стадій до настання загибелі показало, що всі їхні сегменти від максиллярние до заднегрудного схожі на передньогрудна сегменти. Подібно комплексу ВХ-С, домінантне посилення функції відбувається також у результаті мутацій, що відносяться до комплексу ANT-C. Найбільш очевидне з них - порушення функції локусу Antp, що викликає перетворення антени в ногу. Функція алелі Antp +, встановлена на основі фенотипу, що виходить при делеції цього локусу, полягає у забезпеченні належного розвитку середньо-та задньогрудей. При домінантних мутаціях в локусі Antp ця функція проявляється в передніх члениках антени і в її зачатки. Аллель Antp + не бере участь в нормальному розвитку антени, про що свідчить нормальна морфологія антени, навіть у тому випадку, якщо в цьому органі за допомогою соматичного кросинговеру створюються гомозиготні клони клітин Antp - Якщо ж створити такі клони у другий і третій парі ніг, то розвиток піде по типу переднегруді або антени. Таким чином, функція алелі Antp +, очевидно, необхідна для нормального розвитку вентральних частин середньо-і задньогрудей, а перетворення антени в ногу відбувається в результаті аномальної активації цієї функції в зачатку антени.
При делеції як комплексу ВХ-С, так і комплексу ANT-C виходить картина сегментації, схожих на передньогрудна. Такі зародки гинуть. Отже, гени, що входять в ці два комплекси, необхідні для визначення особливої долі більшості різних гнатоцефаліческіх, грудних і черевних сегментів. Окремі ло-куси функціонують у певних сегментах, причому ця функція не виходить за межі окремих сегментів. Трансформації сегментів, що викликаються делецій генів, що входять до комплексів ВХ-С або ANT-C, або генними мутаціями цих генів, що не зводяться лише до поверхневого зміни зовнішніх кутикулярних структур. Якщо витягти з личинок імаго-інальние диски, диссоциировать їх і допустити реагрегацію клітин, то клітини однакових дисків з'єднуються один з одним, а клітини з різних дисків відокремлюються одні від інших. Якщо, проте, антени трансформовані в результаті гомеозіса в ногу, то ці клітини антени-ноги возз'єднуються і спільно утворюють нормальні бластеми ноги. Ці результати вказують на те, що поверхневі властивості клітин та їхньої здатності до розпізнавання один одного змінилися під дією мутації. За допомогою методу соматичної рекомбінації була зроблена спроба оцінити кількість клітин, з яких на стадії клітинної бластодерми складаються різні імагінальні диски у момент їх детермінації. Для диска, з якого утворюються жужжальця, їх число дорівнює приблизно 10, а для диска крила - близько 20. Крім того, вдалося простежити за динамікою проліферації цих двох дисків, отримуючи рекомбінантні клони їх клітин на більш пізніх стадіях розвитку. За допомогою цього методу Гарсіа-Беллідо (Garcia-Bellido) і його співробітникам вдалося показати, що у подвійних мутантів bx pbx змінюється як динаміка зростання, так і число клітин, залучених в диск жужжальця на стадії клітинної бластодерми. Обидва ці властивості, подібно морфології диска, змінюються, і жужжальця стають схожими на крило, тобто на похідне среднегруді. Та обставина, що програма розвитку як личинки, так і імагінальних дисків при гомеозісе змінюється на дуже ранній стадії (для зачатків, мабуть, на стадії клітинної бластодерми), можна вважати вказівкою на важливу роль гомеозісних генів у фактичній детермінації долі клітин. На користь такого твердження свідчить можливість отримати фенокопии трансформацій, типових для мутантів bithorax, шляхом нагрівання зародків, що знаходяться на стадії клітинної бластодерми. У зародків у віці 2 год, підданих температурному шоку, виникають Неспадкові зміни розвитку, подібні зі змінами, які спостерігаються у мутантів bx. Як показав Гарсіа-Беллідо, до таких же результатів призводить обробка зародків того ж віку ефіром. Ефективність такої обробки значно зростає, якщо змінити дозу генів комплексу ВХ-С за допомогою гетерозиготних делецій bx і pbx; при цьому частота фенокопии підвищується. Ці спостереження є переконливим доказом на користь того, що мішенню, на яку спрямована дія гомеозісних локусів, служать ранні процеси детермінації. Ці локуси необхідні, однак, і для підтримки такого стану. Температурочувстві-тільні мутації в локусах bx і pbx володіють температурочувствітельним періодом, відповідним третій личинкової стадії (через 4-5 днів після детермінації клітин імагінальних дисків). Таким чином, характер детермінації цих клітин можна змінити після його початкового формування, але до диференціювання, яка відбувається у процесі метаморфоза.
