Изменчивость количественно-морфологических признаков гаструляции амфибий и ее морфогенетическое значение

Скобеева, Виктория Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Изменчивость количественно-морфологических признаков гаструляции амфибий и ее морфогенетическое значение
ВАК РФ 03.03.05, Биология развития, эмбриология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость количественно-морфологических признаков гаструляции амфибий и ее морфогенетическое значение"

СКОБЕЕВА Виктория Александровна

ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОЛИЧЕСТВЕННО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ГАСТРУЛЯЦИИ АМФИБИЙ И ЕЕ МОРФОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

03.03.05 - биология развития, эмбриология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 О НОЯ 2011

Москва-2011

005001725

Работа выполнена на кафедре биологической эволюции Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Черданцев Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Белоусов Лев Владимирович кафедра эмбриологии Биологического факультета Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова

доктор биологических наук Самсонова Мария Георгиевна отдел компьютерной биологии Центра Перспективных Исследований Санкт-Петербургского Политехнического Университета

Защита состоится «15» ноября 2011 г. в 15.:30 на заседании диссертационного совета

Д 501.001.52 в Московском Государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова, д.1 стр. 12, Биологический факультет, аудитория М-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « » октября 2011 г.

Ведущая организация

Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

По мере накопления данных об изменчивости количественно-морфологических признаков живых организмов все острее встает проблема их интерпретации. Общепринятое разложение фенотипической дисперсии на компоненты (Falconer, 1981) основывается на представлении, согласно которому изменчивость целиком обусловлена генотипом, средой и их взаимодействием. К средовой компоненте относят и различия в изменчивости повторяющихся частей организма, и единственным исключением считается дисперсия, возникающая в результате случайных «ошибок развития» (developmental noise, или intangible variation, см. Falconer, 1981). В рамках господствующей в современной биологии развития парадигмы однозначной детерминация развития структур совместными усилиями генотипа и среды, изменчивость, обусловленная «ошибками» развития, вообще не может иметь биологического значения и в лучшем случае является показателем качества условий, в которых находится и развивается зародыш. При такой каузальной установке «шум развития» ничем принципиально не отличается от теплового движения молекул, его источником служат случайные колебания, например, концентраций морфогенов, или случайная неравномерность клеточных делений в разных частях зародыша (Суле, 1984). Следовательно, в начале развития изменчивость должна быть минимальной, постепенно нарастая к его концу, поскольку чем дольше происходит процесс, тем больше времени на накопление случайных ошибок. Изменчивость признаков взрослого организма должна быть гораздо выше изменчивости признаков в начале формирования биологических структур, из-за того, что «совершенная» программа развития сталкивается с несовершенством реального мира. На фоне становления неравновесной термодинамики и открытия диссипативных структур, возникающих на основе случайных флюктуаций (Николис, Пригожин, 1979), такая концепция выглядят анахронизмом, точно таким же, как представление о разложимости развивающегося зачатка на потенциально бесконечное число блоков, каждый из которых может иметь собственную изменчивость (Суле, 1984).

А. Г. Гурвич (1911) был первым, кто обратил внимание на то, что морфологическая изменчивость эмбриональных структур in status nascendi может быть выше изменчивости этих структур в дефинитивном состоянии. В сравнительной эмбриологии накоплен огромный экспериментальный материал, показывающий возможность фиксации новых направлений развития структур на основе случайного выбора (Beloussov, 1998; Черданцев, 2003) из-за потери устойчивости систем морфогенетических корреляций в процессе их перестройки при нормальном ходе развития. Поэтому возможно, что изменчивость морфогенеза нельзя считать только результатом накопления случайных ошибок, т. е., случайных отклонений развития от запрограммированного пути. Уровень изменчивости, неизбежно меняющийся в ходе нормального развития из-за разрушения исходных и возникновения новых морфогенетических корреляций, может иметь сигнальное значение, не менее важное, чем концентрация информационных молекул.

Интерес к этой проблеме особенно возрос в последнее десятилетие, когда изучение изменчивости зональной экспрессии генов в эмбриогенезе дрозофилы (Houchmandzadeh et al, 2002; Jaeger et al., 2004; Самсонова и др., 2008; Surkova et al., 2008) показало, что эта изменчивость максимальна на ранних этапах разметки пространственной структуры и снижается по мере ее завершения. Объяснение канализации генной экспрессии можно искать, не выходя за пределы собственно взаимодействия генов (Самсонова и др., 2008; Surkova et al., 2008), однако не менее продуктивным представляется изучение обратных связей между внутренней динамикой развития эмбриональных зачатков и их геометрической формой (Черданцев, 2003; Chcrdantsev, 2006). Построению таких моделей мешает отсутствие количественных данных об организации и динамике нормальной изменчивости раннего морфогенеза, а также методов анализа изменчивости количественно-морфологических

признаков, учитывающих ее вклад в организацию нормального морфогенеза, прежде всего, коллективных морфогенетических движений клеток эмбриональных тканей.

Цели и задачи исследования.

Цель работы - на примере гаструляции нескольких видов бесхвостых амфибий изучить, с помощью статистических методов анализа, причины и общие закономерности изменчивости количественно-морфологических признаков эмбриональных структур, связанной с процессом их формирования, и оценить роль этой изменчивости в нормальном формообразовании.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Минимизировать влияние внешних воздействий, а также генетических различий, на ход развития, обеспечив зародышам максимально комфортные условия и ограничившись изучением сибсов.

2. Адаптировать обычные методы корреляционного и факторного анализа к изучению изменчивости морфогенетических движений гаструляции, так чтобы основные направления изменчивости анализируемых количественно-морфологических признаков имела ясную геометрическую и механическую интерпретацию

3. С помощью стандартного набора количественно-морфологических признаков исследовать динамику изменчивости формы и внутреннего строения зародышей на последовательных этапах гаструляции, анализируя фиксированный материал и индивидуальные траектории развития живых зародышей.

4. Провести сравнительно-морфологический анализ организации изменчивости у двух видов рода Rana (R. temporaria и R. arvalis) и чесночницы (Pelobales fuscus), пытаясь проследить пути и закономерности перехода индивидуальной и внутри-индивидуальной изменчивости в таксономические различия.

Материалом для решения поставленных задач были взяты кладки бесхвостых амфибий рода Rana и рода Pelobates, развивающиеся в оптимальных условиях температуры и аэрации. В первую очередь изучалась изменчивость признаков дорсальной губы бластопора, как структуры, существующей только в период гаструляции и являющейся организатором развития осевых структур зародыша, необходимых для его дальнейшего развития.

Научная новизна работы.

Впервые на уровне количественно-морфологического анализа стандартного набора признаков, характеризующих отдельные компоненты гаструляционных движений и их взаимодействие, изучена нормальная изменчивость гаструляции бесхвостых амфибий в максимально благоприятных условиях среды и при минимальном вкладе генетических различий. Показано, что и в таких условиях изменчивость структур в процессе их формирования на порядок выше их изменчивости в дефинитивном или стационарном состоянии.

уровнем изменчивости признаков на данной стадии гаструляции и темпами их направленного изменения на ближайшей по времени стадии. В основе индивидуальной изменчивости лежат внутри-индивидуальные различия, возникающие в процессе формирования структуры и исчезающие по завершении ее морфогенеза.

С помощью статистического анализа индивидуальных траекторий гаструляции впервые доказано их реальное существование и, в то же время, низкий уровень их устойчивости. Впервые показано отсутствие монотонности изменений формы дорсальной губы бластопора в процессе основного гаструляционного движения.

Впервые проведено сравнение устойчивости индивидуальных траекторий морфогенеза у двух близких видов амфибий (остромордой и травяной лягушки). Травяная лягушка оказывается производным видом, отделение которого от остромордой лягушки связано с дестабилизацией индивидуальных траекторий гаструляции в результате отбора, направленного на акселерацию развития.

Теоретическое и практическое значение.

Результаты работы позволяют выделить собственную изменчивость морфогенеза как особую компоненту изменчивости, не сводящуюся ни к взаимодействию его генетической и средовой компоненты, ни к накоплению «ошибок развития». Уровень нормальной изменчивости морфогенеза следует рассматривать как важное звено в системе морфогенетических сигналов, информирующее развивающуюся систему о состоянии системы морфогенетических корреляций. Выявленные общие закономерности пространственно-временной динамики изменчивости морфогенеза позволяют объяснять многие общеизвестные, но не имевшие объяснения факты, такие как повышенная изменчивость структур, формирующихся в онтогенезе в последнюю очередь, правило Спалланцани, и, в более общем виде, связь между уровнем изменчивости сериально-гомологичных элементов структуры пространственно-временному порядку их формирования.

Результаты работы позволяют использовать методы статистического анализа, прежде всего, факторного анализа, для реконструкции структуры коллективных морфогенетических движений и могут быть применены в любых исследованиях, в которых стоит такая задача. По уровню нормальной изменчивости можно оценивать темпы формообразования, а также выделять процессы, имеющие на данной стадии развития собственную динамику, и отличать их от процессов, динамика которых зависит от предшествующих стадий развития.

Апробация работы и публикации.

Материалы и основные положения диссертации доложены на Шестой Международной Конференции по Биоинформатике Регуляции и Структуры Генома (Новосибирск, 2008), I, II и III конференциям Meeting of the European Society for Evolutionary Developmental biology (EED) (Прага, 2006, Гент, 2008, Париж 2010). По материалам работы опубликованы три статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, 7 глав, выводы и список литературы. Диссертация изложена на 203 страницах, включает 78 рисунков и 44 таблице. Список литературы состоит из источников, в том числе - на иностранных языках.

Введение

Сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы актуальность темы, ее научная новизна, теоретическое и практическое значение.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор начинается с изложения традиционного подхода к анализу изменчивости количественно-морфологических признаков и его применимости к анализу изменчивости развивающихся структур. Данные об изменчивости структур в процессе их формирования крайне скудны, а из огромного массива данных по изменчивости дефинитивных признаков ближе всего к проблемам развития данные по внутри-индивидуальной изменчивости структур с модульной организацией.

