методы

http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=269

Популярные синопсисы

По статье:
B. А. Лухтанов, В. Г. Кузнецова 
Молекулярно-генетические и цитогенетические подходы к проблемам видовой диагностики, систематики и филогенетики

Том 70, 2009. № 5, Сентябрь-октябрь. Стр. 415-437

РезюмеAbstract

Елена Бадьева

Возможности и ограничения современных методов филогенетики

Современная биологическая систематика пытается решить одновременно две задачи: создать удобную классификацию живых существ и реконструировать пути их эволюции. Изображение с сайта http://www.ucmp.berkeley.edu

В задачи систематики и филогенетики входит определение и разграничение видов, восстановление истории их возникновения, прояснение эволюционных взаимоотношений между таксонами разных рангов. Каждый из современных методов – классический морфологический анализ, кариосистематика, молекулярно-генетический подход – решает эти задачи с большей или меньшей успешностью. Ограничения у разных методов разные, поэтому комплексный подхода значительно повышает надежность выводов.

Изначально классификация живых существ основывалась исключительно на их морфологических признаках. Классификация организмов начиналась с описания их внешнего сходства и различия. С XIX века целью систематики стало не только упорядочение наших знаний о природе, но и воссоздание естественного развития природы. Биологи, занимающиеся классификацией живого, стали пытаться отразить в своих схемах ход эволюционного процесса. В XX веке описательная систематика уступила место количественному учету и статистическому анализу – морфометрии и биометрии, начало которым положили работы Фрэнсиса ГальтонаКарла Пирсона и Рональда Фишера.

Кариология возникла в конце XIX – начале XX века после установления ведущей роли клеточного ядра в наследственности. Исследования преобразований и функционирования хромосом у разных групп организмов способствуют выявлению степени их родства. Данные о строении хромосом могут быть особенно полезными для различения видов-двойников, или когда внешние отличительные признаки хорошо заметны не на всех стадиях развития организма. Морфологические особенности хромосомного аппарата различаются у разных видов, но какого-то единого, универсального хромосомного признака, имеющего таксономическое значение, вероятно, не существует (подробнее о хромосомных признаках см. тут).

Датой рождения молекулярной биологии принято считать апрель 1953 г., когда в английском журнале «Nature» появилась статья Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика с описанием пространственной модели молекулы ДНК.

В последние годы достижения молекулярной биологии оказывают сильнейшее воздействие на биологическую систематику. Результаты сравнения нуклеотидных последовательностей ДНК заставляет корректировать, уточнять или иногда полностью изменять имеющиеся системы классификации (см., например: Новые данные позволили уточнить родословную животного царства, «Элементы», 10.04.08).

В работе В. А. Лухтанова В.А. и В. Г. Кузнецовой из Зоологического института РАН сравниваются возможности морфологических, кариологических (цитогенетических) и молекулярных методик в решении задач систематики и филогенетики.

Преимуществом классического подхода, основанного на сравнении морфологических признаков, является значительный багаж накопленных данных. Необходимость выбора «надежного» признака стимулирует неформальный глубокий анализ морфологии.

Однако в рамках данной методики очень трудно, например, выявить виды-двойники. Еще одна проблема – интуитивность и субъективность выбора «надежных» признаков, на которых основываются филогенетические гипотезы. Из этого следует возможность одновременного существования нескольких альтернативных эволюционных реконструкций. Морфологический метод испытывает также определенные трудности с количественной оценкой признаков и их статистической обработкой. Тем не менее исследования в русле классической методики до сих пор успешно проводятся (см., например: Павлинов и др., 2008.

Единичными признаками кариологической систематики являются хромосомные перестройки различного размера: инсерции (вставки), делеции (выпадения), дупликации (удвоение), инверсии (разворот) нуклеотидных блоков. Кариосистематика оперирует и комплексными признаками, такими как типцентромерного аппарата, наличие или отсутствие хиазм при мейозе, структура политенных хромосом. Кариологические признаки, в отличие от морфологических, дискретны и могут быть очерчены однозначно и объективно. Одни типы хромосомных перестроек в ходе эволюции происходят часто, что позволяет разделять близкие виды, другие – очень редко, что позволяет сравнивать таксоны высокого ранга.

Для обнаружения хромосомных перестроек применяется дифференциальное окрашивание хромосом. Оно дает возможность увидеть субструктуры, которые выглядят под микроскопом как интенсивно окрашивающиеся поперечные полосы или сегменты (bands). Рисунок исчерченности видоспецифичен и не одинаков у каждой пары хромосом, что позволяет их точно идентифицировать. Другой метод – флюоресцентное окрашивание (FISH) – позволяет увидеть, где расположены в хромосоме определенные последовательности нуклеотидов. Однако эти методы окраски хромосом дороги и на сегодняшний день не получили широкого распространения.

Элементарным признаком молекулярной систематики является нуклеотид. Работа с нуклеотидами упрощается тем, что это – объективные дискретные признаки, легко поддающиеся формализации и учету. И их очень много: например, геном человека состоит из 3 млрд пар нуклеотидов. Несмотря на относительно короткую историю развития молекулярно-генетических исследований, накоплено довольно много данных, которые организованны в базы, находящиеся в свободном доступе. При помощи интернета можно ввести в Международный генетический банк информацию о нуклеотидной последовательности изучаемого организма и, используя функцию BLAST, получить другие сходные последовательности из имеющихся в банке, с указанием величины сходства. Подобным образом работаетДНК-баркодинг, дающий на выходе латинское название исследуемого организма и его систематическое положение. Процедура идентификации объектов весьма стандартизована, что делает результат более объективным. Доступность метода позволяет расширить ряды исследователей: классифицировать и определять организмы теперь под силу не только специалистам по данной группе, но любому ученому, имеющему в этом необходимость.

Разумеется, у молекулярных методов тоже есть свои трудности. Например, различия по стандартным последовательностям между близкими видами могут оказаться слишком незначительными; иногда наблюдается очень большая внутривидовая изменчивость; не удается подобрать универсальную стандартную последовательность (ген или участок гена), позволяющую индентифицировать любое живое существо; невозможно получить ДНК из палеонтологического материала (за редкими исключениями), и т.д. О преимуществах и недостатках молекулярных методов см. также статью В. С. Шнеер (2009) ипопулярный синопсис к ней.

Результаты сравнительного анализа возможностей перечисленных методов для решения конкретных задач систематики и филогенетики показаны в таблице.

Разрешающая способность молекулярных, цитогенетических и морфологических признаков в систематике и филогенетике в зависимости от решаемых задач и применяемых методологических подходов

В статье приведено много примеров реконструкции эволюционного развития разных групп – в основном насекомых, но также млекопитающих и высших растений, построенных путем совмещения вышеописанных методик.

Наиболее достоверными следует считать те эволюционные гипотезы, которые совпадают при проверке их разными методами. Надежность таксономических определений имеет чисто утилитарную роль для биологических исследований, т.к. работа с биологическими объектами без знания и различения видов попросту невозможна.

Комментировать



Comments