Результати генетичних та ембріологічних досліджень гомеозісних генних комплексів Antennapedia і bithorax показують, що ці локуси дійсно грають роль перемикачів, які визначають долю окремих сегментів. Перемикання відбувається в період детермінації і, мабуть, являє собою результат позитивної дії названих локусів цих комплексів на батареї інших генів. Слід зазначити, що альтернативний шлях розвитку, що відбувається за відсутності цих генів, що не буває хаотичним; в нормі він спостерігається у деяких інших частин тварини, так що ці гени можна справді розглядати як перемикачі, що виробляють вибір з кількох альтернативних станів. Зміна реакції, викликане гомеозісной мутацією, не призводить, як хотілося б Гольдшмідт, до появи «перспективних монстрів», що володіють потенційними можливостями для макроеволюціонних подій. Насправді зміни ці носять атавістичний характер і можуть надати дані про історію генетичних регуляторних механізмів, придбаних у процесі еволюції. Ймовірно, особливо ясно це можна продемонструвати на прикладі еволюційної історії комах.
Філогенія членистоногих, або як гомеологія повторює філогенію
Ця філогенія побудована на підставі даних палеонтологічних, ембріологічних, порівняльно-анатомічних і різних інших досліджень. Членистоногі виникли від якогось предка, подібного з кольчецов, по всій вірогідності, в кінці докембрію, а перша значна радіація цієї групи почалася в кембрії. Серед викопних решток, знайдених у ніжнепалеозойськие відкладеннях, виявлені представники всіх груп членистоногих, за винятком комах. Комахи з'являються у верхньому палеозої, тобто приблизно 350 млн. років тому. Якщо у відношенні походження членистоногих від кольчецов (або від якоїсь подібної з ними групи) існує відоме одностайність, то стосовно питання про те, чи є головні групи членистоногих моно-або полифилетического, єдиної думки немає. Ми не збираємося вступати в цю дискусію, а сконцентруємо увагу на тій частині філогенії, яка відноситься до групи членистоногих Uniramia і від якої в кінцевому рахунку відбулися комахи. Зміни в характері сегментації у цієї групи членистоногих можна проаналізувати в світлі гомеозісних мутацій дрозофіли.
До ознак, що дозволяє вважати кольчецов предками членистоногих, відносяться лежить в основі їх будови метаметрія, розташування нервової системи на вентральної стороні, а серця - на дорсальній стороні тіла; це ознаки, які мають всі членистоногі. Незважаючи на ці загальні для обох груп ознаки дорослих особин, вони сильно розрізняються по ранніх стадіях розвитку. Для кольчецов, так само як для молюсків, характерно спіральне дроблення, тоді як у членистоногих дроблення в загальному центролецитальні, описане вище для дрозофіли. Тому одним з найбільших подій у виникненні членистоногих була різка зміна раннього розвитку при збереженні дорослими особинами основного плану будови. Після дроблення і гаструляції у цього черв'яка утворюється свободноплавающая личинка - трохофора. Ця личинка розділена двома віночками вій на три відособлені області. Передня, передротової, частина відокремлена від середньої, туловищной, частини прототрохом. Задня, пігідіальная, відділена від середньої частини телотрохом. У процесі розвитку личинки її тулубна частина поділяється на три відокремлених туловищних сегмента. На цій стадії у личинки можна розрізнити в цілому шість сегментів: передротової, ротової, три туловищних і хвостовий, або пігідієм. Личинка продовжує зростати шляхом додавання нових сегментів у зоні наростання, що знаходиться між останнім туловищние сегментом і пігідієм. Це зростання кзади супроводжується поступовим ускладненням структур, специфічних для кожного виду, на самих задніх сегментах. Після того як личинка досягне повного розвитку, вона в результаті метаморфоза перетворюється на дорослого хробака. Це останнє питання нас тут не цікавить; нам досить відзначити сегментарну структуру тваринного і те, як ця сегментарна структура змінюється на «наступної» стадії філогенезу комах. Коли вперше були відкриті Оніхофори, їх визнали «відсутньою ланкою» між кольчецов та вищими членистоногими. На перший погляд це здається правильним, і вони справді представляють собою проміжну форму. Однак Оніхофори не є прямими предками комах. Дроблення у них центролецитальні, і у видів, що мають великі, багаті жовтком яйця, бластодерма утворюється на поверхні маси жовтка шляхом целлюлярізаціі. У процесі гаструляції на среднебрюшной поверхні бластодерми формуються дві ектодермальне зародкові смужки і відбувається інвазія мезодермальних клітин в бластодерму. Великі гаструляціонние переміщення клітин виникають тільки у зв'язку з утворенням переднього зачатка середньої кишки. Ці переміщення починаються на презумптівном передньому кінці тваринного і поширюються до хвостового його кінця. Слідом за початком цих переміщень починається процес сегментації. За яким на цій стадії слід ряд схожих сегментів, що дають соміт. Як і у дорослих форм поліхет, нові сегменти утворюються субтермінально, в задній зоні наростання. Сегментація завершується до народження на світ (більшість видів онихофор живородні або яйцеживородні). Д зображена більш пізня стадія ембріогенезу Peripatopsis capensis, відповідна початку розвитку голови. Голова складається з переднього антеннальние сегмента, єдиного щелепного сегмента, на якому знаходиться рот, і сегменту, що несе ротові сосочки, де відкриваються протоки слизових залоз. Позаду голови розташований ряд однакових туловищних сегментів, від кожного з яких у дорослої особини відходить членистих нога, забезпечена кігтиків.
