Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эволюционная биология. Ч.2. Учебно-методическое пособие по курсу «Эволюционная биология»
.pdf
ний. Генное древо может быть либо ожидаемым деревом расстояний,
либо реализованным деревом расстояний. В ожидаемом древе длина
ветвей, ведущих к двум новым видам от общего предкового вида
должна быть равной как для видового, так и для генного древа. Соответственно, время после дивергенции между парой генов должно
быть идентичным. Когда скорость замен в генах постоянна, то ожидаемое эволюционное расстояние должно также быть одинаковым
вдоль каждой ветви. Этот тип древа принято называть ожидаемым
деревом расстояний. Когда подсчитывается число мутационных изменений или замен в гене, которые реально произошли (реализовались), то в этом случае длина каждой ветви может быть различной.
Этот тип дерева называется реализованным древом. Взаимосвязи
в филогенетических линиях организмов или генов могут быть визуализованы в древоподобной форме с корнем. Этот тип деревьев называется укорененным древом. Взаимосвязи могут быть выражены также в виде сети или графа. Их называют не укорененным древом.
Методы протеомики используют большинство методов молеку-
лярной биологии, развитых при реализации геномных проектов. Это –
такие методы как ПЦР (полимеразной цепной реакции), применение
различных векторов, автоматическое секвенирование ДНК и специализированные пакеты программ. Методы протеомики продолжают
развиваться и усовершенствоваться, представляя одно из ведущих
направлений генетики. Главные методы протеомики включают разделение и идентификацию белков, выделенных из клеток. Одним из
наиболее распространенных методов разделения белков является
двумерный электрофорез. Данные секвенирования аминокислотных
последовательностей, кроме прочего, используют для оценки эволюционного времени и прояснения генетических взаимосвязей организмов, хотя получение самих секвенс данных для полипептидов весьма
трудоемко. Определение первичной последовательности нуклеотидов
в ДНК много легче, но и это занимает много времени.
Для таксономических целей применяются различные методы (Nei,
1987; Avise, Wollenberg, 1997). Метод матрицы расстояний, по су-
ти, является фенетическим. Его основа – расчет попарных различий
между соответствующими генами всех видов, участвующих в таком
анализе. Гены каждого анализируемого вида сравниваются по каждой
позиции нуклеотидов, и чем больше найдено отличий, тем больше
будет «генетическая дистанция» между видами. Затем строится
91
матрица, в которую заносится это значение для каждой возможной
пары сравниваемых генов. Далее матрица расстояний является входной информацией для алгоритмов построения деревьев. На основе
матрицы среди анализируемых видов находят два – с минимальными
различиями в последовательности (метод ближайших соседей). Несмотря на то, что методы матрицы расстояний сейчас почти не используются, они применяются, например, для быстрого построения
филогений близкородственных бактерий и вирусов. Метод наиболь-
шей экономии. Этот подход более распространен при анализе мор-
фологических данных, а также какое-то время применялся и для молекулярных исследований. Первый этап анализа – это создание матрицы признаков. Каждый признак должен иметь хотя бы два варианта. Вариантов может быть больше, в морфологии они могут описывать разные формы и структуры. Суть этого алгоритма в том, чтобы
найти такое дерево, где присутствует наименьшее суммарное число
переходов от одного варианта в другой для всех признаков. Если на
кладограмме у какого-то таксона или группы таксонов вариант (апоморфный) отличается от предкового (плезиоморфного), то это называется «переходом из одного состояния в другое. Метод максималь-
ного правдоподобия. Для расчета кладограммы, помимо последовательности ДНК, надо выбрать модель замены нуклеотидов, на основании которой будут рассчитываться вероятности. Также в расчет
берется длина ветви или эволюционная дистанция между двумя таксонами. Во время анализа рассчитывается, какая длина ветви наиболее вероятна с точки зрения выбранной модели, вероятности всех ветвей кладограммы умножаются, и кладограмма, имеющая наибольшую
вероятность, считается правильной. Метод «Байесовский вывод».
Наиболее распространён в наше время и в общем похож на метод
максимального правдоподобия, поскольку также основывается на модели и длине ветвей. Но отличие Байесовского вывода в том, что тут
берется в расчет еще один фактор – апостериорная вероятность, которая рассчитывается на основании как исходных данных, так и полученных результатов анализа. Байесовский вывод в филогенетике поз-
воляет получить наиболее правдоподобное филогенетическое дерево
при заданных исходных данных, последовательностях ДНК или белков рассматриваемых организмов и эволюционной модели замен.
