Poprzedni wpis powstał na samym początku mojego doktoratu, teraz już minęło od tego czasu ponad 9 miesięcy. W swojej pracy badawczej próbuję zajmować się właśnie fosforylacją białek, więc na pewno będę jeszcze o niej pisał na tych łamach. Póki co, aby rozładować suspens, wspomnę tylko, że w odróżnieniu od pepsyny, w przypadku której obecnośćm lub nie fosforu, nie ma, jak widzieliśmy, dramatycznego wpływu na aktywność, wiele białek jest regulowanych za pomocą fosforylacji. Przyłączanie i odłączanie grup fosforanowych (fosforylacja i defosforylacja), procesy enzymatyczne katalizowane odpowiednio przed kinazy i fosfatazy, mogą więc spełniać rolę "włączania" i "wyłączania" białek wewnątrz komórek (przy czym czasem aktywna jest forma z fosforem, a czasem ta bez). W 1992 r. E. H. Fisher i E. G. Krebs dostali nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za badania nad "odwracalną fosforylacją jako biologicznym mechanizmem regulacyjnym".
Tym razem chciałbym jednak zwrócić uwagę na inne zagadnienie, które dziś przykuło moją uwagę: ewolucję neutralną. Problem jest następujący: załóżmy, że mamy kompleks białkowy w formie obręczy, składający się z 8 podjednostek. Tego typu pierścieniowate kompleksy (niekoniecznie 8-członowe) wchodzą w skład "maszyn molekularnych" odpowiedzialnych za bardzo ważne funkcje, takie jak synteza ATP, transport substancji przez błony biologiczne, niszczenie niepotrzebnych białek itd. Załóżmy, że w dość pierwotnym orgnizmie, dajmy na to bakterii E. coli, widzimy, że ten kompleks składa się z 8 takich samych podejdnostek A, u wyższych zaś organizmów - dwóch różnych, B i C, ułożonych w pierścieniu na przemian, przy czym po sekwencji widać, że geny b i c pochodzą od genu a, który w pewnym momencie się "skopiował" ("zduplikował"), a potem każda z dwóch kopii trochę ewoluowała. Pojawia się następujące pytanie: dlaczego nastąpił taki proces? Ewolucjoniści zazwyczaj odpowiedziliby: pierścień składający się z 4 B i 4 C musi mieć jakąś przewagę nad pierścieniem składającym się z 8 A, co więcej, musiał on mieć taką przewagę już prawie na samym początku, gdy tylko B i C zaczęły odróżniać się od A. Owa przewaga zapobiegła utracie drugiej kopii genu i powrotowi do kompleksu składającego się z 8 A (albo innymi słowy: te organizmy, u których taka utrata nastąpiła, gorzej sobie radziły niż te, u których nie nastąpiła i z czasem zostały te, u których nie nastąpiła).
Możliwe jest jednak inne wytłumaczenie. Białka B i C pierwotnie wyglądające zupełnie tak samo jak A, razem wchodziły w skład pierścieniowego kompleksu w losowych kombinacjach. Z czasem, co zrozumiałe, zarówno B jak i C stopniowo odróżniały się od A, akumulując drobne zmiany o neutralnym bądź pozytywnym skutku dla całego organizmu. Zmiany o negatywnym skutku (załóżmy, że polegały one na utracie zdolności tworzenia pierścienia) nie były akumulowane w populacji. Można sobie jednak wyobrazić, że część zmian, która miałaby negatywny skutek, gdyby istniał tylko jeden gen, miała neutralny skutek w przypadku, gdy istniały dwa różne geny. Np. mutacja, która sprawiła, że B nie może oddziaływać z samym sobą, tworząc 8-członowy pierścień byłaby negatywna, gdyby obecny był tylko gen kodujący B. Jednak możliwe, że ta mutacja nadal pozwala na oddziaływanie między B i C, a tym samym pozwala na tworzenie kompleksu, w którym obie podjednostki ułożone są na przemian: B, C, B, C itd. W ten sposób owa zmiana ma nadal charakter neutralny, ale tylko dopóty, dopóki obecne są obydwie kopie, B i C. Tym samym, niemożliwy jest powrót do sytuacji sprzed duplikacji genu A, choć kompleks składający się z B i C nie ma żadnej przewagi nad kompleksem składającym się tylko z A. Mamy więc nieodwracalność przy jednoczesnej neutralności.
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą ewolucja. Pokaż wszystkie posty
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą ewolucja. Pokaż wszystkie posty
piątek, 20 stycznia 2012
piątek, 7 stycznia 2011
Ewolucja zbieżna
Simon Conway Morris, wybitny specjalista z paleontologii kambru, jest znany z nagłaśniania, gdzie tylko może, zjawiska zwanego ewolucją zbieżną (konwergentną). O tego typu ewolucji mówimy, gdy procesy ewolucyjne zachodzące niezależnie od siebie i równolegle prowadzą do podobnych efektów, np. narządów spełniających te same funkcje (tzn. narządów analogicznych), podobnych mechanizmów ruchowych albo behawioralnych, podobnych "systemów społecznych" u zwierząt itd. Klasycznym przykładem tego rodzaju ewolucji są narządy wzroku, które wyewoluowały kilkakrotnie w historii przyrody: u owadów (oczy złożone), u mątw i ośmiornic (oczy fotograficzne) i kręgowców, w tym ludzi (również oczy fotograficzne). Gdy mówimy, że oczy fotograficzne u ośmiornic i u kręgowców są narządami analogicznymi, a nie homologicznymi, mamy na myśli to, że wspólny przodek ośmiornicy i kręgowców nie posiadał takich oczu i pojawiły się one w dwóch różnych "liniach genealogicznych" wychodzących od tego wspólnego przodka dopiero później.
W opinii wielu myślicieli, z Conwayem Morrisem na czele, zjawisko ewolucji konwergentnej zdaje się sugerować, że różnego rodzaju funkcje i procesy w pewnym sensie były zawsze potencjalnie obecne we wszechświecie dlatego, że jest on taki, jak jest (że jest w nim przestrzeń, światło, dźwięk, trzy stany skupienia itd.) i "czekały" na odpowiednie narządy, układy, mechanizmy, które będą mogły je zrealizować. Ten pogląd, ciekawe połączenie platonizmu z darwinizmem, Conway Morris prezentuje przede wszystkim w swojej książce "Life's solution" (CUP 2003), w której dochodzi do wniosku, że, w momencie, gdy pojawiło się na ziemi życie, ewolucja takich mniej więcej rodzajów organizmów, jakie rzeczywiście wyewoluowały, łącznie z inteligentnym zwierzęciem podobnym do Homo sapiens, była w pewnym sensie konieczna, bo różne "nisze", w tym "nisza inteligencji", czekały na zagospodarowanie. Jest to w pewnym sensie opinia przeciwna do tej, jaką prezentował sławny biolog Stephen J. Gould, który przed laty pisał, że gdyby "przewinąć taśmę" historii organizmów żywych i "puścić ją jeszcze raz", oglądalibyśmy zupełnie inny świat, w którym człowieka na pewno by nie było - w procesie ewolucji jest bowiem zbyt wiele miejsca na czysty przypadek. Conway Morris ma wielu przeciwników i jego wypowiedzi, zwłaszcza te zapuszczające się w filozoficzne bądź religijne rejony, prowokują często ostre riposty. Oczywiście to, że niektóre, najwyraźniej nie powiązane ze sobą wprost w sensie historycznym, gatunki mogą posiadać analogiczne narządy i mechanizmy uznają wszyscy. Niektórzy jednak argumentują, że czasem mamy w takich przypadkach do czynienia ze swego rodzaju zamaskowaną czy też głęboką homologią (ang. "deep homology") - np. narządy wzroku, choć, jak wspomniałem, wyewoluowały kilkakrotnie w różnych okolicznościach, za każdym razem potrzebowały do tego homologu genu PaxB/Pax-6 i jakiejś formy opsyny, może więc należałoby powiedzieć, że podobieństwo narządów analogicznych wynika z użycia podobnych mechanizmów na poziomie molekularnym, a nie wspólnego celu - funkcji widzenia - do którego dążą (ten i wiele podobnych przykładów głębokiej homologii opisują w fascynującym artykule "Deep homology and the origins of evolutionary novelty" Neil Shabin, Cliff Tabin i Sean Carroll w 457 numerze "Nature", niestety dostępnym tylko dla prenumeratorów i bibliotek). Conway Morris odpowiada, że te geny, choć rzeczywiście biorą udział w tworzeniu wszystkich znanych narządów wzroku, są również obecne u organizmów, które oczu nie mają (nie wiem, czy opsyna jest, ale na pewno Pax-6 - tak), więc proste powiązanie między np. Pax-6 i oczami, które mogłoby sugerować, że są one nieuniknionym skutkiem obecności pewnych mechanizmów na poziomie molekularnym. Można by też dodać, że nawet jeśli Pax-6 jest potrzebny, to nie dlatego, że np. ma dokładnie taką budowę, jaką ma, tylko dlatego, że spełnia pewna określoną funkcję (jest czynnikiem transkrypcyjnym regulującym pewnego rodzaju zestawy genów), więc gdyby w drodze ewolucji zbieżnej wyewoluował gen o tej samej funkcji, proces mógłby zajść bez Pax-6. Pierwszeństwo funkcji nad konkretną jej "aktualizacją", przy którym upiera się Conway Morris, można zauważyć więc już, gdy spojrzymy na to, co tak naprawdę jest ważne dla biologów w genach, narządach itp. - ich funkcje. Dla mnie to wszystko trochę nadto platońskie, ale z pewnością Conway Morris sieje dużo dobrego fermentu w środowisku ewolucjonistów i prowokuje ciekawe pytania.
O ewolucj i zbieżnej mówimy także na poziomie molekularnym, np. na poziomie sekwencji białek. Spójrzmy na enzymy o podobnej funkcji - np. proteazy, które degradują białka lub tną je na jakieś ściśle określone fragmenty. Znamy proteazy o bardzo różnych sekwencjach/strukturach (co świadczy o tym, że nie są bezpośrednio powiązane ze sobą historycznie), ale często w ich miejscach aktywnych spotyka się te same zestawy aminokwasów, np. u proteaz serynowych - zazwyczaj tzw. triadę katalityczną, składającą się z seryny, histydyny i asparaginianu (lub ewentualnie drugiej histydyny, jak w proteazie cytomegalowirusa), które są bezpośrednio zaangażowane w cięcie białek. Podobnie także różne inne motywy aminokwasowe czy pewne elementy struktury trzeciorzędowej (czy też tzw. "superdrugorzędowej", ang. supersecondary structure), powiązane z konkretną funkcją, spotyka się u białek nie powiązanych historycznie w sposób bezpośredni. Barry Honig, amerykański bioinformatykz Uniwersytetu Columbia, biorąc to pod uwagę, stworzył program Mark-Us (dostępny w internecie: http://luna.bioc.columbia.edu/honiglab/mark-us/cgi-bin/submit.pl), który analizuje strukturę białek o nieznanych funkcjach na podstawie podobieństw strukturalnych (istnienie takich samych motywów itp.) do białek o znanych funkcjach. To zupełnie unikatowe podejście, bo zazwyczaj porównuje się sekwencję kwasów nukleinowych w genie kodującym dane białko w poszukiwaniu powiązań historycznych międzi genami i na ich podstawie definiuje się podobieństwa w funkcji. To jest oczywiście często skuteczna metoda, a to dlatego, że (zgodnie z obecnym stanem wiedzy biologicznej) prawdziwe wydaje się następujące rozumowanie:
1) Białka blisko związane ze sobą historycznie są do siebie podobne, np. mają podobną budowę (zmiany eweolucyjne są stopniowe więc w krótkim czasie zasadniczo nie prowadzą do drastycznych zmian w budowie).
2) Jeśli białka są do siebie podobne, np. mają podobną budowę, mogę spełniać podobne funkcje, mieć podobne właściwości.
3) Z połączenia zdać 1 i 2 wynika, że jeśli białka są blisko związane historycznie to mogą mieć podobne funkcje/właściwości (ale nie muszą - dobrym przykładem mogą być tzw. pseudokinazy, białka, które są ewolucyjnie bardzo blisko związane z kinazami i są bardzo podobne, ale nie posiadają pewnych kluczowych aminokwasów, co sprawia, że nie potrafią spełniać takiej funkcji, jak kinazy, tzn. fosforylować inne białka albo małe cząsteczki).
Wyższość (przynajmniej filozoficzna) metody Honiga nad innymi metodami polega na tym, że nie idzie ona od zdania 1) przez 2) do 3), tylko wprost od zdania 2) do zdania 3), szuka podobieństw tu i teraz, niezależnie od tego, czy posiadają wspólną historię (bo, jak pokazuje ewolucja zbieżna, podobieństwa mogą istnieć również niezależnie). Niby to wszystko jest oczywiste, ale zwraca uwagę na prawdę, o której dzisiejsza biologia często zapomina: że rzeczy są takie, jakie są, ze względu na ich natury, w tym także ich strukturę i rozmaite właściwości, nie natomiast ze względu na to, w wyniku jakiego procesu się po raz pierwszy pojawiły (to jest powiązane z tym, jakie są, ale nie bezpośrednio). Ewolucja zbieżna pokazuje więc nie tyle platońską "wyższość funkcji nad jej konkretną aktualizacją", co arystotelejską wyższość(konkretnego) istnienia nad (abstrakcyjnym) "stawaniem się".