Антеннальние, щелепний і сосочковий сегменти - цефалізірованние туловищние сегменти, які мобілізовані, в еволюційному і онтогенетичному значенні, функціонувати в якості ротових частин. Надійних даних про наявність у онихофор процефаліческого сегмента, подібного наявному у кольчецов та вищих Uniramia, немає. Почасти тому сучасні Оніхофори вважаються реліктами, а не справжнім проміжною ланкою між кольчецов і наступною сходинкою в філогенезі комах. У багатоніжок - чергової сходинки філогенетичної сходи, по якій ми слідуємо, - є різного роду другорядні зміни загального плану розвитку, що спостерігається у онихофор. Дроблення у них продовжує залишатися центролецитальні, хоча у деяких груп гаструляція дещо змінена. Багатоніжки діляться на дві основні групи - дігнатіческіе і трігнатіческіе - розрізняються по сегментації голови. Можливо, що дігнатіческіе багатоніжки з'явилися в процесі еволюції пізніше, незважаючи на менш складну будову їх голови. Після гаструляції зародкова смужка перетинається поруч борозен, в результаті чого утворюється група сегментів: у трігнатіческіх багатоніжок - це головні, антеннальние, премандібулярние, мандибулярні, максиллярние. нижньогубні і від 3 до 6 туловищних сегментів. Ця стадія показана на прикладі Hanseniella. Як і у онихофор, повний комплект сегментів дорослої особини створюється в процесі ембріогенезу (в зоні наростання між передостаннім заднім сегментом і анальної областю). Подальший розвиток приводить до вдосконалення будови ходильні ніг, що є на кожному з туловищних сегментів, і до формування ротових частин з мандибулярні, максиллярние і нижньогубні сегментів. Премандібулярний сегмент несе лише тимчасовий придаток і не відіграє помітної ролі у формуванні голови дорослої особини. Лежачі попереду антеннальние і процефаліческій сегменти несуть антени і кліпеолабрум відповідно. Таким чином, у багатоніжок в освіті голови беруть участь не три, як у онихофор, а шість сегментів. Але, так само як і у онихофор, ці спеціалізовані сегменти виникли в результаті запозичення елементів з послеротовой туловищной області раннього зародка. У дігнатіческіх багатоніжок спостерігається своєрідне відмінність у типі сегментації. Сегмент, відповідний нижньогубні сегменту трігнатіческіх багатоніжок, не бере участь в утворенні ротових частин дорослої особини. Замість цього він перетворений на спеціалізований шийний сегмент (collum), утворюючи подобу шийки між головою і першим туловищние сегментом. В іншому характер сегментації в обох груп багатоніжок подібний. У приватному прикладі Pauropus silvaticus, представленому на рис. 8-12, А-Г, є ще одне різке і істотна відмінність. Для класу Pauropoda, до якого належить ця багатоніжка, характерний анаморфоз, а не епіморфоз, як у описаного вище представника Chilopoda. При розвитку з анаморфоз тварина вилуплюється з неповним набором туловищних сегментів. В, у тільки що вилупилося особини є всього три туловищних сегмента. Інші сегменти, які є у дорослої особини, отримуються в результаті субтермінально їх додавання в зоні наростання на задньому кінці тварини. Це не можна вважати ознакою дігнатізма як такого, тому що у Symphyla - групи трігнатіческіх багатоніжок - також спостерігається анаморфоз. Існування личинкової форми, що має всього три туловищних сегмента, було визнано частковим доказом того, що комахи виникли від якогось схожого з багатоніжки предка в результаті педогенеза. У такій можливості переконує вивчення примітивних безкрилих комах (Apterygota).
Серед безкрилих комах є групи, ранній розвиток яких подібно з розвитком або багатоніжок, або крилатих комах. Андерсон (Anderson) вважає ці варіації функціональними адаптаціями кожної окремої групи, а не суттєвими відмінностями, які спростовують наявність зв'язку між багатоніжки і комахами. Найбільш яскраво виражене схожість між багатоніжки, безкрилими і крилатими комахами і між самими безкрилими стосується способу сегментації зародкової смужки. У безкрилих, так само як і у трігнатіческіх багатоніжок, на початку процесу сегментації є шість головних сегментів, за якими йдуть три туловищних сегмента. У процесі подальшого розвитку в субтермінально зоні наростання допереду від термінального хвостового сегмента утворюються інші туловищние сегменти. Гнатоцефаліческіе сегменти поповнюються за рахунок туловищних елементів зародка і їх придатків, модифікованих в ротові частини. Головна відмінність безкрилих від багатоніжок полягає в тому, що їх тулуб розділене на груди, що складається з трьох сегментів, і черевце з восьми сегментів. Ходильні ноги є тільки на грудях, а придатки черевця сильно скорочені. Порівняння рис. 8-12, В і Г і 8-13, Е виявляє разючу подібність у будові тіла анаморфними багатоніжок і примітивних безкрилих комах; головна відмінність між ними - придушення у безкрилих комах розвитку кінцівок на сегментах, розташованих позаду третього туловищного сегмента.
Остання ступінь в філогенезі - крилаті комахи (Pterygota). Ми вже розглядали деякі аспекти раннього розвитку цієї групи на прикладі Drosophila melanogaster. Події раннього розвитку, описані для дрозофіли, спостерігаються у всіх інших крилатих комах, і немає потреби повторювати їх. В якості прикладу більш примітивної форми ми вважали за потрібне, однак, розглянути сегментацію зародкової смужки у жука Bruchidius. Так само як і у дрозофіли, у цього жука, мабуть, немає задньої зони наростання і сегментація відбувається одноразово. У нього є три гнатоцефаліческіх і три грудних сегменти, що утворюють відповідно ротові частини і груди. На відміну від безкрилих комах три грудних сегменти у нього диференційовані, причому від другого і третього сегментів відходять крила. У двокрилих відбулися подальші зміни: друга пара крил, що відходить від задньогрудей, редукувати, перетворившись на жужжальця, а спинка переднегруді сильно зменшена і у дрозофіли зведена до вузькій смужці кутикули. Черевні кінцівки, які у безкрилих скорочені, у всіх крилатих комах абсолютно відсутні. Крім того, премандібулярний головний сегмент у них погано помітний або відсутній зовсім. Ця редукція головних сегментів заходить ще далі у дрозофіли, у якої мандибулярні сегмент бере участь у формуванні ротових частин личинки, але не імаго. Слідуючи по філогенетичної сходах від кольчецов до крилатих комах, можна бачити поступове виникнення сегментованої структури і подальшу втрату деяких, але не всіх її елементів. Випадання функції генів bx + і pbx + перетворює двокрилих дрозофілу в більш примітивну чотирикрила форму. Функція гена Antp + необхідна для розвитку середньо-і заднегрудних сегментів. У відсутність цього гена груди зародка складається з трьох передньогрудна сегментів, які не несуть крил, тобто частково наслідують безкрилим формам. У відсутність всього комплексу ВХ-С задній кінець зародка складається з ряду однакових грудних чи туловищних сегментів. Такий набір сегментів нагадує трігнатіческіх багатоніжок. Нарешті, за відсутності комплексів ANT-C і ВХ-С розвиваються зародки з трьома головними сегментами і поруч однакових туловищних сегментів, що нагадує будову онихофор. Таким чином, поступово видаляючи відносно невелика кількість генетичного матеріалу, нам вдалося пройти досить великий відрізок еволюційного шляху. Ми не хотіли б, щоб читач прийняв ці аналогії надто буквально, і вважаємо за необхідне підкреслити, що описані тут атавізми не можна вважати справжніми. Делеція генів призвела лише до зміни індивідуальності деяких сегментів, але при цьому вони безперечно залишаються сегментами дрозофілід. Це показує, що містяться в цих локусах гени беруть участь у специфікації розвивається структури - в регуляції онтогенезу як такого. Вони грають роль перемикачів, визначаючи долю клітин шляхом регуляції дії генів, експресуються в кожному окремому сегменті. Перебувають під їхнім контролем структурні гени, мабуть, еволюціонували спільно з цими контролюючими гомеозіснимі локусами, але в той же час у відомому сенсі відокремлено від них.
