PRINCIPI MOLEKULARNE I FENOTIPSKE EVOLUCIJE

Izvodi iz predavanja

BILJANA STOJKOVIĆ I NIKOLA TUCIĆ

3. DEO

EVOLUCIONA BIOLOGIJA RAZVIĆA

3.1. Postanak višećelijskih organizama 3.1.1. Postanak i evolucija gena značajnih za razviće životinja 3.1.2. Kakav je mogao biti genom pretka svih životinja? 3.2. Uloga Hox gena u razviću i evoluciji životinja 3.2.1. Kako Hox geni ostvaruju svoje funkcije? 3.2.2. Postanak i evolucija gena sa homeblokovima 3.3. Modularna organizacija razvića i evolucija telesnih sklopova 3.3.1. Heterohronija 3.3.2. Heterotopija 3.3.3. Heterometrija 3.3.4. Heterotipija 3.4. Ontogenetska ograničenja i evolucija 3.5. Biologija razvića i evolucione novine 3.5.1. Da li evlucione novine imaju istoriju? 3.5.2. Životna sredina i evolucione novine 3.5.3. Da li se srećna čudovišta ipak vraćaju?

1

3. DEO

EVOLUCIONA BIOLOGIJA RAZVIĆA

Danas ćemo teško naći biologa koji se neće složiti da teorija evolucije nije

potpuna bez teorije koja objašnjava kako se može promeniti razviće organizama.

Međutim, pogled u istoriju evolucione biologije ukazuje na decenijsko zanemarivanje

uloge ontogenije1 u procesima evolucije. Kako navode neki autori, velika slabost

savremene Sintetičke teorije evolucije leži u tome što ona suštinski predstavlja

“teoriju adulta“, teoriju koja nije uspela da naglasi evolucioni značaj različitosti

ontogenija (Buss, 1987). Mnogi smatraju da je, tokom poslednjih dvadesetak godina,

u ovoj oblasti nauke započeta “nova sinteza“ koja konceptualno ujedinjuje klasične

“neo-darvinističke“ modele evolucije, ekologiju i biologiju razvića (eco-evo-devo,

videti kasnije). U narednim poglavljima bavićemo se širinom i složenošću “nove“

perspektive u shvatanju evolucije organizama, ali, da bismo razumeli šta sačinjava te

konceptualne novine, moramo se nakratko osvrnuti na osnovne pravce Sintetičke

teorije evolucije (tzv. Moderne sinteze) koja je nastala u prvoj polovini prošlog veka, i

koja, mora se naglasiti, predstavlja i danas polaznu tačku u proučavanjima evolucije.

Publikovanje glavnih monografija Moderne sinteze2 ozvaničilo je ulazak

genetike u evolucionu biologiju. Populaciono-genetička teorija i veliki broj

jednostavnih modela koji objašnjavaju i kvantifikuju promenu genetičke strukture

populacije, postaju okosnica sintetičke teorije. U svojoj suštini, teorija evolucije kroz

Modernu sintezu formatirana je kao genetička teorija koja fenotipove povezuje

direktno i isključivo sa genima (slika 3.1a). Osim genetičkih uzroka variranja

fenotipova jedinki, svi ostali uzroci, gde pre svega spadaju uticaji faktora životne

sredine na formiranje fenotipova, razmatrani su kao “greške“ u ontogeniji (tzv.

razvojni šum) i nisu se smatrali bitnim za konačne evolucione ishode. Drugim rečima,

negenetički uzroci individualnih varijacija su, po ovom gledištu, izvor nepoželjne

varijabilnosti koja narušava odnos između genotipa i fenotipa, tj. dovodi do nastanka

„nenasledne“ varijabilnosti bez važnije uloge u evolucionim promenama. Odatle bi 1 Ontogenija jednog organizma podrazumeva sve faze i događaje tokom razvića, kako kvalitativne tako i kvantitativne, koji se dešavaju počevši od jedne ćelije do adultnih faza života. 2 Dobzhansky T. (1937) Genetics and the Origin of Species. Columbia Univ. Press, NY; Huxley J.S. (1942) Evolution, The Modern Synthesis. Allen and Unwin, London; Mayr E. (1942) Systematics and the Origin of Species. Columbia Univ. Press, NY; Simpson G.G. (1944) Tempo and Mode in Evolution. Columbia Univ. Press, NY

2

opstanak (ili eliminacija) genotipa u određenom staništu zavisio isključivo od stepena

u kom je njegov determinisani genetički program razvića “adekvatan“ za konkretno

životno stanište.

GENOTIP

FENOTIP

ADAPTIVNA VREDNOST

genetička promena populacije

Interakcije gena, razviće

ECO-EVO-DEVO

FENOTIP

ADAPTIVNA VREDNOST

genetička promena populacije

prečica

GENOTIP

ŽIVOTNA SREDINA

A. B.

Slika 3.1. Shematski prikaz dva teorijska pristupa u evolucionoj biologiji. A. Fenotip i adaptivna vrednost su determinisani genotipom, tako da je poznavanje učestalosti genotipova i njihovih koeficijenata selekcije u određenoj životnoj sredini dovoljno za razumevanje promene genetičke strukture populacije. Prečica na slici prikazuje klasičan populaciono-genetički pristup u Modernoj sintezi. B. Na razviće fenotipa i adaptivnu vrednost jedinki u određenoj abiotičkoj i biotičkoj životnoj sredini utiču geni, njihove interakcije, interakcije sa faktorima spoljašnje sredine, plastični putevi razvića, itd. Ovaj pristup se primenjuje u evolucionoj ekologiji, a predstavlja i okosnicu nove sintetičke discipline – ekologija-evolucija-razviće.

Budući da su fenotip i adaptivna vrednost u potpunosti određeni genotipom, za

kvantifikaciju promene genetičke strukture populacije pod uticajem prirodne selekcije

potrebno je samo poznavanje učestalosti genotipova i njihovih koeficijenata selekcije

u određenoj životnoj sredini (prikazana prečica na slici 3.1a). Dakle, prema

populaciono-genetičkoj koncepciji, jedina funkcija životne sredine je uloga statične

arene u kojoj opstaju najbolje prilagođeni genotipovi, tj. životna sredina ne može biti

“proizvođač“ varijabilnosti na osnovu koje deluje prirodna selekcija i koja može bitno

izmeniti pravac genetičkih evolucionih promena. Najveći uticaj na ovakav stav imala

3

je Vajsmanova teorija odvojenosti germplazme i somatoplazme (Weismann, 1883) po

kojoj, usled veoma ranog odvajanja gametske ćelijske linije u ontogenezi, sredinski

uticaji na fenotip ne mogu imati efekta na nasleđe, a samim tim ni na evolucione

promene u populaciji. Kroz ovakvo viđenje evolucije u Modernoj sintezi, u potpunosti

je odbačeno nasleđivanje stečenih osobina, što je bilo jedno od glavnih dostignuća

Sinteze3. Naime, kraj 19. i početak 20. veka obeležen je u istoriji nauke kao “sumrak

darvinizma“4. Jedan od najvažnijih razloga za krizu Darvinove teorije bila je

neadekvatna teorija nasleđivanja. Darvin je u svojoj teoriji prihvatio tradicionalno

shvatanje da su nasleđe i varijacije dva antagonistička procesa: nasleđe “pokušava“ da

od potomaka “napravi“ kopije roditelja, dok bi varijacije nastajale zbog sila koje

remete ovo kopiranje. Za vreme u kom je on živeo, bez ikakvih znanja o genima koji

zadržavaju svoj identitet kroz generacije (Mendelova partikularna teorija

nasleđivanja), jedino moguće mišljenje podrazumevalo da su sve varijacije

uzrokovane silama kojima su jedinke izložene tokom razvića. Prema Darvinu, upravo

ta “ometanja“ koje organizam stiče tokom života, jesu deo varijabilnosti na kojima

“operiše“ proces evolucije. Pošto je verovao da do ometanja može doći i pre i posle

začeća, Darvin nije pravio razliku između promena koje se dešavaju u reproduktivnim

i telesnim ćelijama. Ovakav stav podrazumevao je nasleđivanje stečenih osobina, s

jedne strane, i tesnu vezu između razvića organizama i evolucije, s druge strane5.

Kako se ispostavilo, nepoznavanje prirode naslednih činilaca i mehanizama

nasleđivanja postavili su razumevanje međuzavisnosti evolucije i ontogenije na

sasvim pogrešne osnove. Tek početkom 20. veka, prvi genetičari (“mendelisti“)

“razveli“ su nasleđivanje od embriologije, postavljajući individualnu genetičku

3 Koncepcija nasleđivanja stečenih osobina uglavnom se vezuje za Lamarka (smatra se osnovnim konceptom u tzv. “lamarkizmu“), iako je i sam Darvin zastupao stanovište da se sve osobine ili vrednosti osobina, koje su roditelji stekli tokom svog života, direktno prenose na potomstvo. Po Darvinovoj hipotezi “pangeneze“, svaki deo organizma stvara „male slobodne atome svog sadržaja – gemule“ koje mogu biti izmenjene pod uticajem faktora životne sredine. Gemule bi se zatim, prema Darvinu, sakupljale i udvajale u reproduktivnim organima i potom mešale i prenosile na sledeću generaciju. Otkrićem Mendelovih radova (teorije partikularnog nasleđivanja) 1900. godine i konstituisanjem Moderne sintetičke teorije evolucije 30-tih godina prošlog veka, napuštene su koncepcije mešanog nasleđivanja i nasleđivanja stečenih osobina. 4 Ovaj termin kojim se opisuje “kriza” Darvinove teorije, upotrebio je Džulijan Haksli (1887-1975), unuk Tomasa Hakslija. Tomas Haksli je bio jedan od najstrastvenijih sledbenika Darvina, iako se nije slagao sa nekim aspektima njegove teorije (pre svega u odnosu na Darvinov stav da “priroda ne pravi skokove“). Zbog svoje angažovanosti u popularisanju i objašnjavanju teorije evolucije postao je poznat kao “Darvinov buldog“. 5 I neke druge evolucione koncepcije, kao što je Hekelov biogenetski zakon po kom se evolucija odigrava kroz dodavanje novih stupnjeva ontogenije, naglašavale su jedinstvo razvića i evolucionog procesa, ali, nažalost, na pogrešan način.

4

varijabilnost u centar nasleđivanja umesto u “ometajuće“ efekte spoljašnje sredine.

Iako ćemo mi kritikovati potpuno zanemarivanje uloge individualnog razvića i

životne sredine, koje je evidentno kroz “genetičku teoriju evolucije“, izgleda da je

takva faza u razvoju evolucione biologije bila neophodna za konačno razumevanje

kako nasleđivanje učestvuje u evolucionim promenama.

Genocentrična Moderna sinteza razvijala se kroz nekoliko ključnih

koncepcija. Pored Hardi-Vajnbergovog principa i modela populacione-genetike,

dominantan pristup u evolucionoj teoriji zauzima i koncept aditivnih efekata gena koji

je još 1918. godine razvio Ronald Fišer6. Fišerov model, koji konačno povezuje

nasleđivanje kvantitativnih osobina i “mendelovih“ gena, postaje temelj kvantitative

genetike. Prema ovoj koncepciji, geni su entiteti na čije ispoljavanje ne utiču drugi

geni, ili, drugim rečima, aktivnost jednog gena je nezavisna od aktivnosti drugih

naslednih činilaca7. Način na koji geni učestvuju u formiranju kvantitativnih

(poligenih) osobina, je aditivan, što podrazumeva da se nezavisni efekti tih gena

sabiraju pri formiranju određene fenotipske vrednosti. Iako nije negirao da pored

aditivnih efekata mogu postojati i “neaditivni“, Fišer smatra da geni većinski deluju

na sabirajući način i da su samo takvi efekti odgovorni za determinisanje odgovora

populacije na prirodnu selekciju. Ovo viđenje uobličeno je u “fundamentalnoj teoremi

prirodne selekcije“ koja predviđa da će do evolucionih promena dolaziti sve dok

postoji aditivna genetička varijabilnost u osobinama adaptivne vrednosti.

Pored Fišerovog, do 30-tih godina prošlog veka formiran je još jedan pristup u

sagledavanju uloge gena i načina evolucionih promena u populacijama. U svojoj

“teoriji pomične ravnoteže“ Sjuel Rajt (Wright, 1931) opisuje dinamičan model

evolucionih promena u kom najvažniju ulogu imaju plejotropni efekti gena (tj. učešće

gena u formiranju većeg broja osobina) i multigenski sistemi koji nastaju kao rezultat

interakcija između gena (epistaze). S obzirom da geni ispoljavaju svoj efekat na

fenotip preko različitih biohemijskih reakcija, efekat svakog pojedinačnog gena

zavisiće od hemijskog i fizičkog miljea koji kreiraju svi drugi geni u genotipu

organizma. Drugim rečima, efekat jednog gena na fenotip jedinke jeste funkcija ne

samo tog gena, već i celokupnog genetičkog okruženja, tj. genetičkog konteksta, u

kom se gen nalazi. Prema Rajtu „evolucija zavisi od međusobnog slaganja povoljnih 6 Knjiga Ronalda Fishera „The Genetical Theory of Natural Selection“ iz 1930. godine rasvetljava i razrađuje ideju uloge aditivnih efekata gena u procesima evolucije. 7 Stanovište da su aktivnosti različitih gena međusobno nezavisne, Majer je nazvao “genetika vreće pasulja“.

5

skupova gena čiji se nijedan član ne može opisati kao povoljan ili nepovoljan“, tj.

„evoluciono govoreći, jedan gen nije uopšte gen; genetički kontekst određuje

evolucionu putanju svakog gena“ (Wade i Goodnight, 1998). Dodatno, u ovakvoj

koncepciji, adaptivna evolucija je lokalna, tj. dešava se unutar lokalnih populacija

(umesto velikih populacija koje su osnovne jedinice evolucije u Fišerovom konceptu).

Specifične epistatičke kombinacije gena u svakoj lokalnoj populaciji određuju njihove

evolucione putanje.

Dva klasična modela evolucije, iako veoma različita u viđenju načina kako se

ispoljava genetička informacija, bila su na zanimljiv način uklopljena u Modernu

sintezu. Fišerov aditivno-genetički model prihvaćen je kao operativni opis fenotipske

evolucije, tj. kao princip promene genetičke strukture populacije, dok je Rajtovo

insistiranje na univerzalnosti plejotropije i epistaze gena shvaćeno prevashodno kao

model genetičke arhitekture organizama (Wade, 1992). Drugim rečima, evolucija je

posmatrana na nivou promene (učestalosti) gena, a fenotipski nivo, odnosno

specifična genetička arhitektura, predstavljao bi rezultat, a ne uzrok, evolucionih

(genetičkih) promena8. U svakom slučaju, iako je razumevanje uloge gena kroz

epistatičke interakcije i plejotropiju bilo važno za dalji razvoj evolucione teorije (o

velikoj složenosti molekularnih mehanizama u ispoljavanju genetičke informacije

govorili smo u prethodnim poglavljima), Moderna sinteza nije uspela da sagleda

njihov značaj u oblikovanju fenotipa i njegove evolucije. Zapravo, sada možemo reći

da je osnovni razlog ovog “propusta“ bila rigidna odvojenost genetičke teorije od

biologije razvića. Za procese koji se dešavaju na putu između genotipa i fenotipa

smatralo se da predstavljaju “crnu kutiju“ i da njihovo upoznavanje nije od presudne

važnosti za razumevanje evolucije (o čemu govori prečica u populaciono-genetičkim

modelima, slika 3.1a). Ipak, vremenom je rasla svest da upravo zbog ovog neznanja

mnoga evoluciona pitanja ostaju otvorena. Tako je Futjuma (Futuyma, 1979) napisao

da je „neznanje o tome kako genotipovi produkuju fenotipove najveća praznina u

našem razumevanju evolucionog procesa, a to je zaista velika praznina“. Shvatanje da

fenotip nije jednostavan zbir svojih delova, tj. da je fenotip emergentno svojstvo

organizma koje nastaje tokom ontogenije, značajno je izmenilo pristup proučavanju

8 Viđenje evolucije kao transgeneracijske promene učestalosti alela u populaciji, ne uzimajući u obzir da efekti gena zavise od genetičkog konteksta, podrazumeva da fenotipovi nastaju kao rezultat ovih promena, a ne predstavljaju njihov uzrok. Kulminacija ove “fišerovske“ genocentrične koncepcije evolucije jeste koncept “sebičnog gena“ Ričarda Dokinsa – jedinice selekcije su geni, a ne individualni organizmi.

6

evolucije. Ta emergencija nastaje negde između DNK i fenotipa, i jasno je da čak i

ukoliko poznajemo kompletan raspored nukleotida DNK u genomu, ne možemo u

potpunosti sagledati fenotip organizma. Otvaranje “crne kutije“ podrazumevalo je

usvajanje novih teorijskih koncepcija i, što je najvažnije, ponovno udruživanje

evolucione teorije i biologije razviće, ali ovog puta na način kvalitativno drugačiji od

Darvinovog vremena (Slika 3.1b).

Važno je naglasiti da današnje naučne ideje o ulozi ontogenije u evoluciji

imaju svoje ključne istorijske (post-darvinovske) korene. Još u vreme nastanka

Moderne sinteze pojavile su se ozbiljne kritike na teoriju koja pretpostavlja direktnu

vezu između genotipa i fenotipa i sagledava evolucione procese isključivo kroz

akumulaciju malih promena u učestalostima alela pojedinačnih gena. Taj drugačiji

pogled na evoluciju, ili kako se još označava “alternativna evoluciona sinteza“

(Schlichting i Pigliucci, 1998), započinje sa Boldvinom i njegovim stavom da se

organizmi ne razlikuju samo po genetičkim/fenotipskim atributima, već i po

sposobnostima plastičnog modifikovanja razvića (Baldwin, 1902). Jednoj grupi

naučnika postalo je jasno da razviće različitih fenotipova, od istog genotipa, mora

imati efekat na pravce evolucionih promena (o ulozi životne sredine i fenotipskoj

plastičnosti biće više reči u delu 4). Nekoliko decenija kasnije pojavljuju se prve

teorijski oblikovane i elaborirane kritike na Modernu sintezu. Goldšmit (Goldschmidt

“The Material Basis of Evolution”, 1940) i Šmaljhauzen (Schmalhausen “Factors of

Evolution”, 1946) iznose stavove da se evolucija odvija menjajući razvojne sisteme

živih bića, tj. da evoluciona promena podrazumeva, pored menjanja strukturnih

jedinica genotipa, evoluciju kontrolnih sistema razvića. Već tada, oba naučnika

uveliko razmatraju evolucione uloge regulatornih mutacija i zaključuju da regulatorna

aktivnost, kako unutrašnje tako i spoljašnje sredine, može proizvesti sasvim različite

fenotipove unutar slične genetičke osnove. Ukratko, pristalice “alternativne sinteze“

smatraju da je individualno razviće “karika koja nedostaje“ Modernoj sintezi. Takođe,

kako navode Goldšmit i Šmaljhauzen, redukcionističko viđenje evolucije isključivo

kroz promene učestalosti genskih varijanti u populaciji, ograničava “neo-darvinističku

paradigmu“ na proučavanje mikroevolucionih fenomena (do nivoa vrste) i ne može

objasniti nastanak i evoluciju evolucionih novina (npr. nastanak novih telesnih

sklopova), na osnovu kojih se organizmi svrstavaju u tzv. više taksonomske

kategorije. Ove teorijske koncepcije nisu bile prihvatljive za početke Moderne sinteze,

7

a neki od stavova, kao što su Goldšmitova “srećna čudovišta“, poslužili su za

ismevanje čitave ideje o ulozi razvića u evoluciji (videti poglavlje 3.5).

