DEFINIREA EVO DEVO
NOVA: A existat tot acest zvon despre Evo Devo. Care este ideea cheie și de ce este atât de interesantă?
Recibeți e-mailuri despre viitoarele programe NOVA și conținuturi conexe, precum și reportaje recomandate despre evenimente actuale prin prisma științei.
Cliff Tabin: Biologia evolutivă a dezvoltării, sau „evo devo”, este un termen larg care înglobează o mulțime de lucruri. Și diferiți oameni folosesc termenul în mod ușor diferit și, de asemenea, ceea ce îl face interesant pentru ei diferă de la om de știință la om de știință.
Pentru mine, încep prin a arunca o privire la partea de dezvoltare. Revoluția în biologia dezvoltării, și revoluția în științele biologice în ansamblu, ne-a adus în punctul în care putem de fapt să începem să înțelegem cum genele fac ca un embrion să se formeze așa cum o face, de ce se formează un membru în primul rând, și apoi de ce brațul este diferit de picior, de ce inima care începe ca un tub în mijloc se pliază pentru a fi în stânga și nu în dreapta. Începem să înțelegem aceste tipuri de întrebări cu adevărat fundamentale, iar acest lucru este uimitor în sine.
Am ajuns, de asemenea, la punctul în care putem înțelege nu numai cum se formează un membru, ci și cum procesul poate fi modificat în moduri care sunt de fapt subtile, astfel încât membrul să ia forma unei aripi de liliac față de o mână umană față de o înotătoare. Și asta pentru mine este enorm de interesant.
Atunci, pentru mine, aspectul fundamental al evo devo este înțelegerea modului în care dezvoltarea este modificată de-a lungul timpului evolutiv.
Una dintre descoperirile cheie în evo devo este cât de asemănătoare sunt genele noastre cu cele ale tuturor celorlalte animale, nu-i așa?
Da. Una dintre cele mai uimitoare surprize de-a lungul timpului în care m-am ocupat de știință a fost descoperirea faptului că genele care sunt implicate în crearea unor animale atât de diferite precum o muscă de fructe și o ființă umană sunt, în esență, aceleași gene. Când ne gândeam la astfel de lucruri, să zicem, acum 20 de ani, trebuia să presupunem că genele pentru a face o muscă de fructe ar include instrucțiuni pentru aripi, gene de care nu aveam nevoie. Și, invers, că am avea gene dedicate realizării unui membru uman sau a unei inimi umane pe care o muscă nu le-ar avea niciodată. Descoperirea uluitoare a fost că, la o primă aproximație, aceleași gene sunt prezente în ambele și sunt folosite în ambele.
Este cel mai frumos proces să vezi cum apare organizația.
Acum, retrospectiv, ne dăm seama, bineînțeles, că atât muștele cât și oamenii sunt animale. Am avut un strămoș comun. Poate că a fost o chestie mică de nedescris, asemănătoare unui vierme, dar acea chestie mică asemănătoare unui vierme avea deja setul de gene care îi făceau capul diferit de coadă și intestinul diferit de inimă. Pentru ca acel vierme să evolueze într-o muscă, sau pentru a evolua în cele din urmă într-un om, acele gene au fost folosite în moduri diferite, în combinații diferite, cu o sincronizare diferită.
Fundamental, setul de instrumente genetice, așa cum îl numim noi, era deja acolo în strămoșul comun. Iar acel set ancestral de gene a fost suficient de puternic și versatil pentru a furniza materialul pentru a genera diversele forme de viață animală pe care le vedem acum pe Pământ. Este ceva la care nimeni nu se aștepta, iar acest lucru a făcut ca studiul diferitelor organisme să fie foarte profund. Înseamnă că ceea ce înveți din studiul dezvoltării unei muște are implicații directe pentru înțelegerea modului în care suntem noi înșine creați, deoarece, oricât de diferită ar fi o muscă de un om și oricât de mult timp am fi avut divergențe, folosim practic aceleași gene pentru a face același lucru – pentru a face să apară organizarea într-un embrion.