W opinii wielu myślicieli, z Conwayem Morrisem na czele, zjawisko ewolucji konwergentnej zdaje się sugerować, że różnego rodzaju funkcje i procesy w pewnym sensie były zawsze potencjalnie obecne we wszechświecie dlatego, że jest on taki, jak jest (że jest w nim przestrzeń, światło, dźwięk, trzy stany skupienia itd.) i "czekały" na odpowiednie narządy, układy, mechanizmy, które będą mogły je zrealizować. Ten pogląd, ciekawe połączenie platonizmu z darwinizmem, Conway Morris prezentuje przede wszystkim w swojej książce "Life's solution" (CUP 2003), w której dochodzi do wniosku, że, w momencie, gdy pojawiło się na ziemi życie, ewolucja takich mniej więcej rodzajów organizmów, jakie rzeczywiście wyewoluowały, łącznie z inteligentnym zwierzęciem podobnym do Homo sapiens, była w pewnym sensie konieczna, bo różne "nisze", w tym "nisza inteligencji", czekały na zagospodarowanie. Jest to w pewnym sensie opinia przeciwna do tej, jaką prezentował sławny biolog Stephen J. Gould, który przed laty pisał, że gdyby "przewinąć taśmę" historii organizmów żywych i "puścić ją jeszcze raz", oglądalibyśmy zupełnie inny świat, w którym człowieka na pewno by nie było - w procesie ewolucji jest bowiem zbyt wiele miejsca na czysty przypadek. Conway Morris ma wielu przeciwników i jego wypowiedzi, zwłaszcza te zapuszczające się w filozoficzne bądź religijne rejony, prowokują często ostre riposty. Oczywiście to, że niektóre, najwyraźniej nie powiązane ze sobą wprost w sensie historycznym, gatunki mogą posiadać analogiczne narządy i mechanizmy uznają wszyscy. Niektórzy jednak argumentują, że czasem mamy w takich przypadkach do czynienia ze swego rodzaju zamaskowaną czy też głęboką homologią (ang. "deep homology") - np. narządy wzroku, choć, jak wspomniałem, wyewoluowały kilkakrotnie w różnych okolicznościach, za każdym razem potrzebowały do tego homologu genu PaxB/Pax-6 i jakiejś formy opsyny, może więc należałoby powiedzieć, że podobieństwo narządów analogicznych wynika z użycia podobnych mechanizmów na poziomie molekularnym, a nie wspólnego celu - funkcji widzenia - do którego dążą (ten i wiele podobnych przykładów głębokiej homologii opisują w fascynującym artykule "Deep homology and the origins of evolutionary novelty" Neil Shabin, Cliff Tabin i Sean Carroll w 457 numerze "Nature", niestety dostępnym tylko dla prenumeratorów i bibliotek). Conway Morris odpowiada, że te geny, choć rzeczywiście biorą udział w tworzeniu wszystkich znanych narządów wzroku, są również obecne u organizmów, które oczu nie mają (nie wiem, czy opsyna jest, ale na pewno Pax-6 - tak), więc proste powiązanie między np. Pax-6 i oczami, które mogłoby sugerować, że są one nieuniknionym skutkiem obecności pewnych mechanizmów na poziomie molekularnym. Można by też dodać, że nawet jeśli Pax-6 jest potrzebny, to nie dlatego, że np. ma dokładnie taką budowę, jaką ma, tylko dlatego, że spełnia pewna określoną funkcję (jest czynnikiem transkrypcyjnym regulującym pewnego rodzaju zestawy genów), więc gdyby w drodze ewolucji zbieżnej wyewoluował gen o tej samej funkcji, proces mógłby zajść bez Pax-6. Pierwszeństwo funkcji nad konkretną jej "aktualizacją", przy którym upiera się Conway Morris, można zauważyć więc już, gdy spojrzymy na to, co tak naprawdę jest ważne dla biologów w genach, narządach itp. - ich funkcje. Dla mnie to wszystko trochę nadto platońskie, ale z pewnością Conway Morris sieje dużo dobrego fermentu w środowisku ewolucjonistów i prowokuje ciekawe pytania.
O ewolucj i zbieżnej mówimy także na poziomie molekularnym, np. na poziomie sekwencji białek. Spójrzmy na enzymy o podobnej funkcji - np. proteazy, które degradują białka lub tną je na jakieś ściśle określone fragmenty. Znamy proteazy o bardzo różnych sekwencjach/strukturach (co świadczy o tym, że nie są bezpośrednio powiązane ze sobą historycznie), ale często w ich miejscach aktywnych spotyka się te same zestawy aminokwasów, np. u proteaz serynowych - zazwyczaj tzw. triadę katalityczną, składającą się z seryny, histydyny i asparaginianu (lub ewentualnie drugiej histydyny, jak w proteazie cytomegalowirusa), które są bezpośrednio zaangażowane w cięcie białek. Podobnie także różne inne motywy aminokwasowe czy pewne elementy struktury trzeciorzędowej (czy też tzw. "superdrugorzędowej", ang. supersecondary structure), powiązane z konkretną funkcją, spotyka się u białek nie powiązanych historycznie w sposób bezpośredni. Barry Honig, amerykański bioinformatykz Uniwersytetu Columbia, biorąc to pod uwagę, stworzył program Mark-Us (dostępny w internecie: http://luna.bioc.columbia.edu/honiglab/mark-us/cgi-bin/submit.pl), który analizuje strukturę białek o nieznanych funkcjach na podstawie podobieństw strukturalnych (istnienie takich samych motywów itp.) do białek o znanych funkcjach. To zupełnie unikatowe podejście, bo zazwyczaj porównuje się sekwencję kwasów nukleinowych w genie kodującym dane białko w poszukiwaniu powiązań historycznych międzi genami i na ich podstawie definiuje się podobieństwa w funkcji. To jest oczywiście często skuteczna metoda, a to dlatego, że (zgodnie z obecnym stanem wiedzy biologicznej) prawdziwe wydaje się następujące rozumowanie:
1) Białka blisko związane ze sobą historycznie są do siebie podobne, np. mają podobną budowę (zmiany eweolucyjne są stopniowe więc w krótkim czasie zasadniczo nie prowadzą do drastycznych zmian w budowie).
2) Jeśli białka są do siebie podobne, np. mają podobną budowę, mogę spełniać podobne funkcje, mieć podobne właściwości.
3) Z połączenia zdać 1 i 2 wynika, że jeśli białka są blisko związane historycznie to mogą mieć podobne funkcje/właściwości (ale nie muszą - dobrym przykładem mogą być tzw. pseudokinazy, białka, które są ewolucyjnie bardzo blisko związane z kinazami i są bardzo podobne, ale nie posiadają pewnych kluczowych aminokwasów, co sprawia, że nie potrafią spełniać takiej funkcji, jak kinazy, tzn. fosforylować inne białka albo małe cząsteczki).
Wyższość (przynajmniej filozoficzna) metody Honiga nad innymi metodami polega na tym, że nie idzie ona od zdania 1) przez 2) do 3), tylko wprost od zdania 2) do zdania 3), szuka podobieństw tu i teraz, niezależnie od tego, czy posiadają wspólną historię (bo, jak pokazuje ewolucja zbieżna, podobieństwa mogą istnieć również niezależnie). Niby to wszystko jest oczywiste, ale zwraca uwagę na prawdę, o której dzisiejsza biologia często zapomina: że rzeczy są takie, jakie są, ze względu na ich natury, w tym także ich strukturę i rozmaite właściwości, nie natomiast ze względu na to, w wyniku jakiego procesu się po raz pierwszy pojawiły (to jest powiązane z tym, jakie są, ale nie bezpośrednio). Ewolucja zbieżna pokazuje więc nie tyle platońską "wyższość funkcji nad jej konkretną aktualizacją", co arystotelejską wyższość(konkretnego) istnienia nad (abstrakcyjnym) "stawaniem się".
niedziela, 31 października 2010
Zęby trzonowe myszy i paliczki ptaków - część 2.
W drugiej części wpisu chciałbym napisać o badaniach Kathryn Kavanagh nad paliczkami w łapach ptaków. Problem w tym, że niewiele o tych badaniach wiem, bo nie wyszedł jeszcze żaden artykuł na ich temat. To, co zamierzam napisać, usłyszałem z drugiej ręki, na wykładzie prof. Uriego Alona (lokalnej sławy izraelskiego Instytutu Weizmanna), który wrócił niedawno z dwuletniego urlopu naukowego w Bostonie, gdzie zapoznał się z Kathryn i jej pracą. Alon mówił tylko o niektórych aspektach tych badań, co więcej, nie wszystko w tym wykładzie było dla mnie jasne, więc musiałem dodać trochę swojej interpretacji. Przestrzegam więc, żeby nie traktować tego wpisu zbyt serio.
Ale najpierw krótka powtórka z ostatniego wpisu. Na rozwój zębów trzonowych myszy mają wpływ aktywatory (wydzielane przez tkanki otaczające zęby) i inhibitory (wydzielane przez pierwszy ` trzech zębów). Równowaga między nimi wpływa na proporcje zębów, które u danego gatunku są zazwyczaj podobne (mieszczą się w pewnym zakresie), ale mogą się oczywiście drastycznie różnić między gatunkami. Nie różnią się jednak w sposób zupełnie dowolny, a to dlatego, że sam system regulacji rozwoju zębów (aktywatory z otoczenia, inhibitory z pierwszego zęba) jest raczej taki sam u większości gatunków, a różnice leżą jedynie w rodzajach i ilościach aktywatorów i inhibitorów. Tak więc spośród wielu możliwych zmiennych, wpływających na proporcje zębów, zmieniają się tylko dwie, a co za tym idzie tylko pewien zakres fenotypów jest "dozwolony". Konkretnie rzecz ujmując, gdyby narysować układ współrzędnych, w którym wartości na osi rzędnych oznaczałyby stosunek powierzchni zęba trzeciego do powierzchni pierwszego (M3/M1), a te na osi odciętych - stosunek powierzchni zęba drugiego do powierzchni pierwszego (M2/M1) i zaznaczyć punkty odpowiadające średnim wartościom tych stosunków dla poszczególnych gatunków, to punkty te tworzyłyby mniej-więcej linię prostą (choć oczywiście, jak to zwykle bywa, to wszystko jest tylko w przybliżeniu prawdziwe i jakieś tam punkty zupełnie poza linią też są - to oczywiście ważne, ale na razie załóżmy, że wszystko jest w zgodzie z teorią). Co więcej, jeden koniec tej linii jest zajmowany przez gatunki roślinożerne, drugi - przez mięsożerne, a gatunki wszystkożerne są rozłożone pomiędzy tymi dwoma biegunami. Podsumowując: wygląda na to, że mechanizmy odpowiadające za rozwój zębów pozwalają tylko na pewne spektrum fenotypów (linie prostą na wykresie), a z kolei - jeśli trzymać się tradycyjnego sposobu tłumaczenia funkcji przez ewolucjonistów (którego się w poprzednim i tym wpisie trzymam, choć można by długo dywagować nad jego słusznością) - naturalna selekcja sprawia, że dany gatunek zajmuje tę część dozwolonego spektrum, która sprzyja jego diecie (konkretnie wygląda to tak, że gatunki mięsożerne mają zazwyczaj duży pierwszy ząb, mniejszy drugi i trzeci bardzo mały, albo nie mają go wcale, podczas gdy gatunki roślinożerne mają trzy zęby mniej więcej takiej samej wielkości; widocznie takie właśnie zęby dobrze rozcierają te rodzaje pokarmów). Tyle jeśli chodzi o powtórkę.
Badania nad paliczkami w łapach ptaków są - przypuszczalnie - bardzo podobne. Tych paliczków są zazwyczaj trzy (mogą też być czasem cztery, ale załóżmy, że zawsze trzy) w każdym palcu (szponie?) - paliczki odpowiadają "twardym" częściom palca, które nie mogą się zginać, pomiędzy zaś paliczkami są stawy, w których możliwe są zgięcia (czyli tak jak w naszych dłoniach). Gdy narysujemy wykres, na którym na jednej osi będzie stosunek długości pierwszego paliczka do trzeciego, a na drugiej - stosunek długości drugiego do pierwszego, punkty odpowiadające różnym gatunkom ptaków będą leżały w większości na linii prostej (czyli analogicznie do zębów trzonowych)- to wiem na pewno, bo taki wykres pokazywał Alon. Wiem też, że przeciwległe końce tej linii również odpowiadają dwóm różnym funkcjom. Do czego (w uproszczeniu) służą łapy ptaków? Jednym ptakom (np. kurom) - do chodzenia po ziemi; innym (np. jaskółkom) - do siedzenia na gałęzi, albo na drucie; jeszcze innym - do obydwu funkcji na raz. Rzeczywiście - te trzy grupy zajmują odpowiednio pierwszy koniec, drugi koniec i środek linii.
Jak można to wytłumaczyć? Gdyby iść po linii wytyczonej przez artykuł Kavanagh i Jernvalla na temat zębów myszy, trzeba by próbować wykazać, że istnieje jakiś mechanizm regulacji rozwoju paliczków. Trzeba by trochę pomajstrować przy tym mechanizmie, popróbować hodowli paliczków in vitro, zobaczyć co przyspiesza, co spowalnia rozwój itp. I pewnie wtedy można by odkryć, że rzeczywiście jest jakiś mechanizm, a w związku z tym pewne równanie, w którym niektóre zmienne - odpowiadające ilościom i rodzajom wchodzących w grę substancji - mogą się zmieniać, ale samo równanie musi (w teorii) być zawsze prawdziwe, bo opisuje ono ten konkretny mechanizm. Ponieważ samo zjawisko jest analogiczne do rozwoju zębów trzonowych - jedna po drugiej wykształcają się trzy kości, a zęby są pod wieloma względami podobne do kości- możemy przypuszczać, że mechanizm jest mniej więcej taki sam jak w przypadku rozwoju zębów i jestem pewien, że zespół Kavanagh zajmuje się właśnie udowadnianiem tego przypuszczenia.
Ale czy można by jakoś inaczej - to znaczy nie odwołując się zupełnie do mechanizmu rozwoju - wytłumaczyć dlaczego wykres obrazujący fenotypy różnych gatnkunków jest tak "regularny", a konkretnie - dlaczego tworzy linię prostą? Bo okazuje się - o tym mówił Alon - że gdy próbuje się narysować wykres, w którym na dwóch osiach zaznacza się wartości odpowiadające jakimś cechom anatomicznym lub fizjologicznym sprzyjającym jakimś funkcjom, to zadziwiająco często wykres ten tworzy mniej-więcej linię prostą, albo przynajmniej jakiś w miarę regularny kształt (oczywiście w dużym przybliżeniu), np. trójkąt, kwadrat. I po zbadaniu fenotypów okazuje się, że przeciwległe końce linii, albo rogi trójkąta, odpowiadają w takich sytuacjach organizmom "idealnie" przystowanym do różnych przeciwstawnych funkcji, środek zaś zajmują organizmy w różnej mierze przystosowane do wszystkich dwóch (trzech, czterech itp.) funkcji. Czy zawsze jest to spowodowane jedynie jakimś "ukrytym" mechanizmem rozwojowym, który ogranicza zakres możliwych "rozwiązań" anatomicznych i fizjologicznych? Uri Alon uważa, że nie, że to wszystko można wytłumaczyć znacznie prościej.
