Конструктивное развитие (биология)

В биологии относится к гипотезе о том, что организмы формируют свою собственную траекторию развития , конструктивное развитие постоянно реагируя и вызывая изменения как во внутреннем состоянии, так и во внешней среде. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Конструктивное развитие можно противопоставить запрограммированному развитию — гипотезе, согласно которой организмы развиваются в соответствии с генетической программой или планом. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Конструктивистская перспектива встречается в философии, особенно в теории систем развития , а также в биологических и социальных науках, включая психобиологию развития и ключевые темы расширенного эволюционного синтеза . Конструктивное развитие может иметь важное значение для эволюции , поскольку оно позволяет организмам создавать функциональные фенотипы в ответ на генетические или экологические возмущения и тем самым способствует адаптации и диверсификации. ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}

Ключевые темы конструктивного развития

Отзывчивость и гибкость

В любой момент времени развитие организма зависит как от текущего состояния организма, так и от состояния окружающей среды. Система развития, включая геном и его эпигенетическую регуляцию, гибко реагирует на внутренние и внешние воздействия. Одним из примеров является зависящая от состояния экспрессия генов, но регуляторные системы также полагаются на физические свойства клеток и тканей и исследовательское поведение микротрубчатых, нервных, мышечных и сосудистых систем. ^{[ 6 ]}^{[ 9 ]}

Несколько способов наследования

Организмы наследуют (т. е. получают от своих предшественников) разнообразный набор ресурсов развития, включая ДНК, эпигенетические метки , органеллы, ферменты, гормоны, антитела, факторы транскрипции, симбионтов, социально передаваемые знания и условия окружающей среды, модифицированные родителями . ^{[ 10 ]}

Развивающая среда создается

В ходе развития организмы помогают формировать свою внутреннюю и внешнюю среду и тем самым влияют на собственное развитие. Организмы также создают среду развития для своего потомства посредством различных форм внегенетического наследования. ^{[ 11 ]}

Распределенное управление

Ни один источник влияния не имеет центрального контроля над развитием организма. ^{[ 4 ]} Хотя генетическое влияние на развитие является фундаментальным, причинно-следственная связь не только возникает снизу вверх, но и течет «вниз». ^{[ 12 ]} от более сложных уровней организации организма (например, тканеспецифическая регуляция экспрессии генов). В результате многие особенности организмов являются возникающими свойствами, которые не закодированы в геноме.

Механизмы конструктивного развития

Конструктивное развитие проявляется в контекстно-зависимой экспрессии генов, физических свойствах клеток и тканей, исследовательском поведении физиологических систем и обучении.

Контекстно-зависимая экспрессия генов

Хотя все клетки организма содержат одну и ту же ДНК , в одном организме могут существовать сотни разных типов клеток. Эти разнообразные формы, поведение и функции клеток создаются и поддерживаются тканеспецифичными моделями экспрессии генов, и они могут быть изменены внутренними и внешними условиями окружающей среды.

Физические свойства клеток и тканей

Сборка органов, тканей, клеток и субклеточных компонентов частично определяется их физическими свойствами. ^{[ 13 ]} Например, клеточная мембрана , образующая барьер между внутренней и внешней частью клетки, представляет собой липидный бислой, который формируется в результате термодинамических свойств фосфолипидов, из которых она состоит (гидрофильная головка и гидрофобные хвосты).

Исследовательские процессы

Исследовательские процессы — это избирательные процессы, которые действуют внутри отдельных организмов в течение их жизни. ^{[ 6 ]}^{[ 9 ]} У многих животных сосудистая, иммунная и нервная системы развиваются путем образования разнообразных форм, при этом наиболее функциональные решения отбираются и сохраняются, а другие теряются. Например, «форма» системы кровообращения конструируется в соответствии с потребностями тканей в кислороде и питательных веществах, а не предопределена генетически. Аналогично, нервная система развивается посредством исследования аксонов. Первоначально мышечные волокна связаны с несколькими нейронами, но синаптическая конкуренция отбирает одни связи среди других, чтобы определить зрелый образец мышечной иннервации. Форма клетки определяется строением ее цитоскелета . Основным элементом цитоскелета являются микротрубочки , которые могут расти в произвольных направлениях от места своего происхождения. Белки, ассоциированные с микротрубочками, могут способствовать или ингибировать рост микротрубочек, направлять микротрубочки в определенные клеточные местоположения и опосредовать взаимодействия с другими белками. Следовательно, микротрубочки могут быть стабилизированы в новых конфигурациях, которые приводят к появлению новых форм клеток (и потенциально нового поведения или функций) без изменений в самой системе микротрубочек.