Și tu și alți biologi nu v-ați așteptat niciodată.
Am fi pariat orice că nu va fi cazul. M-aș fi gândit că genele implicate în crearea unei muște ar fi diferite de cele care creează un om. De asemenea, m-aș fi gândit că ar fi nevoie de mult mai multe gene fundamentale în cadrul acelui set de instrumente pentru a face un om. Aș fi crezut că genele pe care le folosești pentru a declanșa formarea unei inimi ar fi total diferite de cele pe care le-ai folosi pentru a face un os, care ar fi total diferite de cele pe care le folosești pentru a face ca partea din față a unui embrion să fie diferită de partea din spate a unui embrion, și așa mai departe.
Se pare că aceeași genă sau aceleași gene sunt folosite din nou și din nou, doar că în moduri și combinații diferite cu alte gene într-o celulă. Și folosim ceea ce aș considera, bazându-mă pe intuiția mea anterioară, un număr ridicol de mic de gene.
TOATE DESPRE EMBRION
Faptul că noi toți împărtășim un set comun de gene este ușor de observat în stadiul embrionar, nu-i așa? Foarte devreme în dezvoltarea lor, toate animalele arată în mare parte asemănător.
Da. Unul dintre lucrurile care au fost discutate încă din anii 1800 este că, dacă te uiți la embrionii diferitelor vertebrate – fie că este vorba de un pește, salamandră, broască, pui, șoarece sau om – în stadiile timpurii, acestea arată foarte asemănător. De fapt, ei trec prin etape în care sunt aproape imposibil de distins. Desigur, un profesionist serios care le privește atent la microscop poate sesiza diferențele aproape de la început. Dar asemănarea în primele etape este cu adevărat remarcabilă.
Unul dintre motivele pentru care cred că așa stau lucrurile este că aspectele timpurii de a pune picioarele la locul potrivit, de a face capul diferit de corp, aceste lucruri foarte timpurii și foarte fundamentale trebuie să aibă loc la o anumită scară dictată de intervalul la care moleculele cheie sunt capabile să acționeze. Așadar, atunci când suntem cu toții cam de aceeași mărime, fie că suntem o marsuină, un om sau o maimuță, au loc aceleași tipuri de procese. Apoi, după aceea, se elaborează diferențele. Deci, în stadiile incipiente, nu este doar un profan care crede că arată asemănător; în mod fundamental sunt într-adevăr asemănătoare.
Unul dintre marile momente din istoria evoluției este atunci când o înotătoare a evoluat pentru prima dată într-un membru.
Este uimitor să privești un time-lapse al unui embrion în dezvoltare, al oricărui animal. Trebuie să aveți o slujbă distractivă.
Unul dintre lucrurile grozave din domeniul meu este doar oportunitatea de a urmări dezvoltarea embrionilor. Este cel mai frumos proces să vezi cum apare o organizație, fie că o vezi în fotografia time-lapse, fie că o privești la microscop în timp. Este uluitor de frumos să privești cum se întâmplă, iar întregul proces în sine este atât de fundamental frumos încât estetica combinată cu logica este pur și simplu copleșitoare.
TWEAKING THE BEAK
De ce ați decis să studiați formarea ciocului la cintezele lui Darwin?
Bine, pe măsură ce tehnologia a avansat și pe măsură ce cunoștințele noastre despre dezvoltare au crescut, s-a ajuns la punctul în care a devenit realist să ne gândim să încercăm să înțelegem cum instrucțiunile de dezvoltare au fost modificate pentru a da varietate în natură. Nu am vrut să ne uităm la animale extrem de diferite, pentru că ar fi existat o mulțime de diferențe între ele și ar fi fost prea greu să ne dăm seama ce se întâmplă cu adevărat. Am vrut să ne uităm la animale care sunt foarte strâns înrudite și care, în mod ideal, au doar o singură structură care diferă într-un mod foarte important între specii.