Обзор многочисленных работ по флюктуирующей лево-правой асимметрии билатерально симметричных структур показывает, что два самых важных вопроса остаются нерешенными. Не ясно, является ли такая асимметрия следствием внутренней дестабилизации морфогенеза, или же средового стресса. Не ясно также, к какой из компонент разложения фенотипической дисперсии принадлежит эта изменчивость. Если она относится к средовой компоненте, то как объяснить данные, свидетельствующие об эффективности отбора? Если же она имеет ненулевую аддитивную компоненту и адаптивную ценность, то загадкой становится ее высокий уровень, превышающий уровень изменчивости обычных фенотипических признаков.

Аналогичные проблемы возникают с внутри-индивидуальной изменчивостью признаков повторяющихся структур (метамеров или антимеров). Повторяемость таких структур в пределах особи является не пространственной, а пространственно-временной, так их расположение является следствием очередности их формирования. В количественной генетике внутри-индивидуальную изменчивость относят к средовой компоненте, но этому противоречат две группы фактов. Между уровнем изменчивости одинаковых признаков разных метамеров существуют устойчиво воспроизводимые различия, зависящие исключительно от порядка формирования метамеров в онтогенезе, а изменение уровня изменчивости часто оказывается косвенным следствием отбора по важным для приспособленности признакам. Еще больше проблем возникает в случаях, когда повторяющиеся структуры являются антимерами (например, зубные бугорки), а число этих структур варьирует. В обзоре доказывается несостоятельность попыток объяснения различий в уровне изменчивости «эффектом шкалы».

Более реалистичным и простым является объяснение, основанное на прямом участии механизма морфогенеза данной структуры в определении уровня и направлений ее изменчивости. В частности, зависимость уровня изменчивости элементов от порядка их формирования в онтогенезе может объясняться различием их биологического возраста. Это позволяет сформулировать более общую гипотезу, по которой изменчивость, возникающая в процессе развития структур, является не помехой, а фактором их нормального морфогенеза. По-видимому, эта изменчивость представляет собой нечто совершенно отличное от изменчивости структур в их дефинитивном состоянии и в принципе не укладывается в традиционную схему противоборства генетической программы развития со случайным шумом.

Это подчеркивает необходимость и актуальность прямого исследования изменчивости нормального морфогенеза и ее источников. В качестве объекта выбрана гаструляция у трех видов бесхвостых амфибий, принадлежащих к двум разным родам, и во второй части обзора анализируются данные о механизме и механике гаструляции амфибий, и данные об их генетической регуляции. Подчеркивается, что гаструляционные движения складываются из нескольких относительно независимых, но при этом взаимодействующих друг с другом блоков, что позволяет использовать корреляционный и факторный анализ не только для изучения изменчивости, но и для реконструкции структуры морфогенетических движений

гаструляции. По организации изменчивости можно судить о геометрии и механике формообразования, и наоборот, сама изменчивость может являться прямым следствие геометрии движения эмбриональных клеточных пластов.

В заключительной части обзора анализируется природа таксономических различий в гаструляции бесхвостых амфибий и возможные факторы эволюции гаструляции. Анализ сравнительного материала позволяет предполагать, что таксономические различия возникают из-за внутри-индивидуальных гетерохроний развития одних и тех же морфогенетических блоков гаструляции, и для ее успешного завершения (эквифинальности) достаточно просто их наличия. Тем самым возникает возможность дивергенции таксонов на основе внутреннего резерва даже не индивидуальной, а внутри-индивидуальной изменчивости. Основными нерешенными проблемами являются причины возникновения таких гетерохроний, фиксация внутри-индивидуальных различий на генетическом уровне и их связь с приспособленностью.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ.

В работе использованы кладки икры бесхвостых амфибий R temporaria (травяная лягушка), Rana arvalis (остромордая лягушка) и Pelobates fuscus (чесночница). Кладки R. temporaria и R. arvalis были собраны в водоемах Московской области, в естественный сезон размножения каждого вида а кладки икры Р. fuscus - в Киевской области на естественных нерестилищах. Для минимизации влияния на изменчивость факторов, не связанных собственно с морфогенезом, в работе использовали икру, отложенную особями природных популяций в сезон размножения, причем зародыши каждой анализируемой группы были сибсами. Для выравнивания температурных условий и условий аэрации галлерты разрыхляли до образования монослоя, после чего икра развивалась в лаборатории при температуре 16-16,5°для Р. fuscus и R. temporaria, и 18° для зародышей R. arvalis. В таких условиях гибель зародышей на эмбриональных стадиях развития (до начала вылупления) была меньше 1%. Изменчивость анализировали на фиксированном материале и у живых зародышей путем повторных прижизненных измерений.

Зародышей R. temporaria и R. arvalis фиксировали на последовательных стадиях дробления и гаструляции, ориентируясь на «табличные» стадии нормального развития травяной лягушки (Дабагян, Слепцова, 1975): стадии 4 (8 бластомеров), б (32 бластомера), 11 (инициация гаструляции), 12 (серповидный бластопор) и 13 (полукруглый бластопор). Во время гаструляции фиксации производились через равные промежутки времени (2,5 - 3 часа при указанных выше температурах). Зародышей Р. fuscus фиксировали во время гаструляции на стадиях 1,2, 3 и 4 через такие же промежутки времени, где стадия 1 соответствует стадии инициации гаструляции у лягушек (Скобеева, Черданцев, 1999).

У фиксированных зародышей изучали наружную морфологию и внутреннее строение на анатомических срезах. Зародышей фиксировали вместе с галлертами 7,5% формальдегидом, приготовленным на стандартном растворе Гольфретера. Для приготовления анатомических срезов зародышей извлекали из галлерт и желточных оболочек, а затем бритвой разрезали в сагиттальной плоскости.

В выборе измеряемых признаков мы руководствовались следующими соображениями. Во-первых, реперные точки измеряемых признаков должны были соответствовать естественным геометрическим особенностям строения гаструлы. Во-вторых, для каждого признака должно было быть известно основное направление его изменение при нормальном ходе гаструляции. Схемы измерения признаков представлены на рис. 1 и 2. Линейные характеристики были измерены с помощью окуляр-микрометра и выражены в условных единицах (0,01мкм), угловые характеристики - с помощью гониометра Wild-320, приспособленного к обычному бинокулярному микроскопу МБС-11. Для обозначения

морфологических признаков мы использовали буквенные обозначения, представляющие аббревиатуры английских названий соответствующих морфологических структур.

ДГБ^ ^ —r-í' Для изучения индивидуальных

траекторий развития зародышей в момент начала гаструляции помещали в индивидуальные пластиковые чашки Петри и фотографировали с помощью

стереомикроскопа Zeiss Stemi SV 11 Аро (увеличение объектива 2 и окуляра 25) через каждые 30 минут на протяжении всего хода гаструляции. Зародыши развивались в галлертах и желточных оболочках. Перед каждой новой фотографией зародышей ориентировали с помощью препаровальных игл бластопором вверх и удерживали их в этой ориентации во время фотографирования. Дальнейший анализ полученных изображений производили с помощью пакета программ AxioVision. Всего в каждом опыте у 15 зародышей было сделано по шесть серий последовательных измерений величин harc, аагс и larc, характеризующих размер и форму «арки» дорсальной губы бластопора (см. рис. 1).

Методы статистического анализа. Уровень изменчивости измеренных признаков оценивали по величине коэффициентов вариации (CF). Помимо изучения динамики частотных распределений измеренных признаков, задачей статистического анализа была реконструкция структуры морфогенетических движений на предгаструляционных и гаструляционных стадиях развития. Для этого использовали корреляционный и факторный анализ. Вычисленные корреляции признаков изображали в виде корреляционных графов, но из-за сложности их структуры для ее изучения использовали факторный анализ, где каждый фактор представляет собой линейную сумму взвешенных вкладов дисперсии отдельных признаков в общую дисперсию (Окунь, 1974; Джеффрис, 1981). Во всех случаях общая дисперсия распределялась между двумя (редко тремя) главными компонентами (ГК) изменчивости, и первые две ГК всегда имели однозначную морфогенетическую интерпретацию. ГК-1 соответствовала совместному изменению признаков в составе доминирующего на данной стадии морфогенетического движения, а ГК-2 - движению, доминировавшему на предыдущей стадии, или подготовке движения, которому предстоит доминировать на следующей стадии гаструляции. Отрицательная связь признаков в составе ПС-2 служила критерием циклических изменений, происходящих на фоне общего роста значений признаков. Изучение индивидуальных траекторий также было основано на корреляционном и факторном анализе. Помимо средних значений и дисперсии признаков в каждой серии измерений, были вычислены удельные скорости изменения признаков V= (Мп+1 - Мп)/Мп, где Мп и Мп+1 - средние значения признаков в последовательных сериях измерений. Числовые значения признаков нормировали по наименьшей величине значения данного признака в начальной серии измерений данного опыта. Наличие положительных корреляций между средними значениями признака в последовательных сериях измерений служило критерием наличия индивидуальных траекторий развития, а отрицательные корреляции между последовательными значениями величины V-критерием цикличности изменений.

Объем материала. Для R. temporaria на фиксированном материале изучены четыре кладки икры на стадиях раннего дробления (всего 240 зародышей), и четыре кладки на

последовательных стадиях гаструляции. Одна кладка была использована в качестве модельной (всего 300 зародышей), и еще три - для сравнения с ней (по 60 зародышей каждой кладки). Изменчивость гаструляции R. arvalis изучена на пяти кладках, по 100 зародышей в каждой. Изменчивость и морфогенез зародышей Р fuscus изучен на одной модельной кладке (всего 200 зародышей). Для прижизненного анализа гаструляции были использованы зародыши 11 кладок R. temporaria (всего 159 зародышей) и 5 кладок R. arvalis (всего 70 зародышей).

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ НОРМАЛЬНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГАСТРУЛЯЦИИ АМФИБИЙ В ВЫБОРКАХ СИНХРОННО ФИКСИРОВАННЫХ ЗАРОДЫШЕЙ.

