Czym jest Evo Devo?

DEFINIOWANIE EVO DEVO

NOVA: Zrobiło się głośno o evo devo. Na czym polega kluczowa idea i dlaczego jest tak ekscytująca?

Cliff Tabin: Ewolucyjna biologia rozwojowa, lub „evo devo”, to szeroki termin, który obejmuje wiele rzeczy. I różni ludzie używają tego terminu nieco inaczej, a także to, co czyni go interesującym dla nich, różni się w zależności od naukowca.

Dla mnie, zaczynam od spojrzenia na stronę rozwojową. Rewolucja w biologii rozwojowej, a także rewolucja w naukach biologicznych jako całości, doprowadziła nas do punktu, w którym faktycznie możemy zacząć rozumieć, jak geny sprawiają, że embrion tworzy się tak, jak się tworzy, dlaczego kończyna tworzy się w pierwszej kolejności, a następnie dlaczego ręka różni się od nogi, dlaczego serce, które zaczyna się jako rurka w środku, składa się, aby być po lewej, a nie po prawej stronie. Zaczynamy rozumieć te rodzaje naprawdę fundamentalnych pytań, i to jest niesamowite samo w sobie.

Dochodzimy również do punktu, w którym możemy zrozumieć nie tylko to, jak powstaje kończyna, ale jak proces ten może być zmieniony w to, co jest rzeczywiście subtelne sposoby, takie jak to, że kończyna przyjmuje formę skrzydła nietoperza versus ludzkiej ręki versus płetwy. I to dla mnie jest ogromnie ekscytujące.

Więc, dla mnie, fundamentalnym aspektem evo devo jest zrozumienie jak rozwój jest podrasowany w czasie ewolucji.

Jednym z kluczowych odkryć w evo devo jest to, jak podobne są nasze geny do genów wszystkich innych zwierząt, prawda?

Tak. Jedną z najbardziej zdumiewających niespodzianek w czasie, gdy zajmowałem się nauką, było odkrycie, że geny, które są zaangażowane w tworzenie zwierząt tak różnych jak muszka owocowa i człowiek, to zasadniczo te same geny. Kiedy myśleliśmy o takich rzeczach, powiedzmy 20 lat temu, trzeba było założyć, że geny potrzebne do stworzenia muszki owocowej będą zawierały instrukcje dotyczące skrzydeł, geny, których nie potrzebujemy. I odwrotnie, mielibyśmy geny dedykowane do stworzenia ludzkiej kończyny lub ludzkiego serca, których mucha nigdy by nie miała. Oszałamiającym odkryciem było to, że, w pierwszym przybliżeniu, te same geny są obecne w obu i są używane w obu.

Jest to najpiękniejszy proces widząc wyłanianie się organizacji.

Teraz, z perspektywy czasu, zdajemy sobie sprawę, oczywiście, że muchy i ludzie są zarówno zwierzętami. Mieliśmy wspólnego przodka. Może to był nijaki, mały robakopodobny twór, ale ten mały robakopodobny twór miał już zestaw genów, które sprawiły, że jego głowa różniła się od ogona, a jelita od serca. Dla tego robaka do ewolucji w muchę, lub do ewolucji ostatecznie do człowieka, te geny były używane w różny sposób, w różnych kombinacjach, z różnym czasie.

Fundamentalnie, zestaw narzędzi genetycznych, jak to nazywamy, był już tam we wspólnym przodku. I ten przodkowy zestaw genów był wystarczająco potężny i wszechstronny, aby dostarczyć materiału do generowania różnorodnych form życia zwierzęcego, które teraz widzimy na Ziemi. To było coś, czego nikt się nie spodziewał i co sprawiło, że badania nad różnymi organizmami stały się bardzo głębokie. Oznacza to, że to, czego można się nauczyć, studiując rozwój muchy, ma bezpośrednie przełożenie na zrozumienie sposobu, w jaki powstajemy my sami, ponieważ tak bardzo jak mucha różni się od człowieka i jak dawno temu się rozeszliśmy, używamy w zasadzie tych samych genów do robienia tego samego – do tworzenia organizacji w embrionie.