Обучение

У животных многие модели поведения приобретаются посредством обучения. Социальное обучение и культурная передача являются важными источниками адаптивной фенотипической пластичности , позволяющими животным адаптироваться к окружающей среде, даже если эти среды не часто встречались в эволюционной истории вида. Социальное обучение также обеспечивает стабильное наследование многих признаков. Совместное выкармливание птенцов большой синицы и лазоревки показывает, что социальное обучение может привести к стабильному наследованию типичного для вида поведения при кормлении (рост кормления, тип добычи, размер добычи, метод кормления), а также выбор места гнезда, сигналы тревоги, песни, и выбор партнера . ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} Недавние исследования касаток продемонстрировали расхождение косаток на несколько видов, обусловленное приобретенными и социально передаваемыми различиями в рационе питания. ^{[ 16 ]}

Конструктивное развитие и эволюция

В эволюционной биологии развитие традиционно рассматривалось как управляемое генетической программой (например, ^{[ 17 ]}), а такие метафоры, как генетический «план», «программа» или «инструкции», до сих пор широко распространены в учебниках по биологии. ^{[ 18 ]} Напротив, с точки зрения конструктивного развития геном рассматривается как подсистема клетки, сформированная в результате эволюции для обнаружения и реагирования на сигналы, которые она получает. ^{[ 19 ]} Эти разные точки зрения влияют на эволюционные интерпретации. Одним из примеров является эволюционное значение фенотипов, вызванных окружающей средой. Мэри Джейн Уэст-Эберхард выдвинула знаменитое предположение, что реакция на окружающую среду может стать отправной точкой эволюционных изменений. ^{[ 20 ]} термин «эволюция, основанная на пластичности». С точки зрения запрограммированного развития считается, что пластичность развития контролируется генетически заданными переключателями или нормами реакций. Чтобы они могли обеспечить функциональные реакции на изменение окружающей среды, их нормы реакции должны быть предварительно проверены в ходе предварительного отбора. Таким образом, «эволюция, обусловленная пластичностью», сводится к стандартному эволюционному объяснению естественного отбора, действующего на генетическую изменчивость. И наоборот, «эволюция, основанная на пластичности», приобретает большее значение, если развитие носит конструктивный и неограниченный характер. Новые функциональные фенотипы могут возникнуть практически без первоначальных генетических модификаций (см. « Облегченная вариация»). ^{[ 6 ]}^{[ 9 ]}) и предоставить новый сырьевой материал, на котором может действовать естественный отбор (например, ^{[ 21 ]}).