U savremenoj nauci, dakle, dolazi do ponovnog “ujedinjavanja“ fenomena

individualnog razvića i evolucije. Razviće je sačinjeno od kaskade događaja koji

povezuju genotip sa fenotipom, povezuju gene sa morfologijom, fiziologijom i

ponašanjem. Ono što su isticali naučnici alternativne sinteze, danas je okosnica novog

pogleda na evoluciju. U prethodnim poglavljima videli smo da postoje tri osnovna

tipa varijabilnosti značajna za evoluciju. To su alelska varijabilnost gena koji kodiraju

proteine, alelska varijabilnost u elementima značajnim za gensku regulaciju i, najzad,

epigenetička varijabilnost. Postalo je jasno da je ove elemente neophodno sagledati

kroz njihovo ujedinjeno dejstvo u procesima ontogenije do formiranja fenotipova, tj.

da „bez razvića ne može biti potpune teorije varijabilnosti; a bez adekvatne teorije

varijabilnosti ne može biti potpunog objašnjenja evolucije koja obuhvata promenljive

gene i promenljiva tela“ (Gilbert i Epel, 2009; str. 324). Evoluciona teorija nije

potpuna bez razumevanja mehanizama kroz koje se tkiva, organi i organizmi

formiraju i menjaju. Kroz ovakva sagledavanja dodaje se novi nivo objašnjenja

evolucije. Više se ne govori samo o tome koji će tipovi varijacija biti održani tokom

vremena, već i kakve varijante mogu nastati iz specifičnih razvojnih sistema. Imajući

u vidu razlike koje postoje između (individualnog) razvića i evolucije (Boks 3.1)

„postavlja se prirodno pitanje, kako ta dva procesa mogu kauzalno uticati jedan na

drugi“ (Resnik, 1995, str. 232).

Boks 3.1. Sličnosti i razlike između razvića i evolucije

Mada je malo biologa koji danas osporavaju da su razviće i evolucija različiti procesi,

postoje velika neslaganja oko toga na čemu se te razlike zasnivaju. Da bismo razumeli kakva

je priroda tih razlika, navećemo prvo neke očigledne sličnosti između razvića i evolucije.

Prvo, oba procesa, i razviće i evolucija, odnose se na promene tokom vremena. U

razviću, putem diferencijacije i rasta, nezreli organizmi postaju polno zrele jedinke. U

evoluciji, populacije (i vrste) se transformišu tokom vremena – adaptiraju se na određenu

životnu sredinu ili nestaju. Drugo, i razviće i evolucija stvaraju promene kroz interakcije

genotipova i životne sredine. U razviću, kroz interakcije genotipova i sredine stvaraju se

fenotipovi adultnih organizama, a u evoluciji interakcije između genotipova i sredine dovode

do promena u učestalostima gena pod delovanjem prirodne selekcije, genetičkog drifta i

drugih evolucionih mehanizama.

8

Razlike između razvića i evolucije odnose se na tipove promena koje se dešavaju,

zatim na entitete kod kojih se promene pojavljuju i, konačno, na puteve kojim se te promene

ostvaruju. Neke od važnijih razlika su sledeće.

1. Promene u razviću dešavaju se u okvirima individualnih organizama, a evolucione

promene se odigravaju unutar ili između populacija organizama. Tokom razvića organizmi se

diferenciraju, rastu i stare, a u evoluciji tokom vremena se menja populaciona struktura (tj.

genetička i fenotipska svojstva populacije, relativna brojnost i raspodela populacija u

prostoru, stepen protoka gena između populacija, itd.)

2. Promene u razviću dešavaju se u jednoj generaciji, a evolucione promene se ostvaruju

tokom niza generacija.

3. Evolucione promene moraju da uključuju promene u raspodelama genetičkih entiteta u

populacijama, dok promene razvića ne moraju dovoditi do promena u raspodelama genetičkih

entiteta.

Evoluciona biologija razvića je sintetička disciplina koja ima dijalektički

pristup. Prvo, ona pokušava da odgovori na pitanje kako su tokom evolucije

oblikovani sistemi razvića različitih grupa organizama – kakvo je poreklo određene

ontogenije, kako je evoluirao repertoar razvića, kako su se procesi razvića

modifikovali tokom evolucije? Ovde istraživači pokušavaju da shvate evolucionu

osnovu sličnosti (tj. analogije i homologije) i razlika između različitih sistema razvića.

Elemente potrage za evolucionom osnovom razvića nalazimo još kod Darvina (1859),

Hekela (1866) i mnogih drugih biologa iz ranog perioda istorije evolucione biologije.

Osnovna ideja različitih istraživačkih programa, od onih koje pretpostavljaju

postojanje arhetipova i filotipskih stunjeva, preko istraživača koji zagovaraju

koncepciju morfogenetskih polja, do onih koji u prvi plan ističu značaj formiranja

razvojnih obrazaca, jeste postojanje nekog zajedničkog obrasca koji se manifestuje u

različitim sistemima razvića. To je zapravo Darvinova ideja o zajedničkom poreklu

svih živih bića. Voćna mušica i žaba, miš i slon su fenotipski i genetički vrlo različiti,

ali naš zadatak je da otkrijemo koliki je stepen sličnosti njihovih mehanizama i

procesa razvića. Ovaj pravac istraživanja možemo označiti kao “evolucija razvića“

(evo-devo, Slika 3.2).

Drugi zadatak evolucione biologije razvića je da istraži evolucione posledice

određenih puteva i molekulskih mehanizama ontogenije, odnosno posledice istorijski

uspostavljenih razvojnih sistema na samu organsku evoluciju. Ovde smo, dakle,

9

zainteresovani ne za ontogeniju kao proizvod evolucionog procesa, već za razviće kao

“kreatora“ fenotipske varijabilnosti na kojoj “operiše“ evolucija. Drugim rečima, ovaj

pravac se zasniva na sledećim pitanjima: Kako procesi razvića utiču na nastanak

fenotipske varijabilnosti? Kako ovi razvojni sistemi utiču na organizaciju fenotipa?

Kakva je veza između razvića i nastanka evolucionih novina? Da bismo naglasili

obrnut fokus ovog pravca, a u nedostatku boljeg prevoda, upotrebićemo termin

“razvojna evolucija“ (devo-evo, Slika 3.2).

S obzirom da se odgovori na ova pitanja ne mogu tražiti van ekološkog

konteksta u kom se razviće odvija, razmatranje uticaja abiotičke i biotičke sredine,

kao i strukture i dinamike populacija, na procese ontogenije i evolucije ujedinjuje

ekologiju, evoluciju i biologiju razvića u novu oblast označenu kao “ekološka

evoluciona biologija razvića” (engl. Ecological evolutionary developmental biology,

eco-evo-devo, Slika 3.2). Osnovna pitanja koja se ovde postavljaju su: Kako životna

sredina interaguje sa razvojnim procesima? i Kako sredinske promene utiču na

fenotipsku varijabilnost i procese evolucije?

Kako ćemo videti, pokazalo se da je evolucija sistema genetičke i epigenetičke

regulacije fundamentalna ”kreativna sila” morfološke evolucije. Glavne teme

empirijskih istraživanja postaju analize funkcije i evolucije regulatorne genske mreže,

putevi signalne transdukcije i drugi aspekti molekularnih ”kola” razvića. Dodatno,

istražuje se dinamika epigenetskih interakcija i uticaja sredinskih parametara na

promenu ontogenetskih putanja. Ovim uzbudljivim i kompleksnim pitanjima

posvetićemo se postepeno. U nastavku ćemo se prvo baviti genetičkim uzrocima koji

dovode do varijacija u razviću višećelijskih organizama, a kasnije, u četvrtom delu,

pokušaćemo da rasvetlimo evolucioni značaj varijabilnosti koja nastaje zbog

plastičnosti razvića.

10

ŽIVOTNA SREDINA

Slika 3.2. Shematski prikaz različitih teorijskih pravaca u sintetičkom pristupu koji ujedinjuje evoluciju, ekologiju i biologiju razvića (objašnjenja su data u tekstu).

Jedan od najvažnijih podataka do kog je došla evoluciona biologija razvića

jeste da, uprkos ogromnim razlikama u razviću između različitih evolucionih linija, u

procesima formiranja jedinki unutar svake evolucione linije koristi se sličan “osnovni

alat“ (engl. toolkit). Transkripcioni faktori, parakrini faktori, adhezioni molekuli i

putevi prenosa signala su, začuđujuće, slični između različitih višećelijskih

organizama. Pošto se mnogi od tih osnovnih alata javljaju isključivo kod savremenih

gljiva, životinja i biljaka, izgleda da je njihova pojava u evoluciji vezana sa postanak

višećelijske telesne građe.

3.1. Postanak višećelijskih organizama

Višećelijska organizacija kod savremenih organizama javlja se u 25 različitih

oblika – od skupova nekoliko nediferenciranig ćelija kod nekih bakterija

(Actinobacteria, Cyanobacteria i Myxobacteria), do organizama kao što su životinje,

gljive i biljke sa brojnim diferenciranim ćelijama (King, 2004). Ako je suditi po ovim

primerima višećelijske organizacije, složeni fenotipovi višećelijskih organizama su

tokom evolucije nastajali u vrlo različitim evolucionim linijama. Takođe, relativno

česta pojava višećelijskih organizama ukazuje da pod određenim okolnostima ovaj tip

organizacije ima selektivnu prednost u odnosu na jednoćelijske organizme.

Eksperimenti sa miksobakterijama i nekim vrstama iz roda Volvox, pokazali su da

ECO-EVO-DEVO

EVOLUCIJA

EVO-DEVO

RAZVIĆE

DEVO-EVO

11

selektivna prednost višećelijske organizacije može biti uzrokovana efikasnijim

korišćenjem dostupnih izvora hrane (Koufopanou i Bell, 1993). Laboratorijski

eksperimenti sa nekoliko vrsta algi ukazuju da se pojava višećelijske organizacije

može povezati i sa zaštitom od predatora. U prisustvu predatora, kultura

jednoćelijskih algi evoluirala je prema višećelijskoj organizaciji za manje od 100

generacija (Bentley i sar., 1998). Zanimljivo je da je tokom eksperimenta broj ćelija

po organizmu varirao od 4 do više od 100, i da se populacija stabilizovala sa

organizmima koji su imali 8 ćelija – to je bio najmanji broj ćelija koji je tako

stvorenim višećelijskim organizmima obezbeđivao uspešnu zaštitu od predatora (u

ovom slučaju to je bila dimenzija tela). Ovaj eksperiment je značajan i po tome što

nam pomaže da odgovorimo na pitanje zašto većina poznatih oblika višećelijske

organizacije poseduje vrlo mali broj, uglavnom slabo diferenciranih ćelija. Ovo

pitanje ima smisla ako znamo da determinacija tipa ćelija zavisi od vrlo malog broja

regulatornih proteina i da prokariotske i eukariotske ćelije poseduju genome sa daleko

većim potencijalom za stvaranje različitih ćelijskih tipova.

Sudeći po potencijalnoj selektivnoj prednosti, višećelijska organizacija se

mogla javiti relativno rano u evoluciji. Pojava filamentoznih cijanobakterija se datira

na vreme od pre oko 2,2 milijardi godina, a najstariji fosili filametoznih protista

potiču od pre oko 1,8 do 1,2 milijarde godina (Rokas, 2008). Procene dobijene na

osnovu molekulskih markera, postanak složene višećelijske građe, kakva se viđa kod

životinja gljiva i biljaka, vezuju za period između 1,0 do 0,4 milijarde godina, a

najstariji fosili višećelijskih životinja se datiraju na vreme od pre 770 do 750 miliona

godina (Nielsen i Parker, 2010).

Poređenja skupova gena savremenih jednoćelijskih i višećelijskih organizama,

istih i različitih evolucionih linija, pomažu nam da otkrijemo koji su ključni geni

odgovorni za pojavu višećelijske organizacije. Kada su takve analize urađene kod

cijanobakterija, miksobakterija i aktinobakterija, pokazalo se da se kod višelijskih

srodnika povećao broj gena uključenih u transdukciju signala i regulaciju

transkripcije. Na primer, u genomu miksobakterije Myxococcus xanthus

identifikovano je više od 1500 duplikacija gena tokom tranzicije od jednoćelijskih ka

višećelijskim oblicima, pri čemu su najčešće bili duplirani regulatorni geni i geni

odgovorni za za transdukciju signala (Goldman i sar., 2006).

12

3.1.1. Postanak i evolucija gena značajnih za razviće životinja

Filogenetske analize na genima za 18S rRNK, mtDNK i jedarnim genima koji

kodiraju proteine, nedvosmisleno ukazuju da jednoćelijski i kolonijalni protisti iz

grupe hoanoflagelata (Choanoflagellata) predstavljaju sestrinsku grupu višećelijskim

životinjama (Metazoa). Ćelijska struktura hoanoflagelata je veoma slična

hoanocitama – ćelijama čija je osnovna funkcija kod savremenih sunđera vezana za

uzimanje hrane. Kao i hoanocite sunđera, hoanoflagelate posedujuju apikalni bič sa

četkastim aktinskim okovratnikom pomoću kojih love bakterije i detritus. Ova

sličnost navela je brojne istraživače na zaključak da su jednoćelijski preci životinja

imali ćelijsku organizaciju sličnu hoanoflagelatama9. Dodatno, na ovu hipotezu

upućuju i neke molekularno biološke i morfološke analize, koje identifikuju sunđere

kao nastariju grupu životinja. U sve to se veoma dobro uklapa i podatak da su sunđeri

prve životinje koje se pojavlju u fosilnim zapisima (Botting i Butterfield, 2005).

Višećelijske životinje, hoanoflagelate, gljive i neke manje grupe protozoa,

formiraju veliku monofiletsku “superkladu“ pod imenom Opisthokonta (Mikhailov i

sar., 2009). Opistokonta poseduju složene životne cikluse i brojne visoko

diferencirane ćelijske tipove. Kod svih opistokonta nađeni su homologoni gena

metazoa koji kontrolišu ćelijsku adheziju, diferencijaciju i signalnu transdukciju.

Nedavno sekvenciran genom jednoćelijske hoanoflagelate, Monosiga

brevicollis, omogućio nam je dublji uvid u nastanak gena neophodnih u razviću

metazoa (King i sar., 2008)10. Jedan od ključnih koraka prema višećelijskoj

organizaciji bila je evolucija mehanizama koji omogućavaju stabilnu ćelijsku

adheziju. U genomu M. brevicollis, iako je jednoćelijski organizam, otkriven je veći

broj gena koji kod metazoa kodiraju proteine uključene u ćelijsku adheziju i

ekstraćelijski matriks. Na primer, oko 20 gena kodira kadherine, čiji homologoni kod

metazoa učestvuju u sortiranju ćelija i ćelijskoj adheziji tokom embriogeneze, a od 12

gena koji kodiraju C-tip lektina, dva su homologni sa genima transmembranskih

proteina životinja. Kod životinja, solubilni C-tip lektini imaju niz funkcija – od

prepoznavanja patogena, do organizacije ekstraćelijskog matriksa, a transmembranski

C-tip lektini posreduju u specifičnim adhezivnim aktivnostima poput ostvarenja 9 Pored hoanoflagelata, preci još četiri grupe protista se pominju kao moguće ishodište za pojavu životinja 10 M. brevicollis je jedna od 125 recentnih vrsta morskih i slatkovodnih hoanoflagelata. Većina vrsta je jednoćelijska, a neke formiraju jednostavne kolonije od ekvipotentnih ćelija.

13

kontakta između leukocita i vaskularnih endotelskih ćelija, prepoznavanju ćelija i

ćelijskoj endocitozi. Takođe, u genomu M. brevicollis se nalaze geni koji kodiraju pet

imunoglobulinskih domena, dok kod metazoa postoji između 150 i 1500

imuglobulniskih domena, što ukazuje da je do velikog povećanja imunoglobulinske

familije gena došlo nakon razdvajanja metazoa od hoanoflagelata.

Imajući u vidu da je M. brevicollis jednoćelijski organizam, nameće se pitanje

kakva je funkcija ovih proteina koji kod metazoa imaju ulogu u ćelijskoj adheziji.

Pošto se neki od navedenih proteina nalaze u četkastom okovratniku M. brevicollis,

smatra se da je osnovna funkcija tih proteina hvatanje bakterijskog plena.

Važno je istaći da nekoliko gena kod M. brevicollis stvara proteine čije

homologne varijante, kao što su kolagen, laminini i fibronektini, učestvuju kod

životinja u formiranju ekstraćelijskog matriksa. Zanimljivo je da se kolagen javlja i

kod drugog predstavnika opistokonta - gljiva. Dakle, homologoni kolagena, koji je u

telu sisara najprisutnija familija proteina, vuku poreklo još od jednoćelijskih pre-

životinjskih predaka. Od pet gena, koji kod M. brevicollis učestvuju u sintezi

kolagena, dva gena kodiraju poznati ponovljivi niz Gly – X –Y (gde su X i Y najčešće

prolin i hidroksiprolin) kod metazoa. Proteini koji su homologni kolagenu i drugim

ekstraćelijskim proteinima, kod M. brevicollis služe, verovatno, za pričvršćivanje za

podlogu.

U formiranju i održavanju višećelijske građe životinja ključnu ulogu ima

komunikacija između ćelija. Međutim, za razliku od adhezionih proteina i proteina

ekstraćelijskog matriksa, kod M. brevicollis nije otkriven nijedan signalni put koji bi

bio homologan putevima kod metazoa. Ipak, određene proteinske oblasti nekih

signalnih puteva, kao što su Notch i Hedgehog, nalaze se razbacani u proteomu M.

brevicollis, što „ukazuje da su signalni molekuli životinja mogli, bar delimično,

evoluirati putem kombinovanja [egzona] već postojećih domena” (Rokas, 2008,

str.246)11. U ovom kontekstu važno je istaći da se u oko 9200 gena kod M. brevicollis,

u proseku nalazi oko 6,6 introna, što je neznatno manje nego kod čoveka (mi imamo

oko 8 introna po genu). Ovaj podatak ukazuje da je poslednji zajednički predak

11 Kod životinja sa bilateralnom građom, protein pod engleskim nazivom hedgehog – bodljikavo prase, jež - sastavljen je od dve oblasti sa odgovarajućim imenima – hedge, bodljikava ograda, i hog, prase. Hoanoflagelate imaju samo oblast hog, a u proteonomima sunđera i knidarija sreću se oba domena, ali kao delovi različitih proteina. Dakle, sasvim je moguće da je hedghog protein, koji je ključan u signalnom putu istog imena, evoluirao putem kombinovanja egzona gena koji kodiraju različite proteine, tj. moguće je da predstavlja mozaičan gen (videti deo 2.3.4 ).