Cintezele lui Darwin din Galapagos sunt un mare exemplu în acest sens. Sunt păsări care sunt, în esență, același organism, dar au ciocuri de forme foarte diferite. Această diversitate în forma ciocului le-a permis să aibă stiluri de viață foarte diferite. Ciocul este o structură de o importanță fundamentală – are o mare importanță ecologică – iar aceste specii diferite de cinteze erau doar o singură specie de păsări în urmă cu un milion de ani. Așadar, acesta este unul dintre motivele pentru care finchinii lui Darwin au fost foarte atrăgători pentru noi.
Și ce ați descoperit?
Înainte de a face cercetările noastre era posibil ca gene complet diferite să fie implicate în realizarea unor ciocuri de forme diferite. Nu credeam că acest lucru era probabil, pe baza a ceea ce știam despre modul în care genele controlează dezvoltarea, dar era posibil. Ceea ce am descoperit a întărit imaginea generală care se contura: aceleași gene sunt implicate în realizarea unui cioc ascuțit, ascuțit și ascuțit sau a unui cioc mare, lat, care sparge nuci. Ceea ce face diferența este cât de mult activați o genă, când o activați, când o dezactivați – diferențele subtile de reglementare. Genele specifice sunt esențiale pentru a face orice cioc, dar reglajul – cantitatea genei, momentul în care este activată, durata de activare a genei – este cel care face de fapt trucul.
UN BRAȚ ȘI UN PICIOR
Aceeași tip de modificare intră în formarea membrelor?
Da, iar în acest moment, într-un mod foarte fundamental, înțelegem o mare parte din reglementarea moleculară, genele care îi spun membrului cum să se formeze. Înțelegem cum o masă timpurie de celule primește informații care spun unui grup să devină o structură și unui grup să devină o altă structură. Înțelegem cum începe țesutul să formeze un os, spre deosebire de un tendon, de exemplu. Într-un mod foarte fundamental, cunoaștem acum genele care sunt responsabile pentru a face ca membrul tău să fie așa cum este.
Care fac un braț spre deosebire de un picior, de exemplu?
Direct. Așa cum am spus mai devreme, structura fundamentală a unui membru pe care o vedem în brațul nostru, să zicem, este recapitulată cu unele variații la diferite animale pentru a servi ca o aripă sau o înotătoare. Dar veți vedea, de asemenea, variații în structura pe care o ia un membru în propriul corp. Un braț și un picior sunt structuri fundamental similare – de exemplu, pe măsură ce vă deplasați de la umăr sau șold spre degetele de la mâini sau de la picioare, aveți un singur os în membrul superior, urmat de două oase în membrul inferior, apoi mai multe oase care formează cele cinci degete. Membrele anterioare și posterioare sunt construite pe același plan de bază.
Nu cred că trebuie să te uiți la emisiuni despre natură pentru a fi uimit de diversitatea vieții de pe Pământ.
Știm acum că există gene specifice care sunt activate în membrul posterior, în picior, care nu sunt activate în membrul anterior, brațul. Când sunt activate, acel mugure timpuriu al membrului capătă mai mult caracterul unui picior. Există alte gene care sunt prezente doar în membrul anterior sau în braț în stadiile timpurii ale mugurelui de membru. Deci, în mod fundamental, diferența dintre un braț și un picior poate fi urmărită până la diferențele dintre genele din cadrul mugurelui timpuriu al membrului. Aceste gene specifice membrelor anterioare sau posterioare influențează setul general de instrucțiuni ale membrelor stabilite de alte gene, astfel încât rezultatul este un braț sau un picior.
Noi considerăm că membrele noastre sunt de la sine înțelese, dar evoluția membrelor din înotătoarea unui pește, cu mult timp în urmă, a fost un salt uriaș înainte, nu-i așa?
