Geum.ru

Филогения животного мира: современные тенденции и проблемы

Вид материалаДокументы

Содержание


Symbion pandora
Подобный материал:

Филогения животного мира: современные тенденции и
проблемы


В настоящее время в мире наблюдается повышенный интерес к филогенетическим исследованиям. Ежегодно выходят десятки статей, в которых подвергаются существенному пересмотру некоторые представления о происхождении и родственных связях таксонов высокого ранга.

Традиционно филогенетические исследования велись с применением трех групп методов, выделенных Геккелем: 1. Сравнительно-морфологический; 2. Палеонтологический; 3. Онтогенетический.

Своеобразный «бум» в развитии современной филогенетики связан со становлением новых методов. Так сравнительная морфология обогатилась методами электронной микроскопии. Но к наибольшему прогрессу привела разработка четвертой группы методов - молекулярно-биологических. Как отмечал Малахов, эволюционная триада превратилась в эволюционную тетраду.

Первые работы, в которых ключевые вопросы филогенетики беспозвоночных животных решались на основе анализа нуклеотидных последовательностей, были опубликованы в начале 90-х гг. прошлого века. Наибольшая база данных была накоплена по ядерному гену, который кодирует 18s ррнк. Для филогенетических реконструкций на высоком таксономическом уровне используются и другие гены или участки ядерной ДНК, например, так называемый elongation factor (Ef-la), гены белков термического шока, миозинов, гистонов. Сравнивают также вторичные структуры РНК и аминокислотные последовательности белков. На уровне семейств и родов используют анализ митохондриальных генов.

Кроме последовательностей нуклеотидов и аминокислот важным источником филогенетической информации является анализ положения в геноме и функций отдельных генов (non-sequence data). Наиболее интенсивно изучаются в этом отношении так называемое гомеобоксные гены или Нох-гены, ответственные за формирование общего плана строения в ходе индивидуального развития. Предпринимаются попытки комплексного анализа всего массива филогенетической информации - морфологических признаков, нуклеотидных последовательностей многих генов и структурных признаков геномов. При этом ставится задача поиска наиболее экономного (парсимоничного) решения для объединенной матрицы данных, которая включает в себя все перечисленные комплексы признаков.

Но это преамбула. Что касается ситуации, то сейчас, в первую очередь «на слуху» те изменения, которые произошли во взглядах на филогению одноклеточных эукариот – простейших.

Это естественно, ведь в школьных учебниках, да и многих вузовских материал построен на базе взглядов Отто Бючли. Все было просто – есть тип животных Protozoa, к которому относятся амебы, эвглены, инфузории и малярийные плазмодии. А посмотришь в современную литературу – то речь идет о целом царстве Протисты (Protista), с десятками типов. Но и этого мало. Оказывается, что и царств простейших уже не одно, а несколько. Все новые системы мелькают как в калейдоскопе. Не то, что просто любознательные люди – даже профессионалы-зоологи (правда, специалисты по многоклеточным животным) порой утверждают, что протистологи сами не ведают, что творят!

Еще в начале 50-х годов 20 века в протозоологии начали активно использовать для исследований строения протистов сначала трансмиссивную, а позже и сканирующую электронную микроскопию. Казалось бы, результаты применения этих методов должны были естественно «лечь» на существующую схему филогении простейших, параллельно углубив наши знания о строении этих организмов, их физиологии и биологии. Но, как это часто бывает в науке, на самом деле этим прокладывался «подкоп» под устоявшиеся взгляды на систематику и филогенетику простейших.

Результаты электронной микроскопии простейших, прежде всего, показали, что имеющиеся в клеточном теле простейших органеллы, характерные для всех эукариот, не у всех протистов одинаковы.