14

metazoa i hoanoflagelata takođe mogao imati relativno velik broj introna u genima

koji kodiraju proteine.

Pojava višećelijske organizacije zavisila je i od evolucije mehanizama koji su

omogućavali diferencijalnu ekspresiju gena u ćelijama koje čine jedan organizam.

Diferencijalna ekspresija gena, istakli smo ranije (deo 2.4.1), pretežno je kontrolisana

na nivou transkripcije. Cis-regulatorni elementi svakog gena poseduju izuzetnu

sposobnost paralelne obrade velikog broja prostornih i/ili vremenskih informacija

koje potiču od transkripcionih faktora. Prvo pitanje je, dakle, koje su transkripcione

faktore mogli posedovati jenoćelijski eukarioti od kojih su postale vićelijske životinje.

M. brevicollis poseduje članove većine najprisutnijih familija eukariotskih

transkripcionih faktora. Najveći broj transkripcionih faktora su oni čiji vezivni domen

sadrži jone cinka (transkripcioni faktori sa cinkovim prstima; videti Savić-Pavičević i

Matić, 2011, str. 272). Zanimljivo je da 5% transkripcionih faktora M. brevicollis

pripada transkripcionim faktorima sa viljuškastom glavom (engl. forkhead), koji su do

sada pronađeni samo kod gljiva i životinja. Kod M. brevicollis su pronađena samo dva

transkripciona faktora sa homeodomenima i oba pripadaju TALE klasi (videti

kasnije). HOX subklasa ne-TALE klase, koja ima jednu od ključnih uloga u razviću

životinja, nije pronađena kod hoanoflagelata, što ukazuje da se ona pojavila i

evoluirala tek kod metazoa.

Diferencijacija ćelija kod metazoa praćena je smanjenjem potencijala za

diferencijalnu ekspresiju gena. Za razliku od jednoćelijskih organizama, u

diferenciranim ćelijama višećelijskih organizama, pored gena neophodnih za

održavanje integriteta svake ćelije (tzv. “gena domara“; engl housekeeping genes),

ispoljavaju se različiti podskupovi gena. Takođe, kod mnogih metazoa, postavljanje

regulatorne mreže koja kontroliše diferencijalnu ekspresiju gena u ćelijama, ne

postiže se odjednom već tokom niza faza razvića. Tokom razvića mogu se, kao

“privremeno rešenje“ koristiti isti mehanizmi koji jednoćelijskim eukariotima

omogućavaju transkripcionu fleksibilnost tokom prilagođavanja na promene u

životnoj sredini. Međutim, na kraju razvića jedinki, kod većine ćelija, transkripcioni

regulatorni status se stabilizuje, tako da svaki tip ćelija poseduje specifičnu

kombinaciju aktivnih i neaktivnih gena. Definitivan odgovor na pitanje kako se to

postiže još uvek nemamo. Prema jednoj hipotezi (Arenas-Mena, 2007; 2010), važnu

ulogu u održavanju regulatorne mreže diferenciranih ćelija višećelijskih životinja u

permanentnom stanju mogla bi imati histonska varijanta H2A.Z, o kojoj smo govorili

15

u delu 2.4.3.3. Naime, na osnovu podataka da je kod morskih ježeva i nekih anelida

H2A.Z nukleozoma povezana sa nediferenciranim i multipotentnim ćelijama, a kod

matičnih ćelija ljudi ova nukleozomska varijanta je izgleda ključni regulator njihove

transkripcione multipotentnosti, Arenas-Mena (2010) smatra da je ova nukleozomska

varijanta “dobar kandidat“ za glavnog “vratara“ (engl. gatekeeper) koji kontroliše

pristup različitim transkripcionim faktorima ka cis-regulatornim elementima gena.

Dobra strana ove hipoteze jeste to što jednoćelijski eukarioti, kao što je pekarski

kvasac, poseduju ovu histonsku varijantu, a loša strana je to što je, kako smo u delu

2.4.3.3. istakli, način regulacije transkripcije gena pomoću H2A.Z, izgleda, species-

specifičan, ali i to što još uvek ne poznajemo tačne mehanizme kako ova

nukleozomska varijanta reguliše transkripciju gena.

3.1.2. Kakav je mogao biti genom pretka svih životinja?

Analiza kompletnog genoma sunđera Amphimedon queenslandica, i njegovo

poređenje sa drugim vrstama, omogućuje nam da dobijemo grubu predstavu o

genomu zajedničkog pretka svih životinja (Srivastava i sar., 2010). Ovaj tipičan

predstavnik sunđera, sa oko 30000 gena koji kodiraju proteine, ima genom sa vrlo

brojnim repertoarom gena uključenih u signalne puteve i regulaciju transkripcije, što

ukazuje da je predak svih životinja imao “osnovni alat“ neophodan za razviće sličan

onome koji se nalazi kod savremenih životinja sa bilateralnom simetrijom.

Genom A. queenslandica pokazuje izrazitu konzervativnost u pogledu

strukture gena koji kodiraju proteine (recimo, pozicije introna) i organizacije

(sinteniju) u odnosu na druge životinje. Od 4670 genskih familija, analiziranih kod

sunđera i više vrsta metazoa, koje su prikazane na slici. 3.3, 1286 (27%) su, izgleda,

specifične samo za metazoe. Od tih 1286 genskih familija, skoro ¾ je nastalo

duplikacijama gena u okviru stabla metazoa. Najranije duplikacije odnosile su se na

transkripcione faktore sa homeodomenima i strukturom domena čiji je motiv

zavojnica-petlja-zavojnica (engl. helix-loop-helix). Kasnije duplikacije gena i njihova

divergencija kod eumetazoa, dodatno su povećale broj gena u familijama

transkripcionih faktora, tako da je njihov broj od dva do 34 puta veći kod eumetazoa

nego kod sunđera.

16

Slika 3.3. Neki stupnjevi razvića i filogenetski položaj sunđera Amphimedon queenslandica. a. adulti, b. embrioni i c. larve. d. Filogenija životinja zasnovana na 229 jedarnih gena koji kodiraju proteine kod 18 vrsta sa kompletno sekvenciranim genomima. U ovoj filogeniji plakozoe, knidarije i životinje sa bilateralnom simetrijom grupišu se u jedinstvenu kladu – eumetazoa. Različitim bojama označeno je moguće poreklo gena o kojima će se govoriti u tekstu (prema: Srivastava i sar., 2010).

Analiza genoma A. queenslandica omogućila je uvid u poreklo šest osnovnih

karakteristika višećelijske organizacije životinja. To su: 1. regulacija ćelijskog ciklusa

i rasta, 2. programirana ćelijska smrt (apopotoza), 3. ćelija-ćelija i ćelija-ekstraćelijski

matriks adhezija, 4. signalni putevi značajni za razviće, 5. prepoznavanje stranih ćelija

(alorekognicija) i urođeni imuni odgovori, i 6. specijalizacija ćelijskih tipova. Na

ovom mestu daćemo samo nekoliko opštih napomena o tim karakteristikama.

Osnovni elementi koji učestvuju u regulaciji ćelijskog ciklusa i rasta kod

životinja, vuku koren od ranih eukariota, a specifični regulatorni mehanizmi metazoa

nastali su tokom evolucije ove grupe. Za razliku od ovog sistema, najveći broj

elemenata koji učestvuju u apoptozi, specifični su samo za životinje, a uočava se i

tendencija usložnjavanja mehanizama koji učestvuju u programiranoj smrti ćelije od

filogenetski starijih do filogenetski mlađih grupa. Ranije smo videli da se

dijagnostički domeni dve najveće adhezione familije - kadherini i imunoglobulini –

pojavlju već kod hoanoflagelata. Kadherini kod sunđera stiču arhitekturu sličnu onoj

koja je karakteristična za sve metazoe. Takođe, tokom evolucije metazoa dolazi do

velike ekspanzije proteina koji imaju oblasti slične imunoglobulinima.

Kod sunđera su prisutne komponente glavnih signalnih puteva značajnih za

razviće i klase transkripcionih faktora karakteristične za životinje, što ukazuje da su

17

geni uključeni u individualno razviće, zajedno sa onima koji su odgovorni za

formiranje primarnih germinativnih ćelija, evoluirali u okvirima metazoa. Naravno,

duplikacije gena dovodile su do usložnjavanja specifičnih familija gena tako da, na

primer, kod sunđera, koji nemaju mezoderm, odsustvuju transkripcioni faktori

uključeni u formiranje ovog klicinog lista. Takođe, A. queenslandica nema Hox gene i

neke druge transkripcione faktore koji regulišu oblikovanje telesnog sklopa i nervnog

sistema bilateralnih životinja. Interesantno je da sunđeri, uprkos odsustvu

neuromišićnog sistema, poseduju nekoliko transkripcionih faktora koji su kod

životinja sa bilateralnom simetrijom odgovorni za diferencijaciju mišića i nerava.

Mada su se neki geni značajni za imunski odgovor javili kod eukariota vrlo

rano, prelaz od jednoćelijske do višećelijske organizacije bio je praćen pojavom

potpuno novih mehanizama odbrane od patogena i mehanizama fuzije sa genetički

potpuno drugačijim ćelijama. Na primer, vrlo je verovatno da je predačka forma

receptorske superfamilije interleukina 1 (IL-1R) bila prisutna kod poslednjeg

zajedničkog pretka svih metazoa i da je kasnije divergirala u različitim evolucionim

linijama metazoa.

Da bismo uspešno rekonstruisali evolucioni prelaz od jednoćelijske ka

višećelijskoj organizaciji neophodna su nam znanja i o vezama između kompleksnih

fenotipskih osobina višećelijskih organizama i brojnih multigenskih familija gena

koje kontrolišu različite regulatorne proteine. Transkripcioni faktori sa

homeodomenima (HD) su verovatno jedan od najboljih modela koji nam mogu

pomoći da rasvetlimo postanak složenih fenotipova, zato što upravo oni imaju ključne

uloge u regulaciji osnovnih procesa razvića (kao su regionalizacija tela i regulacija

proliferacije, diferencijacije, adhezije i migracije ćelija) kod životinja, biljaka, gljiva,

pa čak i višećelijskih amebozoa kao što je Dictyostelium sp. Proteini sa

homeodomenima su odsutni kod prokariota. Svi do sada proučeni organizmi sa

takvim proteinima bili su eukarioti. Dodatno, ako su i jednoćelijski, poput ranije

pomenutih hoanoflagelata, oni pripadaju evolucionim linijama kod kojih se javlja

višećelijska organizacija (Derelle i sar., 2007). Ovaj podatak navodi na zaključak da

transkripcioni faktori sa homeodomenima pripadaju „dobrim građevinskim

blokovima“ (King, 2004). Pošto se transkripcioni faktori sa HD javljaju kod svih

velikih evolucionih linija u kojima su prisutni i višećelijski organizmi (životinje,

gljive, biljke, amebozoa i heterokonta), oni su najverovatnije bili prisutni i kod

poslednjeg zajedničkog pretka svih današnjih višećelijskih organizama. Kod nekih

18

parazitskih jednoćelijskih eukariota došlo je do gubitka proteina sa HD, verovatno kao

posledica drastičnog smanjenja genoma.

Analize proteina sa HD kod 42 eukariotske vrste pokazale su da postoje dve

osnovne klase ovih proteina (Derelle i sar., 2007). To je klasa sa 60 aminokiselina u

vezivnom domenu (tipična ili tzv. ne-TALE klasa) i klasa sa 63 aminokiselina (to je

TALE klasa; engl. Three Amino acid Loop Extension)12. Sve analizirane evolucione

linije posedovale su ili obe ili nijednu klasu proteina sa HD. Na osnovu ovih podataka

možemo zaključiti da je poslednji zajednički predak višećelijskih organizama imao

obe klase proteina sa HD. Kod različitih evolucionih linija, u okvirima obe ove klase,

dolazilo je do nezavisnih duplikacija gena, posebno kod životinja i biljaka. Na primer,

kod savremenih životinja transkripcioni faktori sa HD svrstavaju se u 49 familija; u

genomu čoveka se nalazi više od 200 gena sa homeoblokovima, a kod biljke A.

thaliana takvih gena ima oko 80. Kod metazoa, posebno veliku diverzifikaciju

doživela je ne-TALE klasa proteina sa HD, u koje spadaju i Hox geni.

3.2. Uloga Hox gena u razviću i evoluciji životinja

Glavne telesne ose kod životinja sa bilateralnom simetrijom (Bilateria)

formatiraju se vrlo rano u embrionskom razviću. Ključnu ulogu u tim procesima

imaju grupe transkripcionih faktora sa 60 aminokiselina u vezivnom domenu

(homeodomeni). Njih određuju geni koji su fizički povezani u “jata“ (engl. clusters) i

nose naziv Hox geni (slika 3.4). Jata Hox gena se kod Drosophila melanogaster

sastoje od osam gena, a kod sisara 39 članova su raspoređeni u četiri grupe. Ono što

Hox gene čini posebnim nije samo organizacija u vidu jata, već to što njihov raspored

u jatima određuje funkciju gena duž anteriorno-posteriorne (A-P) telesne ose (tj.

postoji prostorna kolinearnost) kod životinja sa bilateralnom simetrijom. Prostorna

kolinearnost zavisi od cis-regulatornih elemenata Hox gena. Putem kontrole ekspresije

niza drugih gena, Hox geni određuju identitet svake ćelije u različitim delovima tela

životinje. Drugim rečima, oni selektuju određene puteve razvića, te se zbog toga često

nazivaju “selektorskim“ genima. Druga važna osobenost Hox gena je to što njihove

mutacije mogu dovesti do transformacije jednog organa u drugi (homeoza).

Najpoznatiji primer homeoze je homeotični mutant Drosophila melanogaster pod

12 Kod dve grupe heterokonta (oomicete i diatomea), javlja se TALE potklasa sa pet umesto tri aminokiseline u vezivnim domenima.

19

imenom “antennapedia“ kod kog su antene na glavi mušica transformisane u dodatni

par drugih nogu. Ćelije koje su formirale te “nove“ noge, jesu izgrađene od ćelija koje

se inače nalaze u antenama, ali su one sledile “pogrešan“ (genetički) program. Hox

geni su ti elementi koji određuju sudbinu ćelija tokom razvića životinja.

Slika 3.4. Jata Hox gena kod D. melanogaster, Caenorhabditis elegans i Mus musculus. Homologni geni su isto obojeni. Kod većine kičmenjaka, Hox geni su raspoređeni u četiri grupe sa varijabilnim brojem gena. Kod nematoda i kičmenjaka došlo je do ekspanzije varijanti Abd-B gena koji je kod voćnih mušica prisutan u jednoj kopiji gde kodira dva različita proteina. Redosled gena ide od 3’ prema 5’ kraju lanca DNK (prema: Forondo et al., 2009).

Zbog vrlo važne uloge koju imaju u procesima razvića, Hox geni su vrlo

konzervisani. Procenjuje se, na primer, da je tokom 75 miliona godina, od razdvajanja

evolucionih linija koje su vodile do savremenih ljudi i miševa, eliminisano 99,7%

nesinonimnih mutacija u Hox genima. Poređenja radi, u istom vremenskom periodu,

eliminisano je oko 85% nesinonimnih mutacija u slučajno uzetom uzorku gena koji

kodiraju proteine čoveka i miša (Nei, 2007)13.

Organizacija Hox gena u jata nije ista kod svih životinja. Kičmenjaci imaju

imaju najkompaktnije organizovane Hox gene u jatima. Kod njih, svi geni imaju istu

transkripcioni orjentaciju (3’ → 5’) i protežu se na oko 100 kb (slika 3.4). Takođe, 13 Visoko konzervisana struktura Hox gena, naravno, ne znači da su stope mutacija u njima niže nego kod drugih gena. Njihova konzervisanost posledica je visokog inteziteta purifikujuće selekcije. Intenzitet purifikujuće selekcije može se proceniti na osnovu poređenja broja nesinonimnih (dN) i sinonimnih (dS) zamena po nukleotidnom mestu između dve vrste. Pod pretpostavkom da su sinonimne zamene neutralne, očekuje se da će kod Hox gena broj dN biti manji od dS. Intenzitet purifikujuće selekcije se može proceniti iz jednačine 1 - dN/dS. Analiza 2340 kodona u 39 Hox gena čoveka i miša dala je sledeći rezultat: 1 – 0,001/0,313 = 0,997, ili 99,7%. Prosečan dN/dS na 1000 gena uzetih po principu slučajnosti (geni koji kodiraju proteine kod čoveka i miša) iznosio je oko 0,15, što znači da je selekcija eliminisala oko 85% nesinonimnih zamena tokom evolucije ove dve vrste.

20

ova jata su veoma bogata konzervisanim nekodirajućim nizovima DNK, sa vrlo malo

ponovljivih sekvenci. Hox geni kod kičmenjaka imaju uglavnom vrlo male introne

(izuzetak su gušteri i zmije, videti kasnije), što sve skupa pojačava “kompaktnost“

jata. Ovakva organizacija je omogućila da se sa najmanjom mogućom količinom

konzervisanih nizova DNK ostvari velika funkcionalna efikasnost Hox gena

(Duboule, 2007). Pored ovakvih Hox jata, koja se nazivaju “organizovanim jatima“

(O tip), postoje “disorganizovana“ (D tip, kod morskih ježeva i amfioksusa),

“razdvojena“ (S tip, kod drozofile), i “atomizirana“ (A tip, kod urohordata, videti

kasnije; Duboule, 2007, slika.3.5). U poređenju sa jatima kičmenjaka, jata sa manje

čvrstom organizacijom prostiru se na znatno dužim nizovim DNK; na primer, Hox

jata kod amfioksusa zauzimaju oko 450 kb, što je preko 4 puta više nego kod

kičmenjaka.

Slika 3.5. Strukturna klasifikacija Hox jata. Tip O predstavlja visoko organizovana jata koja su prisutna, koliko se danas zna, samo kod kičmenjaka. Tip D jata se protežu na znatno dužim nizovima DNK i pored Hox gena (crni boksovi), koji imaju različite transkripcione orjentacije, u jatima se nalaze i neHox geni (beli boksovi), kao ponovljivi nizovi DNK (primeri su morski ježevi i amfioksus). S tip (od engl Split) poseduje karakteristike O i D tipa u svakom od subjata (kao kod drozofile i drugih diptera), dok kod A tipa Hox geni zapravo i nisu organizovani u jata, kao kod urodela (prema: Duboule, 2007).

Grupisanje Hox gena u jata je od velike važnosti za razviće budući da

temporalna kolinearnost (tj. sled ekspresije Hox gena tokom razvića) zavisi od

arhitekture jata Hox gena. Kod svih kičmenjaka postoji, pored prostorne, i vremenska

21

kolinearnost14. Kod sisara i ptica, tokom gastrulacije se uočava sekvencijalna

inicijalna ekspresija Hox gena u 3’→ 5’ smeru.