Po pierwsze, jeśli chodzi o paliczki w łapach ptaków, to wychodząc z zasad mechaniki można wywnioskować, że właśnie te konkretne stosunki długości paliczków (oznaczmy długości trzech kolejnych paliczków jako P1, P2 i P3), które obserwuje się dla ptaków, które tylko siedzą na gałęziach (P1=P2=P3) i tych, które tylko chodzą po ziemi (P1 dużo większy od P2, a P3 bardzo mały), są niemalże najlepsze, jakie tylko można sobie wyobrazić, do wykonywania tych funkcji. Gdy wszystkie trzy paliczki są równej długości, ptak może objąć gałąź tak, że siły rozkładają się równomiernie na trzy strony i najłatwiej jest utrzymać równowagę. Gdy pierwszy paliczek jest długi, drugi krótszy, a trzeci najkrótszy - najłatwiej jest z kolei utrzymać równowagę podczas chodzenia po ziemi. Więc w pewnym sensie choćby i nie było żadnych ograniczeń wynikających z mechanizmu rozwojowego, właśnie takie łapy najlepiej spełniałyby dane funkcje. Innymi słowy, niemalże niezależnie od zasad rozwoju, punkty odpowiadające tym dwóm idealnym fenotypom (nazwijmy je "kurą" i "jaskółką", choć wątpliwe, że te właśnie ptaki są takimi "idealnymi" przykładami; kura w końcu nie tylko chodzi, ale czasem też siedzi na grzędzie, a jaskółka może i czasem chodzi, nie wiem) byłyby na naszym wykresie mniej-więcej tam, gdzie są. Tylko z powodu naturalnej selekcji, która pokierowałaby fenotypem właśnie w tych kierunkach.
Druga obserwacja: ptak nie może być jednocześnie zbyt dobry w siedzeniu na gałęzi i chodzeniu po ziemi, właśnie dlatego, że różne stosunki długości paliczków są potrzebne do różnych funkcji. Muszą być więc dwa bieguny - i jak pisałem, muszą być mniej-więcej tam, gdzie są.
Jak wiadomo, jeśli są dwa punkty, to można wyznaczyć między nimi linię. Ale czy jest coś, co sprawia, że pozostałe punkty też muszą leżeć na linii? Dlaczego ptaki, które trochę siedzą, trochę chodzą, muszą być właśnie gdzieś między kurą a jaskółką, a nie np. trochę na bok od łączących je linii?
Można próbować wytłumaczyć to tak: skoro mamy na wykresie dwa punkty idealne, i wykres jest skonstruowany tak, że pokazuje zależność między dwiema cechami, które mają bezpośredni wpływ na dwie przeciwstawne funkcje (jak w naszym przypadku), to za miarę tego, jak dany ptak jest dobry w konkretnej funkcji można uznać odległość od idealnego punktu dla tej funkcji (oczywiście nie musi to być dosłownie odległość, którą możemy zmierzyć linijką na wykresie - może to być jakaś funkcja tej odległości, np. jej logarytm, albo funkcja bardziej złożona, ale jednak rosnącą, mniej lub bardziej równomiernie, wraz z odległością).
Zróbmy więc tak. Narysujmy dwie osie wykresu, a na wykresie dwa punkty, jeden o małych wartościach x i y (a więc będący blisko początku i nisko na wykresie), drugi o dużych wartościach x i y (daleko od początku, wysoko). Punkt u dołu to pierwszy stan idealny, "jaskółka"; punkt u góry - drugi, tzn. "kura". Połączmy te dwa punkty linią.
Teraz wyobraźmy sobie dowolny punkt (załóżmy, że odpowiada on "zmutowanemu wróblowi") leżący poza linią łączącą "stany idealne". Narysujmy odcinek "zmutowany wróbel"-"kura". Załóżmy, że ma on na naszym wykresie długość 10 jednostek. Teraz narysujmy okrąg o długości 10 i środku w punkcie "kura". Okrąg ten będzie przebiegał przez "zmutowanego wróbla", ale będzie oczywiście przecinał także linię łączącą "kurę" z "jaskółką". Oznaczmy punkt przecięcia okręgu z tą linią jako "wróbel". Teraz porównajmy "zmutowanego wróbla" z "wróblem". Obydwa ptaki są równie dobre w jednej funkcji - w chodzeniu po ziemi, co wyraża ta sama odległość od "kury", wynosząca 10 jednostek. Jednak odległość od "jaskółki" jest różna: "wróbel" jest bliżej niż "zmutowany wróbel". Jeśli wróbel miałby tylko chodzić po ziemi, to ani jeden punkt, ani drugi nie byłby dla niego idealny: idealnym miejscem, byłoby to, które zajmuje "kura". Skoro więc już wróbel nie jest tam, gdzie kura, to znaczy, że dla niego ważne są obydwie funkcje. A jeśli ważne są obydwie funkcje (przy czym zdolność chodzenia jest ważna na tyle, że właśnie odległość od kury równa 10 "wystarcza"), to zdecydowanie w lepszej sytuacji jest "wróbel" niż "zmutowany wróbel", bo będąc tak samo dobrym w chodzeniu, jest lepszy w siedzeniu.
Podobnie można udowodnić dla każdego innego punktu leżącego poza linią - że dla każdego z tych punktów istnieje inny, który jest tak samo dobry w jednej z funkcji, a w drugiej lepszy. A - znów uciekam się do sposobu tłumaczenia właściwego typowym podręcznikom biologii ewolucyjnej - jeśli wszystkim kieruje naturalna selekcja, a każdy z tych gatunków istniał bardzo długo i miał czas "wyćwiczyć się" w swojej funkcji, to nie będzie leżał poza linia, ale raczej na linii (jest to zgodne ze stosowaną w ekonomii zasadą Pareto). Co zresztą - przynajmniej w teorii - obserwujemy (w praktyce nie do końca). Poza linią spotkamy za to często mutanty, które wskutek choroby są w jakiejś mierze "zniekształcone".
Co z tego wszystkiego wynika? Że można w "alternatywny" (a jednocześnie bardziej klasyczny: odwołując się tylko do selekcji) sposób wytłumaczyć tę samą zależność, którą wcześniej tłumaczyliśmy odwołując się do zasad biologii rozwojowej. Nie znaczy to jednak, że tylko jeden z tych sposobów tłumaczenia jest prawdziwy - raczej obydwa, i dzięki temu nawzajem się one uzupełniają, zapewniając większą zbieżność z wariantem idealnym, tzn. wszystkimi fenotypami leżącymi w perfekcyjnym szeregu na tej samej linii.
Ale najpierw krótka powtórka z ostatniego wpisu. Na rozwój zębów trzonowych myszy mają wpływ aktywatory (wydzielane przez tkanki otaczające zęby) i inhibitory (wydzielane przez pierwszy ` trzech zębów). Równowaga między nimi wpływa na proporcje zębów, które u danego gatunku są zazwyczaj podobne (mieszczą się w pewnym zakresie), ale mogą się oczywiście drastycznie różnić między gatunkami. Nie różnią się jednak w sposób zupełnie dowolny, a to dlatego, że sam system regulacji rozwoju zębów (aktywatory z otoczenia, inhibitory z pierwszego zęba) jest raczej taki sam u większości gatunków, a różnice leżą jedynie w rodzajach i ilościach aktywatorów i inhibitorów. Tak więc spośród wielu możliwych zmiennych, wpływających na proporcje zębów, zmieniają się tylko dwie, a co za tym idzie tylko pewien zakres fenotypów jest "dozwolony". Konkretnie rzecz ujmując, gdyby narysować układ współrzędnych, w którym wartości na osi rzędnych oznaczałyby stosunek powierzchni zęba trzeciego do powierzchni pierwszego (M3/M1), a te na osi odciętych - stosunek powierzchni zęba drugiego do powierzchni pierwszego (M2/M1) i zaznaczyć punkty odpowiadające średnim wartościom tych stosunków dla poszczególnych gatunków, to punkty te tworzyłyby mniej-więcej linię prostą (choć oczywiście, jak to zwykle bywa, to wszystko jest tylko w przybliżeniu prawdziwe i jakieś tam punkty zupełnie poza linią też są - to oczywiście ważne, ale na razie załóżmy, że wszystko jest w zgodzie z teorią). Co więcej, jeden koniec tej linii jest zajmowany przez gatunki roślinożerne, drugi - przez mięsożerne, a gatunki wszystkożerne są rozłożone pomiędzy tymi dwoma biegunami. Podsumowując: wygląda na to, że mechanizmy odpowiadające za rozwój zębów pozwalają tylko na pewne spektrum fenotypów (linie prostą na wykresie), a z kolei - jeśli trzymać się tradycyjnego sposobu tłumaczenia funkcji przez ewolucjonistów (którego się w poprzednim i tym wpisie trzymam, choć można by długo dywagować nad jego słusznością) - naturalna selekcja sprawia, że dany gatunek zajmuje tę część dozwolonego spektrum, która sprzyja jego diecie (konkretnie wygląda to tak, że gatunki mięsożerne mają zazwyczaj duży pierwszy ząb, mniejszy drugi i trzeci bardzo mały, albo nie mają go wcale, podczas gdy gatunki roślinożerne mają trzy zęby mniej więcej takiej samej wielkości; widocznie takie właśnie zęby dobrze rozcierają te rodzaje pokarmów). Tyle jeśli chodzi o powtórkę.
Badania nad paliczkami w łapach ptaków są - przypuszczalnie - bardzo podobne. Tych paliczków są zazwyczaj trzy (mogą też być czasem cztery, ale załóżmy, że zawsze trzy) w każdym palcu (szponie?) - paliczki odpowiadają "twardym" częściom palca, które nie mogą się zginać, pomiędzy zaś paliczkami są stawy, w których możliwe są zgięcia (czyli tak jak w naszych dłoniach). Gdy narysujemy wykres, na którym na jednej osi będzie stosunek długości pierwszego paliczka do trzeciego, a na drugiej - stosunek długości drugiego do pierwszego, punkty odpowiadające różnym gatunkom ptaków będą leżały w większości na linii prostej (czyli analogicznie do zębów trzonowych)- to wiem na pewno, bo taki wykres pokazywał Alon. Wiem też, że przeciwległe końce tej linii również odpowiadają dwóm różnym funkcjom. Do czego (w uproszczeniu) służą łapy ptaków? Jednym ptakom (np. kurom) - do chodzenia po ziemi; innym (np. jaskółkom) - do siedzenia na gałęzi, albo na drucie; jeszcze innym - do obydwu funkcji na raz. Rzeczywiście - te trzy grupy zajmują odpowiednio pierwszy koniec, drugi koniec i środek linii.
Jak można to wytłumaczyć? Gdyby iść po linii wytyczonej przez artykuł Kavanagh i Jernvalla na temat zębów myszy, trzeba by próbować wykazać, że istnieje jakiś mechanizm regulacji rozwoju paliczków. Trzeba by trochę pomajstrować przy tym mechanizmie, popróbować hodowli paliczków in vitro, zobaczyć co przyspiesza, co spowalnia rozwój itp. I pewnie wtedy można by odkryć, że rzeczywiście jest jakiś mechanizm, a w związku z tym pewne równanie, w którym niektóre zmienne - odpowiadające ilościom i rodzajom wchodzących w grę substancji - mogą się zmieniać, ale samo równanie musi (w teorii) być zawsze prawdziwe, bo opisuje ono ten konkretny mechanizm. Ponieważ samo zjawisko jest analogiczne do rozwoju zębów trzonowych - jedna po drugiej wykształcają się trzy kości, a zęby są pod wieloma względami podobne do kości- możemy przypuszczać, że mechanizm jest mniej więcej taki sam jak w przypadku rozwoju zębów i jestem pewien, że zespół Kavanagh zajmuje się właśnie udowadnianiem tego przypuszczenia.
Ale czy można by jakoś inaczej - to znaczy nie odwołując się zupełnie do mechanizmu rozwoju - wytłumaczyć dlaczego wykres obrazujący fenotypy różnych gatnkunków jest tak "regularny", a konkretnie - dlaczego tworzy linię prostą? Bo okazuje się - o tym mówił Alon - że gdy próbuje się narysować wykres, w którym na dwóch osiach zaznacza się wartości odpowiadające jakimś cechom anatomicznym lub fizjologicznym sprzyjającym jakimś funkcjom, to zadziwiająco często wykres ten tworzy mniej-więcej linię prostą, albo przynajmniej jakiś w miarę regularny kształt (oczywiście w dużym przybliżeniu), np. trójkąt, kwadrat. I po zbadaniu fenotypów okazuje się, że przeciwległe końce linii, albo rogi trójkąta, odpowiadają w takich sytuacjach organizmom "idealnie" przystowanym do różnych przeciwstawnych funkcji, środek zaś zajmują organizmy w różnej mierze przystosowane do wszystkich dwóch (trzech, czterech itp.) funkcji. Czy zawsze jest to spowodowane jedynie jakimś "ukrytym" mechanizmem rozwojowym, który ogranicza zakres możliwych "rozwiązań" anatomicznych i fizjologicznych? Uri Alon uważa, że nie, że to wszystko można wytłumaczyć znacznie prościej.
Po pierwsze, jeśli chodzi o paliczki w łapach ptaków, to wychodząc z zasad mechaniki można wywnioskować, że właśnie te konkretne stosunki długości paliczków (oznaczmy długości trzech kolejnych paliczków jako P1, P2 i P3), które obserwuje się dla ptaków, które tylko siedzą na gałęziach (P1=P2=P3) i tych, które tylko chodzą po ziemi (P1 dużo większy od P2, a P3 bardzo mały), są niemalże najlepsze, jakie tylko można sobie wyobrazić, do wykonywania tych funkcji. Gdy wszystkie trzy paliczki są równej długości, ptak może objąć gałąź tak, że siły rozkładają się równomiernie na trzy strony i najłatwiej jest utrzymać równowagę. Gdy pierwszy paliczek jest długi, drugi krótszy, a trzeci najkrótszy - najłatwiej jest z kolei utrzymać równowagę podczas chodzenia po ziemi. Więc w pewnym sensie choćby i nie było żadnych ograniczeń wynikających z mechanizmu rozwojowego, właśnie takie łapy najlepiej spełniałyby dane funkcje. Innymi słowy, niemalże niezależnie od zasad rozwoju, punkty odpowiadające tym dwóm idealnym fenotypom (nazwijmy je "kurą" i "jaskółką", choć wątpliwe, że te właśnie ptaki są takimi "idealnymi" przykładami; kura w końcu nie tylko chodzi, ale czasem też siedzi na grzędzie, a jaskółka może i czasem chodzi, nie wiem) byłyby na naszym wykresie mniej-więcej tam, gdzie są. Tylko z powodu naturalnej selekcji, która pokierowałaby fenotypem właśnie w tych kierunkach.