У молекулярных методов есть много преимуществ перед морфологическим анализом. Во-первых, ДНК содержит в себе множество дан-
92
ных, которые можно использовать в расчетах, – ведь в генах могут
содержаться сотни нуклеотидов. Чаще всего для оценки родства используют больше одного гена, тогда как для анализа на основе морфологических данных используют несколько десятков признаков. Вовторых, анализ ДНК считается более объективным. Морфологический
же анализ более достоверен при работе с таксонами высоких рангов,
чем на уровне видов, – просто потому, что чем выше ранг, тем лучше
отличаются группы, и тем легче отличить аналогичный признак от
гомологичного. В частности, анализ консервативных последовательностей рибосомальных РНК микроорганизмов позволил установить
К. Вёзе, что все живое на Земле делится не на два царства, как считали несколько десятилетий назад, – эукариот и бактерий, – а на три:
эукариот, бактерий и архей. Морфологическое сходство бактерий и
архей сочетается с большими различиями их молекулярного строения. Выделение ДНК не всегда доступно в палеонтологических
находках вымерших видов. Для оценки родства таких групп можно
использовать только морфологические методы. Не всегда результаты
молекулярных филогенетических методов вызывают доверие. Иногда
они не совпадают с устоявшимися «классическими» взглядами. Несовпадения могут быть не только из-за ошибок в самом анализе, но и
из-за того, что были неправильно выбраны гены. Гены, мутирующие с
высокой скоростью, подходят для выяснения родства между видами,
но не походят для анализа групп более высоких рангов. Но гомологичные гены в разных группах организмов могут меняться с разной
скоростью, поэтому гены, подходящие для анализа одной группы,
могут не подходить для другой группы того же ранга. Ни один моле-
кулярный филогенетический метод не застрахован от искажений, которые часто оказывают заметное влияние на топологию дерева. Сте-
пень риска при выборе признаков, подходящих для выяснения системы и филогении видовых комплексов, определяется, вероятно, уровнем их внутривидового консерватизма (видоспецифичности) и характером межвидовых взаимоотношений (на уровне разнообразных биологических показателей).
93
11.4. Эффективность комплексного
методического подхода в систематике и филогении
Очевидно, что в основе филогенетических построений должен лежать комплексный методический подход, значительно повышающий
надежность выводов, поскольку филогенез как система родственных
отношений строится на многообразии биологических показателей.
Использование морфометрического метода при таксономическом
анализе Diptera нередко сопряжено со значительными трудностями.
Иногда метод «работает» лишь на одной из стадий онтогенеза,
а в некоторых случаях вообще «не работает». Например, в близкородственном комплексе видов-двойников «Anopheles maculipennis»
(Сulicidae) только отличия в структуре и окраске яиц позволяют
с определенной надежностью разграничивать биологически дискретные формы, у которых личиночные и имагинальные признаки практически идентичны. Аналогичная ситуация характерна и для многочисленных представителей Simuliidae, Chironomidae, Drosophilidae.
Целесообразность применения в таких случаях анализа хромосом
определяется тем, что морфологические особенности хромосомного
аппарата, по-видимому, всегда носят видоспецифичный характер.
Вместе с тем следует отметить, что универсального признака, связанного со структурой хромосом, имеющего таксономическое значение,
до сих пор не найдено. В одних случаях имеются межвидовые различия в числе и морфологии митотических и мейотических хромосом,
в других отмечается высокий консерватизм этих параметров. Впервые
проведённое мной изучение архитектоники генома у Anopheles
и Drosophila (Стегний, 1979; 1993) показало, что пространственная
организация политенных хромосом в генеративной ткани имеет видовую специфику. Межвидовой хиатус достаточно велик, чтобы надежно распознавать виды по таким показателям как: наличие или отсутствие связей определенных хромосом с ядерной оболочкой, морфология хромоцентра и участков прикрепления хромосом к оболочке,
а также взаиморасположение хромосом в пространстве ядра.
Показано, что архитектоника генома (новый таксономический признак) позволяет различать все исследованные виды и даже те, которые имеют идентичную линейную структуру политенных хромосом (гомосеквентные виды).
94
Анализ гигантских (политенных) хромосом значительно эффективнее метафазного анализа и успешно используется в систематике
многих групп Diptera. Политенные хромосомы отмечены у двукрылых в разных тканях на личиночной стадии (слюнные железы, маль
пигиевы сосуды, кишечник) и стадии имаго (мальпигиевы сосуды,
питающие клетки яичников). Обычно структура и морфология дисков
политенных хромосом имеют видоспецифичный характер, межвидовые различия связаны с легко распознаваемыми фиксированными перестройками блоков хромосом – типа инверсий (реже дупликаций,
делеций); изменением локализации центромерных участков, количества и распределения гетерохроматина и числа ядрышковых, организаторов. Различия более высоких таксонов, кроме перечисленных реорганизаций, связаны со сложными перестройками хромосом (транслокациями). Благодаря анализу политенных хромосом в настоящее
время уточнена систематика в семействах Simuliidae, Chironomidae,
Culicidae, Drosophilidae. Причем во всех этих группах на основе сравнительного анализа политенных хромосом были описаны новые виды, как правило, почти (или полностью) неразличимые по внешней
морфологии. Помимо удобства для целей систематики метод, основанный на структурных особенностях политенных хромосом, оказался чрезвычайно эффективным для филогенетических построений при
анализе вышеприведенных групп Diptera.