Выделенные признаки можно разделить на три группы. У лягушек признаки первой группы (harc, аагс и larc) характеризуют форму и размеры «арки» дорсальной губы бластопора (ДГБ), впервые появляющейся только при инициации гаструляции. На стадии серповидного бластопора к

Таблица 1. Характеристики распределения значений признаков гаструлы Rana

Признак Величина Инициация Серповидный бластопор Полукруглый бластопор

Аагс M 30,7 60,5 148,6

о 11,8 19,1 24,8

Cv 0,38 0,31 0,17

hare M 1,4 2,6 6,6

с 0,6 0,7 1,8

с. 0,38 0,28 0,27

larc M 6,4 12,0 17,0

а 2,4 2,9 1,4

с. 0,37 0,24 0,08

g» M 3,5 9,5

CT 1,4 2,3

Cv 0,4 0,24

giav M 4,7 39,6

CT 2,9 11,9

С, 0,61 0,30

albaD M 56,8 74,6 98,8

CT 14,5 9,3 9,7

С, 0,25 0,12 0,11

blcav M 129,5 118,3 104,9

<5 24,3 16,6 14,1

Cv 0,18 0,14 0,13

ним добавляются признаки gil и giav, характеризующие форму и размер крыши архснтерона, а на стадии полукруглого бластопора новые признаки отсутствуют. Признаки второй группы (albaD, albaV, Ith и dvd) характеризуют размер и форму краевой (супрабластопоральной) зоны гаструлы, которая начинает формироваться еще во время бластуляции, но окончательно оформляется только с началом гаструляции. Наконец, признаки blcav и vh относится к третьей группе признаков, измерение которых не зависит от появления ДГБ и может быть сделано еще во время дробления. У чесночницы к признакам первой группы добавляются

характеристики вентральной губы бластопора (ВГБ), появляющейся одновременно с ДГБ на стадии 1, а признаки gilD, и g^avV впервые можно измерить на стадии 3.

У всех изученных видов наиболее высокие значения СУ имеют признаки первой группы, а наиболее низкие - признаки второй и третьей групп, причем для признаков первой группы частотные распределения обычно отличаются от нормальных распределений (табл. 1). При логарифмировании ненормальных распределений они не нормализуются, что позволяет исключить влияние «эффекта шкалы». При сравнении зародышей разных кладок одного и того же вида, фиксированных на одной и той же табличной стадии развития, оказывается, что чем больше среднее значение признака в данной кладке (для признаков, значения которых при нормальном ходе гаструляции увеличиваются), тем меньше величина СУ и сильнее ненормальность частотных распределений. У лягушек частотные распределения полностью нормализуются только на стадии серповидного бластопора, а у чесночницы - на стадии 4, т. е., на стадиях, на которых признаки первой группы отсутствуют.

Таким образом, удается вывести две общие закономерности. Во-первых, наиболее высокие величины СУ (иногда больше 50%) имеют количественно-морфологические признаки структур, впервые появляющихся на данной стадии гаструляции, а по мере формирования этих структур их изменчивость сокращается. Такая динамика прямо противоположна тому, что можно было бы ожидать при накоплении «ошибок развития». Увеличение масштабов изменчивости в начале формирования структуры, впервые возникающей у данного зародыша говорит о том, что эта структура, хотя ее появление предусмотрено генетической программой развития, возникает на основе самоорганизации. Значит, генетическая программа развития вовсе не исключает того, что новые гены включаются у порога естественной потери устойчивости действующей системы морфогенетических корреляций. Во-вторых, при возникновении новой структуры частотные распределения характеризующих ее признаков не нормальны, что исключает простейшую модель направленного изменения количественных признаков, основанную на сдвиге моды нормального распределения. Как правило, в начале формирования структуры вьщеляются две группы зародышей, одна из которой, менее многочисленная, соответствует будущей, а другая, более многочисленная - исходной моде (рис. 3).

Рисунок 3. Распределения признака hare у зародышей Rana temporaria на последовательных стадиях гаструляции

серповидный бластопор

шш.

\ \

(¡1

1 \

: -V рй щ?ж

полукруглый бластопор

ГЛАВА 4. НОРМАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАННЕГО ДРОБЛЕНИЯ ТРАВЯНОЙ ЛЯГУШКИ НА САГИТТАЛЬНЫХ АНАТОМИЧЕСКИХ СРЕЗАХ ЗАРОДЫШЕЙ.

Описанная изменчивость может быть следствием самой организации гаструляции, но возможно, что это следствие различий в начальных условиях и истории развития зародышей. Чтобы исключить такую возможность, мы взяли период раннего дробления (стадии 8-16 бластомеров), контрастный периоду гаструляции ввиду отсутствия коллективного движения клеток. При измерении на стадии 8 бластомеров углового размера анимального, вегетативного, дорсального и вентрального полушария, а также углового размера отдельных

бластомеров на сагиттальных анатомических срезах, оказалось, что угловой размер дорсального полушария достоверно (р < 0.05) меньше размера вентрального полушария. Значит, дорсовентральная полярность проявляется не только в неравномерном распределении компонент цитоплазмы, но и в различии геометрической формы полушарий. При этом величины CV для всех измеренных признаков варьируют в диапазоне 5-10%, т. е. на том же уровне, что и признаки сериально-гомологичных элементов дефинитивных структур. На стадии 16 бластомеров значения CV изменчивость углового размера бластомеров краевой зоны зародыша, т. е., контактирующих друг с другом бластомеров анимального и вегетативного полушария, возрастают до величины (30-40%), характерной для изменчивости первой группы признаков гаструлы.

Низкий уровень изменчивости характеристик, имеющих прямое отношения к разметке морфогенеза на последующих стадиях развития - это, прежде всего, различие формы и размера дорсального и вентрального полушария зародыша - означает, что изменчивость гаструляции не является следствием изменчивости разметки. Анализируя изменчивость дробления, мы сталкиваемся с теми же закономерностями, что и при анализе изменчивости гаструляции. Изменчивость возрастает в экваториальной зоне зародыша, где клетки активнее всего изменяют свою форму, так как клетки разного размера (анимальные и вегетативные бластомеры) пытаются создать общую для них кривизну наружной поверхности. Очевидно, уровень изменчивости пропорционален уровню активности формообразования в данной зоне. При этом величины СУ для углового размера контактирующих друг с другом анимальных (мелких) и вегетативных (крупных) бластомеров одинаковы, что, опять-таки, позволяет исключить влияние «эффекта шкалы» на оценку величины изменчивости. Нарастание изменчивости при переходе к формированию краевой зоны зародыша хорошо согласуется с изменчивостью генеалогии эмбриональных закладок у амфибий, когда вклад потомков данного бластомера в данную закладку варьирует в очень широких пределах (Moody, 1987).

ГЛАВА 5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ГАСТРУЛЯЦИОННЫХ ДВИЖЕНИЙ.

При корреляционном и факторном анализе изменчивости в модельной кладке R. temporaria выделяются одни и те же сочетания признаков, характеризующие геометрию гаструляционных движений. Это означает, что основной вклад в изменчивость данного блока признаков вносит их ковариация, что является одним из объяснений высокого уровня изменчивости. Выяснив это, в качестве основного метода мы выбрали факторный анализ, так как его результаты легче интерпретировать, минуя сложные промежуточные рассуждения, а признаки, входящие в ГК-1 и ГК-2, прямо соответствуют компонентам векторов коллективного движения клеток. На стадии инициации в ГК-1 входят (со знаком плюс) меридиональная длина краевой зоны (AlbaD) и высота желточной энтодермы (vh), а со знаком минус - угловой размер бластоцеля (blcav) (рис. 4). Это предгаструляционная зпиболия - подъем желточной энтодермы, ведущий к редукции бластоцеля и обрастанию энтодермы эктодермой. В ГК-2 находятся признаки арки ДГБ, за исключением признака harc, характеризующего кривизну арки. Это гаструляционная зпиболия, когда движение арки ДГБ идет за счет планарной интеркапяции (Keller, Davidson, 2006), а собственная динамика формы арки еще отсутствует. На стадии серповидного бластопора гаструляционная эпиболия становится доминирующим процессом (ГК-1), а прсдгаструляционная эпиболия переходит в ГК-2. На стадии полукруглого бластопора к ГК-1 присоединяется признак harc, характеризующий кривизну («высоту») арки ДГБ, и доминирующим процессом становится танарная конвергенция (Cherdantsev, 2006): механизмом движения арки ДГБ становится изменение ее собственной формы за счет конвергенции вовлекающихся в нее потоков клеток. Блок предгаструляционной эпиболии распадается, так как признак AlbaD переходит в состав ГК-1. Кроме того, начинается распад блока признаков арки, так как ее угловой (аагс)

и линейный (lare) размер входят в разные ГК. Если на предыдущих стадиях можно было пренебречь ГК-3, куда входило менее 5% общей дисперсии, то теперь на ее долю приходится более 10%, но факторные нагрузки признаков в ГК-2 и ГК-3 статистически недостоверны. Распад блока арки связан с разобщением латерального распространения ДГБ и антеропостериорного вытяжения крыши архентерона (Cherdantsev, 2006). Снижение изменчивости на стадии полукруглого бластопора явно связано с уменьшением числа блоков ковариации, в которые входят одни и те же признаки.

Такая же последовательность возникновения и распада блоков морфогенетических корреляций наблюдалась в остальных кладках R. temporaria, а также во всех изученных кладках R. arvalis. Она оставалась неизменной и у P. fuscus - у вида с совершенно иным типом гаструляции, начинающейся с замкнутого бластопора. Несмотря на его раннее замыкание, на стадиях 1 и 2 доминирует предгаструляционная, а начиная со стадии 3 -гаструляционная эпиболия, на которую накладывается планарная конвергенция. Межвидовые и межкладочные различия сводятся к обычным гетерохрониям: у лягушек планарная конвергенция часто начинается на стадии серповидного бластопора.

Морфогенетический цикл движения ДГБ. Цикличность основного гаструляционного движения (планарной конвергенции) выявляется при факторном анализе признаков, характеризующих только ДГБ, на более коротких отрезках гаструляции, начиная со стадии серповидного бластопора. Одни и те же признаки, положительно коррелирующие в составе ГК-1, связаны отрицательной корреляцией в составе ГК-2, причем всегда можно выделить отрезки, на которых отрицательная связь переходит в состав ГК-1. Это означает, что за непрерывным ростом размера арки ДГБ и размера архентерона стоит чередование противоположно направленных изменений формы, причем на определенных отрезках именно оно становится основным источником изменчивости. Такие отрезки удается выделить в гаструляции всех изученных видов. Цикл состоит в чередовании накопления клеток в арке ДГБ с увеличением ее кривизны и задержкой развития архентерона, и проталкивания этих клеток в крышу архентерона с увеличением ее антеропостериорного размера и уменьшением кривизны арки.

