Физиология и развитие эволюционной теории К В Анохин

Физиология и развитие эволюционной теории К. В. Анохин Курчатовский НБИК Центр, НИЦ «Курчатовский институт» Институт нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАМН

"Всем известно, какое огромное влияние на развитие современной биологии оказала эволюционная теория, постепенно создававшаяся, подвергавшаяся известным изменениям и преобразованиям, в конце концов наиболее четко и ясно сформулированная Чарльзом Дарвином. Прошел год с того момента, когда мы чествовали память этого великого человека. На многочисленных заседаниях, посвященных памяти Дарвина, была освещена его роль в развитии современной биологии, и не могло не броситься в глаза, что при освещении этой роли Дарвина подчеркивали и отмечали почти исключительно достижения морфологических наук и почти ничего не говорили о роли дарвиновского учения в развитии физиологии и физиологических дисциплин. "

Эволюционные принципы физиологии "Но вот за последние десятилетия мы являемся свидетелями того, как все больше и больше укрепляется стремление изучать физиологические проблемы с точки зрения эволюционной теории… И термин "эволюционная физиология" в настоящее время уже является у нас в стране настолько же узаконенным, как термин "эволюционная морфология". Л. А. Орбели Эволюционный принцип в применении к физиологии центральной нервной системы. Доклад на торжественном заседании 27 февраля 1941 г. , посвященном пятилетию со дня кончины И. П. Павлова. Успехи совр. биолог. т. XV, вып. 3, 1942.

Эволюционные принципы физиологии "Я позволю себе сегодня привлечь ваше внимание к вопросу о том, как удается этот эволюционный принцип приложить к изучению физиологии нервной системы и какие требования предъявляет эволюционный подход к физиологии, при каких условиях физиология нервной системы и в особенности высшей нервной деятельности могла бы быть трактована с эволюционной точки зрения. " Л. А. Орбели Эволюционный принцип в применении к физиологии центральной нервной системы. Доклад на торжественном заседании 27 февраля 1941 г. , посвященном пятилетию со дня кончины И. П. Павлова. Успехи совр. биолог. т. XV, вып. 3, 1942.

Физиологические принципы эволюции "Я позволю себе сегодня привлечь ваше внимание к вопросу о том, как удается этот эволюционный принцип приложить к изучению физиологии нервной системы и какие требования предъявляет эволюционный подход к физиологии, при каких условиях физиология нервной системы и в особенности высшей нервной деятельности могла бы быть трактована с эволюционной точки зрения. " 1941 "Я позволю себе сегодня привлечь ваше внимание к вопросу о том, как удается физиологические принципы приложить к изучению механизмов эволюции и какие требования предъявляет физиологический подход к эволюции, при каких условиях физиология нервной системы и в особенности высшей нервной деятельности могла бы расширить эволюционную точку зрения. " 2011

Основные тезисы лекции: 1. Физиологические механизмы адаптации играют ведущую роль в эволюционных адаптация. 2. Необходимость изучения этих механизмов делает физиологию ведущей эволюционной дисциплиной. Физиология Эволюционная теория

"Ничто в биологии не имеет смысла иначе, как в свете эволюции" "Что бы мы не изучали в биологии, мы изучаем эволюцию" Феодосий Григорьевич Добржанский (1900 - 1975) Петр Кузьмич Анохин (1898 - 1974)

"Ничто в биологии не имеет смысла иначе, как в свете эволюции" "Что бы мы не изучали в биологии, мы изучаем эволюцию" "Ничто в эволюции не имеет смысла иначе, как в свете физиологии" "Что бы мы не изучали в эволюции, мы изучаем физиологию"

"Ничто в биологии не имеет смысла иначе, как в свете эволюции" "Что бы мы не изучали в биологии, мы изучаем эволюцию" "Ничто в эволюции не имеет смысла иначе, как в свете физиологии" "Что бы мы не изучали в эволюции, мы изучаем физиологию" Физиология Эволюционная теория

Ключевая проблема: Механизмы эволюционных адаптаций Теория

Эпигенетика Число публикаций с использованием термина "EPIGENTICS" в базе Pub. Med (2010): около 35 000 Из них: 1989 - 61 1999 - 244 2009 - 6733 Конрад Уоддингтон Гипотеза генетической ассимиляции (1942) (Epigenetics AND Physiology) : ~ 200 (~ 0, 6%)

Эпигенетические теории эволюции Конрад Уоддингтон И. И. Шмальзаузен Гипотеза генетической ассимиляции (1942) Теория стабилизирующего отбора (1939)