Kako je došlo do visoke organizovanosti Hox jata kod kičmenjaka još uvek

nije sasvim jasno. Prema jednoj hipotezi (Duboule, 2007), “konsolidacija“

organizacije Hox jata kod kičmenjaka bila je posledica pojave globalne regulacije

(putem lokusnih kontrolnih regiona, LCR, videti deo 2.4.1). Nastanak zajedničkog

kontrolnog regiona van samog jata (nalazi se uzvodno od 3’ kraja jata), koji je

omogućio koordinisanu transkripcija susednih gena, doveo je do formiranja optimalne

strukturne organizacije jata, kao što su eliminacija neHox gena i smanjenje

intergenskih regiona i introna unutar gena (slika 3.6). Takođe, ovaj proces je

omogućio pojavu dodatnih mehanizama zajedničke regulacije. Na primer, tetrapode

su tokom evolucije stekle još jedan značajan mehanizam regulacije aktivnosti Hox

gena. To je pojačavač, udaljen oko 160 kb od 5’ kraja Hoxd13 gena, koji kontroliše

ekspresiju posteriornih Hoxd gena u distalnim delovima udova (to je tzv. autopodni

region koji tokom razvića daje prste). Ovaj pojačavač, dakle, smatra se odgovornim

za pojavu prstiju kod tetrapoda, a nalazi se u delu genoma koji inače sadrži veći broj

neuralnih pojačavača (Deschamps, 2007). Njegov uticaj na ekspresiju Hox gena iz D

jata kod tetrapoda najviše se odražava na gene locirane na 5’ kraju (tj. najbliže

pojačavaču), a praktično odsustvuje kod gena koji se nalaze u blizini 3’ kraja. Ova

novostečena kontrola ekspresije gena iz D jata Hox gena najverovatnije se pojavila

kod zajedničkih predaka riba iz grupe Sarcopetrygii i tetrapoda, pošto nedavno

otkriven devonski fosil ribe slične tetrapodama, Tiktaalik15, poseduje osnovne kosti

zglobova i jednostavne prste.

14 Iako su voćne mušice bile prve kod kojih su otkriveni Hox geni, svi Hox geni se kod njih eksprimiraju istovremeno, što je u suprotnosti sa podacima dobijenim kod kičmenjaka i drugih insekata. 15 Tiktaalik je fosil pronađen u kanadskom arktičkom arhipelagu 2004. godine. Pored brojnih “ribljih“ osobina, poseduje mnoge karakteristike slične tetrapodama (četvoronogim kopnenim kičmenjacima) i smatra se da je pripadao grupi organizama koje su se adaptirale na plitke vode sa malom količinom kiseonika. Takav pravac evolucije vodio je nastanku kopnenih kičmenjaka. Starost Tiktaalika procenjena je na oko 375 miliona godina. Budući da se pronađeni primitivni tetrapodni otisci datiraju na još starije vreme (oko 10 miliona godina pre Tiktaalika), verovatno je da Tiktaalik predstavlja “zaostali relikt“ nekada veće grupe vrsta (starih oko 400 miliona godina) koje su imale mešavinu osobina akvatičnih i terestričnih kičmenjaka.

22

Slika 3.6. Evolucija konsolidacije Hox jata kod kičmenjaka. A. Shematski prikaz D jata kod predaka bilateralnih životinja. Hox geni (crni boksovi) imaju različite transkripcione orjentacije (strelice), a među njima se nalaze i neHox geni (beli boksovi). Podgrupe Hox gena se drže zajedno zahvaljući zajedničkim cis-regulatornim elementima (plavi kružići). B. D/O jato, koje je verovatno bilo prisutno kod predaka hordata. Pojava zajedničkog cis-regulatornog elementa u kontrolnom regionu (CR; braon boja) predstavlja početak konsolidacije jata. C. Posle 2R duplikacija genoma, jata se još više konsoliduju zbog pojave novih cis-regulatora (crveni, žuti i zeleni boksovi i strelice) u kontrolnom regionu, koji sada postaje vrlo složen. Osim globalnog kontrolnog regiona, koji se nalazi uz 3’ kraj Hox jata, kod tertrapoda se pojavljuje i nov kontrolni region uz 5’ kraj jata (prema: Duboule 2007).

Definitivna prostorna kolinearna ekspresija Hox gena, tokom kasnijih

stupnjeva razvića, uključuje dodatne tkivno-specifične aktivacije gena. Organizacija

Hox gena koji se nalaze uz anteriorni (3’) kraj, vrlo je konzervisana i smatra se da je

bila prisutna pre razdvajanja Cnidaria (meduze, hidre, korali) i Bilateria. S druge

strane, organizacija HOX jata uz posteriorni (5’) kraj doživela je, tokom evolucije,

velike rearanžmane, što je, kako ćemo videti, imalo značajne posledice u pojavi novih

oblika regulacije Hox gena u posteriornom delu jata.

23

Retinoična kiselina (RA; engl Retinoic Acid) je glavni regulator temporalne

kolinearnosti Hox gena16. RA reguliše temporalnu ekspresiju Hox gena tako što

postepeno povećava broj Hox gena iz jata koji se nalaze van teritorije kondenzovanog

hromatina. Ovo, naravno, omogućava postepeno povećavanje broja Hox gena kojima

će, tokom vremena, moći da “pristupe“ delovi aparata za transkripciju. RA se vezuje

za jedan receptor (RAR; engl. Retinoic Acid Receptor), koji zatim formira

heterodimer sa drugim receptorom (RXR; engl. Retinoid-X-Receptor) na mestu koje

reaguje na RA, a nalazi se u blizini ili unutar određenog Hox gena. Aktiviran RAR

regrutuje proteinske komplekse u kojima se nalaze histonske acetiltransferaze, a one

indukuju postepene promene u hromatinskoj strukturi (videti deo 2.4.3.3). U ovaj

sistem regulacije uključeni su geni koji kontrolišu sintezu (npr. ALDH1A) ili

degradaciju RA (npr. Cyp26) i tako zajedno regulišu raspodelu RA tokom razvića.

Dugo se smatralo da je RA sistem prisutan samo kod hordata. Nedavno je, međutim,

otkriveno da geni ovog sistema postoje i kod nekih drugih deuterostoma, tako da je

vrlo verovatno da su hordate “samo“ upotrebili proizvode ovih gena za nove funkcije

u razviću.

U regionima gde se ekspresije anteriornih i posterionih Hox gena preklapaju,

dolazi do pojave koja se naziva “posteriorna prevalencija“ (Duboule i Morata, 1994),

u kojoj proizvodi gena bližih 5’ kraju dominiraju nad proizvodima gena koji se nalaze

bliže 3’ kraju. Smatra se da je ova funkcionalna hijerarhija, koja se uočava čak i u

odsustvu apsolutne prostorne i vremenske kolinearnosti, vezana za sam proces

formiranja jata Hox gena. Naime, u procesu neofunkcionalizacije (deo 2.3.3), koja je

sledila posle tandemskih duplikacija, kasnije nastali Hox geni, a to su po pravilu oni

koji se nalaze bliže 5’ kraju, mogli su da steknu sposobnost modifikacije “programa“

svojih “roditelja“ tako što su bili (1) efikasniji u vezivanju za zajedničke cis- 16 Zbog neobično važne uloge u regulaciji Hox gena kod kičmenjaka, svaki poremećaj u količini i vremenu pojavljivanja retinoične kiseline tokom embriogeneze može dovesti do poremećaja u razviću organizama. Poznati su teratogeni efekti 13-cis-retinoične kiseline (naziva se i isotretinoin ili akutan u farmaceutskoj proizvodnji) koja se koristi u lečenju cističnih akni. Upustva za akutan sadrže upozorenja o njegovim štetnim efektima kod trudnica. Jedna studija na grupi trudnica koje su koristile akutan, pokazala je da od 59 fetusa, 26 nije imalo nikakav vidljiv poremećaj, 12 trudnica je spontano pobacilo, a 21 beba rođena je sa vidljivim abnormalnostima (npr. odsustvo ili abnormalne uši, odsustvo ili vrlo mala vilica, i niz abnormalnosti centralnog nervnog sistema). Eksperimenti na miševima su pokazali da višak retinoične kiseline sprečava migraciju i proliferaciju ćelija kranijalne nervne kreste (kritičan momenat razvića za teratogene efekte retonične kiseline kod čoveka je između 25 i 35 dana). Uzimanje vitamina A, koji je prekursor retinoične kiseline, u prekomernim količinama, takođe može imati teratogene efekte. Procenjuje se da trudnice koje uzimaju više od 10000 internacionalnih jedinica vitamina A dnevno, imaju oko 2% šansu da rode dete sa poremećajima koje izaziva višak retinoične kiseline.

24

regulatorne elemente gena čiju ekspresiju kontrolišu, ili (2) tako što su stvorili

paralelnu mrežu gena koja je dominirala nad mrežom koju su kontrolisali anteriorni

Hox geni (Yekta i sar., 2008).

Posteriornu prevalenciju u jatima Hox gena kod kičmenjaka izgleda da

regulišu dve familije miRNK (deo 2.3.3)17. Naime, postoje indikacije da se miR-10 i

miR-196 preferencijalno vezuju za 3’UTR iRNK posteriornih Hox gena i na taj način

smanjuju sintezu odgovarajućih proteina, odnosno odlažu njihove negativne efekte na

anteriorne gene (Yekta i sar., 2008). Zanimljivo je da se geni za obe familije miRNK

nalaze u okvirima Hox jata; miR-10 geni se nalaze između Hox4 i Hox5, ili unutar

introna Hoxd4, a miR-196 između Hox 9 i Hox10 svih jata osim D jata. miR-196 se

javlja isključivo kod kičmenjaka, a miR-10 ima ortologne parnjake kod voćnih mušica

i nematoda18.

3.2.1. Kako Hox geni ostvaruju svoje funkcije?

Transkripcioni faktori, koje kodiraju Hox geni, aktiviraju ili inaktiviraju grupe

gena tako što se direktno vezuju za njihove pojačavače. Elementi pojačavača koji

reaguju na Hox proteine, često su postavljeni uz mesta vezivanja drugih

transkripcionih faktora, kao što su efektori signalnih puteva ili proteina koji određuju

tkivnu specifičnost. Specifičnost vezivanja Hox proteina u ćelijama zavisi od

kofaktora. Najbolje je proučen Exd (engl. extradenticle) koafaktor drozofile (Exd

protein takođe ima homeodomen, ali pripada TALE grupi, videti ranije). Prema

jednom modelu (naziva se model selektivnog vezivanja), samo različite Exd-Hox

kombinacije određuju za koji će se od niza sličnih nizova od oko desetak nukleotida

vezati heteropolimer. Prema drugom modelu, različite Exd-Hox kombinacije nisu

ključne, već se specifičnost delovanja Hox gena određuje različitim aktivnostima

17 Vrlo je moguće da kod kičmenjaka i druge familije miRNK učestvuju u regulaciji aktivnosti Hox gena. Naime, od 39 Hox gena sisara, njih 30 ima 3’UTR krajeve iRNK za koje se mogu vezivati kičmenjačke miRNK. 18 Postoje i druge familije miRNK koje imaju značajne funkcije u formiranju telesnog sklopa kičmenjaka. Značajno je to što su se mnoge od njih pojavile kod poslednjih zajedničkih predaka protostoma i deuterostoma, što se javljaju samo u specifičnim tkivima i, najzad, što su vrlo konzervisane (Christodoulou i sar., 2010). Na primer, najstariji poznati skup miRNK kod životinja, miR-100 i njeni srodnici miR-125 i let-7, inicijalno su bili aktivni samo u neurosekretnim ćelijama koje su locirane oko usnog otvora. Drugi skup drevnih i vrlo konzervisanih miRNK prvi put se pojavio kod lokomotornih cilijatnih ćelija (miR-29, miR-34, miR-92) i specifičnih centara u mozgu (mir-7, mir-9, miR-137 i miR-135). Ovi podaci su značajni jer ukazuju da je do centralizacije nervnog sistema došlo pre razdvajanja protostoma i deuterostoma.

25

dimera koji regrutuju različite ko-aktivatore ili ko-represore. Pošto postoje primeri za

oba modela, moguće da se specifičnost regulacije pomoću Hox gena postiže na oba

načina.

Regulatorne aktivnosti Hox gena ostvaraju se na dva nivoa: 1. delovanjem na

gene koji kodiraju signalne molekule ili druge transkripcione faktore, i 2. direktnim

delovanjem na brojne gene koji učestvuju u ćelijskoj adheziji, kontroli ćelijskog

ciklusa, ćelijskog kretanja i apoptozi. U prvom slučaju, Hox geni se ponašaju kao

glavni regulatori (“master“ geni), a u drugom slučaju njihova uloga se svodi na

“mikromenadžment“.

Postoje brojni primeri složenih mreža regulacije na čijem se vrhu nalaze Hox

geni. Recimo, kod D. melanogaster, aktivacija/represija dpp gena (engl.

decapentaplegic), koji se ispoljava u A-P oblasti visceralnog mezoderma (to je grupa

mezodermskih ćelija koja okružuje endodermska tkiva kao što je crevo), zavisi od dva

Hox gena – Ubx i Abd-A. Pojava DPP proteina (to je morfogen iz klase koštanih

morfogenetskih proteina - BMP), opet, predstavlja okidač za promenu oblika ćelija u

crevima, što je nephodno za normalno formiranje creva kod voćnih mušica. Aktivnost

gena Ubx i Abd-A u abdominskom epidermisu voćnih mušica, međutim, dovodi do

represije Dll gena (engl. distal-less). Pošto Dll kodira transkripcioni faktor sa

homedomenom koji promoviše razviće udova, njegova represija u abdomenskom

epidermisu sprečava pojavu nogu na “pogrešnom“ delu tela mušica (stomaku).

Prilikom oblikovanja telesnog sklopa, Hox geni mogu direktno da deluju na

aktivnost gena koji realizuju (“geni realizatori“) pojavu neke osobine. Na primer, kod

miševa, Hoxa13 se normalno ispoljava tokom razvića autopoda (to su distalni delovi

primordijalnog tkiva od kojih nastaju strukture kao što su šapice miševa). Ektopička

aktivacija Hoxa13 duž razvijajućih udova dovodi do velikog smanjenja primordijalne

proksimalne hrskavice, iz koje se normalno razvijaju kosti ulna i radijus. Ovaj fenotip

se povezuje sa Hoxa13-zavisnim povećanjem homofilične ćelijske adhezije u

proksimalnim delovima primordijalne hrskavice. Miševi kod kojih je Hoxa13

nefunkcionalan imaju niz abnormalnosti prstiju, karpalnih i tarzalnih kostiju.

Kod sisara, Hox geni su direktno uključeni i u razviće krvnih ćelija. Hoxa10 je

uključen u kontrolu razvića mijeloidnih i eritroidnih ćelija u koštanoj srži. Na primer,

eksperimentalno povećana ekspresija Hoxa10 u kulturi mijelomonocita (to su

pluripotentne ćelije koje se diferenciraju u imunske ćelije kao što su granulociti,

26

dendričke ćelije i monociti) dovodi do prevremenske diferencijacije u monicite i

zaustavljanja daljeg rasta.

Jedan od načina kako Hox geni regulišu pojavu različitih morfoloških

fenotipova jeste putem odbacivanja grupe ćelija koje nisu deo “željenog“ oblika tkiva.

Održavanje granice između maksilarnih i mandibularnih delova glave kod voćnih

mušica, primer je ove “vajarske“ aktivnosti Hox gena. Ova granica se formira tako što

dolazi do lokalne apoptoze ćelija između maksilarnog i mandibilarnog dela glave, a

ona se odigrava zahvaljući genu rpr (engl. reaper) koga, opet, reguliše Dfd (engl.

deformed) Hox gen drozofile. Kod voćnih mušica, Hox geni takođe regulišu i

apoptozu neophodnu za korektno pozicioniranje glave, a kod miševa kontrola

apoptoze se ostvaruje tokom formiranja kičmenog stuba.

Poslednjih 20 godina nakupilo se mnogo primera koji jasno ukazuju da su

mutacije u Hox genima predstavljale značajan činilac u morfološkoj evoluciji

Bilateria, odnosno da je telesni sklop životinja evoluciono menjan usled mutacija u

nekim delovima regulatorne mreže koju kontrolišu Hox geni.

Mnoge od morfoloških promena kod životinja uslovljene su mutacijama u cis-

regulatornim elementima Hox gena. Na primer, varijacije u obrascima ekspresije Ubx

i Abd-A ortolognih gena kod različitih grupa rakova u visokoj su korelaciji sa

evolucijom njihovih prednjih udova na toraksu u specijalizovane organe za ishranu

(maksilipedija). Kod srodnih vrsta Drosophila, varijacije uslovljene malim

promenama u cis-regulatornim elementima Ubx gena u korelaciji su sa razlikama koje

se uočavaju između vrsta u broju dlačica na femuru drugog para nogu.

Na osnovu uvida u to kako Hox geni određuju broj kičmenih pršljenova u

različitim delovima tela, možemo zaključiti i kako isti Hox gen može učestvovati u

oblikovanju specifične telesne strukture kičmenjaka. Poređenjima obrazaca ekspresije

Hox gena sa regionalnim tipom kičmenih pršljenova, zaključilo se da regionalni tip

pršljenova zavisi od grupisanja tih gena u somitima. Na primer, miš ima pet

potiljačnih, sedam vratnih, 13 grudnih, šest slabinskih i četiri krstačna kičmena

pršljena. Kod kokošaka, s druge strane, postoji pet potiljačnih, 14 vratnih, sedam

grudnih, devet slabinskih i četiri krstačna kičmena pršljena. Kod obe grupe životinja,

Hoxc5 gen je aktiviran na kraju vratnih pršljenova, a Hoxc6 na početku grudnih

pršljenova. Međutim, kod miševa to se dešava na granici između 12. i 13. pršljena,

dok je kod kokošaka to između 9. – 10. i 20. kičmenog pršljena (slika 3.7). Dakle, kod

27

kičmenjaka, do promene u morfologiji može doći ukoliko se promeni oblast

ekspresije Hox gena.

Slika 3.7. Shematski prikaz ekspresije Hox gena koji učestvuju u određivanju broja kičmenih pršljenova kod kokoške i miša (prema Gilbert i Epel, 2009).