Реконструкции филогении у двукрылых насекомых, основывающиеся на вышеуказанных принципах, показали высокую степень
надежности. Причем в ряде случаев хронологически изначально постулировалось существование того или иного звена в филогенетической цепи, а затем «гипотетический» вид обнаруживался в природе,
абсолютно точно соответствуя по хромосомной структуре своему
формальному гомологу. Так, вид A. beklemishevi, распространенный
в Палеоарктике, отличается по хромосоме 3L от большинства других
видов по двум перекрывающимся инверсиям, причем промежуточная
инверсионная форма точно соответствует неоарктическому виду
A. earlei. (рис. 11.2). Вначале (до анализа хромосом A. earlei) эта форма рассматривалась мной как гипотетическая.
Из принципа Хеннига следует, что чем больше видов близкородственной группы идентичны по структуре какой-либо хромосомы,
тем эта структура ближе к филогенетически исходной для данной
группы видов. Так у малярийных комаров комплекса «Anopheles
95
maculipennis» филогенетически исходной является хромосома 3R,
изображённая на рис. 11.1 (b) и хромосома 3L, изображенная на рис.
11.2 (c). Это согласуется с принципами филогенетической систематики и позволяет оценить направление эволюции не только отдельных
хромосом, но и целых видовых кариотипов.
Рис. 11.2. Межвидовые различия малярийных комаров комплекса «Anopheles
maculipennis» по хромосоме 3L: a – A. beklemishevi; b – A. earlei; c – A. freeborni,
A.hermsi, A. aztecus, A.occidentalis, A. atroparvus, A. labranchiae, A.melanoon;
A. maculipennis; A. artemievi; A. messeae (первичная форма); d – A. sacharovi; e –
A. martinius; d – A. messeae (гомозигота по инверсии)
96
Между тем, были обнаружены ситуации, когда структура политенных хромосом не может служить таксономическим признаком.
Проблема так называемых гомосеквентных видов (имеющих идентичную структуру политенных хромосом), которые в значительном
количестве были обнаружены в ряде групп малярийных комаров
и дрозофил, представляла значительное затруднение для цитосистематиков. Однако более детальный анализ гомосеквентных видов показал, что хромосомные различия между ними существуют и довольно четкие, касающиеся структурных преобразований гетерохроматических блоков в метафазных хромосомах. У гавайских дрозофил подобные различия позволяют четко различать отдельные гомосеквентные виды. Аналогичным способом распознавались гомосеквентные
виды Anopheles atroparvus и A. labranchiae, причем у последнего вида
гетерохроматизированное плечо X-хромосомы на метафазах выглядело вдвое длиннее. Давая краткую характеристику возможностям использования биохимических признаков в систематике и филогении
Diptera, следует отметить следующее. Современная техника электрофоретического разделения белков и ферментов в гелевых системах
позволяет улавливать мутационные различия отдельных локусов
и успешно используется при таксономическом анализе.
Обширные исследования, проведенные в семействе Drosophilidae,
показали, что межвидовые различия в электрофоретической активности по многим белкам и ферментам характерны для любых видовых
групп, в том числе и близкородственных видов-двойников. Факт, что
около 70% белковых (ферментных) систем у изученных групп организмов являются мономорфными и зачастую видоспецифичными,
демонстрирует большую значимость данного метода в систематике.
Видоспецифичность (инвариантность) по электрофоретической подвижности определенных белков, очевидно, связана с мономорфизмом генных локусов, кодирующих эти белки. Предполагается, что
этот мономорфизм связан с уникальными видовыми свойствами,
с жизненно важными функциями, не допускающими мутационных
замещений в подобных локусах. Анализ электрофоретической активности ряда ферментов, проведенный мной у видов палеарктического
комплекса Anopheles maculipennis, показывает, что некоторые ферментные локусы являются видоспецифичными. Выявлено 4 ферментных системы, по которым можно различать те или иные виды комплекса ma culipennis, однако в большинстве случаев можно говорить
97
не о видоспецифичности, а о групповой специфичности двух-трех
видов. Только A. beklemishevi показал видоспецифичность сразу по
4 ферментам (МДГ-3, ОТ, КДГ и Г6ФД). Эта изолированность вида
по ферментам коррелирует с серьёзными фиксированными отличиями
по хромосомам от остальных видов палеарктической фауны
«maculipennis», где в филогенетическом аспекте A. beklemishevi стоит
особняком (Стегний, 1991). Можно отметить, что метод анализа электрофоретически мономорфных ферментных систем успешно используется для диагностики многих видов. Причем особенно удобен этот
метод в тех случаях, когда таксономическая ситуация осложняется
отсутствием четких диагностических признаков видов по внешней
морфологии или по структуре политенных хромосом (гомосеквентные виды).