Так, неодинаковыми оказались митохондрии. Выяснилось, что классическая организация этих органелл (двойная мембрана с внутренними выростами-кристами) имеет варианты, проявляющиеся в форме крист. Имеются кристы не только пластинчатые, как нарисовано в школьном учебнике, но еще и трубчатые, дисковидные, пузырьковидные и т.п. Оказалось, что для разных систематических групп простейших характерны разные типы крист и их по этому признаку можно различать, причем различия эти достаточно четкие и стабильные. Появилась и была подтверждена многочисленными фактами концепция эволюционного консерватизма типов крист митохондрий. Это свидетельствовало, о том, что от гипотетического общего предка эукариот ведет не одна эволюционная линия, которая потом делится на ветви, соответствующие животным и растениям, а несколько. Каждой из этих ветвей соответствует свой тип крист.

Кроме того, оказалось, что и такой фундаментальный процесс, как митотическое деление клетки, у разных протистов тоже проходит по-разному, существует несколько типов митоза.

Почти одновременно стало понятным, что типов организации клетки у простейших больше четырех (саркодная, монадная, ресничная (инфузории) и со стадией споры). Благодаря электронной микроскопии очевидным стало то, чего нельзя было обнаружить на оптическом уровне – у разных групп простейших имеются уникальные наборы клеточных органелл, которых нет у других групп. То есть для отдельных крупных групп простейших характерен свой общий план строения организма. А наличие особого общего плана строения – это характеристика, на основании которой выделяют типы, а не классы. И, если не игнорировать данные электронной микроскопии, то неизбежен вывод, что почти каждый из классов, предложенных Бючли - это на самом деле несколько типов.

Прекрасная логичная схема Бючли начала медленно, но уверенно разваливаться, так как становилось ясным, что, например, многих саркодовых, жгутиковых и споровиков объединяет только внешнее, конвергентное сходство.

Но выяснилось и другое - очень близкие по строению жгутиконосцы, которых, по степени их морфологического сходства надо было бы относить к одному семейству или даже роду, оказались в разных царствах только на основании того, что у одних видов есть хлоропласты, а у других нет.

Неизбежным стал существенный пересмотр взглядов на филогению и систему протистов (и эукариот в целом). В 1980 году Международная комиссия по номенклатуре и систематике, в состав которой входили ведущие специалисты с мировым именем, опубликовала систему живых организмов, известную под названием «система Ливайна с соавторами». В этой системе была через 120 лет на современном уровне возрождена идея Геккеля. Все живые организмы были подразделены на пять царств: Монера (прокариоты), Протиста (простейшие), Планта (растения), Фунги (грибы) и Анималия (животные). (клик) Царство Протиста делилось на семь типов, которые во многом совпадали с классами Бючли.

Но эта ситуация недолго оставалась стабильной. Применение секвенирования в протистологии породило буквально лавину информации о родственных связях между разными представителями протистов. Причем, в ряде случаев оказалось, что родства нет там, где оно предполагалось ранее.

В результате данные молекулярной генетики потребовали уже полного отказа от системы Бючли, так как некоторые типичные «саркоды» или «монады» оказались генетически не родственными. Чем больше новых видов протистов привлекали к генетическим исследованиям, тем больше не совпадали системы, построенные по данным электронной микроскопии и молекулярной генетики. Общая эволюционная линия эукариотных организмов распалась на пять или шесть независимых ветвей.

Три из этих ветвей соответствуют царствам растений, животных и грибов (на слайде они подчеркнуты). В каждую из оставшихся попали по нескольку недавно выделенных типов. Поскольку по своему рангу эти ветви оказались равны перечисленным выше трем «старым» царствам, естественным было предположить, что их тоже надо именовать царствами. Так поначалу и поступили.

Но пришлось искать объяснение объединению некоторых, совершенно, казалось бы, неродственных протистов вместе на молекулярных схемах. Наиболее «просто» это можно было объяснить, привлекая концепцию симбиогенеза.

Первым эту концепцию сформулировал известный российский биолог К. С. Мережковский. По его мнению, автотрофная клетка одноклеточных водорослей образовалась за счет того, что у каких-то гетеротрофных протистов были автотрофные симбионты – сине-зеленые водоросли. Постепенно взаимосвязь организма хозяина и симбионта стала настолько тесной, что они утратили свои индивидуальности, объединили геномы и стали единой клеткой-организмом. Так, по мнению Мережковского, за счет симбиогенеза образовались пластиды или хлоропласты.