Zanimljiv primer su zmije koje imaju stotine sličnih kičmenih pršljenova (sa

građom grudnih pršljenova). Zmije su evoluirale od predaka sličnih savremenim

gušterima, dakle od životinja sa parnim udovima i jasno regionalizovanim aksijalnim

skeletom. Proučavanja ekspresije Hox gena kod embriona zmija, pokazala su da je

“evoluciona respecifikacija“ drugih pršljenova prema grudnim, povezana sa širenjem

oblasti delovanja Hoxc6 i Hoxc8 gena koji kontrolišu grudne pršljenove (Cohn i

Tickle, 1999). U poređenju sa gušterima, kod zmije Pantheropis guttatus najviše

promena u ekspresije uočeno je u Hox13 i Hox10 genima, što je u skladu sa

ekspanzijom kaudalnog i torakalnog regiona zmija (Di-Poi i sar., 2010). Takođe,

gubitak prednjih udova kod zmija se povezuje sa prednjim pomeranjem granica

ekspresije Hox gena koji se kod drugih kičmenjaka izražava u telesnom zidu bez

udova. Anteriorno proširenje ekspresije Hox gena dovelo je i do pomeranja unazad

prednjeg dela tela zmija, transformišući, na taj način, vratne u grudne pršljenove.

28

Region gde se inače formiraju prednji udovi kod drugih gmizavaca, ne učestvuje u

njihovom stvaranju. Razviće zadnjih udova kod zmija inhibirano je na drugi način,

verovatno odustvom ekspresije nekih gena iz Hedghog signalnog puta. Paleontološki

podaci takođe pokazuju da je kod predaka zmija do gubitka prednjih udova došlo

ranije.

Zmije i gušteri se svrstavaju u red Squamata za koji je pokazano da imaju

nešto drugačiju organizaciju jata Hox gena nego drugi kičmenjaci, uključujući i druge

redove gmizavaca. Kod Squamata, jata Hox gena su znatno veća, pre svega zbog

povećanja intergenskih regiona i introna (Di-Poi i sar., 2010). Takođe, za razliku od

drugih kičmenjaka koji oko Hox gena imaju vrlo malo mobilnih elemenata (videti deo

2.2), u jatima Hox gena guštera i zmija nalaze se brojni mobilni genetički elementi

(SINE, LINE, DNK transpozoni). Atipična struktura jata Hox gena kod Squamata,

posebno prisustvo mobilnih elemenata, ukazuje da je to najverovatniji razlog za

uočene promene načina regulacije Hox gena, koje se u najdrastičnijem vidu

ispoljavaju kod zmija. Detaljnije analize će pokazati da li je veliko prisustvo mobilnih

genetičkih elemenata dovelo do epigenetičke modifikacije gena u Hox jatima zmija.

Zbog evoluciono malih promena u homeoblokovima i u pozicijama unutar

grupa, na osnovu Hox gena moguće su i filogenetske analize velikog broja kola

Metazoa. Naravno, prilikom ovih analiza ne treba zaboraviti da velika

konzervativnost nukleotidnih nizova ne mora obavezno značiti i da je njihov efekat na

razviće ostao tokom evolucije nepromenjen. Drugim rečima, regulatorna uloga

pojedinih Hox gena kod savremenih organizama ne mora u potpunosti odgovarati

onoj koju su oni imali kod dalekih predaka tih taksona. Na primer, poznato je da se

Hoxa9 i Hoxd9 geni sekvencijalno aktiviraju tokom razvića udova kičmenjaka,

međutim, ti geni ne samo da su ortologni sa AbdB genom drozofile, već i sa egl5

genom nematode Caenorhabditis elegans. To naravno znači da su ti geni nastali

daleko pre nego što su se pojavili udovi.

Značaj Hox gena, za razviće i evoluciju kičmenjaka, uočen je i preko prisustva

jednog broja tzv. atavističkih osobina koje su nastajale posle gubitka nekog od gena sa

homeoblokovima. Na primer, gubitak (ili narušavanje funkcije) Hoxa2 gena dovodi

kod miševa do transformacije drugog luka ždrela u kopiju prvog luka. Mutantni fetusi

zbog toga nemaju ušni stremen (stapes) i stiloidne kosti koje se formiraju iz drugog

luka, ali, zato, imaju višak drugih kostiju: čekića (malleus), nakovnja (incus),

timpanične i skvamozne kosti. Kod takvih embriona miševa se, takođe, uočavaju

29

štapićaste hrskavice koje se spajaju u tzv. alisfenoidne elemente, čiji je zadnji kraj u

kontaktu sa nakovnjem koji je u višku. Zanimljivo je da ovakve formacije ne postoje

ni kod jednog sisara, ali se slične strukture javljaju kod gmizavaca (postoji

homologija sa tzv. pterigokvadratnom hrskavicom gmizavaca).

Jedan od rezultata analize velikog broja genoma savremenih organizama jeste

i “detroniziranje“ cefalohordata (npr. amfioksus) kao sestrinske grupe vertebrata

(Canestro i sar., 2007). Sestrinskom grupom hordata danas se smatraju urohordate (u

koje ulaze ascidije i larvace). Ova napomena je bila važna jer grupisanje u jata Hox

gena postoji kod cefalohordata i vertebrata, što znači da je takav raspored Hox gena

imao i poslednji zajednički predak svih životinja sa bilateranom simetrijom tela.

Urohordate, koje su se kasnije od cefalohordata odvojile od evolucione linije koja je

vodila prema savremenim hordatama, međutim, nemaju Hox gene u jatima već su oni

raspršeni u dve ili više grupa. Na primer, ascidija Ciona intestinalis ima 9 Hox gena

koji se nalaze na pet različitih pozicija u genomu, a kod jedne larvace, Oikopleura

dioica, svaki od 9 Hox gena nalazi se na drugom mestu u genomu. Grupisanje Hox

gena u jata je važno za, kako smo ranije rekli, temporalnu kolinearnost, koja je

prisutna kod cefalohordata i vertebrata, a retinoična kiselina predstavlja glavni

regulator temporalne kolinearnosti. Grupa larvace je jedina među urohordatama koja

kod adulta održava telesni sklop hordata, ali kod nje ne postoje geni neophodni za

funkcionisanje retinoičnog sistema temporalne regulacije razvića. Pošto je kod

cefalohordata prisutan sistem temporalne regulacije Hox gena pomoću retinoične

kiseline, to znači da su larvace sekundarno izgubile ovaj sistem regulacije, i da one

koriste neki alternativni način regulacije Hox gena. Zanimljivo je takođe da ascidije,

druga grupa urohordata, poseduju elemente retinoičnog sistema, ali ga ne koriste u

regulaciji Hox gena, već, verovatno, za funkcije, kao što su regeneracija tkiva i

aseksualno razmnožavanje.

Najverovatniji razlog odsustva retinoičnog sistema regulacije kod urohordata

jeste odsustvo organizacije Hox gena u jata. Postavljena je hipoteza prema kojoj je

snažna selekcija za brzo razviće i kratak životni ciklus (kod O. dioica generacija traje

samo 10 dana) istovremeno dovela do smanjenja genoma i do pojave tzv.

determinativnog rasta (način razvića kod kog je sudbina ćelija određena u vrlo ranim

fazama embrogeneze), što je smanjilo zavisnost koordinisane embriogeneze od

ekstraćelijskih signala poput retinoične kiseline (Canestro i sar., 2007). Pošto je svako

smanjenje genoma obično praćeno brojnim rearanžmanima hromozoma, jata Hox

30

gena su razbacana po genomima urohordata, što je, opet, dovelo do gubljenja nekih

mehanizama kontrole njihove ekspresije.

Slika 3.8. Smanjenje genoma i morfologija. Urohordate imaju determinativan način razvića i male genome u kojima odsustvuje temporalna kolinearnost u ekspresiji Hox gena. Kod urohordata, takođe, odsustvuje i sistem za DNK metilaciju (videti poglavlje 2.4.3.3). Prema: Canestro i sar. (2007).

Neke analize homologije između Hox gena kod Metazoa (Valentine i sar.,

1996) ukazuju da postoji pozitivna korelacija između broja tih gena i morfološke

složenosti. Prema jednoj hipotezi, duplikacije gena koji kontrolišu razviće, imale su

veoma značajnu ulogu u nastanku novih, mada do određenog stepena ponovljenih,

puteva razvića. Isto tako, izgleda da gubitak Hox gena može imati značajnu ulogu u

procesima evolucije. Na primer, analize kod tri vrste iz grupe Cirripedia (za koje je

karakteristično odsustvo abdominalnih segmenata), pokazale su da one nemaju

homeotični gen abdA, inače prisutan kod drugih artropoda (videti deo 3.5.3).

3.2.2. Postanak i evolucija gena sa homeblokovima

Poslednjih godina, pored jata Hox gena, otkrivene su još dve grupe gena sa

homeoblokovima koje su značajne za razviće životinja (Garcia-Fernandez, 2005).

Prvu grupu čini tzv. paraHox jato koje je nastalo, kao i Hox jato, duplikacijom

predačkog protoHox jata vrlo rano u evoluciji metazoa. U drugu grupu spada tzv. NK

jato (ime je dobijeno po prvim slovima prezimena naučnika koji su ga otkrili –

Niremberga i Kima), srodno kako Hox tako i paraHox jatu. Kod nekih evolucionih

linija sva tri jata nalaze se u istim regionima genoma jedno uz drugo, kao što je,

najverovatnije, bilo u ranim fazama evolucije metazoa (slika 3.9). Ova tri jata gena sa

31

homeoblokovima Garsija-Fernandez naziva “mega jato“ (često se naziva još i ANTP

klasom gena sa homeoblokovima prema prvootkrivenom homeotičnom mutantu kod

drozofile - “antennapedia”)

Slika 3.9. Evolucija mega jata odigravala se kroz seriju tandemskih duplikacija (prema: Gracia-Fernandez, 2005).

Ekspresija ove tri srodne grupe gena sa homeoblokovima povezana je, izgleda,

sa pojavom i evolucijom tri embrionska klicina lista. Hox geni se ispoljavaju u svim

klicinim listovima, ali pretežno u ektodermu. ParaHox geni se pretežno ispoljavaju u

organima endodermskog porekla, a NK geni u organima mezodermskog porekla. Hox

jato se kod voćnih mušica i vertebrata najčešće ispoljava u ektodermskim i

neuroektodermskim tkivima, a analiza eksresije ovih gena kod amfioksusa ukazuje da

je osnovna funkcija Hox jata kod hordata bila vezana za formatiranje neuroektoderma,

i to kako centralnog nervnog sistema tako i perifernog nervnog sistema. Kod

amfioksusa, ParaHox geni pokazuju prostornu i vremensku kolinearnost koja je

manje izražena nego kod Hox gena. Duž A-P telesne ose, Cdx gen, koji je najbliži P

kraju, uglavnom se ispoljava u endodermu repnih tkiva. Kod vertebrata Cdx geni su

važni u ranim fazama intestinalne morfogeneze. NK jato je naviše proučavano kod

voćnih mušica, gde se svih šest gena u jatu ispoljavaju u tkivima mezodermskog

porekla. I kod hordata se ovo jato, razdvojena sada u tri grupe, ispoljava u

mezodermu, a za neke od tih gena je utvrđeno da su značajni u razviću srca.

Filogenetske rekonstrukcije su pokazale da se Hox geni mogu, na osnovu

pozicije u jatu i mestu ekspresije, klasifikovati u četiri grupe: anteriornu grupu (A),

32

grupu 3, centralnu grupu (C) i posteriornu grupu (P). Mada se postanak Hox gena još

uvek ne može rekonstruisati sa većom sigurnošću, veruje se da je poslednji zajednički

predak protostoma i deuterostoma mogao imati jedno jato sa 7-9 gena (slika 3.10).

Ovo jato se zatim povećalo kod hordata do 14 članova. Potpune duplikacije jata, sa

gubitkom pojedinih gena, dovele su do pojave 39 gena raspoređenih u 4 jata, koji se

danas vidi kod sisara, i do 14 jata kod košljoriba.

Slika 3.10. Evolucija Hox jata kod metazoa. Strelicama su označene pojave značajnih osobina metazoa (prema: Garcia-Fernandez, 2005).

Većina filogenetskih rekonstrukcija ukazuje da su Hox i ParaHox jata nastala

duplikacijom protoHox jata koje imalo sva četiri člana (A-3-C-P). Ova duplikacija se

odigrala pre divergencije knidarija (životinje sa radijalnom simetrijom tela, kao što su

meduze, hidre, korali) i životinja sa bilateralnom simetrijom. Prema jednoj hipotezi,

posle duplikacije ParaHox jato je izgubilo C gene, a Hox jato se dodatnim

duplikacijama “ubacilo“ u poziciju koja bi pripadala ParaHox C genima. Filogenetska

pozicija NK jata još uvek nije sasvim jasna, ali izgleda da je jato od 7 NK gena

postojalo kod poslednjeg zajedničkog pretka svih Bilateria, pre razdvajanja na

33

protostome i deuterostome. Kod hordata ovo jato nije više kompaktno već je

razdeljeno na tri grupe.

3.3. Modularna organizacija razvića i evolucija telesnih sklopova

Imajući u vidu da je individualno razviće višećelijskih organizama složeno i sa

vrlo usklađenim procesima, postavlja se pitanje kako su bile moguće različite

modifikacije pojedinih delova organizama, a da se pri tome ne ugroze prethodno

dostignuta stanja drugih delova. Do takvih modifikacija je dolazilo zato što se

individualno razviće odvija kroz interakcije manjeg ili većeg broja relativno stabilnih

modula. Organizmi su “konstruisani“ od jedinica koje su relativno koherentne unutar

sebe, a opet su delovi većih jedinica. Ćelije su delovi tkiva, koji su, opet, delovi

organa koji čine organske sisteme i, konačno, organizam u celini. Evolucija

genetičkih mehanizama koji kontrolišu individuaciju različitih delova tela, poput

transkripcionih faktora sa homeoblokovima i modularne organizacije cis-regulatornih

elemenata (o tome smo detaljno govorili u delu 2.4.1), omogućila je relativnu

nezavisnost procesa razvića tih delova tela. Na taj način, na primer, prednji udovi

kičmenjaka mogli su kod ptica evoluirati u krila, dok su zadnji udovi zadržali funkciju

u hodanju. Razdvajanje mehanizama kontrole razvića udova kod kičmenjaka

omogućavalo je, opet, da se na prednjim udovima pojavi perje, a na zadnjim zadrže

krljušti. Dakle, modularna organizacija razvića omogućava različitim delovima tela

da se menjaju, a da se, pri tome, ne ugrožavaju druge telesne funkcije.

Možda najspektakularnija ilustracija izrečenog predstavlja eksperiment sa

voćnom mušicom, u kome su, ubacivnjem jednog gena (eyeless) iz Pax6 familije u

različite delove embriona (imaginalne diskove), dobijene jedinke sa očima na krilima,

nogama i antenama (Halder i sar., 1995)! Te oči, koje su se nalazile van “pravog

mesta“, imale su sve neophodne elemente “pravih očiju“, uključujući fotoreceptore, i

pokazivale su reakcije na svetlost (slika 3.11). Ovaj primer pokazuje da postoji jedan

(genetički) signal za stvaranje očiju kod drozofile, koji deluje skoro bez greške i bez

obzira što se gen nalazi u “pogrešnom“ delu tela. Sve funkcionalno relevantne

strukture očiju ostale su zajedno i na novim mestima. Drugim rečima, promenom

mesta ekspresije Pax6 gena, ostali su sačuvani svi odnosi između funkcionalno

nezavisnih delova oka, ali se promenio odnos očiju prema drugim delovima tela.

34

Slika 3.11. Razviće očiju kod voćne mušice. a. Normalma mušica sa očima. b. Mušica bez očiju nastala eyeless mutacijom (gen je iz Pax6 familije gena sa homeoblokovima). c. Mušice sa očima na antenama i d. krilima (prema: Carroll i sar., 2001).

Ključ za razumevanje načina kako Pax6 gen reguliše formiranje očiju,

uključujući i njihovo pojavljivanje van pravog mesta u telu, nalazi se u njegovoj

složenoj modularnoj organizaciji. Nizovi nukleotida neophodni za ekspresiju Pax6

gena obuhvataju oko 7 kb nekodirajuće DNK na 5’ i 3’ krajevima gena i unutar

jednog introna (Adachi i sar., 2003). U tim nizovima se nalazi pojačavač sa 6

elemenata, čija je prosečna dužina oko 1 kb, koji kontrolišu specifični obrazac

prostorne ekspresije Pax6 gena – u očima, u različitim ćelijskim tipovima mozga

tokom embrionskog, larvenog i adultnog razvića, i unutar centralnog nervnog sistema

(slika 3.12). Složen sistem prostorne ekspresije poput Pax6 gena imaju i drugi

regulatorni geni koji nose oznaku osnovnih alata. Nasuprot njima, cis-regulatorni

regioni gena, koji kontrolišu proteine speciifične za određene tipove ćelija, imaju

znatno jednostavniju arhitekturu. Rodopsinska familija gena je tipičan predstavnik

ove klase pojačivača (slika 3.12). Ekspresiju svakog gena u ovoj familji u nekoj od

fotoreceptorskih ćelija složenog oka voćnih mušica reguliše samo jedan nestrukturiran

pojačavač (bez modula) od nekoliko stotina baznih parova koji se nalaze uzvodno od

5’ kraja rodopsinskih gena. Za ovaj pojačavač se vezuje samo jedan protein, i to

upravo onaj čiju sintezu kontroliše Pax6 gen.

35

Slika 3.12. Organizacija pojačavača kod gena za rodopsin i Pax6 gena kod drozofile. (A) Rodopsinski gen ima jedan pojačavač bez modula (ljubičasta boja) i šest egzona (crna boja). (B) Glavni regulator ekspresije rodopsinskog gena je Pax6 gen koji ima pojačavač sa 6 modula (obeleženi različitim bojama) koji kontrolišu ekspresiju gena tokom razvića različitih delova mozga i očiju. Egzoni su obojeni crnom bojom, a introni sivom (prema: Carroll, 2008).

Morfološke razlike koje postoje između organizama, na primer kičmenjaka,

odražavaju razlike u njihovim programima razvića. Ali, kako dolazi do tih razlika ako

sve životinje poseduju iste klase gena uključene u regulaciju razvića? Uobičajen

odgovor je da su rani stupnjevi razvića visoko konzervisani i da prirodna selekcija

može dovesti do promene adultnih osobina samo ako deluje na kasne embrionske

stupnjeve ili tokom postnatalnog razvića19. Mada neke molekularno genetičke studije

ukazuju na mogućnost da bi prirodna selekcija mogla isključivo delovati na taj način,

pokazalo se, ipak, da je morfološka divergencija tokom razvića znatno složeniji

proces, i da se čak i najraniji stupnjevi razvića, poput brazdanja i gastrulacije, mogu

razlikovati kod srodnih vrsta. Prema hipotezi “peščanog sata“, određeni stunjevi

razvića, označeni kao filotipski stupnjevi, jesu visoko konzervisani u okviru istog

telesnog sklopa (predstavljaju suženja u opsegu evolucionih promena)20, ali se faze i

pre i posle tog stupnja mogu u većem stepenu menjati tokom evolucije. Kod

19 Oslanjajući se na embriologe svog vremena, pre svih fon Bera, Darvin je zastupao to gledište. Kada su u pitanju kičmenjaci, fon Ber je ukazivao na njihovu veliku sličnost tokom perioda organogeneze i divergenciju u završim fazama razvića. Fon Berovi konzervisani embrionski stupnjevi danas se često nazivaju filotipskim stupnjevima. Naime, uobičajena definicija filotipskih stupnjeva je da su to „stupnjevi koji imaju najveći broj konzervisanih morfoloških karakteristika u odnosu na specijalizovane karakteristike” (Richardson, 1999, str. 604). Biogenetski zakon E. Hekela takođe je govorio o “terminalnoj adiciji”, odnosno da do morfoloških promena tokom evolucije dolazi pretežno putem dodavanja novih karakteristika na konzervisane predačke embrionske stunjeve. 20 Jasno je, naravno, da konzervisanost bilo kog stupnja ontogenije ne treba apsolutizovati. Iako slične u osnovnim strukturama, faze razvića različitih grupa, unutar istog bazičnog telesnog sklopa, mogu se razlikovati u većoj ili manjoj meri.