Источники изменчивости. Основным источником является перестройка системы морфогенетических корреляций. Новые блоки изменчивости формируются путем «собирания» признаков распадающихся исходных блоков, и максимальная изменчивость наблюдается тогда, когда одни и те же признаки одновременно входят в состав разных блоков. Обычная проблема количественно-морфологического подхода к описанию развития состоит в том, что измеряемые признаки являются условными характеристиками. В нашем случае дело обстоит иначе, так как главные компоненты изменчивости, выделяемые с помощью факторного анализа, совпадают с векторами коллективного движения клеток, а блоки изменчивости, которые при этом выделяются, точно соответствуют основным структурным блокам, из которых зародыш состоит на данной стадии гаструляции.

Не менее важной причиной изменчивости является сама структура основного гаструляционного движения. Из-за возникающей ввиду конвергенции обратной связи между вовлечением клеток в арку ДГБ и изменением ее формы, форма арки у разных зародышей различается из-за внутри-индивидуальных различий между кривизной медианных (старших по возрасту) и латеральных (младших по возрасту) участков арки. Например, величина hare в каждый момент времени складывается из двух компонент - величины прироста hare в медианной зоне за счет увеличения ее собственной кривизны (hard), и величины прироста hare (harc2) за счет латерального распространения ДГБ (рис. 5). Тогда дисперсия величины hare равна сумме дисперсий hard и harc2, плюс удвоенная величина ковариации hard и harc2. До тех пор, пока рост кривизны медианной зоны и рост кривизны латеральных зон представляют собой последовательные стадии одного и того же изменения формы, ковариация положительна, а после разобщения движения и латерального распространения ДГБ она становится равной нулю, и изменчивость снижается.

Рисунок 4. Анализ главных компонент Стадия инициации

Признаки Факторные нагрузки

ГК-1 ГК-2

аагс -0,34 0,88

hare -0,34 0,02

lare -0,25 0,92

alba 0,83 0,33

blcav -0,92 -0,21

vh 0,87 0,09

1th 0,18 0,06

Предгаструляционная эпиболия

Гаструляционная эпиболия

Планарная конвергенция (ГК-1 на стадии полукруглого бластопора): Тонкие стрелки -клеточные потоки, толстая - движение края ДГБ

Полукруглый бластопор

Серповидный бластопор

Признак Факторные нагрузки

ГК-1 ГК-2

аагс 0,75 0,00

hare 0,67 0,28

lare 0,29 0,57

giav 0,80 -0,27

gil 0,80 -0,27

1th -0,25 0,55

alba 0,69 0,14

blcav -0,51 -0,39

dvd -0,49 0,38

vh 0,14 0,73

Признак Факторные нагрузки

ГК-1 ГК-2

аагс 0,81 -0,24

hare 0,26 -0,09

lare 0,81 -0,13

giav 0,72 0,00

gil 0,81 0,03

1th 0,36 0,04

alba 0,46 0,62

blcav -0,26 -0,79

dvd -0,29 0,61

vh -0,05 0,74

Наконец, существенный вклад в изменчивость вносит цикличность основного гаструляционного движения, предполагающая циклическое чередование различий формы арки ДГБ и формы крыши архентерона у одного и того же зародыша. В основе всех перечисленных источников индивидуальной изменчивости лежит внутри-индивидуальная изменчивость.

ГЛАВА 6. ДИНАМИКА ИЗМЕНЧИВОСТИ КОЛИЧЕСТВЕННО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ В ПРОЦЕССЕ ГАСТРУЛЯЦИИ ТРАВЯНОЙ ЛЯГУШКЖДинамика средних значений и изменчивости. При всех преимуществах работы с фиксированным материалом, проследить реальный ход изменения количественно-морфологических признаков можно только с помощью многократных прижизненных измерений. В опытах с прижизненной регистрацией и последующим измерением морфологических характеристик арки ДГБ - признаков lare, aarc и hare - их средние значения непрерывно возрастали, а величина CV уменьшалась (рис. 6). Несмотря на все

hare

Рис.5

И еточ н и ка м и и зм ен ч и вости медианной кривизны (hare) арки ДГБ являются изменение ее формы (hard), латеральное распространение (harc2), и их положительная ковариации. Стрелки - клеточные потоки.

Рис.6

с г --—^ Л/ о ^---. М

л—з—i—ï,T

Динамика изменчивости (СV) и средних значений (М) признаков в последовательных сериях измерений

р m Индивидуальные траектории гаструлящш (Т - номер Г ИС. / серии измерений, цвет - один и тот же зародыш)

межкяадочные различия, собственная кривизна арки (hare), формирующаяся в морфогенезе ДГБ в последнюю очередь, имеет наиболее высокий уровень изменчивости и наибольшую величину изменения за время регистрации. Если для каждой кладки вычислить среднее значение CV и среднее значение величины удельной скорости роста для каждого из признаков, то для всех признаков между этими величинами обнаруживается положительная корреляция, достоверная несмотря на малый объем выборки (всего 11 кладок). Изменчивость (внутрииндивидуальная изменчивость) играет роль аналога потенциальной энергии - чем больше ее запас, и чем медленнее он расходуется, тем больше величина изменения признака за данный промежуток времени. Форму арки ДГБ можно характеризовать величиной индекса rellip = harc/larc (отношение кривизны арки ДГБ к ее линейному размеру). В начале гаструляции величина индекса остается постоянной, но из-за огромных величин CV это означает не равномерный рост арки, а регуляцию ее формы. Величина rellip растет, когда она слишком мала и падает, когда она слишком велика, поэтому среднее значение индекса не изменяется, его рост начинается после уменьшения изменчивости. Состояние, в котором бы арка ДГБ увеличивала свой размер равномерно во всех направлениях, просто отсутствует.

Индивидуальные траектории гаструляции. Типичные индивидуальные зависимости значения признаков от времени и друг от друга приведены на рис, 7. Траектории с равномерным изменением значений признаков полностью отсутствуют. Большинство (80%) траекторий изменения признаков hare и lare складываются из одного или двух (редко трех) скачков, чередующихся с остановками изменения признака, или даже его изменением в обратном направлении. Скачки соответствуют коррелированному изменению признаков hare и lare, остановки - разрыву корреляции. Такая динамика характерна для автоколебаний (Белинцев, 1990). Корреляционные графы в объединенной выборке кладок (для уменьшения влияния кладки данные измерений нормировали по средним значениям величины признаков в начальной серии измерений) представлены на рис. 8а для признака hare. Индивидуальные траектории действительно существуют, так как соседние по времени измерения связаны положительной корреляцией (за исключением начальных стадий гаструляции), но они нестабильны, так как через одно или два измерения эта корреляция утрачивается. К аналогичным, но более точным выводам приводит факторный анализ последовательных измерений одного и того же признака. Факторный анализ выделяет две главные компоненты, где в ГК-2 входят значения признаков в первой серии измерений, а в ГК-1 - его значения во всех последующих сериях. Выпадение признаков в первой серии из общей изменчивости означает учитывая отсутствие корреляции с последующими измерениями, что индивидуальные траектории возникают только тогда, когда основное гаструляционное движение начинает контролироваться геометрической формой арки.

Наличие рефрактерного периода в динамике изменения признаков доказывается наличием отрицательных корреляций между скоростями роста величин hare, lare и aarc. Последовательные измерения величины признаков hare, lare и aarc позволяют для каждого зародыша вычислить скорость роста каждого признака V = {М„ц - М,!)!М„, где М„ и -значения признаков в данном и следующим за ним измерении. Для всех признаков корреляции скоростей роста на соседних отрезках развития либо статистически недостоверны, либо отрицательны: это означает, что быстрое изменение величины признака у данного зародыша на данном отрезке гаструляции вызывает замедление или остановку его роста на последующем отрезке, и наоборот. Для признаков lare и аагс отрицательная связь величин V„ и К„+/ наблюдается между первым и вторым, вторым и третьим, и третьим и четвертым отрезками развития, для признака hare статистически достоверная отрицательная связь между третьим и четвертым отрезком отсутствует, но она есть между третьим и пятым отрезком. Таким образом, движение губы связано с квазиритмическими пульсациями ее формы, число которых варьирует от одного до трех.

Модель геометрической регуляции динамики основного гаструляционного движения. Индивидуальные траектории развития появляются только с возникновение геометрического контроля основного гаструляционного движения, т. е., вовлечения клеток в состав арки ДГБ

Корреляции между сериями измерений (1-6) признака harc у R. temporaria (А) и R. arvalis (Б)

и их перехода в состав крыши архентерона за счет изменения формы арки. Это пространственно распределенное движение, но мы попытались найти его точечный аналог в виде простого уравнения с помощью следующего геометрического построения (рис. 9). Программа АхюЛ^юп позволяет разделить арку ДГБ, независимо от ее формы, на три участка одинакового углового размера, один медианный, и два латеральных участка. После этого с помощью той же программы мы строили окружность с радиусом йв, максимально приближенным к радиусу кривизны медианного участка, и окружность с радиусом максимально приближенным к радиусу одного из латеральных участков. Поскольку изменчивость формы губы по мере ее развития сокращается за счет уменьшения внутри-индивидуальной изменчивости, в качестве динамической переменной естественно взять величину X., равную расстоянию между центрами двух построенных окружностей (см. рис. 9).

Рис.8

Рис. 9

20 40 60 80 Rl-RD

Схема, поясняющая вывод уравнений (1) н (2) (см. текст) (А), и эмпирическое распределение значений величины X (Б)

Рис. 10

У R. arvalis (А) ДГБ сначала идет по границе краевой зоны, а у R. temporaria (Б) сразу начинает формировать собственную кривизну

Эмпирические точки зависимости величины X от разности радиусов латеральной и медианной зоны Не - Ко ложатся на параболу, минимуму которой соответствует нулевая величина этой разности, т. е. пространственно однородная форма арки, близкая к фрагменту окружности (рис. 9). Чем ближе к минимуму, тем выше концентрация эмпирических точек, из чего следует, что ветви параболы соответствуют серии отображений контуров ДГБ друг в друга, в каждый момент времени совпадающих с траекториями коллективного движения клеток.