Во времена Мережковского (начало 20 века) не было понятий «прокариоты» и «эукариоты». В 60-70-е годы того же столетия, когда такие термины стали общепринятыми, с помощью концепции симбиогенеза уже объясняли происхождение эукариотной клетки. Американка Линн Маргелис (независимо от Мережковского, работ которого не знала) предположила, что основные клеточные органеллы эукариот, такие как пластиды, ядро, митохондрии и, в результате, собственно эукариотная клетка, сформировались за счет нескольких симбиогенезов различных прокариотных организмов.

Естественно было предположить, что разные крупные группы протистов тоже произошли за счет объединения в один организм совершенно разных по своей природе существ. Таким образом, то, что, например, такие традиционные «животные» протисты как трипаносомы оказались в одной группе с «растениями» - эвгленами, уже не выглядело парадоксально.

Можно соглашаться с концепцией симбиогенеза, или нет (как Ваш сегодняшний докладчик), но ее применение сняло у протистологов психологический барьер перед созданием совершенно новых схем филогении простейших, причем совершенно без оглядки на старые и традиционные представления по этому вопросу.

Отсюда и обилие «молекулярных» схем. Но проблема заключается в том, что нельзя «прочесть» весь геном организма. Методы секвенирования пока позволяют «читать» только короткие цепочки нуклеотидов. Потом нужно много коротких участков «состыковывать» между собой, а методика эта чрезвычайно дорогая и трудоемкая. Так что пока полностью «осилили» только геном человека, дрозофилы и еще двух-трех видов. В остальных случаях ограничиваются тем, что берут определенные участки генома, которые считаются эволюционно консервативными, подобно тому, как консервативным считают тип крист митохондрий.

Это последнее обстоятельство несколько поумерило пыл даже тех исследователей, которые считают результаты секвенирования и их последующей компьютерной обработки непогрешимыми. Ведь привлечение новых участков генома к анализу привело к тому, что в пределах общего эволюционного древа эукариот начали выделяться уже не шесть, а до 70 независимых ветвей! Такая схема уже никак не согласовывалась с системой, базирующейся на строении организмов.

Чтобы как-то выйти из ситуации в 2005 году еще раз собралась группа ведущих специалистов-протистологов. Результатом явилась новая компромиссная система эукариот, известная как система Эдля с соавторами. В этой системе, построенной, в основном, на данных секвенирования, все эукариоты (не только протисты) относятся к шести кластерам. Далее эти кластеры подразделены на группы более низких рангов. Характерной особенностью этой системы является то, что в ней нет систематических категорий высокого ранга. Ранг обозначен звездочками, чем их меньше, тем систематический ранг выше.

Сделано это с целью избежать выделения дополнительных царств организмов, пока нет четкого ответа на вопрос, что считать царством. Поэтому в тексте данной работы нет ни слова «царство» (kingdom) ни даже слова «тип» (phylum).

Такова ситуация с простейшими. Но это не означает, что ситуация с многоклеточными животными никак не меняется. За последние 20-30 лет были открыты несколько новых таксонов беспозвоночных животных высокого ранга (типа, подтипа или класса) – лорициферы, вестиментиферы и др. И применение молекулярных технологий тоже не могло не отразиться на существующих схемах.

Напомню одну из старых схем филогении животных.

Кое в чем эта схема остается в силе. Так молекулярные исследования подтверждают монофилию Metazoa. В основном подтверждается и родство многоклеточных животных с хоанофлагеллатами, как возможными предками.

Однако представления о филогенетических отношениях ряда других таксонов во многом изменились.

Так, по мнению большинства современных исследователей, наиболее примитивные многоклеточные животные - губки - являются парафилетической группой. При этом известковые губки (Саlсisроngiа) оказались более, которых теперь выделяют в отдельный тип Silicispongia. Последний результат может показаться парадоксальным, поскольку кремниевые губки характеризуются более сложной организацией, чем известковые. Однако следует заметить, что минеральные скелеты еще более высокоорганизованных настоящих многоклеточных (Eumetazoa), например кишечнополостных, построены именно из углекислого кальция. Таким образом, замену кремниевого скелета на известковый можно рассматривать как синапоморфию, что сближает Calcispongia и Eumetazoa.