A ty i inni biolodzy nigdy się tego nie spodziewaliście.

Założyłbym się o wszystko, że tak nie będzie. Pomyślałbym, że geny zaangażowane w tworzenie muchy byłyby inne niż te, które tworzą człowieka. Pomyślałbym również, że potrzeba o wiele więcej podstawowych genów w tym zestawie narzędzi, aby stworzyć człowieka. Pomyślałbym, że geny, których używasz do wywołania formacji serca będą zupełnie inne niż te, których użyjesz do zrobienia kości, które będą zupełnie inne niż te, których używasz do zrobienia przedniej strony embrionu innej niż tylna strona embrionu, i tak dalej.

Okazuje się, że ten sam gen lub geny są używane w kółko, tylko na różne sposoby i kombinacje z innymi genami w komórce. I używamy tego, co uznałbym, opierając się na mojej wcześniejszej intuicji, za śmiesznie małą liczbę genów.

WSZYSTKO O EMBRYO

Fakt, że wszyscy dzielimy wspólny zestaw genów, jest łatwo widoczny na etapie embrionalnym, nieprawdaż? Bardzo wcześnie w swoim rozwoju wszystkie zwierzęta wyglądają w dużej mierze podobnie.

Tak. Jedną z rzeczy, która była dyskutowana od 1800 roku jest to, że jeśli spojrzysz na embriony różnych kręgowców – czy to ryby, salamandry, żaby, kurczaka, myszy, czy człowieka – we wczesnych stadiach wyglądają one bardzo podobnie. W rzeczywistości przechodzą one przez etapy, w których są prawie nie do odróżnienia. Poważny profesjonalista przyglądający się im z bliska pod mikroskopem może oczywiście dostrzec różnice niemal od samego początku. Ale podobieństwo na wczesnych etapach jest naprawdę niezwykłe.

Jednym z powodów, dla których myślę, że tak jest, jest to, że wczesne aspekty umieszczania nóg we właściwym miejscu, co głowa różni się od ciała, te bardzo wczesne i bardzo podstawowe rzeczy muszą odbywać się w pewnej skali podyktowanej przez zakres, w którym kluczowe cząsteczki są w stanie działać. Kiedy więc wszyscy jesteśmy mniej więcej tej samej wielkości, czy to morświn, człowiek czy małpa, zachodzą te same procesy. Później pojawiają się różnice. Więc na wczesnych etapach to nie tylko laik, który myśli, że wyglądają podobnie; na podstawowe sposoby naprawdę są podobne.

Jednym z wielkich momentów w historii ewolucji jest ten, kiedy płetwa po raz pierwszy wyewoluowała w kończynę.

Zdumiewające jest oglądanie poklatkowego rozwoju embrionu, jakiegokolwiek zwierzęcia. Musisz mieć fajną pracę.

Jedną z wielkich rzeczy w mojej dziedzinie jest możliwość oglądania rozwijających się embrionów. Jest to najpiękniejszy proces obserwowania wyłaniania się organizacji, czy to na fotografii poklatkowej, czy pod mikroskopem w czasie. Oglądanie tego jest oszałamiająco piękne, a cały proces jest tak fundamentalnie piękny, że estetyka połączona z logiką jest po prostu przytłaczająca.

TWEAKING THE BEAK

Dlaczego zdecydowałeś się badać formowanie dzioba u zięb Darwina?

Cóż, wraz z postępem technologicznym i wzrostem naszej wiedzy na temat rozwoju doszliśmy do punktu, w którym realistyczne stało się myślenie o próbie zrozumienia, w jaki sposób instrukcje rozwojowe zostały podrasowane, by zapewnić różnorodność w przyrodzie. Nie chcieliśmy patrzeć na skrajnie różne zwierzęta, ponieważ istniałoby między nimi wiele różnic i byłoby zbyt trudno określić, co tak naprawdę się dzieje. Chcieliśmy przyjrzeć się zwierzętom, które są bardzo blisko spokrewnione i które w idealnym przypadku mają tylko jedną strukturę, która różni się w bardzo istotny sposób pomiędzy gatunkami.

