Иванов-Петров Александр (ivanov_petrov) wrote,
Иванов-Петров Александр
ivanov_petrov

Category:

Память и гомология 6

Гомология: два пути от ДНК. Итак, в целом развитие понятия гомологии шло в сторону увеличения формальности и строгости. Двигались всё глубже в поисках такой особенной морфоструктуры, которая бы точно свидетельствовала о родстве. Такой поиск «органа, отвечающего за родство» вполне соответствует желанию где-нибудь в организме найти кованую бляху с выбитым на ней правильным латинским названием организма. В конце концов спустились на максимальную глубину и дошли до первичной структуры ДНК. Отсюда, от этих первичных данных, имеется два пути дальнейшего изучения гомологии: 1) от гена к морфогенезу, 2) решение проблемы только на основании данных о первичной структуре ДНК.

От гена к морфогенезу (1). На первом пути можно пытаться проследить путь «от гена к признаку», то есть найти жесткую детерминацию органогенезов генетическим субстратом. Однако имеется множество трудностей: нерасшифрованность эмбриогенеза, обеспечение органогенеза сетью генов, запутанная система экспрессии генов, определение белковых продуктов третичной структурой ДНК, ситуации, когда гомологичные органы производятся негомологичными генами, а негомологичные – гомологичными (Butler, Saidel, 2000; Gilbert et al., 1996; Svensson, 2004) и т.д.

На пути «от гена к морфогенезу» собраны все темные места, которые столь упорно на протяжении уже двух веков пытались обойти, добиваясь большей четкости работы. Ведь ищут простой, точный, однозначный и механически определяемый (Wagner, 1989) способ установления гомологии. На этом пути можно получать чрезвычайно интересные результаты (обобщения см. напр. Ferrier, Mingullon, 2003; Conway-Morris, 2003; Valentine, Jablonski, 2003; Finnerty, 2003; Technau, Scholz, 2003), но должной не подверженной сомнениям точности, простоты и однозначности при решении таких проблем, как происхождение многоклеточности, билатеральной симметрии, кембрийского взрыва образования типов – не находится. Приходится строить модели связей генов и органогенезов (Davidson et al., 2003; Hinman et al., 2003; Revilla-y-Domingo, Davidson, 2003), совершая эксперименты in silico и пытаясь сопоставить полученные разными методами результаты. Полученные таким образом «общие принципы эволюции» (Davidson et al., 2003) пока не очень впечатляют – они «беднее» полученных на этапе построения «эволюционных сценариев» и вряд ли более устойчивы к критике. Эти работы (а также Hall, 1992; Dickinson, 1995; Levine, Davidson, 2005) показывают крайнюю сложность связей и зависимостей, работающую между геном и макроморфологическим признаком. В результате между данными о первичной структуре ДНК и макроморфологией возникает множество разрывов – например, по данным о наличных белковых продуктах, из которых строится цитоскелет, невозможно предсказать форму цитоскелета клетки (Harold, 2001). Гомологии различных иерархических уровней не могут быть «переведены» друг в друга (Roth, 1988; Bolker, Raff, 1996; Abouheif, 1997; Hall, 1998).

Преодоление этих трудностей приводит к «нормальной» ситуации: поиски способов «перевода» гомологии с уровня на уровень, разрешение противоречий… На выходе можно получить достаточно общую теорию гомологии, но она, конечно, не будет обладать нужной механистичностью и формальностью – придется каждый раз проводить специальное исследование, а не руководствоваться формальным критерием различения. По мнению Baguna, Garcia-Fernandez, 2003, вторая и третья волны evo-devo характеризуются вниманием к сравнительным и экспериментальным исследованиям, и предполагаемая ранее многими энтузиастами простота получения фундаментальных результатов сменяется достаточно привычной для биологии сложностью – полученной уже на новых методиках исследования и в рамках нового понятийного аппарата.

Гомология первичной структуры ДНК (2). Второй путь построения понятия гомологии – ограничиться только первичной структурой ДНК. Это позволяет разработать сложный, но точный и механически воспроизводимый способ установления происхождения. На этом пути утверждается, что старая, «историческая» гомология обязательно требует исследований, теоретических конструктов и не вытекает напрямую из эмпирических фактов (Svensson, 2004), в то время как новая гомология – близка к эмпирии и не требует теоретических допущений (Cracraft, 2005, p. 352). В этом случае «просто» устанавливается степень идентичности фрагментов первичной структуры ДНК, что и является прямым указанием на степень гомологии. Бляха найдена.