Возникли «претензии» и к гребневикам. Те исследователи, которые строят филогению по данным только морфологии, склонны трактовать гребневиков (Ctenophora) как переходную группу к двустороннесимметричным животным - Bilateria, основываясь на сложности их симметрии (совмещение дву- и восьмилучевой) и развитие мускулатуры из особого зачатка, который можно трактовать как третий зародышевый листок.

Однако молекулярные исследования неожиданно показали большую примитивность гребневиков по сравнению с кишечнополостными (Cnidaria) (клик). По этим данным радиальные животные (кишечнополостные и гребневики) не имели общих предков и развивались параллельно.

Отдельная ветвь низших многоклеточных представлена трихоплаксом, который характеризуется многими примитивными признаками и выделяется в отдельный тип Placozoa (Малахов, 1990). Недавние молекулярные данные, вероятно, окончательно опровергают старую гипотезу о том, что трихоплакс является аберрантной личинкой какого-то представителя кишечнополостных. При этом ближайшие родственники трихоплакса и его роль в становлении многоклеточности у животных остаются неопределенными (он может рассматриваться, например, как сестринская группа кишечнополостных или как ветвь, которая объединяет эволюционные линии кишечнополостных и билатеральных).

В последнее время опять интенсивно обсуждается статус и филогенетические связи слизистых споровиков-миксоспоридий - Myxozoa. Их принадлежность к многоклеточным животным и вторичность примитивной плазмодиальной организации теперь уже почти не вызывают сомнений, однако непонятным оставалось происхождение. Ряд молекулярно-филогенетических исследований подтвердил родство миксоспоридий с кишечнополостными. На некоторых молекулярных реконструкциях миксоспоридии оказались сестринской группой паразитических кишечнополостных Polypodium (паразиты икры осетровых).

Ситуация прояснилась, или наоборот запуталась в результате молекулярного исследования Buddenbrockia - загадочного паразита мшанок, систематическое положение которого доныне оставалось неопределенным. Оказалось, что этот червеобразный многоклеточный организм без рта, кишечника и центральной нервной системы, но с выраженной продольной мускулатурой и слизистые споровики, которые паразитируют на тех же мшанках, имеют почти идентичные последовательности по 18sррнк. Есть мнение, что это разные стадии развития одного организма, а вся группа в целом происходит от билатеральных предков.

В противовес радиальным, билатеральные животные (Bi1ateria) представляются четкой монофилетической группой. Исходное положение в этой группе занимают, очевидно, бескишечные турбеллярии - Acoelomorpha. Подобная точка зрения уже давно высказывалась морфологами и согласуется с результатами большинства молекулярно-генетических анализов. Однако данные по НОХ-генам и Еf-lа, а также результаты некоторых комплексных анализов не демонстрируют близкого родства Acoelomorpha с другими плоскими червями. Таким образом, положение бескишечных турбеллярий пока окончательно не определено.

Молекулярные исследования обнаруживают среди собственно билатеральных животных три главных эволюционных линии. Одна из них - вторичноротые (Deuterostomia) сохранила почти традиционный состав, включая типы иглокожих (Echinodermata), полухордовых (Hemichordata) и хордовых (Chordata). Только погонофоры вместе с недавно открытыми вестиментиферами «покинули» ветвь вторичноротых, куда их определял А.В. Иванов, и оказались радом с аннелидами, как и считалось ранее.