Если принять, что особая точка параболической кривой является аттрактором динамической системы, движение которой направлено на уменьшение пространственной дисперсии кривизны арки ДГБ, то мы получаем уравнение сШЛ = Х(Дь -До) (1). Величина (Лг. -Ло) в уравнении (1) пропорциональна величине изменчивости, т. е., величине зональных различий по любым количественным характеристикам формы ДГБ, стремящейся к нулю, когда губа приближается к пространственно однородной форме. Если принять что дорсальный полюс бластопора не обязательно совпадает с точкой инициации гаструляции, то получается уравнение = Х(Я~Я*), где величина Я является радиусом любого данного участка губы, а величина Я* - средним радиусом всей губы. Из уравнения (2) следует, что морфогенетическая система движется в сторону минимизации пространственной неоднородности со скоростью, в каждый момент времени равной величине этой неоднородности. Математически это эквивалентно основному утверждению фундаментальной теоремы отбора (теоремы Фишера), согласно которому система движется в сторону максимизации приспособленности со скоростью, равной величине изменчивости приспособленности в данный момент времени. Аналогом приспособленности является способность участка вовлекать окружающие участки в собственное движение.

Уравнение (2) описывает только отдельные отрезки изменения формы ДГБ, так как ни на одной из стадий гаструляции арка ДГБ не является фрагментом окружности. В диссертации предлагается модель автоколебательного движения ДГБ, представляющая плоскостную (в плоскости бластопора) версию морфогенетического цикла, описанного в Главе 5.

ГЛАВА 7. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТАКСОНОМИЧЕСКИХ РАЗЛИЧИЙ В ОРГАНИЗАЦИИ ГАСТРУЛЯЦИИ У ИЗУЧЕННЫХ ВИДОВ АМФИБИЙ.

Травяная и остромордая лягушка являются близкими видами одного рода. Судя по морфологии, гаструляция остромордой лягушки теснее связана с предгаструляционной разметкой. У травяной лягушки геометрическая связь между формой границы бластопора и арки ДГБ гораздо слабее и ограничена точкой касания обеих кривых на дорсальном полюсе бластопора (рис. 10). Такие различия не являются видовыми, так как для каждого вида можно подобрать кладки, которые будет различаться примерно так же, но статус этих различий повышается из-за того, что для индивидуальных траекторий гаструляции остромордой лягушки величины корреляций между последовательными измерениями зародышей гораздо выше (рис.8б). Повышение устойчивости траекторий делает связь хода гаструляции с предгаструляционной разметкой более тесной, а платой за это является снижение способности к изменению темпов гаструляции. Учитывая, что травяная лягушка является, скорее всего более молодым (эволюционно более поздним) видом, «детерминированное» развитие остромордой лягушки следует считать эволюционно исходным, а «развитие с метаморфозом» у травяной лягушки - производным состоянием. Различие в организации изменчивости может быть следствием действующего у травяной лягушки отбора на акселерацию развития (Северцов, 2004). Учитывая положительную связь между уровнем изменчивости признаков и скоростью их направленного изменения, такому отбору может способствовать дестабилизация индивидуальных траекторий развития, если она не ведет к снижению приспособленности. С другой стороны, перемещение закладки ДГБ

на более ранние этапы предгаструляционной эпиболии может быть чисто морфогенетическим следствием увеличения относительного объема желтка.

Гораздо меньше с действием отбора связаны макроэволюционкые различия между ранним стадиями гаструляции у чесночницы и лягушек. Количественно морфологический анализ показывает, что до появления настоящей губы бластопора (до стадии 3) у чесночницы отсутствуют достоверные различия между гомологичными характеристиками дорсальной и вентральной стороны, которые у обоих видов лягушки есть уже на стадии инициации гаструляции. У лягушек доминирование дорсального сектора супрабластопоральной зоны ведет к стягиванию клеток на дорсальную сторону еще до начала гаструляции, поэтому развитие ВГБ задерживается вплоть до полного замыкания бластопора. При этом, если говорить собственно о морфогенезе, то различия совершенно разного эволюционного и таксономического масштаба укладываются в единый эволюционный ряд: гаструляция травяной лягушки отличается от гаструляции остромордой лягушки в том же направлении, в каком гаструляция остромордой лягушки отличается от гаструляции чесночницы. У чесночницы вся окружность бластопора участвует в морфогенетическом цикле основного гаструляционного движения, у остромордой лягушки окружность бластопора направляет латеральное распространение ДГБ, а у травяной лягушки от формы этой окружности зависит только положение точки инициации гаструляции. Таким образом, общий эволюционный тренд состоит в усилении доминирования ДГБ независимо от конкретных направлений отбора.

ВЫВОДЫ

1. Для трех изученных видов бесхвостых амфибий установлена положительная связь между уровнем изменчивости количественно-морфологических характеристик зародыша в процессе гаструляции и на догаструляционных стадиях развития, и активностью формообразования.

2. Изменчивость количественно-морфологических характеристик максимальна при инициации новых для данной стадии развития эмбриональных структур (например, губы бластопора), а затем уменьшается по мере завершения их морфогенеза.

3. В основе индивидуальной изменчивости гаструляции лежат внутри-индивидуальные (зональные) различия, возникающие в процессе формирования структуры и исчезающие по завершении ее морфогенеза.

4. Основным источником дисперсии количественно-морфологических признаков является дисперсия их взаимодействия: изменчивость нарастает при разрушении исходной системы морфогенетических корреляций и возникновении новых обратных связей между движением областей и их геометрией

5. Дополнительной причиной высокого уровня изменчивости является низкая устойчивость индивидуальных траекторий развития - низкие (часто нулевые) корреляции между последовательными измерениями признаков у одних и тех же зародышей.

6. Морфогенез дорсальной губы бластопора у всех изученных видов амфибий связан с циклическим чередованием пространственно однородной и пространственно неоднородной формы губы, причем уровень изменчивости служит контрольным параметром основного гаструляционного движения.

7. На основе сравнительно-морфологического анализа изменчивости гаструляции остромордой и травяной лягушки показано, что эволюционно исходным типом является гаструляция остромордой лягушки, а его изменение у травяной лягушки является следствием дестабилизации индивидуальных траекторий гаструляции в результате отбора, направленного на акселерацию развития.

8. В морфологическом ряду чесночница —► остромордая лягушка —> травяная лягушка показано усиление доминирования дорсальной губы бластопора как организатора гаструляционных движений, являющееся, по-видимому, основным трендом эволюции морфогенеза амфибий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи

1. Cherdantsev V.G., Scobeyeva V.A. The morphological basis of self-organization: developmental and evolutionary aspects.// Rivista di Biologia (Biology Forum) 1994, V. 87, P. 57-85.

2. Скобеева B.A., Черданцев В.Г. Дорсовентрапьная поляризация гаструляционных движений у зародышей чесночницы (Pelobates fuscus L.): реконструкция механизма на основе анализа индивидуальной изменчивости.// Онтогенез, 1999, т.ЗО, N 6, с. 436-447.

3. Scobeyeva V. A.The natural variability of morphogenesis: a tool for exploring the mechanics of gastrulation movements in amphibian embryos, II International Journal of Developmental Biology, 2006, V.50, P.315-322

4. Cherdantsev V. G., Scobeyeva V. A. The within-individual basis of between-individual differences. //

Информационный Вестник ВОГиС, 2009, Т. 13, с. 144-150 Тезисы докладов

1. Scobeyeva V. A. The natural variability of metric morphological characters in amphibian gastrulation, // 1-st Meeting of The European society for Evolutionary Developmental biology, 2006, P.60

2. Scobeyeva V. A., Cherdantsev V. G. The within-individual basis of between-individual differences// 2-nd Meeting of The European society for Evolutionary Developmental biology, 2008, P. 182

3. Scobeyeva V. A, Cherdantsev V. G. The genetic influence on the variability of amphibian gastrulation - dorsal is more robust, than ventral // 3-rd Meeting of The European society for Evolutionary Developmental biology, 2010, P.254

Подписано в печать 12.10.2011 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1146 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Скобеева, Виктория Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ НОРМАЛЬНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГАСТРУЛЯЦИИ АМФИБИЙ В ВЫБОРКАХ СИНХРОННО ФИКСИРОВАННЫХ ЗАРОДЫШЕЙ

ГЛАВА 4. НОРМАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАННЕГО ДРОБЛЕНИЯ ТРАВЯНОЙ ЛЯГУШКИ НА САГИТТАЛЬНЫХ АНАТОМИЧЕСКИХ СРЕЗАХ ЗАРОДЫШЕЙ

ГЛАВА 5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ГАСТРУЛЯЦИОННЫХ ДВИЖЕНИЙ

ГЛАВА 6. ДИНАМИКА ИЗМЕНЧИВОСТИ КОЛИЧЕСТВЕННО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ В ПРОЦЕССЕ ГАСТРУЛЯЦИИ ТРАВЯНОЙ ЛЯГУШКИ

ГЛАВА 7. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТАКСОНОМИЧЕСКИХ РАЗЛИЧИЙ В ОРГАНИЗАЦИИ ГАСТРУЛЯЦИИ У ИЗУЧЕННЫХ ВИДОВ АМФИБИЙ

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Изменчивость количественно-морфологических признаков гаструляции амфибий и ее морфогенетическое значение"

По мере накопления данных об изменчивости количественно-морфологических признаков живых организмов все острее встает проблема их интерпретации. Общепринятое разложение фенотипической дисперсии на компоненты (Falconer, 1981) основывается на представлении, согласно которому изменчивость целиком обусловлена генотипом, средой и их взаимодействием. К средовой компоненте относят и .различия в изменчивости повторяющихся частей организма, и единственным исключением считается дисперсия, возникающая в результате случайных «ошибок развития» {developmental noise, или intangible variation, см. Falconer, 1981). В рамках господствующей в современной биологии развития парадигмы однозначной детерминация развития структур совместными усилиями генотипа и среды, изменчивость, обусловленная «ошибками» развития, вообще не может иметь биологического значения и в лучшем случае является, показателем качества условий, в которых находится и развивается зародыш. При такой каузальной установке «шум развития» ничем принципиально не отличается от теплового движения молекул, его источником служат случайные колебания, например, концентраций морфогенов, или случайная неравномерность клеточных делений в разных частях зародыша (Суле, 1984). Следовательно, в начале развития изменчивость должна быть минимальной, постепенно нарастая к его концу, поскольку чем дольше происходит процесс, тем больше времени на накопление случайных ошибок. Изменчивость признаков взрослого организма должна быть гораздо выше изменчивости признаков в. начале формирования биологических структур, из-за того, что «совершенная» программа развития сталкивается с несовершенством реального мира. На фоне становления неравновесной термодинамики и открытия диссипативных структур, возникающих на основе случайных флюктуаций (Николис, Пригожин, 1979), такая концепция выглядят анахронизмом, точно таким же, как представление о разложимости развивающегося зачатка на потенциально бесконечное число блоков, каждый из которых может иметь собственную изменчивость (Суле, 1984).