Эпигенетические теории эволюции ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИИ "Не изменения генотипа определяют эволюцию и ее направление. Наоборот, эволюция организма определяет изменение его генотипа. " И. И. Шмальгаузен (1940) И. И. Шмальзаузен Теория стабилизирующего отбора (1939)

Эпигенетические теории эволюции ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИИ "Не изменения генотипа определяют эволюцию и ее направление. Наоборот, эволюция организма определяет изменение его генотипа. " "Не вызывает сомнений, что эволюционные изменения всегда начинаются с изменений генетических, которые, изменяя ход развития, реализуются в фенотипе. " И. И. Шмальгаузен (1940) А. А. Нейфах (1986)

Эпигенетические теории эволюции Е. О. Развитие

Эпигенетические теории эволюции Е. О. Естественный отбор действует на итоги и результаты развития Развитие Е. О. Развитие ФС Естественный отбор действует не на отдельные полезные признаки, а на целостные функциональные системы.

Функциональные системы (1935) Физиология Отбор сравнивает не полезные признаки, а целостные функциональные системы, так что его итогом является переживание тех, чья норма наиболее адаптивна. "Изменчивость и смена адаптивных норм в ходе эволюции" Журнал общей биологии (1940) Эволюционная теория Стабилизирующий отбор (1939)

Функциональные системы - комплексы анатомически распределенных нервных и периферических элементов, синхронная активность которых взаимосодействует достижению адаптивного результата целым организмом. Общая теория функциональных систем Общая теория системогенеза Главный вопрос для теории системогенеза: Как возникают функциональные системы?

Что такое системогенез? Поскольку для изучения эволюционных закономерностей этот подход является новым, а совокупность процессов, подлежащих исследованию, иная, нежели это было принято в классической эволюционной морфологии, я предложил ввести понятие системогенеза (Анохин, 1943). В это понятие я вкладываю совокупность эмбриональных процессов, которые через посредство морфогенетических закономерностей созревания отдельных структурных элементов ведут к избирательным системным связям. Это избирательное созревание структур протекает независимо и от топографической близости субстратов. Конечным этапом такого последовательно развивающегося объединения всегда является та или иная функциональная система, обеспечивающая выживание данного новорожденного. П. К. Анохин (1949) "Системогенез, как общая закономерность эволюционнного процесса

ТЕОРИЯ СИСТЕМОГЕНЕЗА (1949) (1937) Принципы системогенеза: 1. Гетерохронная закладка компоненетов функциональной системы 2. Фрагментация органов в развитии 3. Консолидация функциональных систем 4. Минимальное обеспечение функций

Главный вопрос теории системогенеза: Как возникают функциональные системы? Три специальные теории системогенеза: • Теория первичного системогенеза - механизмы формирования функциональных систем в индивидуальном развитии. • Теория вторичного системогенеза - механизмы формирования новых функциональных систем за счет обучения и фенотипической пластичности. • Теория эволюционного системогенеза - механизмы образования новых функциональных систем в эволюции.

Эволюционный системогенез Основные вопросы, решаемые специальными теориями системогенеза - вопросы о механизмах генерации, фиксации и воспроизведения функциональных систем в развитии, обучении и эволюции. Механизм возникновения новых функциональных систем в эволюции : Генерация - происходит с помощью вторичного системогенеза. Фиксация - происходит за счет процессов генетической ассимиляции вторичных функциональных систем. Восппроизведение - происходит за счет механизмов первичного системогенеза

Гипотеза механизмов возникновения новых функциональных систем в эволюции Генерация новых функциональных систем в эволюции происходит за счет процессов вторичного СГ.

Физиологические механизмы эволюции Е. О. Развитие ФС 1 Адаптивная фенотипическая пластичность ФС 2

Стабилизирующий отбор и генетическая ассимиляция вторичных функциональных систем т та Индивидуальное развитие от бо й нн ы те ст ве Ес ти д а п Ге К р ь л зу е р й ы н в ас си че ми ск ля ие ци ва я ри Ф С ац ии не ти К А Ге не ти че ск ая Поколения Проблемная среда

Генетическая ассимиляция функциональных систем У организмов с развитой нервной системой эволюция поведения происходит преимущественно путем перевода вторичных функциональных систем в первичные. или: … путем перевода синхронного системогенеза, экстренно возникающего в ответ на экологические задачи, в гетерохронный системогенез, с опережающим созреванием компонентов функциональной системы навстречу будущим экологическим условиям.