Unul dintre marile momente din istoria evoluției este atunci când o înotătoare a evoluat pentru prima dată într-un membru. Acest lucru a avut loc la un pește care trăia în ape puțin adânci și care învăța să se manipuleze în apele puțin adânci. Ceea ce a făcut a fost să dezvolte o structură care se putea roti și care avea segmente care se puteau mișca independent unul față de celălalt și care se terminau în degete, ceea ce a fost ceva ce i-a dat acestui pește marea abilitate de a se deplasa în mlaștină. S-a dovedit a fi o trăsătură de bază care avea un potențial enorm, o flexibilitate enormă.
Pentru că ceea ce vedem este că planul de bază al acelui membru – un os în membrul superior, două oase în membrul inferior, încheieturi care se răsucesc, o serie de cinci sau mai puține degete – a fost elaborat pentru a da totul, de la aripa liliacului pentru a zbura, la înotătoarea marsuinului pentru a înota și a naviga prin oceane, la o mână pentru a apuca sau a cânta la pian, la membrul cârtiței pentru a săpa. Diferențele enorme în utilizarea membrelor au permis animalelor ulterioare – amfibieni, reptile, păsări, mamifere – să se dezvolte într-o gamă extraordinară de stiluri de viață.
O EVOLUȚIE REVOLUȚIONARĂ
Domeniul evo devo este cu adevărat în plină explozie, nu-i așa?
Este pur și simplu uimitor. Ritmul rapid, cred că mai mult decât orice altceva, este ceea ce nu m-aș fi așteptat. Cred că aș fi prezis că în cele din urmă vom ajunge acolo unde suntem în ceea ce privește înțelegerea; doar că nu m-am gândit niciodată că se va întâmpla atât de repede cum s-a întâmplat. Au existat revoluții tehnologice – revoluția secvențierii care ne-a permis să secvențiem genomuri întregi, tehnologia de a gestiona cantități uriașe de informații în același timp și de a sorta lucrurile. Este de necrezut ce se poate face și cât de mult mai ușor și mai rapid este acum decât atunci când am început eu. Nu m-aș fi gândit niciodată că se va întâmpla atât de repede.
Cum reușești să ții pasul?
Este foarte dificil să ții pasul când cunoștințele se mișcă atât de repede. Cred că ceea ce faci este să ții pasul cu lucrurile care te interesează cel mai mult. Când am început să lucrez în biologie, am citit totul din întregul domeniu al biologiei moleculare pentru că, în comparație cu astăzi, se făcea relativ puțin. Puteai să citești două sau trei reviste și, practic, puteai să fii la curent cu biologia celulară, fiziologia, imunologia, biologia dezvoltării și biologia cancerului. Dar acum nu poți ține pasul nici măcar cu biologia dezvoltării sau cu biologia evoluționistă. Vă alegeți domeniile, vă alegeți subiectele, vă alegeți întrebările și, practic, vă țineți la curent cu ceea ce vă pasionează cel mai mult.
Și diversitatea vieții, așa cum este dezvăluită prin evo devo, este ceea ce te entuziasmează cu adevărat.
Nu cred că trebuie să te uiți la emisiuni despre natură pentru a fi uimit de diversitatea vieții de pe Pământ. Poți pur și simplu să faci o plimbare acasă. Vezi păsări, veverițe, câini. Ajungi acasă și îți îmbrățișezi copilul. Acestea sunt lucruri pe care le iei de la sine înțelese. Dar dacă faci un pas înapoi și te uiți cât de uimitoare este pasărea în zbor, veverița atât de perfect adaptată care aleargă în sus și în josul copacului, și așa mai departe, este o lume atât de uimitoare. Și ceea ce este incredibil în această perioadă istorică, din punct de vedere științific, este că vom reuși să înțelegem această diversitate, iar acest lucru nu face decât să sporească entuziasmul. Dar nu o demistifică. O face cu atât mai magică.