Проиллюстрируем это на примере изучаемой нами группы видовсиблингов палеарктического комплекса «Anopheles maculipennis». Для
систематиков-морфологов, как уже отмечалось, эта группа очень
трудна, поскольку кроме различий по структуре и окраске яиц она
не дискриминировалась на личиночных и имагинальных стадиях.
Изучение метафазных хромосом также не принесло эффекта; вся
группа имеет одинаковое число хромосом (2n = 6), исключительно
мелких и относительно сходных по морфологии.
Анализ политенных хромосом, наряду с гибридологическим, способствовал четкой идентификации большинства видов комплекса.
Обширное популяционно-цитогенетическое исследование фауны
maculipennis на территории Советского Союза позволило выявить
в Северной Евразии новый вид Anopheles beklemishevi Stegnii et
Kabanova (Стегний, Кабанова, 1976), отличающийся от остальных
фиксированными перестройками по всем хромосомам. Кроме того,
благодаря, проведенному нами хромосомному и гибридологическому
анализу восстановлена валидность среднеазиатского вида Anopheles
martinius Schingarev (рис. 11.3) (Стегний, 1976).
Таким образом, из восьми видов комплекса четыре четко различаются по хромосомной структуре: A. messeae, A. beklemishevi,
A. sacharovi, A. martinius. Две группы видов (A. atroparvus,
A. labranchiae) и (A.melanoon, A.maculipennis, A.artemievi), отличаясь
от остальных видов (и между группами) фиксированными хромосомными перестройками, являются гомосеквентными (рис. 11.4).
98
Рис. 11.3. Политенные хромосомы A.sacharovi (А), A.martinius (В)
и экспериментального гибрида между ними (а, б, в)
Рис. 11.4. Схема хромосомной эволюции видов палеарктического комплекса
«Anopheles maculipennis»: J3R, J3L – инверсии в хромосоме 3; XL* – инверсии
и сложные перестройки в хромосоме 1(XL)
99
Для выявления систематических и филогенетических отношений
в комплексе «A.maculipennis» мы взяли за основу данные гибридологического и хромосомного анализа с учетом биохимических (электрофоретических) видоспецифичных показателей. При этом важно было оценить не только палеарктическую, но и неарктическую фауну
maculipennis, хотя хромосомный анализ последней был проведен недостаточно четко. Гибридологический анализ, проделанный в разное
время и разными авторами, в том числе и мной однозначно свидетельствует, что как палеарктические, так и неарктические виды являются
репродуктивно изолированными. Изоляция выражается в нежизнеспособности или стерильности экспериментально полученных гибридов,
причем стерильными были всегда самцы (гетерогаметный пол), что
подтверждает правило Холдейна. В некоторых сочетаниях (atroparvus
x labranchiae; atroparvus х melanoon; melanoon x messeae) самки F1 были способны к возвратному скрещиванию. Однако интрогрессивная
гибридизация в природе между этими видами исключена, так как, вопервых, потомство от возвратных скрещиваний хотя и жизнеспособно,
но зачастую стерильно, и, во-вторых, эти виды, скорее, являются викарирующими, чем симпатричными. Анализ природных репродуктивных
отношений в зонах симпатрии подтвердил полную изоляцию видов.
Поскольку существуют сильные различия в степени выраженности
репродуктивной изоляции (при лабораторной гибридизации), было
принято допущение, что они отражают систематические связи и в какой-то мере филогенетические отношения (рис. 11.5). Условно я выделил три формы родства; 1) близкое (гибриды способны к возвратному скрещиванию); 2) среднее (гибриды жизнеспособны на имагинальной стадии, но стерильны); 3) дальнее (гибель гибридов на эмбриональных или личиночных стадиях).
Рис. 11.5. Схема степени генетической близости видов комплекса «Anopheles
maculipennis» на основе гибридологического анализа. Примечание. Двойные,
одинарные и пунктирные линии означают соответственно: близкое (гибридные
самки способны к возвратному скрещиванию, самцы стерильны), среднее (гибриды жизнеспособны на стадии имаго, но стерильны), дальнее (гибель гибридов на
эмбриональных или личиночных стадиях
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]