Ссылки

^ Уоддингтон, Швейцария (1969). «Парадигма эволюционного процесса». В Уоддингтоне, CH (ред.). На пути к теоретической биологии . Издательство Эдинбургского университета.
^ Левонтин, RC (1983). «Ген, организм и окружающая среда». В Бендалле (ред.). Эволюция от молекул к людям . Издательство Кембриджского университета.
^ Jump up to: ^а ^б Ояма, С. (1985). Онтология информации: системы развития и эволюция . Издательство Кембриджского университета.
^ Jump up to: ^а ^б Ояма, С; Гриффитс, ЧП; Грей, Р.Д., ред. (2001). Циклы непредвиденных обстоятельств: системы развития и эволюция . МТИ Пресс.
^ Ноубл, Д. (2006). Музыка жизни . Издательство Оксфордского университета.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Герхарт, Дж. К.; Киршнер, М.В. (2007). «Теория облегченной вариации» . Proc Natl Acad Sci США . 104 (Приложение 1): 8582–8589. дои : 10.1073/pnas.0701035104 . ПМЦ 1876433 . ПМИД 17494755 .
^ Халлгримссон, Б; Холл, БК (2011). Эпигенетика: связь генотипа и фенотипа в развитии и эволюции . Издательство Калифорнийского университета.
^ Jump up to: ^а ^б Лаланд, КНЦ; Уллер, Т; Фельдман, М.В.; Стерельный, К; Мюллер, Великобритания; Мочек, АП; Яблонка, Э; Одлинг-Сми, Ф.Дж. (2015). «Расширенный эволюционный синтез: его структура, предположения и предсказания» . Proc R Soc B. 282 (1813): 20151019. doi : 10.1098/rspb.2015.1019 . ПМЦ 4632619 . ПМИД 26246559 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Киршнер, М; Герхарт, Дж (2005). Правдоподобие жизни: решение дилеммы Дарвина . Издательство Йельского университета.
^ Яблонка, Э; Лэмб, MJ (2005). Эволюция в четырех измерениях . Массачусетский технологический институт Пресс.
^ Бадяев А.В.; Уллер, Т (2009). «Родительские эффекты в экологии и эволюции: механизмы, процессы и последствия» . Фил Транс R Soc B. 364 (1520): 1169–1177. дои : 10.1098/rstb.2008.0302 . ПМЦ 2666689 . ПМИД 19324619 .
^ Эллис, СКФ; Благородный, Д; О'Коннор, Т. (2012). «Причинность сверху вниз: интегрирующая тема внутри и между науками?» . Фокус на интерфейсе . 2 (1): 1–3. дои : 10.1098/rsfs.2011.0110 . ПМК 3262305 .
^ Ньюман, ЮАР; Мюллер, Великобритания (2010). «Морфологическая эволюция: эпигенетические механизмы». Энциклопедия наук о жизни . Джон Уайли и сыновья.
^ Слагсвольд, Т; Вейбе, КЛ (2007). «Изучение экологической ниши» . Proc R Soc B. 274 (1606): 19–23. дои : 10.1098/rspb.2006.3663 . ПМЦ 1679873 . ПМИД 17015332 .
^ Слагсвольд, Т; Вейбе, КЛ (2011). «Социальное обучение птиц и его роль в формировании кормовой ниши» . Фил Транс R Soc B. 366 (1567): 969–977. дои : 10.1098/rstb.2010.0343 . ПМК 3049099 . ПМИД 21357219 .
^ Уайтхед, Х; Ренделл, Л. (2015). Культурная жизнь китов и дельфинов . Издательство Чикагского университета.
^ Майр, Э. (1984). «Триумф эволюционного синтеза». Литературное приложение Times . 2 ноября: 1261–1262 гг.
^ Мочек, АП (2012). «Природа воспитания и будущее эводево: к всеобъемлющей теории эволюции развития» . Интегративный комп. биол . 52 (1): 108–119. дои : 10.1093/icb/ics048 . ПМИД 22617162 .
^ Келлер, Э.Ф. (2014). «От действия генов к реактивным геномам» . Дж Физиол . 592 (11): 2423–2429. дои : 10.1113/jphysicalol.2014.270991 . ПМК 4048100 . ПМИД 24882822 .
^ Вест-Эберхард, MJ (2003). Пластичность развития и эволюция . Издательство Оксфордского университета.
^ Ланге, А; Немешкаль, ХЛ; Мюллер, Великобритания (2014). «Предвзятый полифенизм у полидактильных кошек, несущих одну точечную мутацию: модель Хемингуэя для новизны пальцев». Эвол Биол . 41 (2): 262–275. дои : 10.1007/s11692-013-9267-y . S2CID 10844604 .

Дальнейшее чтение

Аксель Ланге (2023) Расширение эволюционного синтеза: новый дизайн наследия Дарвина. ЦРК Пресс* Яблонка, Э; Лэмб, MJ (1995). Эпигенетическая наследственность и эволюция. Ламаркианское измерение . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-854062-5 .
Лерман, Д.С. (1953). «Критика теории инстинктивного поведения Конрада Лоренца». Ежеквартальный обзор биологии . 28 (4): 337–363. дои : 10.1086/399858 . ПМИД 13121237 . S2CID 15045246 .
Левинс, Р; Левонтин, RC (1985). Диалектический биолог . Издательство Гарвардского университета.
Левонтин, RC (2000). Тройная спираль: ген, организм и окружающая среда . Издательство Гарвардского университета.
Нойманн-Хельд, EM (1999). «Ген мертв – да здравствует ген. Концептуализация генов конструктивистским путем». В Козловски, П. (ред.). Социобиология и биоэкономика: теория эволюции в экономическом и биологическом мышлении . Спрингер.
Ояма, С. (2000). Онтогенез информации: системы развития и эволюция . Издательство Университета Дьюка.

Внешние ссылки

https://www.extendedevolutionarysynthesis.com

[Waddington1969-1] Уоддингтон, Швейцария (1969). «Парадигма эволюционного процесса». В Уоддингтоне, CH (ред.). На пути к теоретической биологии . Издательство Эдинбургского университета.

[Lewontin1983-2] Левонтин, RC (1983). «Ген, организм и окружающая среда». В Бендалле (ред.). Эволюция от молекул к людям . Издательство Кембриджского университета.

[Oyama1985-3] Jump up to: ^а ^б Ояма, С. (1985). Онтология информации: системы развития и эволюция . Издательство Кембриджского университета.