36

kičmenjaka, na primer, filotipskim stupnjem se smatra faza razvića pod imenom

faringula u kojoj se prvi put uočavaju osnovne karakteristike svih kičmenjaka, kao što

su notohorda i dorzalno postavljen nervni sistem. Zanimljivo je da različite grupe

kičmenjaka tokom embriogeneze dostižu stupanj faringule na različite načine – ribe,

gmizavci i ptice nakon različitih oblika meroblastičnog brazdanja, vodozemci posle

radijalnog holoblastičnog brazdanja, a sisari nakon stvaranja blastocista, horiona i

amniona.

Ključ za razumevanje kako prirodna selekcija može usloviti divergenciju

morfoloških osobina kod vrsta koje poseduju sličan ili identičan genetički osnovni

alat, leži u modularnosti razvića. Da bismo ovo razumeli moramo razjasniti šta

podrazumevamo pod iskazom da je neka osobina pod “delovanjem prirodne

selekcije“. Prema Ričardsonu (Richardson, 1999) to može da znači dve stvari. Na

nivou potpuno formiranih adultnih fenotipova to podrazumeva da su, na primer, ljiljci

koji lete najefikasniji lovci i zbog toga su kod njihovih davnih predaka prednji udovi

transformisani u krila. Na drugom nivou, to zapravo znači da je prirodna selekcija

delovala na gene (genotipove) koji kontrolišu formiranje prednjih udova. Ričardson je

ovo ilustrovao na primerima razvića prednjih i zadnjih udova kod ljiljaka i ptice

neletačice – kivija. Delovanjem prirodne selekcije na adultne fenotipove, prednji

udovi ljiljaka su izduženi, a kod kivija su redukovani (slika 3.13). Međutim, način

kako su selektovani fenotipovi evoluirali ostvaren je putem promena u genima koji

kontrolišu razviće udova u prvim fazama njihovog razvića. Prednji udovi kod ljiljaka

nisu postali izduženi posle rađanja, već je njihovo razviće krenulo ranije nego što je

uobičajeno za druge kičmenjake, tako da tek rođeni ljljci imaju mnogo duže prednje

udove od zadnjih. Na istom stupnju embrionskog razvića, kivi, međutim, ima mnogo

manje zametke prednjih udova, a veće zametke zadnjih udova, iako je kod većine

ptica i sisara na tom stupnju razvića slika obrnuta. Dakle, iako prirodna selekcija

deluje na adultnu morfologiju, evolucija adaptivnih fenotipova se postiže promenama

u parametrima ranog embrionskog razvića. U ovom slučaju začeci prednjih udova se

ponašaju kao različiti moduli.

37

Slika 3.13. Pojava prednjih udova tokom razvića kod kivija (gore) i ljiljaka (dole). Prema: Richardson (1999).

Ako prirodna selekcija može da deluje na vrlo rane stupnjeve razvića, zašto su

onda embrioni različitih kičmenjaka, da se zadržimo samo na toj grupi organizama,

toliko slični, i zašto se razlike pojavljuju u relativno kasnim fazama razvića?

Ričardson nudi dva moguća objašnjenja. Prvo, u brojnim studijama embriolozi su

pokazali da postoji manji ili veći vremenski pomak između (eksperimentalno)

izazvane promene u genetičkim mehanizmima kontrole razvića i njene fenotipske

ekspresije. Drugo, pokazano je, takođe, da se čak i vrlo male promene u ranim fazama

razvića mogu višestruko amplificirati tako da se u kasnim fazama ispoljavaju kao vrlo

velike razlike u morfologiji.

Pošto je razviće modularno, različiti tipovi promena u ekspresiji gena mogu

dovesti do pojave novih fenotipova kod polno zrelih jedinki. Ovde ćemo u najkraćim

crtama nešto reći o četiri tipa promena ekspresije gena tokom razvića: 1.

heterohroniji, 2. heterotopiji, 3. heterometriji i 4. heterotipiji. Heterohronija,

heterotopija i heterometrija menjaju oblike različitih fenotipskih osobina putem

promena u cis-regulatornim elementima (pre svega pojačavača) gena tokom razvića, a

heterotipija se odnosi na promene trans-regulatora.

3.3.1. Heterohronija

Heterohronija predstavlja promenu u vremenu početka, kraja i brzini procesa

razvića određenih morfoloških osobina potomaka u odnosu na pretke. Različiti tipovi

heterohronije se mogu definisati prema tome kada se, u odnosu na neki stupanj

razvića (obično polno zrele jedinke), određena veličina ili oblik razvijaju kod

38

potomaka, a kada kod predaka. Mi se na ovom mestu nećemo upuštati u analizu uloge

različitih tipova heterohronije u oblikovanju adultnih fenotipova.

Formiranje udova kod ljiljaka i kivija predstavlja primere heterohroničnih

promena. Heterohronija udova je, inače, česta kod kičmenjaka; kod torbara, na

primer, prednji udovi se tokom embriogeneze razvijaju brže nego kod placentalnih

sisara – duži prednji udovi omogućuju embrionima torbara da se čvršće drže u

majčinoj torbi. Kod nekih zmija, ciklusi segmentacije su za oko četiri puta brži tokom

formiranja rebara nego kod srodnih grupa (neke vrste zmija imaju i do 500 rebara).

Do danas je izneto mnogo hipoteza o “heterohroničnom poreklu“ mnogih

biljnih i životinjskih grupa, koje se svrstavaju u različite taksonomske kategorije – od

podvrste do kola. Na primer, postoje tvrdnje da je heterosporija (stvaranje dva tipa

spora) kod biljaka inicirana ranijim početkom gametofitne generacije homospornih

biljaka. Kao primer heterohronije uzimaju se i sukulentne biljke; smatra se da je

sukulentnost (lat. succulentus – bogat sokom) kod kaktusa evoluirala putem

usporavanja razvića tkiva u nadzemnim organima.

Tokom procesa adaptacija organizama na varijabilne uslove životne sredine,

posebno su značajne heterohronične promene koje utiču na način ukrštanja jedinki u

okviru populacija. Recimo, dobro je poznato da različite biljne vrste stvaraju dva tipa

cvetova: hazmogame (koji se otvaraju) i kleistogame (koji se ne otvaraju i kod kojih

se ostvaruje samooprašivanje). Kleistogamija (kao karakteristika date vrste ili kao

fenotipska plastičnost kod mnogih biljaka) najverovatnije nastaje kao odgovor biljaka

na životnu sredinu u kojoj su polinatori odsutni, ili vrlo retki (smatra se da sami

polinatori nisu uzrok pojave kleistogamije, već određeni uslovi životne sredine koji su

nepogodni za polinatore – na primer, smanjenje intenziteta svetlosti). Kod biljke

Collomia grandiflora (Polemoniaceae) je, na primer, pokazano da su promene u

veličini i obliku prašnika, koje karakterišu kleistogame cvetove, posledica smanjenja

stope ćelijske deobe u kritičnom momentu razvića cveta. Pošto je hazmogamija

filogenetski stariji oblik cveta, heterohronične promene omogućavaju biljkama

sticanje alternativnih načina ukrštanja koji, čak i pod vrlo nepovoljnim uslovima

životne sredine, obezbeđuju razmnožavanje.

Primer kombinacije heterohroničnih i neheterohroničnih promena postoji kod

morskih ježeva. Osnovni sled događaja, tj. formi, tokom individualnog razvića kod

morskih ježeva je: zigot → larva pluteus → juvenilni oblik → adult. Mada se

39

juvenilni i adultni oblici morskih ježeva Heliocidaris tuberculata i H. erythrogramma

praktično ne razlikuju, razlike se uočavaju kod larve pluteus. Larveno razviće kod H.

erythrogramma traje vrlo kratko (svega dva dana), pri čemu se pluteus ne hrani i

izgleda sasvim drugačije od larve H. tuberculata koja se hrani i traje nekoliko nedelja.

Raniji početak (i jednako trajanje) juvenilne faze dovodi do izomorfizma adultnih

oblika ove dve vrste morskih ježeva. Smatra se, međutim, da različite larvene

morfologije nisu rezultat heterohronije, već dodavanja novih elemenata u genetički

program predaka (Schlichting i Pigliucci, 1998).

Genetički mehanizmi koji kontrolišu heterohronične promene, mogu se

podeliti u dve grupe (Raff i Wray, 1989) – u prvoj grupi ovi mehanizmi su direktno

uključeni u vremensku kontrolu procesa razvića, a drugoj nisu. Među mehanizmima

koji direktno utiču na vreme početka određenih procesa tokom razvića, nalaze se

kasna ekspresija dupliranih gena i promene u vremenu početka mitoza, usled čega se

produžavaju određene faza razvića. Drugi oblici heterohronija mogu se, međutim,

ostvariti delecijama gena koji su aktivni tokom ranih faza razvića ili ranijom

aktivacijom gena koji karakterišu adultni period razvića. Primeri mehanizama koji ne

utiču direktno na vremensko ispoljavanje različitih osobina, uključuju odsustvo veza

između žlezda koje stvaraju hormone, i tkiva koja reaguju na te hormone (ili, u nekim

slučajevima, nereagovanje određenih tkiva na hormonski stimulans).

3.3.2. Heterotopija

Postoje dve koncepcije heterotopije (Zelditch, 2002). Prema prvoj, koja ističe

morfološke rezultate razvića date osobine, heterotopija je promena mesta, tj.

“rearanžmani“ delova tela. U medicini, kada se govori o abnormalnom položaju

različitih delova tela, ova koncepcija ima poseban značaj. Koncepcija heterotopije kao

procesa, međutim, uključuje evolucione promene u položaju ili prostornom

oblikovanju osobina tokom razvića. Te promene se mogu odnositi na mesto gde se

obavljaju induktivne interakcije ili na pozicionu informaciju, ali, isto tako, i na

promene u prostornoj raspodeli morfogenetskih signala ili polja. Na primer, promene

u pozicionoj informaciji desile su se tokom evolucije u morfologiji udova sisara, koje

su uticale ne samo na to gde će se nalaziti udovi, već i koji tip udova će biti razvijen.

Za razliku od heterohronije, koja predstavlja promene u brzini i vremenu (na

drugi način nepromenjene) ontogenije, heterotopija uvek podrazumeva veće ili manje

promene predačkih ontogenija. Heterotopijom mogu nastati inovacije; na primer,

40

promena mesta polja rasta može dovesti samo do izmena u proporcijama pojedinih

kostiju. Budući da heterotopija može usloviti veoma velike promene u načinu razvića

osobina, smatra se da takvih događaja nije bilo mnogo tokom evolucije životinja.

Izgleda, međutim, da je evolucija biljaka bila obeležena značajnijim učešćem

heterotopije (Vegara-Silva, 2003). Najverovatniji razlog zašto savremeni botaničari,

češće nego zoolozi, govore o heterotopiji, jeste tretiranje potpune homeoze kao

heterotopije. Na primer, za potpune homeotične zamene biljnih organa, kao što su

čašice, krunice, prašnici i karpela cveta i drugih necvetnih delova biljaka, jedan broj

botaničara kaže da se „mogu opisati i kao premeštanje ili translokacija razvića

organa, tj. kao heterotopija“ (Li i Johnston, 2000, str. 75). Ovako tretirana

heterotopija koristi se prilikom objašnjenja nastanka karpela kod cvetnica. Recimo,

prema nešto starijoj hipotezi, karpel je nastao kroz gamoheterotopiju (premeštanje

karakteristika jednog pola na drugi) ženskih u muške organe (Meyen, 1988), a po

drugoj hipotezi (tzv. “pretežno muška teorija“), „razvojna kontrola organizacije cveta

[kod angiospermi] izvedena je više iz sistema koji su kod gimnospermnih predaka bili

aktivniji kod muških nego ženskih reproduktivnih struktura“ (Frohlich i Parker, 2000,

str. 155).

Slika 3.14. Uloga gena BMP4 i njegovog inhibitora Gremlina u obrazovanju opni između pristiju plovki (prema: Gilbert i Epel 2009).

Tokom razvića udova kod svih embriona kičmenjaka, između prstiju postoji

mreža vezivnog tkiva i kože. Kod kokošaka (isto je i kod ljudi) ćelije koje ulaze u

sastav te mreže doživljavaju tokom embriogeneze apoptozu pod delovanjem

41

parakrinog faktora BMP4 (engl. bone morphogenenetic protein 4), tako da se pilići

izležu bez opni na zadnjim nogama (slika 3.14). Plovke, međutim, imaju između

prstiju na nogama opne (što je očigledna adaptacija za plivanje), uprkos tome što se i

kod njih Bmp4 gen ispoljava tokom razvića prstiju. Do apoptoze ćelija između prstiju

plovki ne dolazi zbog prisustva inhibitora Bmp4 gena. To je protein gremlin koji

stvara istoimeni gen. Ovo je primer heterotopije zato što se i kod kokošaka ispoljava

Gremlin gen, ali ne na istom mestu kao kod plovki. Kod kokošaka (i ljudi) gremlin

gen se ispoljava oko hrskavičavih skeletnih elemenata prstiju, ali ne i u mržestoj opni

između prstiju kao kod plovki.

3.3.3. Heterometrija

Heterometrija predstavlja promenu u količini proizvoda gena. Heterometrijske

promene se mogu ilustrovati na primeru evolucije kljuna kod zeba sa Galapagoskih

ostrva (“Darvinove zebe“).

Slika 3.15. Evolucija oblika kljuna kod Darvinovih zeba. a. Razviće kljuna kod ptica je trodimenzionalna struktura koja se može menjati duž sve tri ose. b. Model moguće evolucije oblika kljuna kod četiri vrste Darvinovih zeba zasnovan na interakciji CaM i Bmp4 gena (prema: Wagner i sar., 2007).

Darvinove zebe se međusobno razlikuju po nizu osobina (boji perja, veličini

tela, različito se ponašaju, itd). Međutim, najizrazitije razlike ogledaju se u veličini i

obliku kljuna, posebno kod vrsta koje naseljavaju isto ostrvo. Oblik i veličina kljuna

su u visokoj korelaciji sa načinom ishrane tih ptica. Tako, na primer, simpatričke vrste

roda Geospiza, koje naseljavaju niže predele na ostrvu i hrane se semenkama, imaju

42

veoma različite kljunove; G. magnirostris ima masivan i snažan kljun a hrani se

krupnim i čvrstim semenkama, G. fortis, koja za ishranu koristi sitnije semenke, ima

nešto manji kljun, dok su kod vrsta koje se hrane semenkama, polenom i nektarom iz

kaktusovog cveta (G. scandens i G. conirostris) kljunovi izduženi i manje snažni

(slika 3.15). Morfometrijske analize su pokazala da evolucija različitih oblika

kljunova zavisi od tri osobine: dužine, visine i širine kljuna. Prema rezultatima

molekularno bioloških analiza, tri osobine kljuna kontrolišu dva različita gena –

kalmodulinski gen CaM i Bmp4 gen (Abzhanov i sar., 2006).

Kod svih ptica, Bmp4 gen, pored pomenute uloge u razviću opni između

prstiju, uključen je i u kontrolu deobe ćelija u kljunu i od njega zavise brojne species-

specifične razlike u obliku kljunova (kao na primer oblici kljunova kokošaka i

plovki). Ekspresija Bmp4 u mezenhimu embriona zeba sa snažnim kljunovima (G.

magnirostris i G. fortis) počinje ranije i znatno je intenzivnija nego kod para zeba

koje se hrane na kaktusima. Ovakav obrazac ekspresije poklapao se sa širinom i

visinom kljuna kod sve četiri vrste zeba (precizne analize su pokazale da početak i

nivo ekspresije ovog gena zavisi od pojačavača Bmp4 gena).

Zebe čija ishrana pretežno zavisi od kaktusa (imaju dugačke kljunove)

pokazuju viši nivo kalmodulina u embrionskim kljunovima od zeba koje se hrane

čvrstima semenkama. Da je dužina kljuna stvarno uslovljena CaM genom pokazali su

eksperimenti na kokoškama – kada se eksperimentalno poveća ekspresija ovog gena

kod embrionskih kljunova, izleženi pilići maju znatno duže kljunove od uobičajenih.

Pošto oblik kljuna kod Darvinovih zeba zavisi od količine proizvoda Bmp4 i

CaM gena tokom razvića kljuna, to je primer heterometrije.

3.3.4. Heterotipija

Heterotipija predstavlja promene razvića uzrokovane mutacijama u trans-

regulatornim genima. Kod insekata, Hox geni imaju, pored brojnih funkcija, i važnu

ulogu u određivanju broja nogu. Tri para nogu savremenih insekata nalazi se

isključivo na toraksu. Pošto mnoge druge artropode imaju noge i na abdomenu,

smatra se da su i preci savremenih insekata imali noge na tom delu tela. Da je to

stvarno moglo biti tako potvrđuju fosili nekih primitivnih insekata sa malim nožicama

i na abdomenu. Dakle, tokom razvića savremenih insekata sprečeno je formiranje

abdominalnih nogu.

43

Kako je do toga došlo pokazali se eksperimenti na voćnim mušicama. Kod

većine artropoda, protein koji stvara Ubx gen (jedan od Hox gena) ne inhibira Distal-

less gen odgovoran za razviće abdominalnih nogu. Kod drozofile, međutim, mutacija

u Ubx genu, koja je dovela do pojave niza od desetak ponovaka aminokiseline alanina

na 3’ kraju proteina, uzrokuje represiju Distal-less gena.

Smatra se da je čovek selektivnim ukrštanjima trans-regulatornih mutanata

biljke teozinte stvorio savremeni kukuruz, Zea mays. Efekti mutacija tri različita gena

(označavaju se kao Tp1, Tp2, i Tp3) kod savremenog kukuruza veoma podsećaju na

pretpostavljene pretke kukuruza. Na primer, ove mutacije povećavaju broj

vegetativnih struktura, klipova i zaperaka, a smanjuju veličinu listova, metlica i

dužinu internodija. Takođe, one dovode do transformacije reproduktivnih organa u

vegetativne delove kukuruza (tj. deluju kao homeotični geni). Mutacije sva tri gena

menjaju fenotip putem produžavanja ekspresije vegetativnog programa razvića i

tokom reproduktivne faze.