Вторая большая линия, которая получила название Lophotrochozoa, объединяет большую группу типов первичноротых животных: так называемых трохофорных (внутрипорошицевых - Entoprocta или Kamptozoa, кольчатых червей - Annelida, моллюсков и сипункулид), немертин, а также форонид (Phoronida), плеченогих (Brachiopoda) и мшанок (Bryozoa или Ectoprocta), имеющих специализированный щупальцевый аппарат (лофофор). Эта ветвь выделяется на филогенетических деревьях, построенных по результатам анализа последовательностей 18s ррнк, и подтверждается структурными признаками геномов - как митохондриальных, так и ядерных, в частности набором Нох-генов. Объединение трохофорных животных, которые характеризуются общими чертами плана строения и онтогенеза, вполне традиционно. Однако близкое родство трохофорных с лофофорными (щупальцевыми) противоречит представлением, основанным на морфологии, в соответствии с которыми последние рассматривались как группа, промежуточная между трохофорными и вторичноротыми. Таким образом, сомнения относительно филогенетического положения лофофорных все-таки остаются.

Состав третьей большой группы билатерий оказался самим неожиданным. Она объединяет членистоногих (Arthropoda), первичнотрахейных (Оnусhорhоrа), тихоходок (Tardigrada), круглых червей (Nemathelminthes) и головохоботных (Серhаlоrhуnсhа). Эти группы достаточно непохожие по планам строения и сближаются лишь за счет наличия сложной многослойной кутикулы и развития с периодической линькой. По последнему признаку новый таксон получила название Ecdysozoa – т.е. линяющие. О связях между тремя перечисленными ветвями пока судить трудно.

Молекулярные исследования позволяют определить положение одной из «проблемных» групп - Mesozoa - мелких паразитических организмов, которые характеризуются очень простой организацией. Эту группу одни исследователи считали примитивной, промежуточной между одноклеточными и многоклеточными, а другие – вторично упрощенной и отделившейся от плоских червей. Исследования гомеобоксных генов показали, что по крайней мере один из двух классов мезозой (дициемиды) - это достаточно продвинутая группа, действительно близкая к плоским червям, и вторичность их упрощенной организации теперь почти не вызывает сомнений.

Заслуживает обсуждения также недавно открытый тип Cycliophora. Его единственный представитель Symbion pandora - мелкий сидячий организм, который локализуется на ротовых органах лангустов. Молекулярные исследования свидетельствуют о близости нового типа к коловраткам. Однако на многих реконструкциях, которые включают морфологические признаки, эта группа совмещается с Каmрtоzоа, то есть относится к трохофорным. Cycliophora не имеют глоточного вооружения, их рот окружен веночком ресничек, кишечник петлеобразно согнут (ротовое и анальное отверстия сближены), целом не выражен. Показано наличие карликовых самцов, которые прикрепляются к телу самки.

Наконец, одной из самих загадочных групп билатеральных остаются ксенотурбеллиды (Xenoturbellida) – червеобразные животные с очень примитивными чертами организации. Молекулярные исследования, а затем и изучение строения личинок, которые розвиваются в паренхиме, (они оказались типичными велигерами, вплоть до наличия зачатка ктенидия) неожиданно показали принадлежность этих организмов к двустворчатым моллюскам. Однако необычайное упрощение организации взрослых животных трудно понять, поскольку они являются достаточно крупными (несколько сантиметров длиной), свободноживущими, активными организмами.

К сожалению, ряд важных в филлогенетическом отношении групп до сих пор не изучен в молекулярно-биологеском отношении. К таким относятся Micrognathozoa, Loricifera, которых включают в ранге класса в тип Cephalorhyncha и Lobathocerebromorpha, которых считают сильно упрощенными потомками полихет или особым типом нецеломических животных.

Результаты молекулярно-филогенетических реконструкций членистоногих оказались парадоксальными. Филогенетическое единство трахейных, объединяющих многоножек и насекомых (точнее гексапод) и признанных как таксон всеми морфологами, не подтвердилось. Вместо этого имеется группа, которая включает у себя ракообразных и насекомых (но не многоножек), получившая название Pancrustacea. Монофилия Pancrustacea подтверждается анализом последовательностей генов ррнк, наборов Нох-генов, митохондриальных геномов и, наконец, комплексным анализом всех данных.

Следует отметить, что генетические системы многоножек, в частности ррнк, вообще характеризуются большим своеобразием, которое может осложнять их применение в филогенетических реконструкциях.

Большинство современных анализов показывают родство иглокожих и полухордовых. Таким образом, традиционная точка зрения о происхождениях хордовых от полухордовых не согласуется с новыми данными. В то же время, монофилия самих хордовых хорошо подтверждается современными исследованиями.

Как было показано на примере многих групп, одна из проблем современной филогенетики - противоречие между реконструкциями, построенными по молекулярным и морфологическим признакам. Безусловно, во многих случаях причина таких противоречий заключается в недостаточной объективности морфологических реконструкций (наши суждения о важности того или иного признака и гомологии его состояний имеют известный элемент произвольности даже при применении формализованных методов анализа). Однако обсуждаются и методические недостатки молекулярных реконструкций. В первую очередь, очевидно, что филогенетическая информативность любого гена ограничена. При сравнении молодых, близких групп может не хватать изменчивых, информативных участков. Напротив, в очень древних, то есть филогенетически далеких группах, последовательности гена могут настолько отличаться, что трудно обнаружить гомологичные участки, необходимые как маркеры для их сопоставления.

Филогенетические реконструкции затрудняет также неравномерность темпов молекулярной эволюции. Возможны и скачкообразные изменения последовательностей, например потери или вставки достаточно длинных участков.

Ряд артефактов могут порождаться самими алгоритмами, которые применяются для филогенетического анализа. Один из таких эффектов - «притяжение длинных ветвей» - заключается в нестабильности расположения на филогенетическом дереве морфологически или генетически сильно обособленного (древнего или быстро эволюционировавшего) таксона. Такие ветви (примером могут служить бескишечные турбеллярии) могут сближаться с другими группами случайным образом, не отражая реальную историю эволюционных изменений.

Ограниченность современных методов филогенетики заключается еще и в том, что они не позволяют реконструировать промежуточные этапы эволюции, не представленные современными или ископаемыми формами.

Перспективными для понимания «узловых» событий в эволюции животных, представляются исследования по реконструкции геномов предковых форм. Методические возможности для подобных реконструкций уже имеются. При этом особенное значение приобретает определение наборов Нох-генов и локализация областей их экспрессии, что позволяет предметно судить о возможных планах строения предковых организмов.

Обзор современной литературы показывает, что в последние годы филогенетика добилась безусловных успехов. Невзирая на перечисленные проблемы, возможности современных методов филогенетического анализа далеко не исчерпаны. Последующий прогресс может быть обеспечен расширением баз данных за счет привлечения новых таксонов, а также разработкой новых, более могучих и эффективных алгоритмов и программных средств для филогенетического анализа.


Литература


Карпов С.А. Система протистов. Омск: Изд-во Омского пед. ин-та, 1990. 236 с.

Карпов С.А. Система простейших: История и современность. Тесса: С.-Петербург, 2005. – 72 с.

Корнюшин А.В. Критический анализ современных представлений о филогении многоклеточных животных// Вестник зоологии. – 2004. – 38, 1. – С. 3-18.

Микрюков К.А. Изучение ультраструктуры и сравнение генов рибосомальной РНК как методы построения системы протистов// Зоологический журнал. - 1999. - 78, №8. - С. 901-915.

Adl S.M., Simpson A.G.B., et al. The new higher level classification of eukaryotes with emphasis on the taxonomy of protists // J. Eucaryot. Microbiol. − 2005. − 52, 5. − P. 399-432.

Giribet G., Dunn C.W., Edgecom G.D., Rouse G.W. A modern look at the animal tree of life// Zootaxa. – 2007. – 1668. – P. 61-79.

Levine N. D., Corliss J.O., et al. A new revised classification of the Protozoa // J. Protozool. – 1980. – Vol. 27. – Р. 37–58.

Patterson D.J. Protozoa: Evolution and Systematics/ K. Hausmann, N. Hulsmann (eds.) Progress in Protozoology. Proceedings of the IX International Congress of Protozoology. Berlin, 1993. Gustav Fisher Verl.: Stuttgart, Jena, New York, 1994. – P. 1-14.