Интерес к этой проблеме особенно возрос в последнее десятилетие, когда изучение изменчивости зональной экспрессии генов в эмбриогенезе дрозофилы (Houchmandzadeh et al, 2002; Jaeger et al., 2004; Самсонова и др., 2008; Surkova et al., 2008) показало, что эта изменчивость максимальна на ранних этапах разметки пространственной структуры и снижается по мере ее завершения. Объяснение канализации генной экспрессии можно искать, не выходя за пределы собственно взаимодействия генов (Самсонова и др., 2008; Surkova et al., 2008), однако не менее продуктивным представляется изучение обратных связей между внутренней динамикой развития эмбриональных зачатков и их геометрической формой (Черданцев, 2003; Cherdantsev, 2006). Основным препятствием для построения таких моделей является отсутствие количественных данных об организации и динамике нормальной морфологической изменчивости в раннем морфогенезе, а также отсутствие методов анализа изменчивости количественноморфологических признаков, учитывающих ее вклад в организацию нормального морфогенеза, прежде всего, в организацию коллективных морфогенетических движений клеток эмбриональных тканей.

Цель работы - на примере гаструляции нескольких видов бесхвостых амфибий изучить, с помощью статистических методов анализа, причины и общие закономерности изменчивости количественно-морфологических признаков эмбриональных структур, связанной с процессом их формирования, и показать, что эта изменчивость является необходимым фактором их нормального развития.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

4. Провести сравнительно-морфологический анализ организации изменчивости у двух видов рода Rana (R. temporaria и R. arvalis) и чесночницы {Pelobates fuscus), пытаясь проследить пути и закономерности перехода индивидуальной и внутри-индивидуальной изменчивости в таксономические различия.

Для решения перечисленных задач в первую очередь изучали изменчивость количественно-морфологических' характеристик дорсальной губы бластопора как Материалом для решения поставленных задач были взяты кладки бесхвостых амфибий рода Rana и рода Pelobates, развивающиеся в оптимальных условиях температуры и аэрации. В первую очередь изучалась изменчивость признаков дорсальной губы бластопора, как структуры, существующей только в период гаструляции и являющейся организатором развития осевых структур зародыша, необходимых для его дальнейшего развития.

Впервые установлена общая закономерность динамики нормальной морфологической изменчивости, единая для всех изученных признаков у всех изученных видов амфибий: изменчивость максимальна при инициации новых для данной стадии развития эмбриональных структур, а затем уменьшается. Установлена положительная связь между уровнем изменчивости признаков на данной стадии гаструляции и темпами их направленного изменения на ближайшей по времени стадии. В основе индивидуальной изменчивости лежат внутри-индивидуальные различия, возникающие в процессе формирования структуры и исчезающие по завершении ее морфогенеза.

С помощью статистического анализа индивидуальных траекторий гаструляции впервые доказано их реальное существование и, в то же время, низкий уровень их устойчивости. Впервые показано, что «мотором» основного гаструляционного движения являются циклические изменения формы дорсальной губы бластопора - автоколебания, возникновение которых связано с принципиальной неустойчивостью пространственно однородных форм.

Впервые проведено сравнение устойчивости индивидуальных траекторий морфогенеза у двух близких видов амфибий (остромордой и травяной лягушки). Видообразование, т. е., выделение травяной лягушки в отдельный вид, оказывается связанным с дестабилизацией индивидуальных траекторий гаструляции> в результате отбора, направленного на акселерацию развития.

Результаты работы позволяют выделить собственную изменчивость морфогенеза как особую компоненту изменчивости, не сводящуюся ни к взаимодействию' его генетической 'и средовой компоненты, ни к накоплению «ошибок развития». Уровень нормальной изменчивости морфогенеза следует рассматривать как важное звено в системе морфогенетических сигналов, информирующее развивающуюся систему о состоянии системы морфогенетических корреляций. Выявленные общие закономерности пространственно-временной динамики изменчивости морфогенеза позволяют объяснять многие общеизвестные, но не имевшие объяснения факты, такие как повышенная изменчивость структур, формирующихся в онтогенезе в последнюю очередь, правило Спалланцани, и, в более общем виде, связь между уровнем изменчивости сериально гомологичных элементов структуры пространственно-временному порядку их формирования.

Результаты работы позволяют также использовать методы статистического анализа, прежде всего, факторного анализа, для реконструкции ^структуры коллективных морфогенетических движений и- могут быть применены в любых исследованиях, в которых стоит такая задача. По уровню нормальной изменчивости можно оценивать темпы формообразования, а также выделять процессы, имеющие на данной стадии развития собственную динамику, и отличать их от процессов, динамика которых зависит от предшествующих стадий развития.

Заключение Диссертация по теме "Биология развития, эмбриология", Скобеева, Виктория Александровна

выводы

2. Изменчивость количественно-морфологических характеристик максимальна при инициации новых для данной стадии развития эмбриональных структур например, губы бластопора), а затем уменьшается по мере завершения их морфогенеза.

5. Дополнительной причиной высокого уровня изменчивости является низкая устойчивость индивидуальных траекторий развития — низкие (часто нулевые) корреляции между последовательными измерениями признаков у одних и тех же зародышей.

6. Морфогенез дорсальной губы бластопора у всех изученных видов амфибий связан с автоколебаниями - циклическим чередованием пространственно однородной и пространственно неоднородной формы губы. Уровень изменчивости оказывается основным контрольным параметром основного гаструляционного движения.

8. В морфологическом ряду чесночница —» остромордая лягушка —> травяная лягушка показано усиление доминирования дорсальной губы бластопора как организатора гаструляционных движений, являющееся, по-видимому, основным трендом эволюции морфогенеза амфибий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнение остромордой и травяной лягушки показывает, что эволюционно исходным типом гаструляция является гаструляция остромордой лягушки, тесно связанная с предгаструляционной разметкой, когда гаструляционные движения клеток являются прямым продолжением предгаструляционной эпиболии. У травяной лягушки геометрическая связь между формой границы бластопора и арки ДГБ гораздо слабее и ограничена точкой касания обеих кривых на дорсальном полюсе бластопора.

Эти различия нельзя считать видоспецифичными, так как для каждого виды можно подобрать группы кладок, в которых ход гаструляции будет различаться примерно так же, как у остромордой и травяной лягушки. В обоих случаях мы наблюдаем отрицательную« связь между начальным размером зачатка ДГБ и скоростью его роста, вытекающую из уравнения (2), выведенного в предыдущей главе (см. главу б). Из всех гаструляционных движений сильную зависимость от кладки, а значит, и от генетических различий, имеет только эпиболия — процесс с наименьшим вкладом в индивидуальную изменчивость ее внутри-индивидуальной компоненты.

На видовой уровень межкладочные различия переходят благодаря резкой дестабилизации индивидуальных траекторий гаструляции у травяной лягушки, т. е., уменьшению коэффициентов корреляции между значениями признаков в последовательных сериях измерений одних и тех же зародышей. Учитывая, что дестабилизация связана с акселерацией темпов развития и носит системный характер, т. е., касается не только гаструляции, но и всего онтогенеза травяной лягушки, можно предположить следующий эволюционный сценарий.

Травяная лягушка находится под действием отбора, направленного на акселерацию темпов развития (Северцов, 2004), который идет тем легче, чем слабее зависимость морфогенеза на данной стадии развития от морфогенеза на предшествующих по времени стадиях. Для большинства биологических систем ослабление связей ведет к снижению общей приспособленности, противодействуя направленному отбору, но для морфогенетических систем это ограничение отсутствует. Поэтому такой отбор оказывается вполне эффективным, а его косвенным и селективно нейтральным следствием является дестабилизация индивидуальных траекторий развития и изменение морфологического типа гаструляции. «Детерминированная гаструляция» остромордой лягушки сменяется «гаструляцией с метаморфозом», где аналогом метаморфоза является разрыв связи между радиусом кривизны окружности бластопора перед началом гаструляции и начальным радиусом кривизны зачатка ДГБ.

Гораздо меньше с действием отбора связаны макроэволюционные различия между ранними стадиями гаструляции у чесночницы и лягушек. До появления настоящей губы бластопора у чесночницы отсутствуют достоверные различия количественно-морфологических характеристик дорсальной и вентральной стороны зародыша, которые у обоих видов лягушки есть уже на стадии инициации гаструляции. Единственным отличием дорсальной стороны у чесночницы до оформления губы бластопора является экваториальное расширение дорсального сектора краевой зоны гаструлы. У лягушек же на предгаструляционных стадиях развития есть существенные различия в темпах эпиболии на дорсальной и вентральной стороне, ведущие к более быстрому, чем чесночницы, стягиванию клеток супрабластопоральной зоны на дорсальную сторону и, как следствие, задержке развития вентральной губы вплоть до полного замыкания бластопора. Трудно усмотреть какую-либо связь между этими изменениями и приспособленностью.