Гипотеза механизмов возникновения новых функциональных систем в эволюции Генерация новых функциональных систем в эволюции происходит за счет процессов вторичного СГ. Следствие: Новые поведенческие функциональные системы вообще не возникают во время эволюционного процесса. Они возникают во время индивидуального обучения.

р ск е ая зу л ас с ьт им а т ил я ци я СЛЕДСТВИЕ: Большинство функциональных систем, подвергнутых стабилизирующему отбору и генетической ассимиляции, не являются полностью ни "врожденными", ни "приобретенными" й а А д К п Ге ти не вн ти ы че К "врожденный" компонент "приобретенный" компонент

Единица анализа в теории системогенеза К К К К К Рождение К РАЗВИТИЕ Естественный отбор ПЕРВИЧНЫЙ СИСТЕМОГЕНЕЗ К ВТОРИЧНЫЙ СИСТЕМОГЕНЕЗ ЭВОЛЮЦИОННЫЙ СИСТЕМОГЕНЕЗ

"То, что мы называем условными и безусловными рефлексами, есть лишь крайние представители длинного ряда рефлекторных деятельностей, среди которых мы находим такие, которые нельзя с достаточным основанием отнести ни к той ни к другой группе. " О механизме возникновения спинномозговых координаций. Изв. Петрогр. научн. института им. П. Ф. Леcгафта, т. VI, 1923.

ВНЕШНЯЯ СРЕДА Сложные адаптивные морфофизиологические интеграции: ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Физиология Эволюция

"Системогенез, как общая закономерность эволюционного процесса" П. К. Анохин, Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (1948) Вторичный системогенез Первичный системогенез Эволюционный системогенез П. К. Анохин, 1967

"Можно только вкратце отметить важнейшие обобщения, которые были нами разработаны с помощью общей теории функциональных систем и которые не могли бы быть получены иначе. Прежде всего это - концепция системогенеза, которая сечас помогла понять основной закон эмбрионального созревания функций, обеспечивающих выживание новрожденного (П. К. Анохин, 1937, 1948, 1964, 1968). Особенно интересно подчеркнуть, что приложение новой концепции системогенеза - к онтогенетическому развитию животных разных видов дало возможность по-новому подойти к некоторым нерешенным проблемам теории естественного отбора и "биогенетического закона". Эта широкая перспектива приложения системогенеза с раскрытию некоторых фундаментальных проблем биологии сделала эту концепцию одним из отправных пунктов для построения теоретической биологии (П. К. Анохин, 1970). " П. К. Анохин (1973) "Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем"

Ключевая проблема: Механизмы эволюционных адаптаций Подходы к исследованию

Подходы к исследованию "Основная мысль, которую мне хочется развить сегодня, заключается в том, что для эволюционной оценки тех или иных функциональных отношений, для изучения эволюции функций прежде всего необходимо соблюдение определенных приемов исследования, которые являются универсальными, общими для всех изучаемых явлений. " Л. А. Орбели Эволюционный принцип в применении к физиологии центральной нервной системы. Доклад на торжественном заседании 27 февраля 1941 г. , посвященном пятилетию со дня кончины И. П. Павлова. Успехи совр. биолог. т. XV, вып. 3, 1942.

Подходы к исследованию "Основная мысль, которую мне хочется развить сегодня, заключается в том, что для эволюционной оценки тех или иных функциональных отношений, для изучения эволюции функций прежде всего необходимо соблюдение определенных приемов исследования, которые являются универсальными, общими для всех изучаемых явлений. " Приемы исследования эволюции функций: • Сравнительный • Онтогенетический • Патофизиологический Л. А. Орбели Эволюционный принцип в применении к физиологии центральной нервной системы. Доклад на торжественном заседании 27 февраля 1941 г. , посвященном пятилетию со дня кончины И. П. Павлова. Успехи совр. биолог. т. XV, вып. 3, 1942.