[Oyama2001-4] Jump up to: ^а ^б Ояма, С; Гриффитс, ЧП; Грей, Р.Д., ред. (2001). Циклы непредвиденных обстоятельств: системы развития и эволюция . МТИ Пресс.

[Noble2006-5] Ноубл, Д. (2006). Музыка жизни . Издательство Оксфордского университета.

[Gerhart2007-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Герхарт, Дж. К.; Киршнер, М.В. (2007). «Теория облегченной вариации» . Proc Natl Acad Sci США . 104 (Приложение 1): 8582–8589. дои : 10.1073/pnas.0701035104 . ПМЦ 1876433 . ПМИД 17494755 .

[Hallgrimsson2011-7] Халлгримссон, Б; Холл, БК (2011). Эпигенетика: связь генотипа и фенотипа в развитии и эволюции . Издательство Калифорнийского университета.

[Laland2015-8] Jump up to: ^а ^б Лаланд, КНЦ; Уллер, Т; Фельдман, М.В.; Стерельный, К; Мюллер, Великобритания; Мочек, АП; Яблонка, Э; Одлинг-Сми, Ф.Дж. (2015). «Расширенный эволюционный синтез: его структура, предположения и предсказания» . Proc R Soc B. 282 (1813): 20151019. doi : 10.1098/rspb.2015.1019 . ПМЦ 4632619 . ПМИД 26246559 .

[Kirschner2005-9] Jump up to: ^а ^б ^с Киршнер, М; Герхарт, Дж (2005). Правдоподобие жизни: решение дилеммы Дарвина . Издательство Йельского университета.

[Jablonka2005-10] Яблонка, Э; Лэмб, MJ (2005). Эволюция в четырех измерениях . Массачусетский технологический институт Пресс.

[Badyaev2009-11] Бадяев А.В.; Уллер, Т (2009). «Родительские эффекты в экологии и эволюции: механизмы, процессы и последствия» . Фил Транс R Soc B. 364 (1520): 1169–1177. дои : 10.1098/rstb.2008.0302 . ПМЦ 2666689 . ПМИД 19324619 .

[Ellis2012-12] Эллис, СКФ; Благородный, Д; О'Коннор, Т. (2012). «Причинность сверху вниз: интегрирующая тема внутри и между науками?» . Фокус на интерфейсе . 2 (1): 1–3. дои : 10.1098/rsfs.2011.0110 . ПМК 3262305 .

[Newman2010-13] Ньюман, ЮАР; Мюллер, Великобритания (2010). «Морфологическая эволюция: эпигенетические механизмы». Энциклопедия наук о жизни . Джон Уайли и сыновья.

[Slagsvold2007-14] Слагсвольд, Т; Вейбе, КЛ (2007). «Изучение экологической ниши» . Proc R Soc B. 274 (1606): 19–23. дои : 10.1098/rspb.2006.3663 . ПМЦ 1679873 . ПМИД 17015332 .

[Slagsvold2011-15] Слагсвольд, Т; Вейбе, КЛ (2011). «Социальное обучение птиц и его роль в формировании кормовой ниши» . Фил Транс R Soc B. 366 (1567): 969–977. дои : 10.1098/rstb.2010.0343 . ПМК 3049099 . ПМИД 21357219 .

[Whitehead2015-16] Уайтхед, Х; Ренделл, Л. (2015). Культурная жизнь китов и дельфинов . Издательство Чикагского университета.

[Mayr1984-17] Майр, Э. (1984). «Триумф эволюционного синтеза». Литературное приложение Times . 2 ноября: 1261–1262 гг.

[Moczek2012-18] Мочек, АП (2012). «Природа воспитания и будущее эводево: к всеобъемлющей теории эволюции развития» . Интегративный комп. биол . 52 (1): 108–119. дои : 10.1093/icb/ics048 . ПМИД 22617162 .

[Keller2014-19] Келлер, Э.Ф. (2014). «От действия генов к реактивным геномам» . Дж Физиол . 592 (11): 2423–2429. дои : 10.1113/jphysicalol.2014.270991 . ПМК 4048100 . ПМИД 24882822 .

[West-Eberhard2003-20] Вест-Эберхард, MJ (2003). Пластичность развития и эволюция . Издательство Оксфордского университета.

[Lange2014-21] Ланге, А; Немешкаль, ХЛ; Мюллер, Великобритания (2014). «Предвзятый полифенизм у полидактильных кошек, несущих одну точечную мутацию: модель Хемингуэя для новизны пальцев». Эвол Биол . 41 (2): 262–275. дои : 10.1007/s11692-013-9267-y . S2CID 10844604 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]