Между тем, если говорить собственно о морфогенезе, то различия совершенно разного эволюционного и таксономического масштаба укладываются в единый эволюционный ряд: гаструляция травяной лягушки отличается от гаструляции остромордой лягушки в том же направлении, в каком гаструляция остромордой лягушки отличается от гаструляции чесночницы. Общий эволюционный тренд состоит в усилении доминирования ДГБ и, соответственно, уменьшении вклада окружности бластопора в организацию гаструляционных движений.

У чесночницы вся окружность бластопора участвует в морфогенетическом цикле . основного гаструляционного движения (см. главу 5). У остромордой лягушки окружность бластопора направляет латеральное распространение ДГБ. Наконец, у травяной лягушки от формы этой окружности зависит только положение точки инициации гаструляции.

Этот тренд реализуется независимо от того, является ли эволюция морфогенеза селективно нейтральным (эписелекционным) эффектом направленного отбора, или, согласно гипотезе А. Г. Креславского (см. СЬегба^веу е1 а1., 1996), результатом направленного накопления разнонаправленных флюктуаций отбора, суммарное влияние которых на приспособленность равно нулю. Не видно, каким образом переход от первично замкнутого бластопора чесночницы к открытому бластопору лягушек может быть связан с приспособленностью. В то же время очевидно; что усиление «дорсального доминирования» фиксируется потому, что становится фактором дорсовентральной поляризации, а изменение в обратном направлении либо вообще не имеет никаких последствий для морфогенеза, либо устраняется отбором.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Скобеева, Виктория Александровна, Москва

1. АА Андронов, JTC Понтрягин Грубые системы. Докл. АН СССР, 1937

2. Арнольд В. И. Теория катастроф. М.: МГУ, 1993. 240 с.

3. Астауров Б.Л. Наследственность и развитие. Избранные труды. М.: Наука, 1974. 359 с.

4. Белинцев Б. Н., Белоусов Л. В., Зарайский А. Г. Модель самоорганизации эмбриональных клеточных пластов. В кн.: Теоретические и математические аспекты морфогенеза. М.: Наука, 1985, с.141 151.

5. Белоусов Л. В. Биологический морфогенез. М.: МГУ, 1987, 320 с

6. Гурвич А. Г. О понятиях нормировки и детерминации в биологии // Вопросы философии и психологии, 1911, т. 107.

7. Гурвич А. Г. Теория биологического поля. М.: Наука, 1944 8.Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция. М.: Мир, 1972

8. Глухова Е. В., Черданцев В. Г. Микроскладки в супрабластопоральной зоне гаструлы лягушки и их отношение к механике и геометрии гаструляции // Онтогенез, 1999; т. 30; с. 425-436.

9. Дабагян Н.В., Слепцова Л.А. Объекты биологии развития. М., Наука, 1975

10. ДорфманЯ. Г., Черданцев В. Г. (а) Структура морфогенетических движений гаструляции у бесхвостых амфибий // Онтогенез, 1977, т. 8, с. 238 262.

11. Зарайский, А. Г. Нейральная индукция: новые достижения и перспективы // Молекулярная биология, 2007, Т. 41, N 2, С. 200-215

12. Захваткин А. А. Сравнительная эмбриология низших беспозвоночных. М.: Наука, 1949, 374 с "

13. Нотов A.A.,. О специфике и функциональной организации индивидуального развития модульных объектов // Журн. общ. Биологии, 1999, Т. 60. № 1. С. 60-79.

14. Рогинский Я. Я. О некоторых результатах применения количественного метода к, изучению морфологической изменчивости // Арх. Анат., гистол. и эмбриол., 1959, т. 36; с. 83-89.

15. Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М.: Наука, 1984

16. Самсонова М.Г., Гурский В.В., Козлов К.Н., Самсонов A.M. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета 2006. № 44. С. 222234.

17. Северцова Е.А., Северцов А.С.2007. МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ ЭМБРИОГЕНЕЗА БЕСХВОСТЫХ АМФИБИЙ, ОБИТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ// Журнал Общей Биологии, 227, т. 68, № 5, С. 323-331

18. Суркова С.Ю., Мясникова Е.М., Райниц Д., Самсонова М.Г ДИНАМИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ КАРТИН ЭКСПРЕССИИ ЗИГОТИЧЕСКИХ ГЕНОВ СЕГМЕНТАЦИИ У ДРОЗОФИЛЫ//Биофизика. 2008. Т. 53. № 3. С. 475-481.

19. Суле М. Аллометрическая изменчивость теория и следствие // Журнал Общей Биологии, 1984, т. XLV, № 1, с. 16-26

20. Цветкова Н. В., Черданцев В. Г. Динамика и изменчивость раннего морфогенеза вьюна, Missgurnus fossilis L., по данным наблюдений за индивидуальными тракториями развития // Онтогенез, 2005

21. Черданцев В. Г. Морфогенез и эволюция. М.: Изд-во КМК 2003,7 360 с.

22. Черданцева Е. М., Черданцев В. Г. Организация изменчивости сериально гомологичных структур и ее связь с темпами роста (на примере ротового поля бурых лягушек) // Зоологический Журнал, 1994, т. 76, с. 94-107.

23. Шишкин М. А. Индивидуальное развитие и естественный отбор // Онтогенез, 1984, т. 15, с. 115-136

24. Шмальгаузен И. И. Факторы эволюции. М.: Наука, 1947

25. Beloussov L. V. The dynamic architecture of a developing organism. Kluwer Acad. Publishers, 1998.

26. Beloussov L. V., Dorfman J. G., Cherdantsev V. G. Mechanical stresses and morphological patterns in amphibian embryos // J. Embryol. Exp. Morphol., 1975, v. 34, p. 559 574.

27. Beloussov L. V., Louchinskaia N. N., Stein A. A. Tension-dependent collective cellmovements in the early gastrula ectoderm of Xenopus laevis embryos // Dev. Genes Evol., 2000, v. 210, p. 92-104.

28. Ballard W. W. Morphogenetic movements and fate maps of vertebrates // Am. Zool., 1980,v. 21, p. 391-399.

29. Buss L. The evolution of individuality. Princeton University Press, 1987.

30. Campos-Ortega J. A., Hartenstein V. The Embryonic Development of Drosophilamelanogaster. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New-York, Tokio, 1985, 222 p.

31. Cherdantsev V. G., Scobeyeva V. A. The morphological basis of self- organization //

32. Rivista Biology Forum, 1994, v. 87, p. 57 85.

33. Cherdantsev V. G., Kreslavsky A. G., Severtsov A. S. Episelective evolution //

34. Evolutionary Theory, 1996, v. 11, p. 69 87.

35. Cherdantsev V. G., Scobeyeva V. A. On Gurwitsch' s Morphogenetic Law. In:

36. Biophotonics / Eds. L. V. Beloussov, F. A. Popp. M. Bioinformservices, 1996, p. 53 — 70.

37. Cherdantsev V. G., Kraus Yu., Scobeyeva V. A. Spatial unfoldings of cell morphogeneticmovements: A new version of the Gurwitsch morphogenetic field // In: Biophotonics and coherent systems. MSU Press, 2000, p. 53 67.

38. Conrad M. The geometry of evolution // Rivista Biol. Forum, 1996, v.89, p. 21-55.

39. Counce S., Waddington С. H. Developmental systems: insects. N-Y: Acad. Press, 1973, V.2, p. 1-156.

40. Dassow von G., Munro E. Modularity in animal development and evolution: elements of aconceptual framework for Evo-Devo // J. Exp. Zool., 1999, v. 285, p. 307-325.

41. Delbruck M. Unites biologiques douees de continuite genetique. C. N. R. S., Paris, 1949.

42. Del Pino E.M., Avila M-E, Perez O.D., Benitez M-S., Alarcon I., Noboa V and Moya I.M Development of the dendrobatid frog Colostethus machalilla //IntJ.Dev.Biol., 2004, V.48,1. P.663-670

43. Elsdale T. Pattern formation in fibroblast cultures: an inherently precise morphogeneticprocess. In: Towards a Theoretical Biology, Edinburgh University Press, 1972, V. 4, p. 95 -108.

44. Falconer D. S. Introduction to Quantitative Genetics. London: Longman, 198Ц340 p

45. Frankel J. Pattern formation. Ciliate Studies and Models. Oxford University Press, N. Y.,1. Oxford, 1989.

46. Freeman G. The role of polarity in the development of the hydrozoan planula larva // W. Roux' Arch. Devel. Biol., 1981, v. 190, p. 168 184.

47. Gerhart J., Ubbels G., Black S., Нага K., Kirschner M. A reinvestigation of the role of thegrey creschent in axis formation in Xenopus laevis // Nature, 1981, v. 292, p. 511-516.

48. Cherdantsev V.G., Scobeyeva V.A. THE WITHIN-INDIVIDUAL BASIS OF BETWEEN

49. DIVIDUAL DIFFERENCES // Вестник ВОГиС, 2009, Том 13, № 1, 144-149.

50. Goethe J.V. Metamorphosis of plants, 1790

51. Goodwin В. C. How the Leopard changed its spots. The evolution of complexity. Weidenfeld and Niicolson, London, 1994.

52. Gurwitcsh A. G. Uber den Begriff des embryonalen Feldes // Arch. Enwicklungsmech. des

53. Organismen, 1922, v. 51, p. 383 415.

54. Gustafson T., Wolpert L. Cellular movements and contacts in sea urchin morphogenesis //

55. Biol. Rev., 1967, v. 42, p. 442 498.

56. Hardin J., Keller R. The behaviour and function of bottle cells during gastrulation of

57. Xenopus laevis //Development, 1988; v. 103, p. 211 -230.

58. Harris A. K. Locomotion of tissue culture cells considered in relation'to ameboidlocomotion// Int. Rev. Cytol., 1994, v. 150, p. 35-68.

59. Harris A. K., Stopak D., Warner P. Generation of spatially periodic patterns by amechanical instability: a mechanical alternative to the Turing model // J. Embryol. Exp. Morphol., 1984, v. 80, p. 1-20.

60. Hatschek B. Studien über Entwicklung des Amphioxus. Arbeiten aus dem Zoologishben1.stitute der Universität Wien, 1881.