Подходы к исследованию "Основная мысль, которую мне хочется развить сегодня, заключается в том, что для эволюционной оценки тех или иных функциональных отношений, для изучения эволюции функций прежде всего необходимо соблюдение определенных приемов исследования, которые являются универсальными, общими для всех изучаемых явлений. " Приемы исследования эволюции функций: • Сравнительный • Онтогенетический • Патофизиологический Методы исследования эволюции функциональных систем: • Исследование системных гетерохроний • Исследование взаимоотношения врожденных и приобретенных механизмов ФС • Моделирование эволюции ФС

Подходы к исследованию “В области эволюционной теории все более и более ощущается необходимость общих теоретических положений, которые могли бы помочь осмыслить частные факты. Особенная опасность потери горизонтов и общего плана возникла в связи с тем, что в онтогенез и филогенез вошли новые и тонкие методы. Их особенность состоит в том, что они одновременно вводят и элемент тонкого анализа и. . . не помогают решению больших эволюционных проблем. Изучение, например, микроэлектродным методом разрядов клеток в коре мозга ничего не даст для решения теоретических вопросов эволюции, если оно сразу же не будет нацелено на определенный вполне осознанный пункт в теории эволюции. ” П. К. Анохин (архив)

Методы исследования эволюции функциональных систем Метод Предсказание ТФС Проверка Эволюционное моделирование Обучение и фенотипическая пластичность должны ускорять эволюцию Эволюция в пластичных и непластичных популяциях агентов Исследование врожденных и приобретенных компонентов ФС Возможность возврат" "врожденных" ФС на эволюционно более ранние "приобретаемые" этапы депривацией от ассимиляционных воздействий в развитии Обучение в депривационных экспериментах Системные гетерохронии Ускоренное созревание нейронов, вовлекающихся в ранние "врожденные" ФС Двойное меченье закладки и вовлечения нейронов в ФС

Подходы к исследованию: Эволюционное моделирование

Модель: развитие Появление того или иного фенотипического элемента в процессе развития определяется генотипом организма. ГЕНЫ иерархия ФС ВРОЖДЕННЫЕ СИСТЕМЫ ФЕНОТИП СОДЕРЖИТ 2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 1 1 1 1 0 0 1 1 0. . . 1 0 0 0 ФС 1 ФС 2 ФС 3 ФС N иерархия ФС Если в результате мутации теряется элемент в одной систем, то системы иерархии, зависящие от этой системы, становятся бесполезными. ФЕНОТИП СОДЕРЖИТ 0 ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0. . . 1 0 0 0 ФС 1 ФС 2 ФС 3 ФС N

Модель: обучение иерархия ФС РАЗВИТИЕ ОБУЧЕНИЕ 1 1 1 1 1. . . 1 0 0 0 ФС 1 ФС 2 ФС 3 ФС N В процессе «обучения» организм имеет фиксированное число попыток найти недостающие элементы следующих функциональных систем. Вероятность выучить систему: pl = pem, где pe – вероятность «угадывания» отдельного элемента (0. 5), а m – число отсутствующих элементов. Assimilate-stretch principle (Avital, E. & Jablonka, E. , 2000)

Модель: параметры • 4000 генов по 5 аллелей • 2000 фенотипических элементов: – 200 по 10, – 100 по 20 – 50 по 40 • размер популяции 500 • 25000 поколений • вероятность мутации генного локуса от 1 e 6 до 1 e-2 • 5 попыток обучения

Эволюция в модели после обучения до обучения без обучения Пример эволюционной динамики (вероятность мутации локуса µ = 0. 0002). Синяя линия – приспособленность лучшей особи в модели без обучения; красный пунктир – лучшая «врожденная» приспособленность в модели с обучением; бордовый пунктир – лучшая приспособленность после обучения.

Выше сложность -> больше ускорение эволюции n = 50, C = 40 n = 100, C = 20 n = 200, C = 10

Биологические факты • Относительный размер мозга коррелирует со скоростью эволюции группы

ВЫВОДЫ • Обучение значительно ускоряет эволюцию; • Ускорение эволюции обучением более эффективно для более сложных адаптаций; • Обучение ускоряет генетическую эволюцию систем, в которых происходит обучение; • Учет роли обучения в эволюции дает решение проблемы возникновения сложной анатомической организации.

Подходы к исследованию: Соотношение врожденных и приобретенных компонентов ФС

Врожденная функциональная система следования за матерью и импринтинг Экспрессия гена c-fos в мозге цыпленка после зрительного импринтинга Зависимость эффективности импринтинга от возраста

ИМПРИНТИНГ – форма раннего обучения у зрелорождающихся животных, приводящая к быстрому и прочному запоминанию зрительных, слуховых, обонятельных и других признаков матери и к формированию поведения следования (Е. Нess, 1972) ПРАЙМИНГ– неспецифическое воздействие на детенышей зрелорождающихся животных, приводящее к ускоренному созреванию врожденного узнавания матери и к формированию поведения следования (J. Bolhuis, 1996)

ИМПРИНТИНГ ПРАЙМИНГ • Происходит в критическом периоде • Инициируется внешними факторами • Внешний фактор – конкретный импринт-объект • Происходит запоминание признаков конкретного объекта (обучение) • Приводит к выраженному предпочтению импринтобъекта • Происходит в критическом периоде • Инициируется внешними факторами • Внешний фактор – неспецифические воздействия • Происходит развитие врожденного предпочтения образа матери • Приводит к выраженному предпочтению видоспецифического объекта (матери)

Эффект постнатального прайминга на формирование предпочтения у цыплят Вылупление Тестирование Прайминг 24 ч Коэффициент предпочтения (%) 24 ч прайминг хэндлинг контроль в колесе звуковой контроль прайминг (4 часа) (1 час)

Эффект введения стероидных гормонов на формирование предпочтения у цыплят Вылупление Тестирование Инъекция 24 ч Коэффициент предпочтения 24 ч 1 1 - кортикостерон 2 - несущий раствор 3 - пассивный контроль 2 1 - тестостерон 2 - несущий раствор

"Геномное возбуждение" нервных клеток при обучении Экспрессия "ранних" генов при обучении Происходит в нервных клетках Имеет распределенный системный характер Зависит от синхронизации больших групп клеток Приводит к долговременным изменениям функциональных свойств нейронов Необходима для фиксации нового адаптивного опыта

Экспрессия гена c-fos в мозге цыпленка при импринтинге

Трехмерная реконструкция серийных срезов: функциональная молекулярная нейротомография Трехмерная реконструкция карт активности гена c-fos в мозге при обучении

Подходы к исследованию: Исследование системных гетерохроний

Проект "прозрачный мозг" 1. Трансгенные мыши с GFP-индикаторами активности нейронов Генетический конструкт с "индикаторным" геном Fos-EGFP, вводимый в геном мыши Мозг контрольной мыши не экспрессирующий Fos-EGFP Отдельные нейроны, экспрессирующие Fos-EGFP в коре мозга мыши при обучении Мозг трансгенной мыши с экспрессией Fos-EGFP после обучения

Проект "прозрачный мозг" 2. Технологии оптического просветления ткани мозга Принцип: замещение воды на жидкости, имеющие равные показатели оптического преломления с тканями мозга Коэффициент пропускания white light 535 nm 600 nm а b 0. 87 0. 88 0. 94 700 nm 0. 97 790 nm 0. 97 Возможности: c d Мозг новорожденной и взрослой мыши до и после просветления Ø Оптическое просветление целого мозга животного (мышь, крыса, цыпленок); Ø Возможность микроскопии на глубину до 15 -20 мм.

Проект "прозрачный мозг" 3. Метод флуоресцентной ультрамикроскопии Siedentopf, H. & Zsigmondy, R. Annalen der Physik 10, 1– 39 (1903). Получение оптических срезов возбуждением флуоресцентной метки в плоскости фокуса образца и построение трехмерной реконструкции Высокое разрешение (до 0, 5 мкм) в объеме целого мозга образцы большого размера (до 2 см) возможность исследовать образец при разном разрешении Плоский луч лазера

Проект "прозрачный мозг" Результаты Оптическая томография целого мозга трансгенной мыши, экспрессирующей ген Thy 1 -GFP GFP, ИГХ метки Цифровые срезы Оптические срезы

Проект "прозрачный мозг" Результаты Популяции нейронов в мозге мыши, экспрессирующие индуцированный обучением ген Zif-GFP

Проект "прозрачный мозг" Результаты Нейроны гиппокампа мыши, экспрессирующие индуцированный обучением ген с-Fos

Evolution: A View from the 21 st Century James A. Shapiro FT Press, 2011 Evolution - the Extended Synthesis Massimo Pigliucci, Gerd B. Müller (Editors) The MIT Press 2010

The Flexible Phenotype Theunis Piersma, Jan van Gils Oxford University Press, 2010 Transformations of Lamarckism: From Subtle Fluids to Molecular Biology Snait B. Gissis, Eva Jablonka (Editors) MIT Press, 2011

РЕЗЮМЕ: 1. Физиологические механизмы адаптации играют ведущую роль в эволюционных адаптация. 2. Необходимость изучения этих механизмов делает физиологию ведущей эволюционной дисциплиной. 3. Основания будущего мировой эволюционной биологии лежат в прошлом отечественной эволюционной науки. Физиология Эволюционная теория