Druga obserwacja: ptak nie może być jednocześnie zbyt dobry w siedzeniu na gałęzi i chodzeniu po ziemi, właśnie dlatego, że różne stosunki długości paliczków są potrzebne do różnych funkcji. Muszą być więc dwa bieguny - i jak pisałem, muszą być mniej-więcej tam, gdzie są.
Jak wiadomo, jeśli są dwa punkty, to można wyznaczyć między nimi linię. Ale czy jest coś, co sprawia, że pozostałe punkty też muszą leżeć na linii? Dlaczego ptaki, które trochę siedzą, trochę chodzą, muszą być właśnie gdzieś między kurą a jaskółką, a nie np. trochę na bok od łączących je linii?
Można próbować wytłumaczyć to tak: skoro mamy na wykresie dwa punkty idealne, i wykres jest skonstruowany tak, że pokazuje zależność między dwiema cechami, które mają bezpośredni wpływ na dwie przeciwstawne funkcje (jak w naszym przypadku), to za miarę tego, jak dany ptak jest dobry w konkretnej funkcji można uznać odległość od idealnego punktu dla tej funkcji (oczywiście nie musi to być dosłownie odległość, którą możemy zmierzyć linijką na wykresie - może to być jakaś funkcja tej odległości, np. jej logarytm, albo funkcja bardziej złożona, ale jednak rosnącą, mniej lub bardziej równomiernie, wraz z odległością).
Zróbmy więc tak. Narysujmy dwie osie wykresu, a na wykresie dwa punkty, jeden o małych wartościach x i y (a więc będący blisko początku i nisko na wykresie), drugi o dużych wartościach x i y (daleko od początku, wysoko). Punkt u dołu to pierwszy stan idealny, "jaskółka"; punkt u góry - drugi, tzn. "kura". Połączmy te dwa punkty linią.
Teraz wyobraźmy sobie dowolny punkt (załóżmy, że odpowiada on "zmutowanemu wróblowi") leżący poza linią łączącą "stany idealne". Narysujmy odcinek "zmutowany wróbel"-"kura". Załóżmy, że ma on na naszym wykresie długość 10 jednostek. Teraz narysujmy okrąg o długości 10 i środku w punkcie "kura". Okrąg ten będzie przebiegał przez "zmutowanego wróbla", ale będzie oczywiście przecinał także linię łączącą "kurę" z "jaskółką". Oznaczmy punkt przecięcia okręgu z tą linią jako "wróbel". Teraz porównajmy "zmutowanego wróbla" z "wróblem". Obydwa ptaki są równie dobre w jednej funkcji - w chodzeniu po ziemi, co wyraża ta sama odległość od "kury", wynosząca 10 jednostek. Jednak odległość od "jaskółki" jest różna: "wróbel" jest bliżej niż "zmutowany wróbel". Jeśli wróbel miałby tylko chodzić po ziemi, to ani jeden punkt, ani drugi nie byłby dla niego idealny: idealnym miejscem, byłoby to, które zajmuje "kura". Skoro więc już wróbel nie jest tam, gdzie kura, to znaczy, że dla niego ważne są obydwie funkcje. A jeśli ważne są obydwie funkcje (przy czym zdolność chodzenia jest ważna na tyle, że właśnie odległość od kury równa 10 "wystarcza"), to zdecydowanie w lepszej sytuacji jest "wróbel" niż "zmutowany wróbel", bo będąc tak samo dobrym w chodzeniu, jest lepszy w siedzeniu.
Podobnie można udowodnić dla każdego innego punktu leżącego poza linią - że dla każdego z tych punktów istnieje inny, który jest tak samo dobry w jednej z funkcji, a w drugiej lepszy. A - znów uciekam się do sposobu tłumaczenia właściwego typowym podręcznikom biologii ewolucyjnej - jeśli wszystkim kieruje naturalna selekcja, a każdy z tych gatunków istniał bardzo długo i miał czas "wyćwiczyć się" w swojej funkcji, to nie będzie leżał poza linia, ale raczej na linii (jest to zgodne ze stosowaną w ekonomii zasadą Pareto). Co zresztą - przynajmniej w teorii - obserwujemy (w praktyce nie do końca). Poza linią spotkamy za to często mutanty, które wskutek choroby są w jakiejś mierze "zniekształcone".
Co z tego wszystkiego wynika? Że można w "alternatywny" (a jednocześnie bardziej klasyczny: odwołując się tylko do selekcji) sposób wytłumaczyć tę samą zależność, którą wcześniej tłumaczyliśmy odwołując się do zasad biologii rozwojowej. Nie znaczy to jednak, że tylko jeden z tych sposobów tłumaczenia jest prawdziwy - raczej obydwa, i dzięki temu nawzajem się one uzupełniają, zapewniając większą zbieżność z wariantem idealnym, tzn. wszystkimi fenotypami leżącymi w perfekcyjnym szeregu na tej samej linii.
piątek, 22 października 2010
Zęby trzonowe myszy i paliczki ptaków - część 1.
Istnieje więc w ewolucji pewna równowaga między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie pożywienia) - klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej, a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
Internet najlepiej pokazuje, jak bardzo różnymi rzeczami się ludzie interesują. Podobnie naukowcy mają najrozmaitsze zainteresowania badawcze, czasem dość osobliwe. Na przykład Jukka Jernvall, bardzo zdolny i dość już znany fiński biolog, zajmuje się rozwojem zębów i ewolucją układów zębowych. Kto chciałby zobaczyć czym gryzą różne zwierzęta, może znaleźć w internecie stworzoną przez niego parę lat temu bazę trójwymiarowych skanów zębów wielu gatunków o nazwie MorphoBrowser. Oczywiście, dzięki wielu analogiom, jakie istnieją w świecie przyrody, badania prowadzone nad jakimś konkretnym zagadnieniem, czy nad jednym tylko organizmem, mogą prowadzić do znacznie bardziej ogólnych wniosków - na tym opiera się metodologiczna zasada używania prostych systemów modelowych. Dlatego mimo iż ich tematyka jest tak szczegółowa, warto zwrócić na prace Jernvalla uwagę, zwłaszcza, że zajmują one miejsce gdzieś pomiędzy różnymi dziedzinami biologii: biologii makro- (na poziomie organizmu, gatunku, rodzaju) i mikroskopowej (genów, białek, molekularnych szlaków sygnałowych), a także biologii eksperymentalnej (eksperymenty in vitro, obserwacje in vivo, paleontologiczne wykopaliska i obserwacje eksponatów muzealnych) i teoretycznej (modelowanie matematyczne/komputerowe), a wiadomo, że to, co na styku wielu dziedzin (jeśli umiejętnie je łączy, szanując różnice w metodologicznych podstawach tych dziedzin - czyli, używając frazy J. Maritaina, "rozróżnia, aby łączyć"), jest często najciekawsze. Do tego trudniej o ciekawsze tematy, niż te, które porusza: rozwój, funkcjonowanie i ewolucja organizmów (oczywiście ze szczególnym uwzględnieniem systemów zębowych). Parę lat temu w grupie Jernvalla pracowała Kathryn D. Kavanagh, która obecnie zakłada podobne laboratorium na Uniwersytecie w Massachusetts/Dartmouth. Zamierza ona, używając podobnych metod do swojego byłego szefa, badać - przynajmniej na początku - paliczki w łapach ptaków - również próbując wysunąć dalej idące wnioski dotyczące powiązań między rozwojem organizmów, a ewolucją (połączenie biologii rozwojowej - ang. development - i ewolucyjnej - ang. evolution, o którym obecnie bardzo głośno, nazywa się w publikacjach angielskojęzycznych evo-devo - może przydałby się jakiś polski odpowiednik, oczywiście zgodny z zasadami polskiego słowotwórstwa?).
Jernvall i Kavanagh mają na koncie wspólny artykuł w "Nature" o tytule "Jak przewidzieć przebieg ewolucji zębów u ssaków znając zasady rozwoju tych organów" (Predicting evolutionary patterns of mammalian teeth from development; niestety artykuły w tym periodyku są dostępne tylko dla prenumeratorów, w bibliotekach uniwersyteckich lub po zalogowaniu się na serwer uniwersytecki), który jest niezwykle ciekawy. Pozwolę go sobie pokrótce streścić. Odwołanie do "ssaków" w tytule artykułu jest trochę na wyrost - w rzeczywistości badacze skupili się na gryzoniach, a szczególnie na myszach (Mus musculus); także odwołanie do "zębów" nie jest do końca celne - zajęto się tylko zębami trzonowymi. Pierwsza część badań polegała na obserwacji rozwoju zębów trzonowych u myszy in vivo, czyli u tejże żywej myszy, zaglądając jej co jakiś czas do jamy ustnej, oraz po przeniesieniu zarodków zębów, gdy tylko się pojawiły, do hodowli in vitro, czyli - tak to sobie wyobrażam - do jakiegoś plastikowego naczynia, w którym podtrzymywano komórki zarodków zębów, a później już zębów, przy życiu przez podawanie odpowiednich stymulatorów (czyli takich jakby lokalnych hormonów, które są w normalnych warunkach wydzielane u zwierząt w obrębie tkanek, by zapobiec obumieraniu wchodzących w ich skład komórek) i pożywek.
Z rozwojem zębów trzonowych jest tak, że najpierw powstaje pierwszy zarodek, M1 ("M" pochodzi od ang. słowa na ząb trzonowy, mural) i z niego rozwija się pierwszy ząb. Jednocześnie dość wcześnie w rozwoju zęba M1 duplikuje się on przez "pączkowanie", tworząc najpierw zarodek, a potem ząb, M2. Analogicznie powstaje trzeci ząb (M3) z drugiego. Zęby M1, M2 i M3 rozwijają się po kolei. Tak się dzieje zarówno u żywej myszy, jak i w hodowli zębów in vitro. Różnica jest jednak taka, że podczas gdy zęby M1 rozwijają się z podobną szybkością i tu i tu, to powstanie i rozwój zębów M2 jest spowolnione in vitro, a zęby M3 się czasem w ogóle nie rozwijają in vitro. Wniosek: w normalnym środowisku jest jeszcze coś, co pobudza wzrost zębów M2 i M3, a czego brakuje w plastikowym naczyniu. Najprostsza hipoteza: poziom stymulatorów (wspomnianych przeze mnie "lokalnych hormonów") jest wyższy. Rzeczywiście, jeśli w hodowli umieści się specjalne plastikowe kuleczki, które powoli uwalniają "lokalne hormony", w normalnych warunkach produkowane przez tkanki okołozębowe, to rozwój zębów w hodowli dokonuje się w podobnym tempie jak in vivo.
Ciekawe jest jednak to, że gdy brakowało tych stymulatorów, rozwój zębów M2 i M3 był co prawda opóźniony, ale ząb M1 rozwijał się normalnie. Można było więc przypuszczać - także dlatego, że to dość typowa sytuacja w biologii rozwojowej - że ząb M1 wydziela inhibitory - substancje spowalniające rozwój - które oddziałują na zęby M2 i M3, a których efekt jest neutralizowany przez stymulatory, gdy jest ich dostateczna ilość, a kiedy stymulatorów brakuje, zaczyna być bardziej widoczny. Żeby tę drugą hipotezę sprawdzić, naukowcy oddzielili (za pomocą skalpela) zarodek zęba M2, gdy się tylko pojawił, i śledzili jego rozwój w większej odległości od M1: rzeczywiście, w takiej sytuacji ząb rozwijał się normalnie. Dodatkowo, sprawdzili, czy ząb M1 wydziela substancje - białka - znane jako inhibitory rozwoju kości; rzeczywiście: wydziela takie substancje.
W dużym uproszczeniu rozwój zębów wygląda więc tak: najpierw rozwija się M1, potem M2, a na końcu M3; rozwój zębów M3 i M3 jest hamowany przez inhibitory wydzielane przez M1 i pobudzany przez stymulatory wydzielane przez okoliczne tkanki. Te czynniki mają wpływ nie tylko na szybkość rozwoju zębów, ale także na ich ostateczną wielkość (bo w pewnym momencie zęby zaczynają mineralizować i wtedy już za późno: ile urosły do tego momentu, takie będą), a nawet na to, czy - w przypadku M3 - ząb w ogóle się rozwinie. Jeśli inhibitory i stymulatory są w pewnej równowadze, zęby są równej wielkości: M1 = M2 = M3. Jeśli przeważają inhibitory, pojawia się różnica wielkości: M1 > M2 > M3, co więcej, można matematycznie określić - na podstawie eksperymentów - że wielkość zęba (zakładając 1 dla M1) wyraża się, w przybliżeniu, wzorem 1 + [(a - i)/i](x - 1), gdzie x to numer zęba, a - ilością aktywatorów, i - inhibitorów.
I co z tego - można zapytać? To, że - zakładając, że podobny system, z inhibitorami i aktywatorami, niewiele się zmienia w przeciągu ewolucji (owszem, mogą się zmieniać wartości a i i - bo różne ilości i rodzaje aktywatorów i inhibitorów są produkowane u różnych organizmów, ale sam system - można się spodziewać - będzie stosunkowo stały, albo przynajmniej oporny na proste modyfikacje), zęby trzonowe nie mogą sobie być, jakie chcą, tylko muszą być zachowane pewne proporcje, pewne zależności. Pierwszy ząb albo taki sam jak dwa pozostałe, albo największy, a kolejne, skoro nie takie same, to mniejsze i to zgodnie z wyżej wspomnianym równaniem.
Czy tak jest rzeczywiście? W drugiej części artykułu Jernvall i jego uczniowie korzystają ze skonstruowanej przez siebie bazy danych MorphoBrowser, by śledzić kształt zębów u różnych gryzoni. I rzeczywiście, wydaje się, że ewolucyjny schemat, który rysuje się, gdy spojrzeć się na całe spektrum różnych gatunków, zdaje się być zgodny z zasadami, o których pisałem wyżej. Zęby trzonowe nie mają zupełnie dowolnych wielkości i kształtów.
Jest jednak miejsce dla różnic w funkcjonalności: okazuje się, że gdy się spojrzy na spektrum dozwolonych zębów (M1=M2=M3, M1>M2>M3, M1 dużo większe od M2 i dużo większe od M3 itd., aż po duży M1, mały M2 i brak M3) to jeden biegun tego spektrum sprzyja pewnym rodzajom diety, przeciwny - innym. Fenotypy pośrednie mają i pośrednie diety. Jest więc powiązanie między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie czy rozdzieranie konkretnych rodzajów pożywienia)- klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej (czy tak do końca słusznym - inna sprawa), a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
Internet najlepiej pokazuje, jak bardzo różnymi rzeczami się ludzie interesują. Podobnie naukowcy mają najrozmaitsze zainteresowania badawcze, czasem dość osobliwe. Na przykład Jukka Jernvall, bardzo zdolny i dość już znany fiński biolog, zajmuje się rozwojem zębów i ewolucją układów zębowych. Kto chciałby zobaczyć czym gryzą różne zwierzęta, może znaleźć w internecie stworzoną przez niego parę lat temu bazę trójwymiarowych skanów zębów wielu gatunków o nazwie MorphoBrowser. Oczywiście, dzięki wielu analogiom, jakie istnieją w świecie przyrody, badania prowadzone nad jakimś konkretnym zagadnieniem, czy nad jednym tylko organizmem, mogą prowadzić do znacznie bardziej ogólnych wniosków - na tym opiera się metodologiczna zasada używania prostych systemów modelowych. Dlatego mimo iż ich tematyka jest tak szczegółowa, warto zwrócić na prace Jernvalla uwagę, zwłaszcza, że zajmują one miejsce gdzieś pomiędzy różnymi dziedzinami biologii: biologii makro- (na poziomie organizmu, gatunku, rodzaju) i mikroskopowej (genów, białek, molekularnych szlaków sygnałowych), a także biologii eksperymentalnej (eksperymenty in vitro, obserwacje in vivo, paleontologiczne wykopaliska i obserwacje eksponatów muzealnych) i teoretycznej (modelowanie matematyczne/komputerowe), a wiadomo, że to, co na styku wielu dziedzin (jeśli umiejętnie je łączy, szanując różnice w metodologicznych podstawach tych dziedzin - czyli, używając frazy J. Maritaina, "rozróżnia, aby łączyć"), jest często najciekawsze. Do tego trudniej o ciekawsze tematy, niż te, które porusza: rozwój, funkcjonowanie i ewolucja organizmów (oczywiście ze szczególnym uwzględnieniem systemów zębowych). Parę lat temu w grupie Jernvalla pracowała Kathryn D. Kavanagh, która obecnie zakłada podobne laboratorium na Uniwersytecie w Massachusetts/Dartmouth. Zamierza ona, używając podobnych metod do swojego byłego szefa, badać - przynajmniej na początku - paliczki w łapach ptaków - również próbując wysunąć dalej idące wnioski dotyczące powiązań między rozwojem organizmów, a ewolucją (połączenie biologii rozwojowej - ang. development - i ewolucyjnej - ang. evolution, o którym obecnie bardzo głośno, nazywa się w publikacjach angielskojęzycznych evo-devo - może przydałby się jakiś polski odpowiednik, oczywiście zgodny z zasadami polskiego słowotwórstwa?).
Jernvall i Kavanagh mają na koncie wspólny artykuł w "Nature" o tytule "Jak przewidzieć przebieg ewolucji zębów u ssaków znając zasady rozwoju tych organów" (Predicting evolutionary patterns of mammalian teeth from development; niestety artykuły w tym periodyku są dostępne tylko dla prenumeratorów, w bibliotekach uniwersyteckich lub po zalogowaniu się na serwer uniwersytecki), który jest niezwykle ciekawy. Pozwolę go sobie pokrótce streścić. Odwołanie do "ssaków" w tytule artykułu jest trochę na wyrost - w rzeczywistości badacze skupili się na gryzoniach, a szczególnie na myszach (Mus musculus); także odwołanie do "zębów" nie jest do końca celne - zajęto się tylko zębami trzonowymi. Pierwsza część badań polegała na obserwacji rozwoju zębów trzonowych u myszy in vivo, czyli u tejże żywej myszy, zaglądając jej co jakiś czas do jamy ustnej, oraz po przeniesieniu zarodków zębów, gdy tylko się pojawiły, do hodowli in vitro, czyli - tak to sobie wyobrażam - do jakiegoś plastikowego naczynia, w którym podtrzymywano komórki zarodków zębów, a później już zębów, przy życiu przez podawanie odpowiednich stymulatorów (czyli takich jakby lokalnych hormonów, które są w normalnych warunkach wydzielane u zwierząt w obrębie tkanek, by zapobiec obumieraniu wchodzących w ich skład komórek) i pożywek.
Z rozwojem zębów trzonowych jest tak, że najpierw powstaje pierwszy zarodek, M1 ("M" pochodzi od ang. słowa na ząb trzonowy, mural) i z niego rozwija się pierwszy ząb. Jednocześnie dość wcześnie w rozwoju zęba M1 duplikuje się on przez "pączkowanie", tworząc najpierw zarodek, a potem ząb, M2. Analogicznie powstaje trzeci ząb (M3) z drugiego. Zęby M1, M2 i M3 rozwijają się po kolei. Tak się dzieje zarówno u żywej myszy, jak i w hodowli zębów in vitro. Różnica jest jednak taka, że podczas gdy zęby M1 rozwijają się z podobną szybkością i tu i tu, to powstanie i rozwój zębów M2 jest spowolnione in vitro, a zęby M3 się czasem w ogóle nie rozwijają in vitro. Wniosek: w normalnym środowisku jest jeszcze coś, co pobudza wzrost zębów M2 i M3, a czego brakuje w plastikowym naczyniu. Najprostsza hipoteza: poziom stymulatorów (wspomnianych przeze mnie "lokalnych hormonów") jest wyższy. Rzeczywiście, jeśli w hodowli umieści się specjalne plastikowe kuleczki, które powoli uwalniają "lokalne hormony", w normalnych warunkach produkowane przez tkanki okołozębowe, to rozwój zębów w hodowli dokonuje się w podobnym tempie jak in vivo.
Ciekawe jest jednak to, że gdy brakowało tych stymulatorów, rozwój zębów M2 i M3 był co prawda opóźniony, ale ząb M1 rozwijał się normalnie. Można było więc przypuszczać - także dlatego, że to dość typowa sytuacja w biologii rozwojowej - że ząb M1 wydziela inhibitory - substancje spowalniające rozwój - które oddziałują na zęby M2 i M3, a których efekt jest neutralizowany przez stymulatory, gdy jest ich dostateczna ilość, a kiedy stymulatorów brakuje, zaczyna być bardziej widoczny. Żeby tę drugą hipotezę sprawdzić, naukowcy oddzielili (za pomocą skalpela) zarodek zęba M2, gdy się tylko pojawił, i śledzili jego rozwój w większej odległości od M1: rzeczywiście, w takiej sytuacji ząb rozwijał się normalnie. Dodatkowo, sprawdzili, czy ząb M1 wydziela substancje - białka - znane jako inhibitory rozwoju kości; rzeczywiście: wydziela takie substancje.
W dużym uproszczeniu rozwój zębów wygląda więc tak: najpierw rozwija się M1, potem M2, a na końcu M3; rozwój zębów M3 i M3 jest hamowany przez inhibitory wydzielane przez M1 i pobudzany przez stymulatory wydzielane przez okoliczne tkanki. Te czynniki mają wpływ nie tylko na szybkość rozwoju zębów, ale także na ich ostateczną wielkość (bo w pewnym momencie zęby zaczynają mineralizować i wtedy już za późno: ile urosły do tego momentu, takie będą), a nawet na to, czy - w przypadku M3 - ząb w ogóle się rozwinie. Jeśli inhibitory i stymulatory są w pewnej równowadze, zęby są równej wielkości: M1 = M2 = M3. Jeśli przeważają inhibitory, pojawia się różnica wielkości: M1 > M2 > M3, co więcej, można matematycznie określić - na podstawie eksperymentów - że wielkość zęba (zakładając 1 dla M1) wyraża się, w przybliżeniu, wzorem 1 + [(a - i)/i](x - 1), gdzie x to numer zęba, a - ilością aktywatorów, i - inhibitorów.
I co z tego - można zapytać? To, że - zakładając, że podobny system, z inhibitorami i aktywatorami, niewiele się zmienia w przeciągu ewolucji (owszem, mogą się zmieniać wartości a i i - bo różne ilości i rodzaje aktywatorów i inhibitorów są produkowane u różnych organizmów, ale sam system - można się spodziewać - będzie stosunkowo stały, albo przynajmniej oporny na proste modyfikacje), zęby trzonowe nie mogą sobie być, jakie chcą, tylko muszą być zachowane pewne proporcje, pewne zależności. Pierwszy ząb albo taki sam jak dwa pozostałe, albo największy, a kolejne, skoro nie takie same, to mniejsze i to zgodnie z wyżej wspomnianym równaniem.
Czy tak jest rzeczywiście? W drugiej części artykułu Jernvall i jego uczniowie korzystają ze skonstruowanej przez siebie bazy danych MorphoBrowser, by śledzić kształt zębów u różnych gryzoni. I rzeczywiście, wydaje się, że ewolucyjny schemat, który rysuje się, gdy spojrzeć się na całe spektrum różnych gatunków, zdaje się być zgodny z zasadami, o których pisałem wyżej. Zęby trzonowe nie mają zupełnie dowolnych wielkości i kształtów.
Jest jednak miejsce dla różnic w funkcjonalności: okazuje się, że gdy się spojrzy na spektrum dozwolonych zębów (M1=M2=M3, M1>M2>M3, M1 dużo większe od M2 i dużo większe od M3 itd., aż po duży M1, mały M2 i brak M3) to jeden biegun tego spektrum sprzyja pewnym rodzajom diety, przeciwny - innym. Fenotypy pośrednie mają i pośrednie diety. Jest więc powiązanie między adaptacją do różnych funkcji (a funkcją zębów jest w końcu rozcieranie czy rozdzieranie konkretnych rodzajów pożywienia)- klasycznym pojęciem biologii ewolucyjnej (czy tak do końca słusznym - inna sprawa), a dozwolonym spektrum fenotypów, dyktowanym przez "elastyczność" procesu rozwojowego, w jakim powstają pojedyncze organizmy. Czyli "evo-devo".
wtorek, 28 września 2010
Sekwencja a struktura białek - część 2.
Udało się otrzymać białka, które, jeśli chodzi o sekwencję, różnią się tylko jednym aminokwasem, ale "na zewnątrz" są całkiem inne. Jedna mutacja jest w stanie sprawić, że te dwa białka przekształcają się w siebie nawzajem, zmieniając całkiem swoją strukturę i funkcję.
Wróćmy do problemu omawianego w poprzednim wpisie. Jak wyglądają białka pośrednie między dwoma białkami o podobnej sekwencji, a bardzo różnej budowie przestrzennej? Rozwiązanie pierwsze: tworzą szereg stanów o pośredniej budowie przestrzennej. Nie jest ono możliwe, bo z punktu widzenia termodynamiki tylko niektóre formy przestrzenne białek są dozwolone, nie może więc istnieć płynne przejście między dwiema bardzo odmiennymi strukturami, np. pękiem helis a beta harmonijką z jedną helisą. Rozwiązanie drugie: pomiędzy jedną formą przestrzenną a drugą istnieją białka pośrednie (może jest ich kilka, może wiele, a może tylko jedno) posiadające dwie struktury naraz. Jak pokazuje przykład limfotaktyny, taki mechanizm jest możliwy do wyobrażenia. Ale przecież można, przynajmniej teoretycznie, wyobrazić sobie sytuację trzecią: część białek pośrednich posiada strukturę 1, druga część - strukturę 2, i nie ma między tymi stanami żadnego momentu "przejściowego". Innymi słowy: w białku numer 1 powoli gromadzą się mutacje, nie powodując zmiany struktury, po czym nagle jedna mutacja powoduje drastyczną zmianę struktury z 1 na 2. Potem kolejne mutacje znów nie zmieniają struktury, a jedynie sekwencję, dając ostatecznie wymagany produkt. Taki mechanizm nie jest instynktowny, bo przyzwyczajeni jesteśmy myśleć, że w biologii - a przynajmniej, gdy dotyka się tematów związanych z teorią ewolucji - wszystko jest płynne, wszelkie granice rozmyte, każda zmiana stopniowa. Rzeczywiście, taka - przynajmniej pozorna - "płynność", "rozmytość" (ang. "vagueness") to widoczna cecha organizmów żywych, która wychodzi przy różnych sytuacjach - niejeden artykuł z filozofii przyrody został na ten temat napisany. Jest jednak jeszcze drugi powód - struktura jest zazwyczaj na tyle blisko powiązana z sekwencją (jak pisałem w poprzednim wpisie: poza bardzo nielicznymi wyjątkami, nawet 40-stoprocentowe podobieństwo między sekwencjami sugeruje bardzo formę przestrzenną), że bardzo dramatyczna zmiana w strukturze przy tylko jednej mutacji wydaje się niemożliwa. Ale czy rzeczywiście? Przecież dopuściliśmy już możliwość, że bez żadnej zmiany sekwencji białko może zmienić strukturę (jak w przypadku białek metamorficznych) - dlaczego nie miałoby zmienić jej pod wpływem mutacji?
Tym problemem od wielu lat zajmuje się grupa badawcza kierowana przez Philipa N. Bryana z Uniwersytetu w Maryland. W białku G, pochodzącym z bakterii paciorkowców, istnieją dwie domeny, tzn. takie dość niezależne części, GA i GB, które nie są powiązane ze sobą historycznie (przynajmniej nie w jakiś dostrzegalny sposób: innymi słowy, nie ma między nimi żadnych podobieństw w sekwencji, których nie dałoby się wytłumaczyć czystym przypadkiem), posiadają dwie różne funkcje (GA wiąże się z ludzką albuminą surowicową, a białko GB z domenami stałymi przeciwciał z rodzaju IgG - obydwie funkcje umożliwiają bakterii "oszukanie" ludzkiego układu odpornościowego) i dwie bardzo różne struktury: jedno jest pękiem trzech helis (w skrócie: 3-α), drugie składa się z beta-harmonijki złożonej z 4 wstęg oraz jednej helisy (w skrócie: 4β+α). Właściwie te dwa polipeptydy łączy tylko, że: po pierwsze (jak w przypadku prawie wszystkich domen białkowych) da się je uzyskać niezależnie od całego białka G w rozpuszczalnej formie w dużych ilościach (dlatego też będę mówił o nich po prostu jako o białkach, a nie częściach białka); i po drugie - że są podobnej, niewielkiej, wielkości (GA ma 47 aminokwasów, GB - 56). Ta niewielka wielkość sprawia, że można GA i GB analizować w roztworze, a nie tylko w krysztale, przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).
Bryan i jego współpracownicy zaczęli swój projekt od wydłużenia białka GA, tak by również posiadało łącznie 56 aminokwasów. Dodatkowe aminokwasy dodano na końcach w taki sposób, by nie zaburzały struktury, ale po prostu stanowiły krótkie rozplątane odcinki. Potem zwrócili uwagę na te aminokwasy, które w każdym z białek odpowiadają za ich funkcję (tzn. na aminokwasy umożliwiające białku GA wiązanie się z albuminą i białku GB - z IgG). Udało im się wprowadzić takie mutacje, żeby zarówno białko GA, jak i GB, posiadało aminokwasy odpowiedzialne za obydwie funkcje, a jednocześnie by obydwa białka nie rozplątały się i zachowały swoje struktury. Białka te miały w 33% wspólną sekwencję i dlatego nazwano je: GA33 i GB33. Nadal mogły one spełniać tylko jedną, swoją, funkcję, bo kluczowe aminokwasy muszą być nie tylko obecne w sekwencji, lecz także ułożone w odpowiednim miejscu w przestrzeni, a na to wpływ ma struktura całego polipeptydu. Potem naukowcy z Maryland wyprodukowali zbiór mutantów białek GA i GB, mutując kolejne aminokwasy, by przekonać się, które z nich są konieczne dla struktury, który można zamienić na cokolwiek, które można zamienić tylko na konkretne aminokwasy, albo które można zamienić tylko pod warunkiem, że wprowadzi się jeszcze zmiany kompensujące w innych miejscach sekwencji. Był to żmudny proces, trwający wiele lat. W każdym razie udało się na koniec uzyskać białka GA88 i GB88, które nadal maja takie struktury, jak GA i GB i do tego mają podobne stabilności do wyjściowych (tzn. nie rozplątują się dużo łatwiej), a różnią się między sobą tylko w siedmiu pozycjach. O tym etapie badań Bryan poinformował w artykule z 2007 r. (również w PNAS!, w numerze 29). Tak więc uzyskano dwa białka podobne w 88%, a przy tym o odmiennej budowie i funkcji.
Dwa lata później (w numerze 50 PNAS) ta sama grupa badawcza opublikowała rezultaty zupełnie niesamowite! Badając wiele różnych mutantów, udało się stworzyć najpierw GA91 i GB91, następnie GA95 i GB95 i wreszcie GA98 i GB98, różniące się tylko w jednej pozycji (nr 45: GA posiada w tym miejscu lizynę, podczas gdy GB - tyrozynę). Co prawda białka te straciły trochę ze swej początkowej stabilności, niemniej jednak w normalnej temperaturze utrzymały one niemalże taką samą budowę (przynajmniej w 99%), co odpowiednio GA i GB. Tym samym otrzymano białka, które po wprowadzeniu tylko jednej mutacji całkowicie zmieniają swoją budowę, a także funkcję! Nie wspomniałem jeszcze o tym, że oprócz wspomnianych białek identycznych w 30%, 88%, 91%, 95% i 98%, otrzymano także wszystkie inne stany pośrednie, różniące się między sobą tylko jednym aminokwasem, i wszystkie one posiadały strukturę taką jak GA lub GB, były rozpuszczalne w wodzie i funkcjonalne: stworzono więc cały szereg łączący zupełnie nie powiązane ze sobą białka GA i GB.
Oczywiście ten przykład nie dowodzi, że podobny szereg miałby szansę zaistnieć w historii naturalnej, gdy zabrakłoby naukowców pilnujących, by mutacje zmierzały w odpowiednim kierunku - ale nie jest to przynajmniej (oczywiście tylko w niektórych przypadkach) sprzeczne z prawami termodynamiki.
Artykuły, o których tutaj wspomniałem, dostępne są za darmo na stronie PNAS:
Wróćmy do problemu omawianego w poprzednim wpisie. Jak wyglądają białka pośrednie między dwoma białkami o podobnej sekwencji, a bardzo różnej budowie przestrzennej? Rozwiązanie pierwsze: tworzą szereg stanów o pośredniej budowie przestrzennej. Nie jest ono możliwe, bo z punktu widzenia termodynamiki tylko niektóre formy przestrzenne białek są dozwolone, nie może więc istnieć płynne przejście między dwiema bardzo odmiennymi strukturami, np. pękiem helis a beta harmonijką z jedną helisą. Rozwiązanie drugie: pomiędzy jedną formą przestrzenną a drugą istnieją białka pośrednie (może jest ich kilka, może wiele, a może tylko jedno) posiadające dwie struktury naraz. Jak pokazuje przykład limfotaktyny, taki mechanizm jest możliwy do wyobrażenia. Ale przecież można, przynajmniej teoretycznie, wyobrazić sobie sytuację trzecią: część białek pośrednich posiada strukturę 1, druga część - strukturę 2, i nie ma między tymi stanami żadnego momentu "przejściowego". Innymi słowy: w białku numer 1 powoli gromadzą się mutacje, nie powodując zmiany struktury, po czym nagle jedna mutacja powoduje drastyczną zmianę struktury z 1 na 2. Potem kolejne mutacje znów nie zmieniają struktury, a jedynie sekwencję, dając ostatecznie wymagany produkt. Taki mechanizm nie jest instynktowny, bo przyzwyczajeni jesteśmy myśleć, że w biologii - a przynajmniej, gdy dotyka się tematów związanych z teorią ewolucji - wszystko jest płynne, wszelkie granice rozmyte, każda zmiana stopniowa. Rzeczywiście, taka - przynajmniej pozorna - "płynność", "rozmytość" (ang. "vagueness") to widoczna cecha organizmów żywych, która wychodzi przy różnych sytuacjach - niejeden artykuł z filozofii przyrody został na ten temat napisany. Jest jednak jeszcze drugi powód - struktura jest zazwyczaj na tyle blisko powiązana z sekwencją (jak pisałem w poprzednim wpisie: poza bardzo nielicznymi wyjątkami, nawet 40-stoprocentowe podobieństwo między sekwencjami sugeruje bardzo formę przestrzenną), że bardzo dramatyczna zmiana w strukturze przy tylko jednej mutacji wydaje się niemożliwa. Ale czy rzeczywiście? Przecież dopuściliśmy już możliwość, że bez żadnej zmiany sekwencji białko może zmienić strukturę (jak w przypadku białek metamorficznych) - dlaczego nie miałoby zmienić jej pod wpływem mutacji?
Tym problemem od wielu lat zajmuje się grupa badawcza kierowana przez Philipa N. Bryana z Uniwersytetu w Maryland. W białku G, pochodzącym z bakterii paciorkowców, istnieją dwie domeny, tzn. takie dość niezależne części, GA i GB, które nie są powiązane ze sobą historycznie (przynajmniej nie w jakiś dostrzegalny sposób: innymi słowy, nie ma między nimi żadnych podobieństw w sekwencji, których nie dałoby się wytłumaczyć czystym przypadkiem), posiadają dwie różne funkcje (GA wiąże się z ludzką albuminą surowicową, a białko GB z domenami stałymi przeciwciał z rodzaju IgG - obydwie funkcje umożliwiają bakterii "oszukanie" ludzkiego układu odpornościowego) i dwie bardzo różne struktury: jedno jest pękiem trzech helis (w skrócie: 3-α), drugie składa się z beta-harmonijki złożonej z 4 wstęg oraz jednej helisy (w skrócie: 4β+α). Właściwie te dwa polipeptydy łączy tylko, że: po pierwsze (jak w przypadku prawie wszystkich domen białkowych) da się je uzyskać niezależnie od całego białka G w rozpuszczalnej formie w dużych ilościach (dlatego też będę mówił o nich po prostu jako o białkach, a nie częściach białka); i po drugie - że są podobnej, niewielkiej, wielkości (GA ma 47 aminokwasów, GB - 56). Ta niewielka wielkość sprawia, że można GA i GB analizować w roztworze, a nie tylko w krysztale, przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).
Bryan i jego współpracownicy zaczęli swój projekt od wydłużenia białka GA, tak by również posiadało łącznie 56 aminokwasów. Dodatkowe aminokwasy dodano na końcach w taki sposób, by nie zaburzały struktury, ale po prostu stanowiły krótkie rozplątane odcinki. Potem zwrócili uwagę na te aminokwasy, które w każdym z białek odpowiadają za ich funkcję (tzn. na aminokwasy umożliwiające białku GA wiązanie się z albuminą i białku GB - z IgG). Udało im się wprowadzić takie mutacje, żeby zarówno białko GA, jak i GB, posiadało aminokwasy odpowiedzialne za obydwie funkcje, a jednocześnie by obydwa białka nie rozplątały się i zachowały swoje struktury. Białka te miały w 33% wspólną sekwencję i dlatego nazwano je: GA33 i GB33. Nadal mogły one spełniać tylko jedną, swoją, funkcję, bo kluczowe aminokwasy muszą być nie tylko obecne w sekwencji, lecz także ułożone w odpowiednim miejscu w przestrzeni, a na to wpływ ma struktura całego polipeptydu. Potem naukowcy z Maryland wyprodukowali zbiór mutantów białek GA i GB, mutując kolejne aminokwasy, by przekonać się, które z nich są konieczne dla struktury, który można zamienić na cokolwiek, które można zamienić tylko na konkretne aminokwasy, albo które można zamienić tylko pod warunkiem, że wprowadzi się jeszcze zmiany kompensujące w innych miejscach sekwencji. Był to żmudny proces, trwający wiele lat. W każdym razie udało się na koniec uzyskać białka GA88 i GB88, które nadal maja takie struktury, jak GA i GB i do tego mają podobne stabilności do wyjściowych (tzn. nie rozplątują się dużo łatwiej), a różnią się między sobą tylko w siedmiu pozycjach. O tym etapie badań Bryan poinformował w artykule z 2007 r. (również w PNAS!, w numerze 29). Tak więc uzyskano dwa białka podobne w 88%, a przy tym o odmiennej budowie i funkcji.
Dwa lata później (w numerze 50 PNAS) ta sama grupa badawcza opublikowała rezultaty zupełnie niesamowite! Badając wiele różnych mutantów, udało się stworzyć najpierw GA91 i GB91, następnie GA95 i GB95 i wreszcie GA98 i GB98, różniące się tylko w jednej pozycji (nr 45: GA posiada w tym miejscu lizynę, podczas gdy GB - tyrozynę). Co prawda białka te straciły trochę ze swej początkowej stabilności, niemniej jednak w normalnej temperaturze utrzymały one niemalże taką samą budowę (przynajmniej w 99%), co odpowiednio GA i GB. Tym samym otrzymano białka, które po wprowadzeniu tylko jednej mutacji całkowicie zmieniają swoją budowę, a także funkcję! Nie wspomniałem jeszcze o tym, że oprócz wspomnianych białek identycznych w 30%, 88%, 91%, 95% i 98%, otrzymano także wszystkie inne stany pośrednie, różniące się między sobą tylko jednym aminokwasem, i wszystkie one posiadały strukturę taką jak GA lub GB, były rozpuszczalne w wodzie i funkcjonalne: stworzono więc cały szereg łączący zupełnie nie powiązane ze sobą białka GA i GB.
Oczywiście ten przykład nie dowodzi, że podobny szereg miałby szansę zaistnieć w historii naturalnej, gdy zabrakłoby naukowców pilnujących, by mutacje zmierzały w odpowiednim kierunku - ale nie jest to przynajmniej (oczywiście tylko w niektórych przypadkach) sprzeczne z prawami termodynamiki.
Artykuły, o których tutaj wspomniałem, dostępne są za darmo na stronie PNAS:
- pierwsza część eksperymentu: Alexander PA, et al. (2007) Proc Natl Acad Sci USA 104:11963-11968
- druga część eksperymentu: Alexander, PA, et al. (2009) Proc Natl Acad Sci USA 106:21149-21154
piątek, 24 września 2010
Sekwencja a struktura białek - część 1.
Gdy myślimy o ewolucyjnym powiązaniu między białkami o podobnych sekwencjach a różnych strukturach przestrzennych, natrafiamy na problem. Z jednej strony pomiędzy takimi białkami powinien istnieć szereg możliwych funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane (bo z punktu widzenia termodynamiki nie wszystkie struktury są dozwolone), a więc nie spełniające żadnej funkcji.
Struktura przestrzenna białek (podobnie jak małych cząsteczek chemicznych, np. metanu, wody itd.) musi pozostawać w zgodzie z termodynamicznymi prawami rządzącymi światem wchodzących w ich skład atomów. Tak więc dla danego białka (które ma określony skład i ułożenie atomów), różne możliwe do wyobrażenia struktury przestrzenne ("konformacje") będą w różnym stopniu prawdopodobne w zależności od tego, jak korzystnie pod względem energetycznym są w nich ułożone atomy. Można nawet przypuścić, że w wąskim zakresie warunków (temperatury, ciśnienia itp.), w jakim dane białko jest spotykane normalnie wewnątrz komórki, będzie ono posiadało jedną konkretną strukturę. Taką właśnie hipotezę wysunął w 1970 r. Christian Anfinsen (1916-1995), noblista z 1972 r., stąd też zwana jest ona "hipotezą Anfinsena". Hipoteza ta przeniknęła do potocznej wiedzy biologicznej: już chyba w gimnazjum po raz mówi się o tym, że każde białko ma określoną formę przestrzenną, która
pośredniczy pomiędzy sekwencją (określoną kompozycją atomową) białka, a jego funkcją (bo to, co białko robi, zależy od jego budowy). Oczywiście wiadomo również, że białka są dość dynamiczne, że mogą się otwierać bądź zamykać, trochę rozciągać lub kurczyć, że ich różne części mogą się ruszać, niemniej jednak podstawowe zręby ich budowy rzeczywiście wydają się być - tak długo, jak białko jest funkcjonalne, nie zdenaturowane - stałe. Potwierdzają to wyniki badań nad strukturą białek metodą krystalografii rentgenowskiej - wystarczy wejść na stronę bazy danych "Protein Data Bank" i zobaczyć którąś z dziesiątków tysięcy szczegółowych wizualizacji budowy przestrzennej białek na poziomie atomowym, by przekonać się, że rzeczywiście białka mają określone struktury, które w dodatku możemy poznać, albo przynajmniej bardzo dokładnie oszacować. Powiązanie pomiędzy sekwencją a strukturą wydaje się do tego stopnia ścisłe, że jeśli dwa białka mają w 40% taką samą sekwencję (tzn. taki procent aminokwasów jest taki sam na odpowiadających sobie pozycjach), to można założyć, że maja one z grubsza taką samą budowę przestrzenną (równocześnie można przypuszczać, że ich geny są powiązane ze sobą historycznie).Struktura przestrzenna białek (podobnie jak małych cząsteczek chemicznych, np. metanu, wody itd.) musi pozostawać w zgodzie z termodynamicznymi prawami rządzącymi światem wchodzących w ich skład atomów. Tak więc dla danego białka (które ma określony skład i ułożenie atomów), różne możliwe do wyobrażenia struktury przestrzenne ("konformacje") będą w różnym stopniu prawdopodobne w zależności od tego, jak korzystnie pod względem energetycznym są w nich ułożone atomy. Można nawet przypuścić, że w wąskim zakresie warunków (temperatury, ciśnienia itp.), w jakim dane białko jest spotykane normalnie wewnątrz komórki, będzie ono posiadało jedną konkretną strukturę. Taką właśnie hipotezę wysunął w 1970 r. Christian Anfinsen (1916-1995), noblista z 1972 r., stąd też zwana jest ona "hipotezą Anfinsena". Hipoteza ta przeniknęła do potocznej wiedzy biologicznej: już chyba w gimnazjum po raz mówi się o tym, że każde białko ma określoną formę przestrzenną, która
I tu pierwsza niespodzianka. W numerze 7. periodyku PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA) z 2008 r. zespół Mathew H. J. Cordesa z Uniwersytetu w Arizonie opisał dwa białka bakteryjne z rodziny Cro (białko Pfl6, pochodzące z organizmu Pseudomonas fluorescens, oraz białko Xfaso1 z organizmu Xylella fastidiosa), które mają właśnie 40% wspólnej sekwencji, a jednocześnie dość znacząco różne struktury. Skoro geny kodujące te białka powiązane są historycznie, to można przypuszczać, że istniał/istnieje cały szereg genów pośrednich między jednym białkiem a drugim. Jaką strukturę mają białka kodowane przez te geny pośrednie? Czy - podobnie jak w przypadku sekwencji - struktury kolejnych stanów różnią się między sobą nieznacznie, tworząc cały szereg struktur pośrednich? Nie, bo struktury nie mogą być aż do tego stopnia "pośrednie". Z punktu widzenia termodynamiki dozwolone są tylko niektóre konformacje. Jeśli białko Pfl6 posiada helisy tam, gdzie Xfaso1 - beta harmonijkę, to białka pośrednie musiałyby częściowo składać się na tym odcinku z helis, częściowo stanowić harmonijkę, a taka mieszanka nie byłaby stabilna i po prostu by się rozplątała (i najprawdopodobniej w ogóle nie rozpuszczała się w wypełniającej komórkę cytoplazmie, a w każdym razie straciła swoją funkcję). Istnienie takich rozplątanych stanów pośrednich jest trudne do wyobrażenia z punktu widzenia teorii ewolucji - żeby gen podlegał selekcji, musi odpowiadać za jakąś funkcję. Powstaje więc paradoks: z jednej strony pomiędzy dwoma białkami powinien istnieć szereg funkcjonalnych białek pośrednich, z drugiej - białek o pośrednich strukturach, a któreś z takich białek musiałoby być rozplątane, a więc nie spełniające żadnej funkcji (pomijam tutaj kwestię tzw. białek wewnętrznie zaburzonych, które są właściwie rozplątane i jednocześnie spełniają funkcję, bo to dość specyficzne przypadki o nietypowej sekwencji). Jak wyjść z tego paradoksu?
Pierwszy sposób: obalając tezę Afinsena. Jeśli mogą istnieć białka posiadające dwie dość różne struktury naraz (tzn. mogące w miarę płynnie przechodzić z jednej w drugą w warunkach fizjologicznych - tak jak cykloheksan może przechodzić z konformacji "krzesłowej" w "łódkową"), to wtedy takie właśnie białka mogłyby stanowić punkty pośrednie między Pfl6 i Xfaso1. Ścieżkę od jednego białka do drugiego można by wtedy wyobrazić sobie jako przejście od białka posiadającego w 100% (albo przynajmniej 99%) strukturę numer 1 do stanu pośredniego, przyjmującego w 50% strukturę 1 i w 50% strukturę 2, i następnie do białka reprezentującego w 99-100% strukturę 2. To przejściem mogłoby być płynne, albo - co bardziej prawdopodobne - bardziej skokowe. Niemniej jednak w takiej sytuacji musiałoby istnieć przynajmniej jedno białko, albo powiedzmy kilka, przyjmujące dwie struktury naraz. Ale czy takie białka rzeczywiście istnieją? Przynajmniej teoretycznie (tzn. z punktu widzenia podstawowych praw fizyki) nic nie stoi na przeszkodzie, żeby istniały: może być kilka stanów porównywalnie korzystnych energetycznie, zwłaszcza przy tak ogromnej liczbie kombinacji (przecież w białku jest takie mnóstwo wiązań!). Ktoś mógłby zaoponować, że aminokwasy przecież z reguły preferują konkretny typ stuktury drugorzędowej (bo w zależności od posiadanego łańcucha bocznego, lubią różne kąty wiązań), więc wydawałoby się, że dana sekwencja aminokwasów może być stabilna tylko w jednej strukturze drugorzędowej - a to dramatycznie ogranicza strukturę trzeciorzędową, tzn. kształt całego białka. Niemniej jednak znane są przypadki fragmentów białek o długości 5, 6, 7 aminokwasów, które w jednym białku mają powiedzmy strukturę helisy, a w innym - wstęgi, więc to również nie musi być problem. Można więc powiedzieć: teoretycznie takie stany pośrednie są możliwe.
Ale przejdźmy do faktów. Choć znamy struktury kilku innych białek Cro należących do tego samego co Xfaso1 i Pfl6 "drzewa genealogicznego", wszystkie one wyglądają albo podobnie do Xfaso1, albo do Pfl6, nie ma zaś białek o dwóch strukturach. To jednak oczywiście nie znaczy, że takich białek nie ma/nie było. Jak wspomniałem, wyniki badań krystalograficznych zdają się potwierdzać, że każde białko ma tylko jedną strukturę - trzeba pamiętać jednak, że ta metoda po pierwsze bada tylko te białka, które można wykrystalizować (a nie wszystkie można - wśród takich opornych białek mogłyby znajdować się te o więcej niż jednej dozwolonej konformacji przestrzennej, bo to prawdopodobnie nie sprzyjałoby tworzeniu regularnej sieci krystalicznej), a po drugie określa taką strukturę białka, jaką posiada jego krystaliczna forma, która może się różnić od rozpuszczalnej (mogłoby się zdarzyć tak, że białko ma w roztworze kilka dozwolonych kształtów, ale jeden z nich najlepiej krystalizuje).
Również w 2008 roku i również w PNAS (nr 13), Brian F. Volkman z Medical College w Wisconsin i jego współpracownicy opisali chemokinę (białko pobudzające receptory znajdujące się w błonach komórkowych) o nazwie limfotaktyna i skrócie Ltn, która spełnia w organizmie człowieka dwie funkcje: po pierwsze wiąże się z receptorem XCR1 i aktywuje go, po drugie wiąże się z glikozyaminoglikanem heparyną - mniejsza o to, jakie te dwie funkcje mają znaczenie, ważne że są. Okazało się, że Ltn jest białkiem metamorficznym - czyli właśnie posiada dwie zdecydowanie różne struktury, nazwane przez autora Ltn10 i Ltn40. W normalnych warunkach fizjologicznych roztwór białka Ltn zawiera równą ilość form Ltn10 i Ltn40 (tzn. są one w równowadze o stałej równej 1). Co ciekawe, po wprowadzeniu jednej mutacji (zamianie tryptofanu 55 na asparaginian), Ltn przyjmuje wyłącznie konformację Ltn40. Podobnie wprowadzenie jednego dodatkowego mostka siarczkowego tworzy białko posiadające wyłącznie strukturę Ltn10. Otrzymanie tych form pozwoliło ustalić, że każda z nich odpowiada za inną funkcję limfotaktyny w organizmie człowieka. Jest to niezwykle ciekawe samo w sobie, ale jednocześnie sugeruje możliwy mechanizm ewolucji: gdyby nagle tylko jedna z tych funkcji była potrzebna, białko mogłoby ulec mutacji, która uczyniłaby z białka metamorficznego białko o jednej konformacji - tak, jak to się dzieje po zamianie tryptofanu 55. Można więc wyobrazić sobie Ltn jako stan pośredni, albo innymi słowy - wspólnego przodka, dwóch białek o odmiennych strukturach i funkcjach, a podobnych sekwencjach. Być może analogiczne białko było wspólnym przodkiem Pfl6 i Xfaso1.
Wspomniane przeze mnie artykuły są dostępne za darmo na stronie PNAS:
poniedziałek, 6 września 2010
Zapomniany Edouard van Beneden - część 1.
W kwietniu tego roku minęła setna rocznica śmierci Edouarda van Benedena (1846-1910), jednej z najważniejszych postaci w dziejach europejskiej biologii.
Że ta okazja przeszła praktycznie bez echa, że w ogóle van Beneden jest raczej zapomniany, nie jest tak dziwne, jeśli wziąć pod uwagę, jak mało miejsca w nauczaniu biologii poświęca się wzmiankom o historii rozwoju tej dyscypliny - poza Mendlem, Darwinem, Watsonem i Crickiem na lekcjach czy nawet uniwersyteckich wykładach niestety praktycznie o nikim się nie wspomina. A tak właściwie na uwagę zasługują dwie postaci o nazwisku van Beneden, bo oprócz Edouarda, związanego przez większą część swojej kariery z Uniwersytetem w Leodium (Liège), także jego ojciec, Pierre-Joseph (1809-1894), pracujący na Katolickim Uniwersytecie w Lowanii (Leuven). W jednym z artykułów znalazłem zdjęcie pochodzące ze zbiorów prawnuczki Edouarda: przy ogrodowym stole siedzą na przeciw siebie ojciec i syn, pozostałe miejsca zajmuje pięć kobiet, jeszcze jedna stoi obok (to matka, żona i siostry Edouarda?). Zdjęcie zostało zrobione ok. 1880 roku, Pierre-Joseph jest więc dość stary, ma długa siwą brodę i kapelusz na głowie, jest zajęty rozmową; Edouard - też brodaty, ale jeszcze w sile wieku, pali cygaro i patrzy przed siebie.
Ich życie przypadało na niezwykle ciekawy okres w historii biologii. Po pierwsze, dzięki wkładowi takich badaczy jak Karol Linneusz czy Georges Cuvier, dobrze rozwinięte były badania porównawcze budowy i funkcjonowania organizmów, a także taksonomia, dziedzina zajmująca się systematyką gatunków. Dostępna była więc teoria mówiąca, jak badać i klasyfikować, trzeba było ją tylko zastosować do niezliczonego mnóstwa organizmów zamieszkujących Ziemię. Można powiedzieć, że właśnie w taki klasyczny program wpisywał się Pierre-Joseph, jednak nie był on po prostu szarym jego przedstawicielem. Morskie laboratorium badawcze, które założył w Ostendzie ze swoich własnych środków, było instytucją pionierską w skali świata. Pierre-Joseph zwracał uwagę na wszystkie aspekty badanych przez siebie organizmów (a badał właściwie wszystkie ich rodzaje, może oprócz ptaków), od rozwoju, po anatomię i fizjologię. Jemu zawdzięczamy termin "komensalizm" (inaczej współbiesiadnictwo, zależność między populacjami, w której jedna strona korzysta, a druga nie otrzymuje nic w zamian, ale też nie ponosi szkody), o tym zjawisku napisał on zresztą tłumaczoną na inne języki pracę. Badał także pasożytnictwo, odkrył cykl życiowy tasiemca.
Po drugie znana była już tzw. "teoria komórkowa", mówiąca o tym, że organizmy żywe, zarówno rośliny, jak i zwierzęta, złożone są z komórek i rozwijają się z komórki jajowej poprzez serię podziałów. Postacią odpowiedzialną w dużej mierze za te odkrycia był, obok Matthiasa Schleidena, Theodor Schwann, Niemiec, pracujący w latach 1839-1879 w Belgii, najpierw w Lowanii, a potem w Leodium. Schwann był przyjacielem rodziny van Benedenów, a Edouard uważał starszego od siebie o 36 lat sławnego profesora za jednego ze swoich mistrzów. Ponieważ szczegóły powstania pierwszej komórki organizmu i dalszych etapów jego rozwoju pozostawały nieznane, jednymi z najprężniej rozwijających się dziedzin biologii były embriologia i część cytologii zajmująca się badaniem podziału komórkowego - tymi obszarami zajmował sie Edouard.
Po trzecie, druga połowa wieku XIX wieku to czas recepcji darwinowskiej teorii ewolucji. Edouard, w odróżnieniu od ojca, stał się wielkim zwolennikiem tej teorii i jej właśnie podporządkował znaczną część swojego programu badawczego, tworząc tzw. embriologię ewolucyjną, która próbowała dochodzić pokrewieństwa między gatunkami na podstawie podobieństw we wczesnych fazach rozwoju. Znany jest jego pełen komplementów list do Darwina z 1870 roku, Anglik pozostał jednak dla Belga raczej odległym idolem niż "kolegą po fachu" i regularnej korespondencji dwaj biolodzy nie wymieniali. Znany jest jeszcze tylko jeden list Edouarda do Darwina, o osiem lat późniejszy, w którym prosi o poparcie dla uroczystości ku czci Theodora Schawanna. Van Beneden senior pozostał sceptyczny wobec teorii ewolucji, choć jego poglądy są różnie interpretowane - autor jego biografii z końca XIX w., ewolucjonista Adolphe Kemna, uważał go za prekursora pewnych aspektów myślenia ewolucyjnego, natomiast współczesny chemik i historyk nauki Gabriel Hamoir określa go mianem "kreacjonisty". Jeśli wziąć pod uwagę, że Pierre-Joseph był pobożnym katolikiem o raczej tradycyjnych poglądach społecznych, a Edouard - liberalym agnostykiem, można by przypuszczać że ojciec i syn nie mieli ze sobą nic wspólnego. W rzeczywistości jednak, jak się wydaje, nie pozostawali oni w konflikcie. Edouard był uczniem ojca, korzystał z jego wiedzy, a podczas swoich zagranicznych podróży - z koneksji. Dzięki temu van Beneden junior mógł odwiedzić na przykład sławnego niemieckiego ewolucjonistę, Ernsta Haeckla, który zresztą nie zrobił na Eduardzie, jak wynika z listów do ojca, najlepszego wrażenia - wydaje się, że drażniło go, iż Niemiec oddaje się w zbyt dużym stopniu spekulacjom filozoficznym, na rzecz których, swoją drogą, miał porzucić w przyszłości badania naukowe. Poza tym badania ewolucjonistów i nie-ewolucjonistów w tamtym czasie były podobne - obydwie frakcje zajmowały się obserwacją i skrupulatnym opisem organizmów żywych, różniły się jedynie co do rodzaju pytań, jakie zadawali.
Zarówno ojciec, jak i syn, w swoich badaniach zwracali uwagę na powiązania (fr. "affinités" - tego terminu używa Pierre-Joseph, w artykule z 1840 r., jak również syn, 36 lat później) między gatunkami, tylko że trochę o co innego im chodziło. Edouard rozumiał "affinités" jako pokrewieństwo historyczne między gatunkami, jakie postuluje teoria ewolucji. Pierre-Joseph miał na myśli - tak przynajmniej można przypuszczać - pokrewieństwo metafizyczne, takie, o jakim pisał Arystoteles, Porfiriusz z Tyru, św. Tomasz czy nawet Karol Linneusz. Jaka między tymi dwoma podejściami różnica można zobrazować na przykładzie bakterii, roślin i zwierząt (nie odwołuje się tu do prac van Benedenów): według podejścia ewolucyjnego, historycznego, rośliny i zwierzęta są bardziej zbliżone do siebie nawzajem niż każda z tych domen z osobna do bakterii. Refleksja filozoficzna pokazuje jednak, że bakterie, a przynajmniej znaczna ich część, jako że posiadają stosowne władze (np. zdolność odbioru bodźców, a następnie poruszania się w celu znalezienia dogodnych warunków i uniknięcia niekorzystnych) z metafizycznego punktu widzenia są zwierzętami (właściwie powinienem powiedzieć: ponieważ są zwierzętami, posiadają stosowne władze, nie na odwrót), natomiast nawet najbardziej skomplikowane rośliny posiadają w sobie jedynie życie wegetatywne, czyli są zdolne tylko do wzrostu, rozmnażania się i odżywiania. I nie jest to tylko kwestia nazewniczej konwencji: po prostu bakterie i pozostałe zwierzęta są na tyle do siebie zbliżone, że trzeba znaleźć słowo, które do nich by się odnosiło, a jednocześnie nie obejmowało roślin - kwestią konwencji jest jedynie konkretne słowo, "zwierzę", którego się używa. Nazewnictwo wymusza rzeczywistość.
Pozwolę sobie na komentarz. Choć przyszłość miała należeć do podejścia Edourda, myślę, że podejście jego ojca ma pierwszeństwo, jest potrzebniejsze. Taksonomia, czyli konstruowanie "nazewnictwa wymuszonego przez rzeczywistość" niefortunnie próbuje się obecnie całkowicie zastąpić "genealogią biologiczną", tworzeniem drzew filogenetycznych (które, swoją drogą, doskonale potrafimy konstruować!), zapominając, że w organizmach żywych jest o wiele więcej aspektów, które domagają się przemyślenia i zbadania, niż tylko to, w jakich okolicznościach po raz pierwszy się pojawiły (podobnie jak chemicy mają znacznie więcej do powiedzenia na temat chlorowodoru niż tylko to, że powstaje zazwyczaj w reakcji chloru i wodoru). Kiedyś świat przyrody traktowano jako różnorodną tajemnicę, którą próbowano ogarnąć przez klasyfikację, systematykę. Dziś nikt już jednak nie uważa świata przyrody za "tajemniczy", odmawia mu się też różnorodności (w końcu i roślina i zwierzę to tylko przypadkowo powstałe "maszyny", a granica między nimi jest całkowicie płynna) i w konsekwencji nikt nie odczuwa już potrzeby klasyfikacji.
Embriologia ewolucyjna była tylko jednym aspektem badań Edouarda van Benedena. Inny, o wiele ważniejszyc z punktu widzenia historii biologii, to badania nad procesami zachodzącymi przed i po zapłodnieniu: nad tworzeniem się komórek rozrodczych, łączeniem się ich w zygotę i pierwszymi podziałami. Ale o tym w następnym wpisie.
Że ta okazja przeszła praktycznie bez echa, że w ogóle van Beneden jest raczej zapomniany, nie jest tak dziwne, jeśli wziąć pod uwagę, jak mało miejsca w nauczaniu biologii poświęca się wzmiankom o historii rozwoju tej dyscypliny - poza Mendlem, Darwinem, Watsonem i Crickiem na lekcjach czy nawet uniwersyteckich wykładach niestety praktycznie o nikim się nie wspomina. A tak właściwie na uwagę zasługują dwie postaci o nazwisku van Beneden, bo oprócz Edouarda, związanego przez większą część swojej kariery z Uniwersytetem w Leodium (Liège), także jego ojciec, Pierre-Joseph (1809-1894), pracujący na Katolickim Uniwersytecie w Lowanii (Leuven). W jednym z artykułów znalazłem zdjęcie pochodzące ze zbiorów prawnuczki Edouarda: przy ogrodowym stole siedzą na przeciw siebie ojciec i syn, pozostałe miejsca zajmuje pięć kobiet, jeszcze jedna stoi obok (to matka, żona i siostry Edouarda?). Zdjęcie zostało zrobione ok. 1880 roku, Pierre-Joseph jest więc dość stary, ma długa siwą brodę i kapelusz na głowie, jest zajęty rozmową; Edouard - też brodaty, ale jeszcze w sile wieku, pali cygaro i patrzy przed siebie.
Ich życie przypadało na niezwykle ciekawy okres w historii biologii. Po pierwsze, dzięki wkładowi takich badaczy jak Karol Linneusz czy Georges Cuvier, dobrze rozwinięte były badania porównawcze budowy i funkcjonowania organizmów, a także taksonomia, dziedzina zajmująca się systematyką gatunków. Dostępna była więc teoria mówiąca, jak badać i klasyfikować, trzeba było ją tylko zastosować do niezliczonego mnóstwa organizmów zamieszkujących Ziemię. Można powiedzieć, że właśnie w taki klasyczny program wpisywał się Pierre-Joseph, jednak nie był on po prostu szarym jego przedstawicielem. Morskie laboratorium badawcze, które założył w Ostendzie ze swoich własnych środków, było instytucją pionierską w skali świata. Pierre-Joseph zwracał uwagę na wszystkie aspekty badanych przez siebie organizmów (a badał właściwie wszystkie ich rodzaje, może oprócz ptaków), od rozwoju, po anatomię i fizjologię. Jemu zawdzięczamy termin "komensalizm" (inaczej współbiesiadnictwo, zależność między populacjami, w której jedna strona korzysta, a druga nie otrzymuje nic w zamian, ale też nie ponosi szkody), o tym zjawisku napisał on zresztą tłumaczoną na inne języki pracę. Badał także pasożytnictwo, odkrył cykl życiowy tasiemca.
Po drugie znana była już tzw. "teoria komórkowa", mówiąca o tym, że organizmy żywe, zarówno rośliny, jak i zwierzęta, złożone są z komórek i rozwijają się z komórki jajowej poprzez serię podziałów. Postacią odpowiedzialną w dużej mierze za te odkrycia był, obok Matthiasa Schleidena, Theodor Schwann, Niemiec, pracujący w latach 1839-1879 w Belgii, najpierw w Lowanii, a potem w Leodium. Schwann był przyjacielem rodziny van Benedenów, a Edouard uważał starszego od siebie o 36 lat sławnego profesora za jednego ze swoich mistrzów. Ponieważ szczegóły powstania pierwszej komórki organizmu i dalszych etapów jego rozwoju pozostawały nieznane, jednymi z najprężniej rozwijających się dziedzin biologii były embriologia i część cytologii zajmująca się badaniem podziału komórkowego - tymi obszarami zajmował sie Edouard.
Po trzecie, druga połowa wieku XIX wieku to czas recepcji darwinowskiej teorii ewolucji. Edouard, w odróżnieniu od ojca, stał się wielkim zwolennikiem tej teorii i jej właśnie podporządkował znaczną część swojego programu badawczego, tworząc tzw. embriologię ewolucyjną, która próbowała dochodzić pokrewieństwa między gatunkami na podstawie podobieństw we wczesnych fazach rozwoju. Znany jest jego pełen komplementów list do Darwina z 1870 roku, Anglik pozostał jednak dla Belga raczej odległym idolem niż "kolegą po fachu" i regularnej korespondencji dwaj biolodzy nie wymieniali. Znany jest jeszcze tylko jeden list Edouarda do Darwina, o osiem lat późniejszy, w którym prosi o poparcie dla uroczystości ku czci Theodora Schawanna. Van Beneden senior pozostał sceptyczny wobec teorii ewolucji, choć jego poglądy są różnie interpretowane - autor jego biografii z końca XIX w., ewolucjonista Adolphe Kemna, uważał go za prekursora pewnych aspektów myślenia ewolucyjnego, natomiast współczesny chemik i historyk nauki Gabriel Hamoir określa go mianem "kreacjonisty". Jeśli wziąć pod uwagę, że Pierre-Joseph był pobożnym katolikiem o raczej tradycyjnych poglądach społecznych, a Edouard - liberalym agnostykiem, można by przypuszczać że ojciec i syn nie mieli ze sobą nic wspólnego. W rzeczywistości jednak, jak się wydaje, nie pozostawali oni w konflikcie. Edouard był uczniem ojca, korzystał z jego wiedzy, a podczas swoich zagranicznych podróży - z koneksji. Dzięki temu van Beneden junior mógł odwiedzić na przykład sławnego niemieckiego ewolucjonistę, Ernsta Haeckla, który zresztą nie zrobił na Eduardzie, jak wynika z listów do ojca, najlepszego wrażenia - wydaje się, że drażniło go, iż Niemiec oddaje się w zbyt dużym stopniu spekulacjom filozoficznym, na rzecz których, swoją drogą, miał porzucić w przyszłości badania naukowe. Poza tym badania ewolucjonistów i nie-ewolucjonistów w tamtym czasie były podobne - obydwie frakcje zajmowały się obserwacją i skrupulatnym opisem organizmów żywych, różniły się jedynie co do rodzaju pytań, jakie zadawali.
Zarówno ojciec, jak i syn, w swoich badaniach zwracali uwagę na powiązania (fr. "affinités" - tego terminu używa Pierre-Joseph, w artykule z 1840 r., jak również syn, 36 lat później) między gatunkami, tylko że trochę o co innego im chodziło. Edouard rozumiał "affinités" jako pokrewieństwo historyczne między gatunkami, jakie postuluje teoria ewolucji. Pierre-Joseph miał na myśli - tak przynajmniej można przypuszczać - pokrewieństwo metafizyczne, takie, o jakim pisał Arystoteles, Porfiriusz z Tyru, św. Tomasz czy nawet Karol Linneusz. Jaka między tymi dwoma podejściami różnica można zobrazować na przykładzie bakterii, roślin i zwierząt (nie odwołuje się tu do prac van Benedenów): według podejścia ewolucyjnego, historycznego, rośliny i zwierzęta są bardziej zbliżone do siebie nawzajem niż każda z tych domen z osobna do bakterii. Refleksja filozoficzna pokazuje jednak, że bakterie, a przynajmniej znaczna ich część, jako że posiadają stosowne władze (np. zdolność odbioru bodźców, a następnie poruszania się w celu znalezienia dogodnych warunków i uniknięcia niekorzystnych) z metafizycznego punktu widzenia są zwierzętami (właściwie powinienem powiedzieć: ponieważ są zwierzętami, posiadają stosowne władze, nie na odwrót), natomiast nawet najbardziej skomplikowane rośliny posiadają w sobie jedynie życie wegetatywne, czyli są zdolne tylko do wzrostu, rozmnażania się i odżywiania. I nie jest to tylko kwestia nazewniczej konwencji: po prostu bakterie i pozostałe zwierzęta są na tyle do siebie zbliżone, że trzeba znaleźć słowo, które do nich by się odnosiło, a jednocześnie nie obejmowało roślin - kwestią konwencji jest jedynie konkretne słowo, "zwierzę", którego się używa. Nazewnictwo wymusza rzeczywistość.
Pozwolę sobie na komentarz. Choć przyszłość miała należeć do podejścia Edourda, myślę, że podejście jego ojca ma pierwszeństwo, jest potrzebniejsze. Taksonomia, czyli konstruowanie "nazewnictwa wymuszonego przez rzeczywistość" niefortunnie próbuje się obecnie całkowicie zastąpić "genealogią biologiczną", tworzeniem drzew filogenetycznych (które, swoją drogą, doskonale potrafimy konstruować!), zapominając, że w organizmach żywych jest o wiele więcej aspektów, które domagają się przemyślenia i zbadania, niż tylko to, w jakich okolicznościach po raz pierwszy się pojawiły (podobnie jak chemicy mają znacznie więcej do powiedzenia na temat chlorowodoru niż tylko to, że powstaje zazwyczaj w reakcji chloru i wodoru). Kiedyś świat przyrody traktowano jako różnorodną tajemnicę, którą próbowano ogarnąć przez klasyfikację, systematykę. Dziś nikt już jednak nie uważa świata przyrody za "tajemniczy", odmawia mu się też różnorodności (w końcu i roślina i zwierzę to tylko przypadkowo powstałe "maszyny", a granica między nimi jest całkowicie płynna) i w konsekwencji nikt nie odczuwa już potrzeby klasyfikacji.
Embriologia ewolucyjna była tylko jednym aspektem badań Edouarda van Benedena. Inny, o wiele ważniejszyc z punktu widzenia historii biologii, to badania nad procesami zachodzącymi przed i po zapłodnieniu: nad tworzeniem się komórek rozrodczych, łączeniem się ich w zygotę i pierwszymi podziałami. Ale o tym w następnym wpisie.
Subskrybuj:
Posty (Atom)