61. Hertwig O. Handbuch der vergleichenden und experimetellen Entwicklungslehre der

62. Wirbeltiere. Bd. 1. Yena, G. Fisher Verlag, 1906.

63. Holtfreter J. Differenzierungspotenzen isolierter Teile der Anurengastrula // Arch. Entw.

64. Mech. Org., 1938, v. 138, S. 677-738.

65. Horstadius S. The mechanics of sea-urchin development studied by operative methods //

66. Biol. Rev., 1939, v. 14, p. 132- 179.

67. Houchmandzadeh, B., Wieschaus, E., Leibler, S. Establishment of developmental precisionand proportions in the early Drosophila embryo.// Nature 2002, V 415(6873), P. 798— 802.

68. Jaeger J, Surkova S, Blagov M, Janssens H, Kosma D, Kozlov KN, Manu, Myasnikova E,

69. Vanario-Alonso CE, Samsonova Mj Sharp DH, Reinitz J. Dynamic control of positional information in the early Drosophila embryo// Nature 2004, V.430, P. 368-371

70. Kavanagh KD, Evans AR, Jernvall J. Predicting evolutionary patterns of mammalian teethfrom development// Nature, 2007 Sep 27; V.449(7161), P.427-32.

71. Kauffman S. A. Gene regulation networks: A theory for their global structure and behaviors

72. Curr. Topics Devel. Biol., 1971, v. 6 p. 145 182.

73. Kauffman S. A. Characteristic waves, compartments and binary decisions in Drosophiladevelopment // Am. Zool., 1977, v. 17, p. 631 648.

74. Keller R. E. Vital dye mapping of the gastrula and neurula of Xenopus laevis // Develop.

75. Biol., 1976, v. 51, p. 118-137.

76. Keller R. E. Cell rearrangements in morphogenesis // Zool. Sei., 1987, v. 4, p. 763 779.

77. Kestler HA, Kühl M. From individual Wnt pathways towards a Wnt signalling network // Philos Trans R Soc Lond B Biol Sei., 2008, Apr 12, V. 363(1495), P: 1333-47

78. Kiecker C, Niehrs C. 2001 A morphogen gradient of Wnt/beta-catenin signalling regulates anteroposterior neural patterning in Xenopus. Development, Nov;128(21):4189-201.

79. Klingenberg, C. P. (2001). A developmental perspective on developmental instability: theory, models and mechanisms.In: M. Poolak, ed. Developmental instability: causes and consequences. Oxford University Press, Oxford, 200

80. Klingenberg, C.P. & Nijhout, H. F. (1999). Genetics of fluctuating asymmetry: a developmental model of developmental instability. Evolution 53, 358±375.

81. Kieser, J.A. & Groeneveld, H. T. (1991). Fluctuating odontometric asymmetry, morphological variability, and genetic monomorphism in the cheetah Acinonyx jubatus. Evolution 45, 75±1183

82. Lens, L., S. Van Dongen, S. Kark, and E. Matthysen. 2002. Fluctuatingasymmetry as an indicator of fitness: Can we bridge the gap between studies// Biol. Rev. 77:2738.

83. Leary, R. F., and F. W. Allendorf. 1989. Fluctuating asymmetry as an indicator of stress:implications for conservation biology. Trends Ecol. Evol. 4:214-217

84. Marshall A. M. Vertebrate Embryology. London, Smith, Elder, 1893.

85. Meinhardt H. Models of biological pattern formation. Academic Press, 1982.

86. Mailer, A. P. 1997. Developmental'stability and fitness: A review.// Am. Nat. 149:916-932.

87. Moody S. A. Fates of the blastomeres of the 32 cell stage Xenopus embryo // Devel. Biol.,1987, v. 122, p. 300-319.

88. Moya I.M, Alarcon I, del Pino E.M. Gastrulation of Gastrotheca riobambae in comparisonwith other frogs//Developmental Biology, 2007, Volume 304, Issue 2, Pages 467-478

89. Nieuwkoop P. The "organization center" of the amphibian embryo: its origin, spatialorganization and morphogenetic action. In: Advances in Morphogenesis, 1973, v. 10, p. 1-39.

90. Nieuwkoop P. Origin and establishment of an embryonic polar axis in amphibiandevelopment//Curr. Topics Devel. Biol., 1977, v. 11,p. 115-117.

91. Oster G. F., Murray J. D., Harris A. K. Mechanical aspects of mesenchymal morphogenesis

92. J. Embryol. Exp. Morphol., 1983, v. 78, p. 83 125.

93. Owen R. Archetype and homologies of vertebrate skeleton. London, 1848

94. Palmer, A. R. 1994. Fluctuating asymmetry analyses:Aprimer. Pages 335-364 in Developmental Stability: Its Origins and Evolutionary Implications. T. A. Markow, ed. Kluwer Academic Publ.,Dordrecht, The Netherlands.

95. Palmer, A. R., and C. Strobeck. 1992. Fluctuating asymmetry as a measure of developmental stability: Implications of non-normal distributions and power of statistical tests.// Acta Zool. Fenn., 191:57-72.

96. Parsons, P. A. (1990). Fluctuating asymmetry: an epigenic measure of stress. Biological Review 65, 131±154.

97. Parsons, P. A. (1992). Fluctuating asymmetry: a biological monitor of environmental andgenomic stress. Heredity 68, 361±364.

98. Polak, M. & Trivers, R. (1994). The science of symmetry in biology. Trends in Ecology and1. Evolution 9, 122± 124.

99. Prigogine I. From being to becoming. Time and complexity in the Physical Sciences. W. H.

100. Freeman and Co, N. Y., 1980.

101. Salazar-Ciudad, I. & Jernvall, J. — A gene network model accounting for development andevolution of mammalian teeth// Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 99: 8116-8120

102. Shannon C. E., Weaver W. The mathematical theory of communication. Univ. Illinois1. Press, Urbana, 1962.

103. Sheldahl, L.C., Slusarski, D.C., Pandur, P., Miller, J.R., Kühl, M., and Moon, R.T. Dishevelled activates Ca2+ flux, PKC, and CamKU in vertebrate embryos // J. Cell Biol, 2003, V. 161(4), P: 769-777.

104. Shih J., Keller R. Patterns of cell motility in the organizer and dorsal mesoderm of Xenopuslaevis // Development, 1992, v. 116, p. 915 930.

105. Schroeder E. The contractile ring and furrowing in dividing cells // Ann. N.Y. Acad. Sei.,1990, v. 582, p. 78-87.

106. Scobeyeva V.A. The natural variability of moiphogenesis: a tool for exploring themechanics of gastrulation movements in amphibian embryos // International Journal of Developmental Biology, 2006, V. 50, P. 315-322

107. Slack J. M. W. From Egg to Embryo: Determinative Events in Early Development.

108. Cambridge University Press, 1983.

109. Smith J. C., Slack J. W. W. Dorsalization and neural induction: properties of the organizerin Xenopus laevis // J. Embr. Exp. Morph., 1983, v. 78, p. 299-317.

110. Spemann H. Experimentelle Beitrage zu einer Theorie der Entwicklung. Springer Verlag,1936.

111. Surkova, S., Kosman, D., Kozlov, K., Manu, Myasnikova, E., Samsonova, A.A., Spirov, A.,

112. Vanario-Alonso, C.E., Samsonova, M., Reinitz, J. (2008). Characterization of the Drosophila segment determination morphome// Dev. Biol., 313(2), p. 844—862.

113. Thom R. Stabilite structurelle et morphogenese. Menlo Pare., Calif. W. A. Benjamin ed.,1969.

114. Thom R. Structuralism and biology. In: Towards the Theoretical Biology, Edinburgh1. University Press, 1972.

115. Thomson D'Arsi. On growth and form. Cambridge University Press, 1942.

116. Trinkaus J. P. Mediation of cell surface behavior by intercellular contacts // Zoon, 1978, v. 6, p. 51-63.

117. Turing A. M. The chemical basis of morphogenesis // Phil. Trans. Roy. Soc. London, v. B237, p. 37-72.

118. Tuyttens F. A. M., Maertens L., Van Poucke E., Van Nuffel A., Debeuckelaere S., Creve J. and Lens L. Measuring fluctuating asymmetry in fattening rabbits: A valid indicator of performance and housing quality// J Anim Sei, 2005, 83:2645-2652.

119. Valen van L. Homology and causes // Journal of Morphology, 1982, v. 173, p. 305 312.

120. Valen van L. Non-Weismanian Evolution // Evolutionary Theory, 1987, v. 8, p. 101-107.

121. Vincent J-P, Sharf G. F., Gerhart J. C. Subcortical rotation in Xenopus eggs: a preliminarystudy of its mechanochemical basis. In: Cell Motil Cytoskeleton, 1977, v. 8, p. 143 -154.

122. Waddington C. H. Organizers and Genes. Cambridge University Press, 1940.

123. Waddington C. H. Form and information. In: Towards a Theoretical Biology. Edinburgh

124. University Press, V. 4, 1972, p. 109 141.

125. Wolpert L. Positional information and spatial pattern of cellular differentiation // Journalof Theoretical Biology, 1969, v. 25, p. 76 89.

126. Wolpert L. One hundred years of positional information // Trends in Genetics, 1996, v. 12,p. 359-364.

127. Wright S. Evolution and the Genetics of Populations. V 2: The Theory of Gene

128. Frequencies. Chicago University Press, 1969.

129. Whitehead A. N. Science and modern world. Cambridge Univ. Press, 1926.

130. Wray G.A, Hahn M, Abouheif E, Balhoff J.P, Pizer M, Rockman M.W and Laura A. Romano, The Evolution of Transcriptional Regulation in Eukaryotes// Mol BiolEvol,!003, 20 (9): 1377-1419.

131. Yasuo H, Lemair P. Role of Goosecoid, Xnot and Wnt antagonists in the maintenance ofthe notochord genetic programme in Xenopus gastrulae//Development, 2001,Oct; 128(19):3783-93.

132. Zeeman E. C. Differential equations for the heartbeet and nerve impulse. In: Towards a

133. Theoretical Biology. Edinburgh University Press, V. 4, 1972, p. 8 32.

Информация о работе

Скобеева, Виктория Александровна
кандидата биологических наук
Москва, 2011
ВАК 03.03.05

Диссертация

Изменчивость количественно-морфологических признаков гаструляции амфибий и ее морфогенетическое значение - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы