ОНТОГЕНЕЗ, 2013, том 44, № S, с. 364-371
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ
УДК 597.828:591.34
КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ В ПОСТЭМБРИОНАЛЬНОМ РАЗВИТИИ ОСТРОМОРДОЙ ЛЯГУШКИ (R. ARVALIS) ЧАСТЬ 3: МОДУЛЬНОСТЬ ИЛИ ЦЕЛОСТНОСТЬ РАЗВИТИЯ1 © 2013 г. Е. А. Северцова, А. С. Северцов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119899 Москва, Ленинские горы E-mail: SevertsovaEA@gmail.com Поступила в редакцию 18.04.12 г. Окончательный вариант получен 25.10.12 г.
Статический анализ морфометрии личинок постэмбриональных стадий развития остромордой лягушки позволил оценить степень и характер корреляционных связей развивающихся структур. Рассматривая корреляцию, как проявление множественных физиологических взаимодействий между развивающимися структурами, мы показали, что наиболее вероятным является сценарий развития структур личинок как целостного процесса сопровождающегося возрастанием доли незначительных коррелятивных связей при возрастании общего числа структур. При этом во время критических периодов развития наблюдается увеличение доли более сильных корреляционных взаимодействий между структурами, чье формирование происходит на этом этапе развития.
Ключевые слова: узловые стадии развития, филотипические стадии, модульность, изменчивость, коррелированность, Rana arvalis.
DOI: 10.7868/S0475145013030063
В течение эмбриогенеза всех позвоночных животных есть периоды морфологического подобия. В работах ХХ века авторы современных концепций стремятся назвать подобные периоды как "Korpergrundestalt" (Seidel, 1960), "филетические стадии" (Cohen, 1977), стадии "зоотипа/филоти-па" (Slack et al., 1993), "филотипический период" (Sander, 1983; Richardson, 1995), "критический период" (Светлов, 1978) или "узловые стадии" (Дорфман, Черданцев, 1977). Демонстрируется синхронизация экспрессии HOX — генов с фило-типическими стадиями (Slack et al., 1993), преимущественное возникновение аномалий развития на этих стадиях и сокращение морфологической изменчивости, по сравнению с предшествующими и последующими стадиями развития. Для объяснения этого явления, были предложены модели песочных часов "houn-glass model" (Raff et al., 1991; Raff, 1996) или "phylotipic egg-timer" модель (Duboule, 1994). Однако более детальные исследо-
1 Предлагаемая статья является третьей частью серии статей. Часть 1 посвящена изучению критических периодов в эмбриогенезе остромордой лягушки на основе анализа общих размеров зародыша, а часть 2 — на основе характеристик головных структур.
вания показали несоответствие теории песочных часов (Bininda-Emonds et al., 2003).
В настоящее время рассматриваются три эволюционные гипотезы, объясняющие возникновение таких периодов в развитии: а) случайные процессы, б) эпигенетические процессы и в) процессы естественного отбора. Каждая из этих гипотез имеет свое объяснение влияния генетической и средо-вой изменчивости в формировании филотипиче-ской стадии. Так, William (1992) считал, что подобие ранних стадий эмбрионального развития появляется как продукт совместного действия направленного/дивергентного отбора на поздних стадиях, а собственно филотипические стадии возникают не под действием отбора, а в результате увеличения фенотипической изменчивости связанной с увеличением комплексности развивающегося зародыша. Kirschner и Gerhart (1998) рассматривали возникновение филотипических стадий как результат действия стабилизирующего отбора, создающего платформу для эволюционной стабильности организма. При этом действие стабилизирующей формы естественного отбора и эпигенетические процессы не исключают друг друга, поскольку изменчивость фенотипа является следствием действия аддитивной генетической из-
менчивости, воздействия окружающей среды и эпигенетического взаимодействия.
Идея эпигенетического эффекта придания формы развивающемуся эмбриону принадлежит Гексли (1942) и развита Уодингтоном (Waddington, 1953, 1956). В современной трактовке этой концепции филотипический период появляется как результат взаимодействий между клетками, тканями, развивающимися органами, поэтому изменения в одном элементе ведут к изменениям многих взаимодействующих структур и функций (Horder, 2006, 2008). Все стадии развития потенциально открыты для эволюционных преобразований, но поскольку эпигенетические взаимодействия так фундаментальны, ранние эволюционные стадии так стабильны (Horder, 2006). Предполагается, что фенотипическая изменчивость снижается на фи-лотипической стадии и что генотипическая изменчивость увеличивается с увеличением числа генных взаимодействий.
Альтернативное объяснение этого: развитие может быть так изменчиво, что комбинируется из некоторого количества отдельных модулей (Raff, 1996; Wagner, Misof, 1993; Wagner, 199б). Модульность может быть описана как групповая характеристика процесса имеющего строгое взаимодействие ее составляющих по сравнению с характеристиками за пределами модуля. Модули могут охватывать разные уровни развития. Модули могут быть независимы от других модулей и могут ускоряться или запаздывать, или быть смещены во времени или в пространстве относительно друг друга. Изменения в одном модуле может происходить независимо от изменений в других модулях.
Предыдущие наши исследования, посвященные изучению узловых стадий развития, позволили выделить три группы признаков (Северцова, Северцов, 2011; 2012). Принадлежность признака к одной из групп определялась характером их изменчивости и коррелированности. Под коррели-рованностью мы понимали взаимозависимость развивающихся структур зародыша, выражаемую математически посредством коэффициента корреляции Спирмена. При значениях коэффициента больше 0.6 корреляция считалась условно высокой. При значении в диапазоне от 0.6 до 0.4 — средней, а при значении менее 0.4 — слабой. В состав первой группы отнесены признаки, характеризующие ростовые процессы в развитии: общая длина личинки (Lo), длина ее тела (Lb) и хвостовой пластины (Lx), ширина хвостовой пластины (Wx). Ко второй, — ширина ( Wg) и длина головы (Dlg), длина морды (Dl) и ширина ротовой присоски (W). Эти признаки рассматривались нами как характеристики процессов дифференциации головных структур. К третьей группе отнесены признаки:
высота морды (Vis), высота ротовой присоски (H) и ширина ротового отверстия (R), а так же расстояние между зрачками глаз (eye). Для этих признаков не были выделены узловые стадии на исследованном промежутке развития.
Целью данного исследования было проведение оценки коррелированности развития головастиков со стадии хвостовой почки до стадии почки задней конечности. Для выполнения этой цели была поставлено несколько задач: 1. Оценить корреляционные взаимодействия между признаками, характеризующими основные процессы развивающегося зародыша. 2. Провести оценку возможной модульности развития.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследование проводилось на постэмбриональных стадиях развития остромордой лягушки Rana arvalis Nills., собранных на нулевой стадии развития из водоемов двух районов города Москвы и из подмосковного водоема. В районе Южное Бутово из водоема, расположенного на окраине Битцевского парка, примерно в полукилометре от внешнего кольца МКАД, были взяты пробы от 6 кладок. Водоем представляет собой глубокую яму, заполняемую талой водой и содержащую большое количество бытового и промышленного мусора (полиэтиленовые пакеты, автомобильные покрышки и т.п.). Второй водоем располагался в районе Востряково, в 200 метрах от внутреннего кольца МКАД, рядом с бензозаправкой. Этот постоянный водоем пополняется как за счет талой воды, так и за счет воды, поступающей из соседних, более крупных прудов. Из него были собраны пробы от 6 кладок. Третий водоем, из которого осуществлялся сбор проб икры остромордой лягушки от пяти кладок, расположен в 50 км к западу от Москвы, на территории Звенигородской биологической станции МГУ. Этот водоем представляет собой зарастающее болото с достаточно кислой водой (рН = 5.2).
Пробы икры, объемом около 100 икринок от каждой кладки, переносились в лабораторию и помещались в кристаллизаторы с водой из нативных водоемов. Температура воды поддерживалась в пределах 15—19 градусов. Стадии развития определялись согласно таблицам Дабагян и Слепцовой (1975), разработанным для травяной лягушки, но часто аппроксимируемым и на развитие остромордой лягушки. Прослежено развитие с 27 по 39 стадии включительно. Каждые 3—4 часа по 10—15 личинок фиксировали 7% раствором формальдегида для последующего фотографирования при помощи фотокамеры, установленной на бинокуляре фирмы Zeisse.
Рис. 1. Морфометрические признаки на примере 38 стадии развития остромордой лягушки (Rana arvalis). Обозначения признаков см. в тексте.
На основе полученных фотографий, с помощью программы Axio Vision (Zeisse) проводились промеры личинок по следующим признакам (рис. 1): общая длина личинки (Lo); длина тела личинки (Lb), от наиболее выступающей части головы до анального отверстия; длина хвостовой пластины (Lx), от анального отверстия до конца хвостовой пластины; и ширина хвостовой пластины (Wx), по наиболее широкой части середины хвостовой пластины; длина морды (Dl) — от основания жабр до наиболее выступающей части морды; высота морды (Vis) — от края присоски до точки наиболее выступающей части морды; ширина головы (Wg) — расстояние, измеренное по линии жаберных щелей у личинки, лежащей на спине; длина головы (Dlg) — расстояние, измеренное у личинки, лежащей на спине от линии жаберных щелей до наиболее выступающей точки морды; ширина присоски (W) — расстояние между валиками присоски; высота присоски (H) в сагиттальном направлении; ширина ротового отверстия (R) — расстояние между уголками ротового отверстия; расстояние между зрачками глаз (eye).
Полученные данные обрабатывали при помощи программ Excel и STATISTIKA 6.0. Рассчитывали коэффициент корреляции Спирмена и строились корреляционные графы.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Построение корреляционных граф проводилось с таким расчетом, чтобы можно было оценить взаимодействие признаков включенных в одну группу (рис. 2). Взаимодействие между признаками первой группы наблюдается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.