Что не устраивает в столь точном методе установления гомологий? Ведь действительно относительно гомологии первичной структуры ДНК можно достигнуть максимального уровня точности суждений. Однако эта точность может быть получена лишь при потере содержательности высказывания. Вопрос ставился о происхождении одной формы от другой – ответа на него нет. Из суждений о гомологии первичной структуры и выводов о цепочке предков этой структуры нельзя делать вывод о цепочке форм – ведь для того, чтобы получить этот ответ, пришлось отказаться от связи «первичная структура ДНК» - «внешнее проявление формы». «Вернуть» форму можно лишь пройдя путем меньшей точности – а не подменяя непройденную дорогу готовым решением в виде связанных черточками латинских названий.

Не дырка в логике, но междисциплинарная лакуна.
На этом пути мы сталкиваемся с междисциплинарной лакуной. Логика сравнительного анатома (и филогенетика) такова: вижу различие признаков у разных форм. Что это значит? Как они соотносятся друг с другом? Какие преобразования привели к изменению признака и каковы причины преобразований? После длинной череды «передачи вопроса» задача попадает к молекулярному генетику. Но для него она выглядит совершенно иным образом.

Молекулярный генетик говорит: для меня это вопрос, решаемый в прагматической плоскости. Он находит некую последовательность нуклеотидов, и вопрос звучит: что это такое? Для того, чтобы это понять, делается eё BLAST в генбанке - там идет чисто фенетический расчет того, что называют Parwise distances, т. е. программа вычисляет степень идентичности (гомологичности, если угодно) неизвестной последовательности с другими известными. Таким образом, молекулярный генетик получает ответ на свой вопрос.

С точки зрения исходного вопроса, появившегося у эволюциониста или филогенетика, этот ответ – бессмыслен. Молекулярный генетик получил общий ответ, пригодный для практики молекулярно-систематических исследований. Этот ответ общий в том смысле, что отвечает на вопрос о гомологии локусов (не генов – т.к. не каждый локус – ген, бывают и некодирующие локусы (интроны), для которых дорога «вверх», к макроморфологическим признакам, не означена). Этот метод не позволяет перейти к органогенезам, не позволяет применить функциональный подход («зачем нужен такой-то белок?»), но точность этого метода феноменальная. Построив кладограмму, молекулярный генетик тем самым вычисляет траекторию движения данной группы во времени. С точки зрения гомологии, этот тезис выглядит так: гомологичные структуры программируются сходными («одними и теми же») генами (Davidson et al., 1995).

Именно потому, что вопрос проходит в своем развитии через междисциплинарную лакуну, крайне трудно объяснить, что же теряется на этом пути. Мы получаем заключение о точном, но бессмысленном сходстве. Строго говоря, полученные данные нельзя включать в дальнейшие исследования – единственно корректное их использование возможно только в рамках молекулярной генетики. Мы не имеем права приписывать «латынь» (названия) полученным «комплексам гомологии», поскольку пути между генами и органогенезами не выяснены, постольку мы гомологизируем именно локусы, а не целые организмы. Классическая сравнительная анатомия знает, части чего она гомологизирует, относительно генов (а на деле – секвенсов) этого сказать нельзя.

Ошибка не в действиях молекулярного генетика, а в «обратном переводе», который совершают молекулярные исследователи, не задумываясь, что он лежит за рамками их компетенции. После точного установления сходства (локусов или целых генов) молекулярный генетик строит кладограмму и делает заключение о родстве таксонов. По форме этот результат точно такой, какой мог бы получиться и у классического сравнительного анатома. Полученный на совершенно иных основаниях, он тем не менее служит началом длинного пути реконструкций: филогенетик или анатом получает «из неизвестных глубин» подсказку о том, как «на самом деле» соотносятся формы – и выстраивает на этой подсказке последующие выводы об органогенезах, смене форм и т.д.

Ошибка - с точки зрения чисто формальной – заключается именно в операции наименования. Молекулярный генетик не делает никакой ошибки на всем протяжении своей работы в профессиональной области. Ошибкой является форма результата: вписывание в полученную кладограмму названий таксонов. Взятые в начале локусы были "отделены" от того, частями частей чего они являлись, чтобы их получить, мы отказались от всякой эмбриологии и органогенезов. Производилось сравнение не организмов или их частей, а локусов, к ним - грубо говоря – «латынь» не относится. Именно благодаря этому отказу от сложнейших проблем соотношения локуса и макропризнака мы смогли получить точный и однозначный результат гомологизирования – а после этого неправомерно получили вывод об «эволюции группы». Правда, сейчас все чаще различают выводы о «деревьях видов» и «деревьях генов» - общего решения нет, но осторожность уже наличествует.

Части частей – вассал моего вассала…
В большинстве молекулярно-генетических исследований игнорируется сама постановка этого вопроса. Подразумевается, что раз генетический материал взят у какого-то организма, то «автоматически» можно полагать, что название и весь интенсионал уже включены в его молекулярное исследование. Между тем там проходит крайне затрудняющая корректную работу граница. В общем виде сформулируем: части частей могут не являться частями целого. Говоря иначе, именование – это операция означивания, придание значения. Использование имени таксона и является «печатью», удостоверяющей, что некие рассуждения означены в применении к данному таксону.

В наиболее ясной форме это можно показать на простом примере, не вызывающем спора. Волос является частью организма. Однако не все детали атомарного строения волоса являются частями организма. Например, строение атомов водорода и углерода не управляется органическим целым, эти части частей частей… не входят в организм: с точки зрения этого (атомарного) уровня организации, - живого организма не существует. Мы можем взять в организме некий фрагмент, исследовать его – но наши результаты не будут иметь никакого отношения к организму ( сточки зрения самого организма). Гудвин (Goodwin, 1985) выразил это положение следующим образом: гены определяют то, какие молекулы будут производиться в организме, но молекулярное строение организма в общем случае не определяет его форму (см. также Goodwin, 1994).

Поэтому редукция вниз находится в опасной близости от того уровня исследования, на котором не означен вопрос об организме, виде, эволюции и т.д. Мы уверенно включаем ДНК в состав организма – ведь мы знаем о мощном регулирующем влиянии генов на развитие, знаем о видовой специфичности генома. Однако прямо воспринимать части ДНК как такие же части организма, как глаза или конечности не представляется возможным – именно на этой границе исследования частей, когда молекулярное строение организма переплетается с молекулярным строением, не имеющим никакого отношения к организму (с точки зрения самого организма), следует быть особенно внимательным.

Даже на макроуровне вопрос о гомологии не имеет однозначного решения, а на уровне молекулярных исследований эта неоднозначность чрезвычайно возрастает, в прямом контрасте со степенью однозначности ответа о точности гомологии. Чем точнее мы определяем гомологичность структур в рамках одной концепции гомологии, тем сложнее интерпретация в рамках другой концепции.

Подчеркнем: ошибка не в профессиональных рассуждениях молекулярного генетика, а в «наивном» и непрофессиональном использовании результатов его работы. Работа молекулярного генетика кончается с построением кладограммы по локусам. Если же «поверить» внешнему виду этой кладограммы с «латынью» в узлах, мы попадаем в очень странную ситуацию. Благодаря генетическим признакам, жестко маркирующим таксоны, мы выстраиваем последовательность таксонов, которую трактуем генеалогически. Но ведь потом совершаются обратные операции. Узнав, что таксон А - предковый к В, делаются выводы о том, почему он утерял или приобрел сегментацию, какой образ жизни вел, какие морфологические преобразования происходили – получают «решение» вопросы об истории таксона. Но ведь это запрещенная операция: для того, чтобы взяться за гомологизацию первичной структуры ДНК, мы отказались отслеживать значение последовательностей нуклеотидов, решать задачу перехода к органогенезам. И вдруг мы получаем результат, считающий такую задачу решенной. Получается странная картина: прослеживание цепи от гена к признаку впрямую - очень трудная задача, туманная и в общем случае нерешаемая. Но стоит нам установить гомологии первичной структуры ДНК – и мы вдруг обретаем возможность очень многое сказать о развитии разных морфологических признаков, развитии группы и т.д. Мы получаем знание из ниоткуда.

Если некая последовательность нуклеотидов является общей для растений, птиц, млекопитающих - она (возможно) возникла до их разделения. Это значит, что происходило переозначение последовательности – и мы не можем поставить в соответствие этой последовательности никакой внешний признак. Эта последовательность сама по себе бессмысленна – и даваемое ею родство может быть обозначено как бессмысленная гомология. В поисках «истинной генеалогии» мы получаем все более операциональные ответы, означенные лишь в рамках задачи поисков предка – но не дающие новых знаний, помимо собственно установления этого родства. Родство означает только само себя. Мы получаем с помощью данного метода только вложенное нами в метод значение, ничего больше. Одни и те же гены программируют разные структуры у разных организмов, сходные признаки в эмбриогенезе могут развиваться очень различно. На этих основаниях делается вывод: «Ясно, что генетические объяснения гомологии неверны» (Wells, 1997). Эта резко высказанная точка зрения хорошо указывает на суть проблемы.

Мы сталкиваемся с множеством случаев различий между гомологией генов и гомологией морфоструктур, гомологией генов и гомологией видов (Zuckerkandl, 1994; Dickinson, 1995; Gerhart, Kirschner, 1997; Duboule, Wilkins, 1998; Wray et al., 1998). Гомология генов вовсе не является последним словом, завершающим дискуссию о гомологии. Сейчас различают «деревья генов» и «деревья видов», но это не решение проблемы, а лишь расчистка поля для решения. Гомологии генов следует придавать тот же смысл, что и данным о гомологии любых иных морфоструктур организма. Известно, что данные о гомологии, полученные в частном исследовании лишь одной морфоструктуры, могут противоречить иным данным о гомологии, полученным на других структурах. Результирующая филогенетическая гипотеза может опираться на ряд гомологий и противоречить иным гомологиям. Из таких противоречий мы получаем сведения о параллельном развитии и образовании уровней организации. Результирующая гипотеза о филогенезе может противоречить результатам генной гомологии. В каждом отдельном случае построение результирующей филогенетической гипотезы требуется проводить достаточно сложное исследование, включающее противоречивые результаты гомологизации по различным частям организма.

Гомология и значение
Попробуем очертить контуры логической дырки, в которую попадает исследование по молекулярной гомологии. Установлено, что каждой форме живых организмов соответствует определенная первичная последовательность ДНК. У формы есть части (у вида – признаки), у ДНК есть части. Установить однозначной связи между частями формы и частями ДНК не удается. Тогда задаем вопрос о происхождении одной формы от другой. Решаем задачу о соответствии частей ДНК и получаем ответ – последовательность изменений в ДНК. Установив генеалогию (по ДНК), делаем вывод о значении изменений частей формы (осмысленное высказывание об адаптивной эволюции) – вот в этом месте логический сбой. Этот ответ не может быть дан на исходный вопрос – соотношение частей ДНК не говорит о соотношении частей формы.

В рассуждениях «от молекулярной гомологии» есть и еще один логический дефект. Предположим, что молекулярная гомология может выстроить ряд форм и дать направление его считывания. После этого эволюционист или сравнительный анатом может делать выводы из ряда макропризнаков. Но ведь способы работы этих специалистов ненадежны. Если для макропризнаков не удавалось раньше построить ряд и определить его направление – где уверенность, что после подсказки молекулярной гомологии классические гомологии перестанут ошибаться? То есть, если мы приняли, что макропризнаки не позволяют нам уверенно сближать и сравнивать организмы, мы не должны опираться на них в своих выводах. И тогда мы остаемся только при том, что способна дать молекулярная гомология: ориентированный граф кладограммы, построенной на признаках первичной структуры ДНК. С одной стороны, это может восприниматься как решение проблемы – мы узнаем происхождение «всех групп». С другой – из этого решения мы не можем делать никаких выводов, не можем использовать его для решения других задач. Cracraft (2005) утверждает, что «биологическая» гомология (гомология процессов, «новая» гомология, гомология evo-devo) не может быть основанием для изучения эволюции, а «старая» гомология неотменима – ею всё равно все пользуются – все, кто использует названия генов, их продуктов, клеточных структур, - и далее до названий органов и таксонов.

Мы можем заключить: родство, устанавливаемое методом исчисления сходства первичной структуры ДНК, сталкивается с проблемой, которую в общей форме можно назвать проблемой смысла и значения. Это «высокотеоретическое» рассуждение вытекает из достаточно простых эмпирических исследований. Основные регулирующие генетические структуры (Hox/ParaHox гены) Metazoa были сформированы уже у Cnidaria (Finnerty, Martindale, 1999; Hobmayer et al., 2000; Spring et al., 2002; Scholz, Technau, 2003; Yanze et al., 2001; Hayward et al., 2002; Kozmik et al., 2003; Seipp et al., 2001; Wikramanayake et al., 2003). У Cnidaria они имели, разумеется, иное значение, чем у позднее развившихся Metazoa. Этим генам Cnidaria нельзя приписывать современное значение, современную их функцию. На подобных основаниях иногда делают вывод, что такие гены играют роль переключателей, обеспечивая у разных организмов разные структуры (Wells, 1996). Можно установить лишь наличие последовательности первичной структуры ДНК. Некоторые авторы видят в этом месте основную проблему программы evo-devo и соответствующих областей молекулярной генетики. Так, Balavoine, Adoutte, 2003 спрашивают в связи с Нох-генами: для чего служит сегментация, отчего она столь широко распространена? Нахождение сходных генов у далеко дивергировавших организмов ставит вопрос (Baguna, Garcia-Fernandez, 2003) – что эти гены делают у столь разных организмов и в самом ли деле результаты их работы можно считать гомологичными?

Крайне трудно разобраться в связях, соединяющих первичную последовательность ДНК и макроморфологию, и в любых программах evo-devo этот разрыв вызывает большую тревогу. Пока нет отчетливых представлений, как его можно заполнить – об этом говорят Wray, Abouheif, 1998; Rudel, Sommer, 2003; Hall, 2003. Один и тот же ген может вызывать развитие вульвы у нематод, глаза у дрозофилы и мезодермы перед сомитами у позвоночных (Wray, Abouheif, 1998; Pourquie, 2003), центральную нервную систему у позвоночных и насекомых (Sprecher, Reichert, 2003; Ghysen, 2003), нервную трубку позвоночных и крыло насекомых, крылья позвоночных, насекомых и листья растений. Таких примеров всё больше и больше.

По этим причинам понятия о гомологичных генах и гомологичных органах расходятся («признаки, контролируемые идентичными генами, не являются с необходимостью гомологичными»; «гомологичные структуры (идущие от общего предка) могут не контролироваться гомологичными генами» - de Beer, 1971; Svensson, 2004). Говорят уже о «генном параллелизме» - независимом рекрутировании исходной генной сетью, обеспечивающей данный органогенез, сходных «посторонних» генов – для решения общих задач (морфогенеза) (Baguna, Garcia-Fernandez, 2003). Развитие гомологичных структур у тесно связанных таксонов может обеспечиваться негомологичными генами (Patel et al., 1992; Rudel, Sommer, 2003). Результаты исследования экспрессии генов показывают, что такие работы недостаточны для идентификации морфологических гомологий (Svensson, 2004). При этом, разумеется, во множестве случаев гомологичные гены контролируют гомологичные структуры – то есть мы опять получаем ситуацию, когда избранный для свидетельства о «безусловном родстве» метод в большинстве случаев свидетельствует о родстве, но иногда – ошибается.

Следуя программе молекулярной генетики, мы из обсуждения целей попадаем в обсуждение причин. Оставляя в стороне методологические споры о том, что более приличествует науке, можно констатировать: рассуждения вида «эволюционных сценариев» были не слишком строгими, точными, больше говорили о значении тех или иных изменений и меньше – о причинах. Но пришедшие на смену молекулярно-генетические исследования страдают противоположным недостатком: усматривают причины изменений, но лишены языка для разговора о целях (например: Cohn, 2002; Gilbert, 2003; Smith, 2001), что может оказаться важным. В индивидуальном развитии распространены эквифинальные процессы, где цели «важнее» используемых по мере надобности причин (см., напр., подтверждение теории Уоддингтона молекулярно-генетическими исследованиями - Rutherford, Lindquist, 1998; Queitsch, Sangster, Lindquist, 2002; Todd et al, 2004), а в филогенезе весьма распространены каузальные процессы. В каждом случае разработанный теоретический аппарат с большим успехом ловит нехарактерные, «дополнительные» для изучаемого процесса связи: аппарат исследования филогенеза (например, с помощью классических сравнительно-анатомических гомологий) – эквифинальные значения, а аппарат исследования молекулярной генетики и evo-devo (процессов индивидуального развития на молекулярном уровне) – каузальные связи. При этом большинство ученых хочет изучать каузальные процессы, заключать от причин к следствиям (Cracraft, 2005).
Tags: biology3
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 12 comments