На основі описаної тут філогенії комах і тонкої структури двох комплексів генів ми уявляємо собі еволюцію гомеозісних форм як ступінчасту дуплікацію з подальшою дивергенцією функцій. Самий відповідний відрізок філогенезу, де найлегше спостерігати цей процес, - перехід від багатоніжок до безкрилим і далі до крилатих комах. Гени iab визначають диференціювання грудей і черевця. За відсутності цих генів черевні сегменти стають грудними. Тому у генів iab виникла функція, яка могла пригнічувати розвиток кінцівок у задніх сегментів. Льюїс (Lewis) показав, що у дрозофіли є кілька таких локусів, можливо, по одному на кожний з восьми черевних сегментів.
Однак у безкрилих комах ці сегменти додаються один за іншим у процесі ембріогенезу; і можливо, що їм для цього потрібен лише один ген, який багато разів активується в міру додавання нових черевних сегментів. З виникненням типового для крилатих одночасного формування всіх сегментів могла статися серійна дуплікація гена iab як необхідний елемент такої зміни розвитку.
Можна вважати, що члени комплексу ANT-C виникли в якійсь ранній момент еволюції комах. Перехід від предка, подібного з кольчецов, до онихофор, а потім до багатоніжка був пов'язаний із залученням послеротових туловищних сегментів і перетворенням їх у гнатоцефаліческіе сегменти, що дають початок ротовим частинах. Цей процес здійснюється, принаймні частково, локусом proboscipedia. Крім того, гени Scr + і Antp + функціонують як перемикачі, необхідні для детермінації характерних рис (індивідуальності) першого і другого грудних сегментів. Можна уявити собі, що функції цих генів виникли, дуплицировать і дівергіровалі багато в чому таким же чином, як функції локусів ВХ-С. Можливо навіть, що ці два комплексу пов'язані між собою через дуплікацію: елементи комплексу ANT-C дали початок шляхом дуплікації якогось то попередникові комплексу ВХ-С.
До цих пір ми розглядали типи трансформацій, що викликаються гомеозіснимі генами, а також місце і терміни функціонування цих генів, не торкаючись того, як вони здійснюють перемикання. Це останнє питання фактично складається з двох частин: як регулюються самі гомеозісние гени і як вони в свою чергу регулюють характер генної експресії в межах кожного сегмента? Перш ніж спробувати відповісти на ці два питання, необхідно обговорити існуючі уявлення про спосіб становлення просторової структури.
Результати генетичних та ембріологічних досліджень гомеозісних генних комплексів Antennapedia і bithorax показують, що ці локуси дійсно грають роль перемикачів, які визначають долю окремих сегментів. Перемикання відбувається в період детермінації і, мабуть, являє собою результат позитивної дії названих локусів цих комплексів на батареї інших генів. Слід зазначити, що альтернативний шлях розвитку, що відбувається за відсутності цих генів, що не буває хаотичним; в нормі він спостерігається у деяких інших частин тварини, так що ці гени можна справді розглядати як перемикачі, що виробляють вибір з кількох альтернативних станів. Зміна реакції, викликане гомеозісной мутацією, не призводить, як хотілося б Гольдшмідт, до появи «перспективних монстрів», що володіють потенційними можливостями для макроеволюціонних подій. Насправді зміни ці носять атавістичний характер і можуть надати дані про історію генетичних регуляторних механізмів, придбаних у процесі еволюції. Ймовірно, особливо ясно це можна продемонструвати на прикладі еволюційної історії комах.
Філогенія членистоногих, або як гомеологія повторює філогенію
Ця філогенія побудована на підставі даних палеонтологічних, ембріологічних, порівняльно-анатомічних і різних інших досліджень. Членистоногі виникли від якогось предка, подібного з кольчецов, по всій вірогідності, в кінці докембрію, а перша значна радіація цієї групи почалася в кембрії. Серед викопних решток, знайдених у ніжнепалеозойськие відкладеннях, виявлені представники всіх груп членистоногих, за винятком комах. Комахи з'являються у верхньому палеозої, тобто приблизно 350 млн. років тому. Якщо у відношенні походження членистоногих від кольчецов (або від якоїсь подібної з ними групи) існує відоме одностайність, то стосовно питання про те, чи є головні групи членистоногих моно-або полифилетического, єдиної думки немає. Ми не збираємося вступати в цю дискусію, а сконцентруємо увагу на тій частині філогенії, яка відноситься до групи членистоногих Uniramia і від якої в кінцевому рахунку відбулися комахи. Зміни в характері сегментації у цієї групи членистоногих можна проаналізувати в світлі гомеозісних мутацій дрозофіли.
До ознак, що дозволяє вважати кольчецов предками членистоногих, відносяться лежить в основі їх будови метаметрія, розташування нервової системи на вентральної стороні, а серця - на дорсальній стороні тіла; це ознаки, які мають всі членистоногі. Незважаючи на ці загальні для обох груп ознаки дорослих особин, вони сильно розрізняються по ранніх стадіях розвитку. Для кольчецов, так само як для молюсків, характерно спіральне дроблення, тоді як у членистоногих дроблення в загальному центролецитальні, описане вище для дрозофіли. Тому одним з найбільших подій у виникненні членистоногих була різка зміна раннього розвитку при збереженні дорослими особинами основного плану будови. Після дроблення і гаструляції у цього черв'яка утворюється свободноплавающая личинка - трохофора. Ця личинка розділена двома віночками вій на три відособлені області. Передня, передротової, частина відокремлена від середньої, туловищной, частини прототрохом. Задня, пігідіальная, відділена від середньої частини телотрохом. У процесі розвитку личинки її тулубна частина поділяється на три відокремлених туловищних сегмента. На цій стадії у личинки можна розрізнити в цілому шість сегментів: передротової, ротової, три туловищних і хвостовий, або пігідієм. Личинка продовжує зростати шляхом додавання нових сегментів у зоні наростання, що знаходиться між останнім туловищние сегментом і пігідієм. Це зростання кзади супроводжується поступовим ускладненням структур, специфічних для кожного виду, на самих задніх сегментах. Після того як личинка досягне повного розвитку, вона в результаті метаморфоза перетворюється на дорослого хробака. Це останнє питання нас тут не цікавить; нам досить відзначити сегментарну структуру тваринного і те, як ця сегментарна структура змінюється на «наступної» стадії філогенезу комах. Коли вперше були відкриті Оніхофори, їх визнали «відсутньою ланкою» між кольчецов та вищими членистоногими. На перший погляд це здається правильним, і вони справді представляють собою проміжну форму. Однак Оніхофори не є прямими предками комах. Дроблення у них центролецитальні, і у видів, що мають великі, багаті жовтком яйця, бластодерма утворюється на поверхні маси жовтка шляхом целлюлярізаціі. У процесі гаструляції на среднебрюшной поверхні бластодерми формуються дві ектодермальне зародкові смужки і відбувається інвазія мезодермальних клітин в бластодерму. Великі гаструляціонние переміщення клітин виникають тільки у зв'язку з утворенням переднього зачатка середньої кишки. Ці переміщення починаються на презумптівном передньому кінці тваринного і поширюються до хвостового його кінця. Слідом за початком цих переміщень починається процес сегментації. За яким на цій стадії слід ряд схожих сегментів, що дають соміт. Як і у дорослих форм поліхет, нові сегменти утворюються субтермінально, в задній зоні наростання. Сегментація завершується до народження на світ (більшість видів онихофор живородні або яйцеживородні). Д зображена більш пізня стадія ембріогенезу Peripatopsis capensis, відповідна початку розвитку голови. Голова складається з переднього антеннальние сегмента, єдиного щелепного сегмента, на якому знаходиться рот, і сегменту, що несе ротові сосочки, де відкриваються протоки слизових залоз. Позаду голови розташований ряд однакових туловищних сегментів, від кожного з яких у дорослої особини відходить членистих нога, забезпечена кігтиків.
Антеннальние, щелепний і сосочковий сегменти - цефалізірованние туловищние сегменти, які мобілізовані, в еволюційному і онтогенетичному значенні, функціонувати в якості ротових частин. Надійних даних про наявність у онихофор процефаліческого сегмента, подібного наявному у кольчецов та вищих Uniramia, немає. Почасти тому сучасні Оніхофори вважаються реліктами, а не справжнім проміжною ланкою між кольчецов і наступною сходинкою в філогенезі комах. У багатоніжок - чергової сходинки філогенетичної сходи, по якій ми слідуємо, - є різного роду другорядні зміни загального плану розвитку, що спостерігається у онихофор. Дроблення у них продовжує залишатися центролецитальні, хоча у деяких груп гаструляція дещо змінена. Багатоніжки діляться на дві основні групи - дігнатіческіе і трігнатіческіе - розрізняються по сегментації голови. Можливо, що дігнатіческіе багатоніжки з'явилися в процесі еволюції пізніше, незважаючи на менш складну будову їх голови. Після гаструляції зародкова смужка перетинається поруч борозен, в результаті чого утворюється група сегментів: у трігнатіческіх багатоніжок - це головні, антеннальние, премандібулярние, мандибулярні, максиллярние. нижньогубні і від 3 до 6 туловищних сегментів. Ця стадія показана на прикладі Hanseniella. Як і у онихофор, повний комплект сегментів дорослої особини створюється в процесі ембріогенезу (в зоні наростання між передостаннім заднім сегментом і анальної областю). Подальший розвиток приводить до вдосконалення будови ходильні ніг, що є на кожному з туловищних сегментів, і до формування ротових частин з мандибулярні, максиллярние і нижньогубні сегментів. Премандібулярний сегмент несе лише тимчасовий придаток і не відіграє помітної ролі у формуванні голови дорослої особини. Лежачі попереду антеннальние і процефаліческій сегменти несуть антени і кліпеолабрум відповідно. Таким чином, у багатоніжок в освіті голови беруть участь не три, як у онихофор, а шість сегментів. Але, так само як і у онихофор, ці спеціалізовані сегменти виникли в результаті запозичення елементів з послеротовой туловищной області раннього зародка. У дігнатіческіх багатоніжок спостерігається своєрідне відмінність у типі сегментації. Сегмент, відповідний нижньогубні сегменту трігнатіческіх багатоніжок, не бере участь в утворенні ротових частин дорослої особини. Замість цього він перетворений на спеціалізований шийний сегмент (collum), утворюючи подобу шийки між головою і першим туловищние сегментом. В іншому характер сегментації в обох груп багатоніжок подібний. У приватному прикладі Pauropus silvaticus, представленому на рис. 8-12, А-Г, є ще одне різке і істотна відмінність. Для класу Pauropoda, до якого належить ця багатоніжка, характерний анаморфоз, а не епіморфоз, як у описаного вище представника Chilopoda. При розвитку з анаморфоз тварина вилуплюється з неповним набором туловищних сегментів. В, у тільки що вилупилося особини є всього три туловищних сегмента. Інші сегменти, які є у дорослої особини, отримуються в результаті субтермінально їх додавання в зоні наростання на задньому кінці тварини. Це не можна вважати ознакою дігнатізма як такого, тому що у Symphyla - групи трігнатіческіх багатоніжок - також спостерігається анаморфоз. Існування личинкової форми, що має всього три туловищних сегмента, було визнано частковим доказом того, що комахи виникли від якогось схожого з багатоніжки предка в результаті педогенеза. У такій можливості переконує вивчення примітивних безкрилих комах (Apterygota).
Серед безкрилих комах є групи, ранній розвиток яких подібно з розвитком або багатоніжок, або крилатих комах. Андерсон (Anderson) вважає ці варіації функціональними адаптаціями кожної окремої групи, а не суттєвими відмінностями, які спростовують наявність зв'язку між багатоніжки і комахами. Найбільш яскраво виражене схожість між багатоніжки, безкрилими і крилатими комахами і між самими безкрилими стосується способу сегментації зародкової смужки. У безкрилих, так само як і у трігнатіческіх багатоніжок, на початку процесу сегментації є шість головних сегментів, за якими йдуть три туловищних сегмента. У процесі подальшого розвитку в субтермінально зоні наростання допереду від термінального хвостового сегмента утворюються інші туловищние сегменти. Гнатоцефаліческіе сегменти поповнюються за рахунок туловищних елементів зародка і їх придатків, модифікованих в ротові частини. Головна відмінність безкрилих від багатоніжок полягає в тому, що їх тулуб розділене на груди, що складається з трьох сегментів, і черевце з восьми сегментів. Ходильні ноги є тільки на грудях, а придатки черевця сильно скорочені. Порівняння рис. 8-12, В і Г і 8-13, Е виявляє разючу подібність у будові тіла анаморфними багатоніжок і примітивних безкрилих комах; головна відмінність між ними - придушення у безкрилих комах розвитку кінцівок на сегментах, розташованих позаду третього туловищного сегмента.