Zięby Darwina na Galapagos są tego doskonałym przykładem. Są to ptaki, które są zasadniczo ten sam organizm, ale mają dzioby, które są bardzo różne kształty. Ta różnorodność w kształcie dziobów pozwoliła im na prowadzenie bardzo różnych stylów życia. Dziób jest fundamentalnie ważną strukturą – ma ogromne znaczenie ekologiczne – a te różne gatunki zięb były milion lat temu tylko jednym gatunkiem ptaków. Jest to więc jeden z powodów, dla których zięby Darwina były dla nas bardzo atrakcyjne.

I co znaleźliście?

Przed przeprowadzeniem naszych badań było możliwe, że zupełnie inne geny były zaangażowane w tworzenie dziobów o różnych kształtach. Nie sądziliśmy, że jest to prawdopodobne, w oparciu o to, co wiedzieliśmy o tym, jak geny kontrolują rozwój, ale było to możliwe. To, co znaleźliśmy, wzmocniło ogólny wyłaniający się obraz: że te same geny są zaangażowane w tworzenie ostrego, spiczastego dzioba lub dużego, szerokiego, rozbijającego orzechy dzioba. Różnica polega na tym, jak bardzo gen się włącza, kiedy się go włącza, a kiedy wyłącza – subtelne różnice w regulacji. Określone geny są niezbędne do stworzenia każdego dzioba, ale to właśnie ich podrasowanie – ilość genu, moment włączenia genu, czas działania genu – tak naprawdę robi różnicę.

RĘKA I NOGA

Czy ten sam rodzaj podrasowywania idzie w tworzenie kończyn?

Tak, i w tym momencie, w bardzo fundamentalny sposób, rozumiemy dużą część regulacji molekularnej, geny, które mówią kończynie, jak się formować. Rozumiemy, jak wczesna masa komórek otrzymuje informacje, które mówią jednej grupie, by stała się jedną strukturą, a innej grupie, by stała się inną. Rozumiemy, w jaki sposób tkanka zaczyna tworzyć kość, a nie na przykład ścięgno. W bardzo fundamentalny sposób znamy teraz geny, które są odpowiedzialne za to, że twoja kończyna jest taka, jaka jest.

To sprawia, że na przykład ręka jest taka, jak noga?

Zgadza się. Jak powiedziałem wcześniej, fundamentalna struktura kończyny, którą widzimy w naszym ramieniu, powiedzmy, jest rekapitulowana z pewną zmiennością u różnych zwierząt, aby służyć jako skrzydło lub płetwa. Ale będzie również zobaczyć różnice w strukturze kończyny zajmuje w ramach własnego ciała. Ręka i noga są zasadniczo podobne struktury – na przykład, jak przejść od barku lub biodra w kierunku palców lub palców, masz jedną kość w górnej kończynie, a następnie dwie kości w dolnej kończynie, a następnie wiele kości tworzących pięć cyfr. Kończyna przednia i tylna są zbudowane na tym samym podstawowym planie.

Nie sądzę, żeby trzeba było oglądać pokazy przyrodnicze, żeby być oszołomionym różnorodnością życia na Ziemi.

Wiemy teraz, że istnieją specyficzne geny, które są włączone w kończynie tylnej, w nodze, które nie są włączone w kończynie przedniej, w ramieniu. Kiedy są włączone, że wczesny pączek kończyny dostaje więcej z charakteru nogi. Istnieją inne geny, które są obecne tylko w przedniej kończynie lub ramienia na wczesnych etapach w pąku kończyny. Tak więc, zasadniczo, różnica między ramieniem i nogą może być śledzone z powrotem do różnic w genach w ramach wczesnego pąka kończyny. Te geny specyficzne dla przedniej lub tylnej kończyny wpływają na ogólny zestaw instrukcji kończyny, które są ustanawiane przez inne geny, takie, że wynik jest ręka lub noga.

Bierzemy nasze kończyny za pewnik, ale ewolucja kończyny z płetwy ryby sposób z powrotem kiedy był ogromny skok naprzód, nie było to?

Jeden z wielkich momentów w historii ewolucji jest, gdy płetwa po raz pierwszy ewoluował w kończynę. Było to coś, co miało miejsce u ryby, która żyła w płytkiej wodzie i uczyła się manipulować sobą na płyciźnie. To co zrobiła, to rozwinęła strukturę, która mogła się obracać i która miała segmenty, które mogły niezależnie poruszać się względem siebie, zakończone palcami, co dało tej rybie wspaniałą zdolność poruszania się w mule. Okazało się, że to podstawowa cecha, która miała ogromny potencjał, ogromną elastyczność.

Bo to, co widzimy, to fakt, że podstawowy plan tej kończyny – jedna kość w kończynie górnej, dwie kości w kończynie dolnej, nadgarstki, które skręcają, seria pięciu lub mniej cyfr – został opracowany, aby dać wszystko, od skrzydła nietoperza do szybowania, do płetwy morświna do pływania i nawigacji po oceanach, do ręki do chwytania lub gry na fortepianie, do kończyny kreta do kopania. Ogromne różnice w użyciu kończyn umożliwiły kolejnym zwierzętom – płazom, gadom, ptakom, ssakom – rozwinąć się w niezwykły wachlarz stylów życia.

AN EVOLUTION REVOLUTION

Pola evo devo naprawdę eksplodują, nieprawdaż?

To po prostu niesamowite. Szybkie tempo, myślę, że bardziej niż cokolwiek innego, jest tym, czego bym się nie spodziewał. Myślę, że przewidziałbym, że w końcu dotrzemy do miejsca, w którym jesteśmy pod względem zrozumienia; po prostu nie sądziłem, że stanie się to tak szybko, jak się stało. Nastąpiły rewolucje technologiczne – rewolucja sekwencjonowania, która pozwoliła nam na sekwencjonowanie całych genomów, technologia pozwalająca na przetwarzanie ogromnych ilości informacji w tym samym czasie i porządkowanie rzeczy. To niewiarygodne, co można zrobić i o ile łatwiej i szybciej jest teraz, niż kiedy ja zaczynałem. Nigdy bym nie pomyślał, że stanie się to tak szybko.

Jak udaje Ci się nadążyć?

Bardzo trudno jest nadążyć, kiedy wiedza porusza się tak szybko. Myślę, że to, co robisz, to nadążanie za rzeczami, które najbardziej cię interesują. Kiedy zaczynałem pracę w biologii, przeczytałem wszystko z całej dziedziny biologii molekularnej, ponieważ, w porównaniu z dniem dzisiejszym, było tam stosunkowo niewiele do zrobienia. Można było czytać dwa, trzy czasopisma i w zasadzie można było nadążyć za biologią komórki, fizjologią, immunologią, biologią rozwoju i biologią nowotworów. Ale teraz nie można nawet nadążyć za biologią rozwoju czy biologią ewolucyjną. Wybierasz swoje dziedziny, wybierasz swoje tematy, wybierasz swoje pytania i w zasadzie nadążasz za tym, co cię najbardziej ekscytuje.

A różnorodność życia ujawniona przez evo devo jest tym, co naprawdę cię ekscytuje.

Nie sądzę, że musisz oglądać programy przyrodnicze, aby zachwycić się różnorodnością życia na Ziemi. Możecie po prostu wybrać się na spacer w domu. Widzicie ptaki, wiewiórki, psy. Wracasz do domu i przytulasz swoje dziecko. To są rzeczy, które uważasz za oczywiste. Ale jeśli zrobisz krok do tyłu i spojrzysz na to, jak niesamowity jest ptak w locie, wiewiórka tak doskonale przystosowana do biegania w górę i w dół po drzewie, i tak dalej, to jest to po prostu taki niesamowity świat. I co jest niesamowite w tym czasie w historii z naukowego punktu widzenia, to fakt, że będziemy w stanie zrozumieć tę różnorodność, a to tylko dodaje ekscytacji. Nie demistyfikuje jej. To sprawia, że jest to jeszcze bardziej magiczne.