Остання ступінь в філогенезі - крилаті комахи (Pterygota). Ми вже розглядали деякі аспекти раннього розвитку цієї групи на прикладі Drosophila melanogaster. Події раннього розвитку, описані для дрозофіли, спостерігаються у всіх інших крилатих комах, і немає потреби повторювати їх. В якості прикладу більш примітивної форми ми вважали за потрібне, однак, розглянути сегментацію зародкової смужки у жука Bruchidius. Так само як і у дрозофіли, у цього жука, мабуть, немає задньої зони наростання і сегментація відбувається одноразово. У нього є три гнатоцефаліческіх і три грудних сегменти, що утворюють відповідно ротові частини і груди. На відміну від безкрилих комах три грудних сегменти у нього диференційовані, причому від другого і третього сегментів відходять крила. У двокрилих відбулися подальші зміни: друга пара крил, що відходить від задньогрудей, редукувати, перетворившись на жужжальця, а спинка переднегруді сильно зменшена і у дрозофіли зведена до вузькій смужці кутикули. Черевні кінцівки, які у безкрилих скорочені, у всіх крилатих комах абсолютно відсутні. Крім того, премандібулярний головний сегмент у них погано помітний або відсутній зовсім. Ця редукція головних сегментів заходить ще далі у дрозофіли, у якої мандибулярні сегмент бере участь у формуванні ротових частин личинки, але не імаго. Слідуючи по філогенетичної сходах від кольчецов до крилатих комах, можна бачити поступове виникнення сегментованої структури і подальшу втрату деяких, але не всіх її елементів. Випадання функції генів bx + і pbx + перетворює двокрилих дрозофілу в більш примітивну чотирикрила форму. Функція гена Antp + необхідна для розвитку середньо-і заднегрудних сегментів. У відсутність цього гена груди зародка складається з трьох передньогрудна сегментів, які не несуть крил, тобто частково наслідують безкрилим формам. У відсутність всього комплексу ВХ-С задній кінець зародка складається з ряду однакових грудних чи туловищних сегментів. Такий набір сегментів нагадує трігнатіческіх багатоніжок. Нарешті, за відсутності комплексів ANT-C і ВХ-С розвиваються зародки з трьома головними сегментами і поруч однакових туловищних сегментів, що нагадує будову онихофор. Таким чином, поступово видаляючи відносно невелика кількість генетичного матеріалу, нам вдалося пройти досить великий відрізок еволюційного шляху. Ми не хотіли б, щоб читач прийняв ці аналогії надто буквально, і вважаємо за необхідне підкреслити, що описані тут атавізми не можна вважати справжніми. Делеція генів призвела лише до зміни індивідуальності деяких сегментів, але при цьому вони безперечно залишаються сегментами дрозофілід. Це показує, що містяться в цих локусах гени беруть участь у специфікації розвивається структури - в регуляції онтогенезу як такого. Вони грають роль перемикачів, визначаючи долю клітин шляхом регуляції дії генів, експресуються в кожному окремому сегменті. Перебувають під їхнім контролем структурні гени, мабуть, еволюціонували спільно з цими контролюючими гомеозіснимі локусами, але в той же час у відомому сенсі відокремлено від них.
На основі описаної тут філогенії комах і тонкої структури двох комплексів генів ми уявляємо собі еволюцію гомеозісних форм як ступінчасту дуплікацію з подальшою дивергенцією функцій. Самий відповідний відрізок філогенезу, де найлегше спостерігати цей процес, - перехід від багатоніжок до безкрилим і далі до крилатих комах. Гени iab визначають диференціювання грудей і черевця. За відсутності цих генів черевні сегменти стають грудними. Тому у генів iab виникла функція, яка могла пригнічувати розвиток кінцівок у задніх сегментів. Льюїс (Lewis) показав, що у дрозофіли є кілька таких локусів, можливо, по одному на кожний з восьми черевних сегментів.
Однак у безкрилих комах ці сегменти додаються один за іншим у процесі ембріогенезу; і можливо, що їм для цього потрібен лише один ген, який багато разів активується в міру додавання нових черевних сегментів. З виникненням типового для крилатих одночасного формування всіх сегментів могла статися серійна дуплікація гена iab як необхідний елемент такої зміни розвитку.
Можна вважати, що члени комплексу ANT-C виникли в якійсь ранній момент еволюції комах. Перехід від предка, подібного з кольчецов, до онихофор, а потім до багатоніжка був пов'язаний із залученням послеротових туловищних сегментів і перетворенням їх у гнатоцефаліческіе сегменти, що дають початок ротовим частинах. Цей процес здійснюється, принаймні частково, локусом proboscipedia. Крім того, гени Scr + і Antp + функціонують як перемикачі, необхідні для детермінації характерних рис (індивідуальності) першого і другого грудних сегментів. Можна уявити собі, що функції цих генів виникли, дуплицировать і дівергіровалі багато в чому таким же чином, як функції локусів ВХ-С. Можливо навіть, що ці два комплексу пов'язані між собою через дуплікацію: елементи комплексу ANT-C дали початок шляхом дуплікації якогось то попередникові комплексу ВХ-С.
До цих пір ми розглядали типи трансформацій, що викликаються гомеозіснимі генами, а також місце і терміни функціонування цих генів, не торкаючись того, як вони здійснюють перемикання. Це останнє питання фактично складається з двох частин: як регулюються самі гомеозісние гени і як вони в свою чергу регулюють характер генної експресії в межах кожного сегмента? Перш ніж спробувати відповісти на ці два питання, необхідно обговорити існуючі уявлення про спосіб становлення просторової структури.