Slika 3.16. Heterotipija kod kukuruza. A. Klip savremenog kukuruza. B. Normalna cvat kod teozinte. C. Teozinte sa Tga1 alelom iz kukuruza. D. Kukuruz sa Tga1 alelom iz teozinte (prema: Gilbert i Epel, 2009.

Od posebnog ekonomskog značaja je mutacija koja oslobađa zrna kukuruza od

pleve (slika 3.16), a vezuje se za gen Tga1 (engl. teosinte glume architecture) koji

oblikuje arhitekturu pleve kod teozinte. Ovaj gen je transkripcioni faktor aktivan

tokom razvića cvata (“klipa“) biljke. Kada se kukuruzov Tga1 eksprimira u biljci

44

teozinte, razvijaju se zrna slična kukuruzu i obrnuto (slika 3.16). Zanimljivo je da

samo jedna aminokiselinska zamena u Tga1 genu (na poziciji 6 zamenjen lizin sa

asparaginom) proizvodi opisani efekat (pšenica i pirinač imaju teozinsku varijantu

Tga1 gena).

3.4. Ontogenetska ograničenja i evolucija

Kako smo mogli videti iz prethodnih razmatranja, tokom evolucije na različite

načine su se menjali programi razvića uzrokovani brojnim promenama u genetičkoj

razvojnoj mašineriji. Dakle, evoluciju ontogenetskih putanja možemo posmatrati kao

rezultat promena gena čije interakcije leže u osnovi sistema razvića. Međutim,

evoluciona biologija razvića bavi se i obrnutim smerom pitanja – koliko i na koji

način razviće utiče na evoluciju?

Jedno od konkretnih pitanja koje u tom smislu možemo postaviti jeste zašto se

sve životinje na osnovu telesnih sklopova svrstavaju u svega tridesetak grupa (kojima

se daje rang kola ili filuma), iako vrlo lako možemo zamisliti životinje sa telesnim

sklopovima koji uopšte ne postoje? Ili, zašto ne postoje terestrični kičmenjaci sa šest,

osam ili više nogu, već svi imaju samo četiri (često se zbog toga objedinjuju u

nezvaničnu grupu “tetrapoda“), izuzimajući taksone kod kojih je došlo do

sekundarnog gubljenja nogu? Ili, zašto je kod terestričnih artropoda situacija potpuno

obrnuta?

Najvažniji koncept na kom se zasnivaju odgovori na ovakva pitanja jeste

ontogenetsko ograničenje. Za većinu savremenih evolucionih biologa najprihvatljivija

definicija ontogenetskih ograničenja jeste „sklonost (engl. bias) ka stvaranju nekih

varijanti fenotipova ili postavljanje granica fenotipskoj varijabilnosti, koju uzrokuje

struktura, karakter, kompozicija ili dinamika sistema razvića” (Maynard –Smith i sar.,

1986). Guld i Luontin navode da je baupläne (“plan gradnje“) organizama „ograničen

[njihovim] filetičkim nasleđem, obrascima razvića i opštom arhitekturom“ (Gould i

Lewontin, 1979). Dakle, uspostavljeni sistemi razvića, oličeni u ograničenom broju

interakcija između molekula i između modula organizma, mogu ograničavati smer i

opseg evolucionih promena, na duže ili kraće staze.

Postoji i drugačije, danas ne sasvim prihvaćeno, objašnjenje za ograničen broj

telesnih sklopova kod savremenih i izumrlih organizama. Naime, prema stavu kojeg

možemo označiti kao “panselekcionistički“, od date filetičke polazne tačke nove

45

strukture potencijalno mogu nastajati u bilo kom smeru, a prirodna selekcija je ta koja

određuje koji će oblici postati prevalentni21. Iako se sporovi oko relativnog značaja

“unutrašnjih“ (razviće) naspram “spoljašnjih“ (selektivnih) usmeravajućih faktora

vode i danas, tj. ulaze u red “večnih metafora“ u evolucionoj biologiji (S. J. Gould,

1977), praktično nema savremenih biologa koji će odsustvo brojnih mogućih

fenotipskih formi pripisati isključivo njihovoj maladaptivnosti, i zanemariti ono što

podrazumevamo pod ontogenetskim ograničenjima. Drugim rečima, iako prirodna

selekcija svakako ima ulogu u eliminaciji (ili fiksaciji) novih struktura22, iz svega što

danas znamo o molekularnoj biologiji procesa razvića, jasno je da predački sistemi

zasigurno nameću granice postanka i evolucije mogućih fenotipskih formi. Može se

reći da “unutrašnja“ organizacija i “spoljašnji“ efekti često, u ovom smislu, imaju

udruženo, sinergističko dejstvo. Ovo, naravno, ne znači da nastanak novih telesnih

sklopova i kvalitativno drugačijih struktura nije (bio) moguć. Na kraju krajeva,

raznovrsnost kakvu danas vidimo morala se formirati tokom evolucije živog sveta (o

tome ćemo govoriti u poglavlju 3.5).

Tradicionalna podela ontogenetskih ograničenja procesa evolucije zasniva se

na tri kategorije – fizička, morfogenetska i filogenetska ograničenja.

Fizička ili mehanička ograničenja podrazumevaju da odnosi mehanike,

hidraulike, difuzije i fizičke potpore između različitih telesnih delova i funkcija zavise

od fizičkih zakona. Na primer, opšta građa insekata onemogućava evolucionu

transformaciju, recimo, komarca u organizam veličine aviona. Zapravo, ako bi se

takva transformacija i desila, ona bi bila toliko fizički sveobuhvatna da se taj

organizam više ne bi mogao smatrati insektom.

Morfogenetska ograničenja zasnivaju se na “pravilima“ morfogenetske

konstrukcije, tj. načinima na koje se reguliše diferencijacija ćelija i tkiva, odnosno

razviće pojedinih delova tela. Zahvaljujući ovim pravilima, neki putevi modifikacije 21 Alfred Rasel Volas, Darvinov savremenik i čovek koje je nezavisno od njega došao do koncepcije prirodne selekcije je prvi panselekcionista. On je smatrao da nove varijacije mogu nastajati u svim zamislivim fenotipskim smerovima, i to bez ikavih kvantitativnih ograničenja u bilo kom smeru. 22 Neki autori uvode termin “ekološka ograničenja“ za specifičnu kombinaciju selektivnih pritisaka koja proizilazi iz interakcija organizama sa njihovim biotičkim i abiotičkim okruženjem, a koja svakako ograničava broj fenotipskih formi koje su “adekvatne“ za konkretno stanište. Iako u kontekstu opstanka novih fenotipskih formi ima smisla izdvojiti prirodnu selekciju kao presudan mehanizam u morfološkoj evoluciji, ne smemo zaboraviti da genetički drift u malim populacijama može imati veliku ulogu u “zadržavanju“ i širenju nekih struktura koje nemaju veliku adaptivnu vrednost. Setite se da smo u 2. delu govorili o značajnim efektima genetičkog drifta u nastanku kompleksnih genoma eukariota; ti genomi se karakterišu složenom mrežom interakcija i regulacija u razviću fenotipova.

46

fenotipova postaju znatno manje verovatni od drugih. Na primer, iako su se udovi

kičmenjaka menjali na različite načine tokom 300 miliona godina evolucije, neki

pravci promena nikada nisu uočeni – recimo, srednji prst nikada nije kraći od ostalih

prstiju.

Fenotip višećelijskog organizma predstavljen je višedimenzionalnim

sklopovima različitih ćelija, koje se, opet, mogu sagledati kao samo-organizujući

otvoreni sistemi čije funkcionisanje određuje, pored njihovog genotipa, i sredina koju

čine susedne ćelije, ali i sve iznad toga, tj. fiziologija čitavog organizma. Stoga, i

samo “upravljanje“ diferencijacijom ćelija tokom morfogeneze predstavlja

kompleksan sistem raznovrsnih interakcija. Počevši od regionalne determinacije

ćelija na samom početku razvića (pre diferencijacije), kada poziciona vrednost u

embrionu započinje efekat aktiviranja pojedinih gena, dalje “ponašanje“ ćelija postaje

u određenoj meri usmereno, tj. ograničava im se skup mogućih puteva za dalje

razviće. Raspored i količina molekula koje kćerke ćelije dobijaju u mitozi (npr. u

asimetričnoj deobi) predstavljaju bitne determinante koje će odrediti obrazac

ekspresije gena i dalju sudbinu ćelijske linije u embrionu. Nakon početne

specifikacije, ćelijska proliferacija dovodi do povećanja veličine embriona, a finije

oblikovanje inicijalnog obrasca objašnjava se, između ostalog, serijom lokalnih

indukcija. Odmah po obrazovanju dva tipa ćelija, jedna od njih može proizvesti neki

signalni faktor koji će usloviti da podgrupa susednih ćelija razvije neku posebnu

karakteristiku. Signalni molekul tog trećeg tipa ćelija delovaće na sledeći podskup,

stvarajući četvrti, peti, i sledeće nivoe tipova ćelija. Ovaj način stvaranja progresivno

složenijeg obrasca naziva se sekvencijalna indukcija. Međusobni uticaji susednih

ćelija na pravce diferencijacija mogu biti raznovrsni – od inhibitornih efekata do

induktivnih interakcija koje se ostvaruju putem molekulskih (hemijskih) signala23.

Važno je naglasiti da isti hemijski signal ne mora u svim ćelijama imati identičan

efekat na aktiviranje ili supresiju gena, tj. različiti tipovi ćelija ne odgovaraju jednako

na isti signal. Odgovor svake ćelije zavisiće od prisustva i količine drugih

regulatornih proteina koji su u njoj već bili prisutni.

23 Većina induktivnih molekula kod životinja sačinjena je od familija proteina čiji se geni nisu mnogo menjali tokom evolucije.

47

Osim interakcija susednih ćelija (interakcija na kratkim rastojanjima), veliku

važnost u morfogenetskim procesima imaju sistemi signalne transdukcije24 u kojima

ekstraćelijski signalni molekuli aktiviraju odgovarajuće membranske receptore

menjajući im oblik, što za posledicu ima prenošenje signala unutar ćelije i indukciju

specifičnih ćelijskih odgovora preko aktivacije i inhibicije različitih skupova gena ili

uticaja na aktivnost enzima u citoplazmi25. U embriogenezi, ekstraćelijski signalni

molekuli se često označavaju kao morfogeni. U najširem smislu, to su supstance koje

se sintetišu na određenom mestu u embrionu i difunduju kroz tkivo formirajući

gradijent koncentracije, tako da su ćelije najbliže izvoru morfogena izložene njegovoj

najvećoj količini. Koncentracija morfogena je ključna za ulogu ove supstance u

upravljanju obrascima razvića tkiva i pozicijama raznovrsnih specijalizovanih tipova

ćelija. Naime, osnovna “meta“ (engl. target) morfogena jesu različiti transkripcioni

faktori čija je aktivnost regulisana količinom morfogena na površini ćelije. Unutar

jedra, geni imaju različit prag osetljivosti na transkripcione faktore – geni sa niskim

pragom mogu imati više mesta za vezivanje (pojačavače) ili veći afinitet za konkretan

transkripcioni faktor, pa za promenu statusa aktivnosti zahtevaju manju količinu ovog

faktora, za razliku od gena sa visokim pragom osetljivosti. Dodatno, isti transkripcioni

faktor je za neke gene pojačavač, a za druge je utišavač ekspresije. Na ovaj način,

morfogeni fino regulišu koji će skupovi gena u određenim ćelijama biti aktivni ili

neaktivni. Funkciju morfogena mogu obavljati različiti molekuli, od složenih

molekula, kao što su različiti faktori rasta i hormoni, do jednostavnih, kao što je

retinoična kiselina o kojoj smo već ranije govorili.

Hemijski principi funkcionisanja morfogena u formiranju morfoloških obrasca

tokom razvića opisani su u reakciono-difuzionom modelu Alena Tjuringa (Turing,

1952)26. U ovom modelu, pretpostavlja se postojanje morfogena aktivatora i njegovog

antagoniste (inhibitora), koji se vezuje za signalni molekul ili njegove receptore na

ćelijama. Oba molekula formiraju gradijente koncentracije i na taj način nastaje

24 Iako ćemo o signalnoj transdukciji ovde pisati kao o procesu koji učestvuje u morfogenezi, važno je naglasiti da se svi načini odgovora ćelija na stimuluse iz spoljašnje ili unutrašnje sredine organizma zasnivaju na ovim molekularnim mehanizmima (videti deo 4..). 25 Neki signalni molekuli, kao što je testosteron, mogu proći kroz membranu i vezivati se direktno za receptore u citoplazmi ili jedru. 26 Alen Tjuring, genijalni matematičar, smatra se ocem savremenih kompjutera. Takođe, tokom II svetskog rata, uspeo je da “provali“ nemačku komunikacijsku šifru Enigmu i time doprinese pobedi saveznika. Ipak, zbog svoje homoseksualne orijentacije, koja je nakon rata bila zakonom zabranjena, biva osuđen na hemijsku kastraciju (kao zamenu za zatvor) i izvršava samoubistvo u svojoj 41. godini života, tako što je zagrizao jabuku u koju je prethodno ubacio otrov (zagrižena jabuka je danas zaštitni znak komjuterske kompanije Apple).

48

specifičan obrazac regulacije ćelijske diferencijacije kroz puteve signalne

transdukcije. Pomoću ovog modela jednostavno je objašnjen način formiranja šara na

koži sisara, krilima leptira, školjki, itd. Nestabilnost između aktivatora i inhibitora

može objasniti obrazac aktivacije melanoblasta u produkciji melanina koji daje

obojenost ćelijama kože sisara. Takođe, molekularna biologija razvića potvrdila je u

mnoštvu analiziranih slučajeva funkcionisanje reakciono-difuzionog modela.

Uzimajući sve navedene mehanizme u obzir, možemo razumeti zašto načini na

koje se reguliše diferencijacija ćelija i tkiva mogu ograničiti pravce evolucionih

promena fenotipa. Jedan od dobro proučenih morfogena, Sonic hedgehog, član

hedgehog familije signalnih molekula, učestvuje u formiranju ekstremiteta

kičmenjaka. Specijalizovana grupa ćelija na jednoj strani zametka ekstremiteta

sekretira ovaj protein koji, polazeći od tog izvora, formira gradijent koncentracije i

tako kontroliše karakteristike ćelija duž ose palac-mali prst. Ovo bi mogao biti važan

razlog zašto promene anatomije udova kod kičmenjaka nemaju neograničen broj

mogućnosti. Jednostavno, složeni načini regulacije razvića, uspostavljeni kroz

reakciono-difuzini model morfogena, ne mogu se lako izmeniti.

Filogenetska ograničenja predstavljaju rezultat evolucije gena koji su

direktno odgovorni za “konstrukciju“ određene fenotipske forme ili telesnog sklopa.

Ovde se, pre svega, misli na Hox gene o čijoj smo centralnoj ulozi u razviću, tj. u

aktivaciji, usmeravanju, određivanju mesta odigravanja razvojnih procesa i telesnih

osa, detaljno govorili u prethodnim poglavljima. Ukoliko je određen sistem razvića

inherentno usaglašen kroz funkcionisanje i interakcije njegovih genetičkih i

epigenetičkih elemenata, teško je da se on nanovo formira ispočetka, odnosno upravo

on predstavlja ograničenje za moguće nove kombinacije elemenata. Na primer,

notohorda, koja je funkcionalna kod amfioksusa, ali se degeneriše kod adultnih

kičmenjaka, smatra se neophodnom strukturom u embrionskom razviću kičmenjaka

gde specifikuje razviće neuralne cevi. Dakle, promena ontogenije unutar jedne

evolucione linije zasniva se na izmenama i nadogradnji predačkih sistema, umesto

nastanka potpuno novih razvojnih programa. U poglavlju 2.4. opisan je model

regulatorne mreže u razviću životinja (Davidson, 2006) koji jasno govori o poreklu

ontogenetskih ograničenja.

Dobru ilustraciju šta zapravo mogu biti filogenetska ograničenja daje odgovor

na pitanje zašto skoro svi sisari imaju samo sedam vratnih pršljenova, dok kod ptica,

reptila i vodozemaca taj broj može varirati u širokim granicama. Kod kičmenjaka,

49

videli smo ranije, Hox geni su uključeni u razviće skeletne ose i u niz drugih sistema,

zbog čega je njihova promena u velikoj meri otežana (promena bi se odrazila na veći

broj struktura i funkcija). Kod miševa i ljudi, a verovatno i kod drugih sisara, Hox

geni, pored uloge u formiranju vratnih pršljenova, imaju plejotropno delovanje i na

ćelijsku proliferaciju (Galis, 1999). Stoga, promena u ekspresiji ovih Hox gena, koja

bi dovela do promene broja vratnih pršljenova, može poremetiti regulaciju ćelijske

proliferacije i, posledično, usloviti pad adaptivne vrednosti takvog organizma. Jedna

od ustanovljenih posledica mutacija u ovim Hox genima jeste pojava kancera. Analize

nekoliko tipova kancera kod dece pokazale su asocijaciju sa poremećajima u

ekspresiji Hox gena i nekim kongenitalnim abnormalnostima. Na primer, kod visokog

procenta dece koja su tokom embriogeneze obolela od kancera, pojavilo se rebro na

sedmom vratnom pršljenu (to je homeotična transformacija, jer je vratni pršljen stekao

karakteristiku grudnih pršljenova). Procenjeni koeficijent selekcije protiv homeotične

mutacije veoma je visok - oko 12%. U ovom primeru je važno uočiti da promena u

genima važnim za procese razvića može biti istovremeno ograničena i ontogenijom i

prirodnom selekcijom.

Odnos između fenomena konvergentne i paralelne evolucije dobro ilustruje

postojanje tzv. filetičke informacije u ontogeniji, s jedne strane, i razliku između

panselekcionističkih i ontogenetskih objašnjenja ograničenog broja fenotipskih formi,

s druge strane. Konvergentna evolucija se odnosi na nezavisan nastanak sličnih

fenotipskih karakteristika kod filogenetski udaljenih taksona. U poznate primere

konvergente evolucije spada evolucija peraja kod sisara koji su sekundarno naselili

akvatična staništa (npr. kitovi i delfini). Po spoljašnjoj formi i po funkciji u plivanju,

ova peraja su slična perajima riba i jesu nesporna adaptacija na životnu sredinu, ali

ovaj fenotip nije povezan sa zajedničkim pretkom riba i sisara budući da većina

taksona, koji se filogenetski nalaze između ove dve grupe, nema peraja. Dodatno,

peraja kod kitova su evoluirala kroz sasvim drugačije puteve individualnog razvića u

odnosu na ribe. Kod biljaka, dobro poznati primeri konvergentne evolucije su pojave

veoma sličnih adaptacija na esktremne suše kod kaktusa i nekih mlečika. Dakle,

konvergentna evolucija predstavlja isključivo rezultat delovanja prirodne selekcije.

Paralelna evolucija, međutim, podrazumeva nezavisnu pojavu istih ili vrlo sličnih

osobina kod dve i više vrsta koje imaju bliskog zajedničkog pretka. Drugim rečima, to

su slični oblici evolucionih promena koji su se odigravali u evolucionim linijama sa

sličnim programima razvića, tj. velikim stepenom zajedničkih genetičkih i

50

epigenetičkih procesa u ontogeniji. Iako je prirodna selekcija mogla biti odgovorna za

evoluciju sličnih osobina usled naseljavanja sličnih životnih staništa (ekoloških niša)

oba taksona, isti elementi ontogenije usmerili su način prilagođavanja na životnu

sredinu. Razlikovanje paralelne od konvergentne evolucije često nije jednostavno,

posebno ukoliko se radi o organizmima koji pripadaju istoj grupi; tada je neophodno

dobro poznavanje filogenije grupe. Tačnije, zajedničke karakteristike dva taksona

mogu biti jednostavna posledica zajedničkog porekla, a ne paralelne evolucije (kao u

slučaju, recimo, peraja u grupi kitova i delfina).

Opsežna studija dve populacije ribe Astyanax mexicanus, koje žive u

pećinama Meksika, otkrila je da su dve nezavisno nastale delecije u genu Oca2 (od

engl. OCulocutaneus Albinism; gen učestvuje kontroli sinteze melanina) odgovorne za

pojavu albinizma (Protas i sar., 2006)27. Moguća su dva objašnjenja pojave albinizma

kod ovih populacija riba. Prvo, gubitak funkcije Oca2 gena mogao je davati

selektivnu prednost jedinkama u pećinskim životnim sredinama. Pošto se još uvek ne

zna šta bi bila ta prednost, druga mogućnost je da ovaj gen mutira češće od drugih

gena u putu sinteze melanina, i da te mutacije, osim gubitka pigmentacije i problema

sa viđenjem, nemaju drugih štetnih efekata (tj. pokazuju mali stepen plejotropije).

Genetički drift bi u toj situaciji bio mehanizam njihove fiksacije u pećinama (brojnost

populacija u pećinama je obično mala). Ova druga mogućnost je mnogo verovatnija

imajući u vidu relativno visoku učestalost mutacija u Oca2 genu ljudi, koja je

posledica njegove specifične organizacije. U odnosu na druge gene koji učestvuju u

kontroli pigmentacije kod ljudi, Oca2 je vrlo velik – ima 24 egzona raspoređenih u

regionu od 345 kb. Osim što ga takva organizacija čini podložnijim za mutacije, Oca2

se kod ljudi nalazi u regionu sa brojnim ponovljivim nizovima, što se, opet, povezuje

sa visokim stopama hromozomskih rearanžmana i delecija28. Dakle, u ovom primeru,

ontogenetsko ograničenje (arhitektura Oca2 gena i odustvo štetnih plejotropnih

efekata) je prihvatljivije objašnjenje od selekcionističkog.

27 A. mexicanus je jedna od 86 poznatih vrsta riba čije su se populacije prilagodile na specifične uslove života koji vladaju u pećinama troglobitnih riba. Životinje koje stalno žive u pećinama, nazvane triglobiti ili trogloditi, poseduju niz sličnih osobina, kao što je redukcija očiju i albinizam. 28 Kod ljudi je jedna mutacija u cis-regulatornom elementu Oca2 gena nedavno povezana sa pojavom plavih očiju. Naime, pošto se ista mutacija pojavila kod većine ljudi u nekoliko različitih delova sveta, data je hipoteza da većina plavookih ljudi ima jednog zajedničkog pretka, koji je živeo u periodu od pre 6000 – 10000 godina.

51

Slika.3.17. Fenotipovi i lokacije (a) i dve albino pećinske populacije (c i d) i jedne populacije koja naseljava površnske reke ribe Astyanax mexicanus (prema: Protas i sar., 2006).

3.5. Biologija razvića i evolucione novine

Jedan od rezultata reintegracije biologije razvića u evolucionu biologiju jeste

mogućnost novog uvida u mehanizme koji dovode do pojave “evolucionih novina”.

Pitanje koje se prirodno nameće jeste zašto bi “novine“ trebalo posebno analizirati u

odnosu na druge oblike fenotipske evolucije? Nisu li svi fenotipovi koji se pojave u

evoluciji “novine“? Postoje (najmanje) dva razloga za “specijalan status“ novina

(Müller i Wagner, 2003). Prvo, osim mutacija, na njihovu pojavu mogu uticati i drugi

mehanizmi, i, drugo, neke fenotipske promene imaju veći uticaj na dinamiku

evolucije. Ovi kriterijumi, međutim, nisu egzaktni i skopčani su sa nekoliko

problema. Na primer, postoje brojni fenotipovi za čiju pojavu nisu “odgovorne“

mutacije (to se može reći za sve fenotipove nastale epigenetičkim modifikacijama,

deo 2.4.4), a ne svrstavaju se u evolucine novine. Takođe, sporno je i pitanje većeg ili

manjeg uticaja na dinamiku evolucionih procesa, jer to može zavisiti od toga kako

definišemo novine (Hall, 2005). Do sada je dat veliki broj definicija evolucionih

novina, što, samo po sebi, ilustruje različite stavove o ovom pitanju. Jedan od tvoraca

sintetičke teorije evolucije Ernst Majer (Mayr, 1960) dao je prilično široku definiciju

kada je rekao da „uslovno, evolucionom novinom možemo nazvati svaku novostečenu

52

strukturu koja dozvoljava da pretpostavimo [pojavu] nove funkcije“. Ova definicija

podrazumeva pojavu “nove funkcije“ kako na osnovu kvantitativne varijabilnosti

(posle akumulacije niza malih promena), tako i kvalitativne strukturne promene. Neke

druge definicije insistiraju na vezivanju evolucionih novina samo za ovaj drugi tip

strukturnih promena. U tom smislu, evolucione novine su „kvalitativno nove strukture

sa diskontinuiranim postankom u razviću“ (Müller, 1990), ili „nove osobine

(zasnovane) na kvalitativno drugačijim razvojnim varijantama“ (West-Eberhard,

2003). Istraživačima koji se bave filogenetskim rekonstrukcijama i taksonomijom

(gde se pretežno koriste morfološke osobine), najbliža je (operativna) definicija

morfološke novine koja kaže da je „novina novi konstrukcioni element u telesnom

sklopu, koji nema homolognog parnjaka ni kod predačke vrste niti u istom

organizmu“ (Müller i Wagner, 1991; 2005). Dakle, prema kladističkoj školi

klasifikacije, ovo je definicija autapomorfne osobine – jedinstveno izvedenog stanja

osobine – stanja osobine koje postoji samo kod jednog taksona ili grupe srodnih

taksona, ali ne i kod predačke vrste ili vangrupnih taksona. Pošto, osim morfoloških

osobina, novine mogu biti vezane i za ponašanje i funkcije, mi ćemo na ovom mestu

uglavnom pod evolucionom novinom podrazumevati „novo svojstvo [strukturu,

funkciju ili ponašanje] u grupi organizama koje nije homologno sa svojstvom u

predačkom taksonu“ (Hall, 2005, str. 549).

Mehanizmi nastanaka morfoloških novinama predmet su žestokih diskusija još

od Darvinovog vremena. U osnovi, spor, koji se sa manje ili više intenziteta vodi i

danas, odnosi se na pitanje da li su kauzalni mehanizmi na koje se poziva Sintetička

teorija evolucije odgovarajući i dovoljni kada je u pitanju nastanak evolucione novine,

tj. da li evoluciju svih osobina možemo objasniti samo pozivanjem na varijabilnost i

prirodnu selekciju. Jedan od najuticajnih evolucionih biologa druge polovine XX

veka, Ernst Majer (Mayr, 1960) je, na primer, smatrao da će se problem postanka

evolucionih novina rešiti kada utvrdimo „koliko je potrebno da se akumulira malih

genskih mutacija dok nova struktura ne postane dovoljno velika da bi imala selektivnu

vrednost“. Ovakva interpretacija, označena kao “gradualizam“, čiji je koren smešten u

Darvinovom stavu da “priroda ne pravi skokove“, dugo je bila “zaštitini znak“

Moderne sinteze. Dakle, principijelnih razlika u postanku evolucionih novina i

“običnih“ osobina nema. Manjem broju biologa, međutim, objašnjenja evolucije svih

morfoloških osobina isključivo iz ugla varijabilnosti i postepenih adaptacija, nisu bila

adekvatna. Na kraju krajeva, osobine koje nazivamo novinama ne pokazuju ni

53

fenotipsku niti genetičku varijabilnost budući da nisu ni bile prisutne kod predačkih

taksona.

Počevši od prvih genetičara, početkom XX veka, koji su zagovarali tzv.

“mutacionu“ teoriju evolucije (npr. De Friz i Bejtson), pa do danas, sve je više

evolucionih biologa koji smatraju da mehanizmi tzv. “mikroevolucije“ i

“makroevolucije“ (Goldschmidt, 1940, 1952) nisu isti. Mikroevolucione promene

odigravale bi se do nivoa vrsta i njih bi uslovljavala, pre svega, prirodna selekcija koja

deluje na mutacije gena sa malim pojedinačnim efektima na fenotip (“poligeni“).

Makroevoluciju, odnosno “transpecijsku evoluciju“ (evoluciju iznad nivoa vrste), s

druge strane, uslovljavale bi velike promene genetičkog materijala, koje nastaju naglo

i koje narušavaju do tada uobičajene procese razvića. Dakle, “saltacionisti“, kako se

često naziva ova grupa istraživača, tvrde da (morfolološke) evolucione novine nastaju

naglo – u malom broju koraka, uz delovanje različitih tipova “makromutacija”.

Holandski botaničar H. De Vriz (1901) tvrdio je da Darvinove male varijacije nisu

ništa drugo nego nenasledne fenotipske fluktuacije, a nove vrste nastaju isključivo

putem naglih neadaptivnih i slučajnih skokova, bez prelaznih oblika. Prema De Frizu,

uloga prirodne selekcije svodi se na eliminaciju “bespomoćnih mutanata“.

Najpoznatiji saltacionista u periodu konstituisanja sintetičke teorije evolucije, i njen

najžešći oponent, bio je genetičar Ričard Goldšmit (Boks 3.2). Neki istaknuti

paleontolozi (na primer, Schindewolf, 1950) tvrdili su da promene u organizaciji

polno zrelih jedinki mogu usloviti pojavu oblika koji bi bili “preadaptirani“ na nove

načine života (prema savremenoj terminologiji, takvi oblici bili bi eksaptacije). Na taj

način dobijao bi se “osnovni tip“ koji bi, zatim, bio “oblikovan“ i “usavršavan“

delovanjem prirodne selekcije. Prema ovoj interpretaciji, prelazni oblici između

“osnovnih tipova” (tj. različitih telesnih sklopova) nisu nikada postojali.

Boks 3.2. “Srećna čudovišta” Ričarda Goldšmita

Jedan od najpoznatijih genetičara 40-tih i 50-tih godina ovog veka, Ričard Goldšmit

(Goldschmidt, 1940, 1955), smatrao je da evolucione novine nastaju skokovito – mutacijama

koje drastično transformišu fenotip u samo jednoj generaciji. Prema Goldšmitu, postepene

promene složenih fenotipskih osobina ne bi omogućavale da se očuva međusobna zavisnost

svih njihovih delova. Kompleksne interakcije ovih osobina, koje bi dale alternativne oblike

morfologije, nastaju odjednom, ili ih uopšte nema. Do ovakvih promena dovodile bi tzv.

“sistemske mutacije“, koje bi, prema Goldšmitu, predstavljale velike promene genetičkog

materijala organizama. Posledica sistemskih mutacija bile bi nove, do tada neviđene osobine.

54

Goldšmit je bio potpuno svestan da ogromna većina velikih mutacija nema šansu da opstane,

ali neki od tako nastalih fenotipova (“čudovišta“, kako ih je zvao Goldšmit) imali bi sreću da

prežive. Ako bi se, uz dodatnu sreću, ova “srećna čudovišta“ reprodukovala, došlo bi do

širenja novog adaptivnog tipa. Zapravo, od tog momenta, male promene genetičkog

materijala “usavršavale“ bi, uz pomoć prirodne selekcije, novi adaptivni tip. Dolazilo bi do

intenzivne specijacije (“adaptivne radijacije“), odnosno do nastanka novih vrsta koje bi imale

novi tip organizacije, onaj uspostavljen kod srećnih čudovišta. Ciklusi stvaranja srećnih

čudovišta i njihovog kasnijeg oblikovanja ponavljali bi se tokom filogenije. Centralno mesto

u Goldšmitovoj hipotezi bilo je da novi tip organizacije (telesni sklop) “zahteva“

reorganizaciju sistema razvića organizama.

Goldšmitova teorija mutacija postaje shvatljivija ako se ima u vidu da je njegov stav

o organizaciji genetičkog materijala bio drugačiji od stavova većine njegovih savremenika.

Naime, Goldšmit je smatrao da se hromozomi ili njihovi veliki fragmenti, a ne geni, moraju

tretirati kao jedinice nasleđivanja. On je, dakle, odbacivao klasičan (“mendelistički“) koncept

gena. Prema nekim istoričarima biologije, odbacivanje klasičnog koncepta gena je najviše

doprinelo lošoj reputaciji koju srećna čudovišta imaju u evolucionoj biologiji (Dietrich,

2003). Goldšmit je hromozome zamišljao kao dugačke molekule koji su uključeni u kontrolu

brojnih međusobno povezanih fizioloških reakcija. Mutacije su za Goldšmita bile veći ili

manji rearanžmani ili preoblikovanja hromozoma. Sistemske mutacije, koje bi bile značajne

za makroevoluciju, predstavljale bi potpuno preoblikovanje hromozoma. ,,Potpuno

preoblikovanje može proizvesti nov hemijski sistem koji, kao takav, tj. kao jedinica, ima jasan

i potpuno drugačiji uticaj na razviće” (Goldschmidt, 1940, str. 203). Svoje stavove ilustrovao

je eksperimentalnim podacima o dramatičnim fenotipskim efektima hromozomskih mutacija.

Naime, morfološke i arhitekturne razlike između normalnog, diploidnog duvana (Nicotiana

tabacum) i 10 različitih trizomičnih linija bile su zapanjujuće, pri čemu su sve biljke bile

sposobne da opstanu u prirodnim uslovima. Za razliku od sistemskih mutacija, koje “nisu

preživele test vremena“ (Theissen, 2009), njegov drugi mehanizam, zasnovan na “razvojnim

mutacijama“ u genima “za brzinu“ ili “kontrolnim genima“ čije se delovanje ostvaruje u

ranim fazama razvića i zbog toga imaju velike efekte na oblikovanje fenotipova, zvuči nam

vrlo poznato posle čitanja tekstova iz savremene evolucione biologije razvića. Neki biolozi

pominju da bi homeotične mutacije mogle biti savremeni pandam Goldšmitovim sistemskim

mutacijama, koje bi mogle dovesti do pojave srećnih čudovišta (videti kasnije).

Nisu svi Goldšmitovi savremenici obacivali ideju o evolucionom značaju mutacija sa

velikim uticajem na razviće. Jedan od važnijih učesnika u oblikovanju Sintetičke teorije

evolucije Sjuel Rajt (1889-1988), na primer, prihvatao je ideju o makromutacijama razvojnih

gena, i čak ih je na neki način integrisao u svoju teoriju pomične ravnoteže (Wright, 1982).

55

Veoma zanimljivu interpretaciju nastanka kvalitativno novih fenotipskih

struktura (telesnih sklopova) dao je Rupert Ridl (Riedl, 1977, 1978). Ridlov model

“evolucionih opterećenja“ osobina organizama govori, s jedne strane, o ograničenjima

evolucije telesnih sklopova (videti poglavlje 2.4) i, s druge strane, o načinima na koje

se telesni sklopovi mogu menjati kroz evoluciju. One osobine koje su funkcionalno

povezane sa velikim brojem drugih osobina i funkcija (tj. geni onih osobina koji imaju

najveći stepen plejotropnog delovanja), jesu najviše opterećene i imaju najmanju

verovatnoću evolucionih promena (najkonzervativnije su); to su, na primer, osobine

koje u najužem smislu definišu telesni sklop (“esencijalne osobine“) - u morfološkom

smislu, kako se može pretpostaviti iz prethodnih izlaganja o ontogenetskim

ograničenjima, opterećene osobine najvišeg ranga bile bi, na primer, notohorda i

dorzalno postavljena neuralna cev kod kičmenjaka, dok bi u molekulskoj regulatornoj

mreži razvića to mogli biti Hox geni. Promene takvih osobina dovele bi do ozbiljnog

narušavanja integrisanosti i funkcionalnosti sistema. Osobine koje su “umrežene“ u

manjem broju interakcija čitavog fenotipa, mogu se znatno lakše menjati.

Način na koji Ridl posmatra postepeno povećanje opterećenja neke osobine

tokom evolucije, vrlo je važan da bi se razumela njegova koncepcija nastanka novih

telesnih sklopova. Kako navode Vagner i Lojbihler „osobine ne nastaju kao

karakteristike telesnog sklopa... , svojstvo osobine telesnog sklopa ne postoji samo po

sebi, već zavisi od načina na koji je karakteristika integrisana u mrežu funkcionalne i

razvojne međuzavisnosti u organizmu“ (Wagner i Laubichler, 2004, str. 98). U

koncepciji koja se naziva “princip redosleda“, podrazumeva se da dodavanje novih

karakteristika (npr. funkcionalnih delova, struktura ili genetičkih elemenata) tokom

evolucije, dovodi do pomeranja “starijih“ osobina dublje u mrežu integracije i

povećava njihovo opterećenje, pa je, stoga, veličina opterećenja osobine pozitivno

korelisana sa njenom filogenetskom starošću29. Na isti način bi se mogli menjati i

telesni sklopovi – promene bi počinjale na “slobodnim krajevima“ razvojne

hijerarhije, tj. počevši sa promenama malo opterećenih osobina i funkcija, a onda bi se

postepeno menjale više integrisane osobine sve do procesa koji definišu telesni sklop. 29 Prema Ridlu, DNK molekul, na kom je zasnovan život, predstavlja, sam po sebi, osobinu apsolutno najvećeg ranga opterećenja. Promene u strukturi i načinu funkcionisanja ovog molekula evoluciono su potpuno neodržive budući da se svi molekularni sistemi živog zasnivaju na njemu. U tom smislu, ako prihvatimo Ridlovu koncepciju, prelaz iz RNK u DNK svet mogao bi se posmatrati kao velika transformacija živog i bila je moguća dok je sistem zasnovan na RNK bio dovoljno jednostavan tako da evoluciono opterećenje ovog molekula nije bilo preveliko.

56

Kao suprotnost “tvrdom“ saltacionizmu, prema kom bi velika opterećenja morala

nastati odjednom, hijerarhijski model napravio je konceptualnu vezu između

gradualizma i nastanka evolucionih novina.

3.5.1. Da li evolucione novine imaju istoriju?

Šesto izdanje Postanka vrsta Darvin je dopunio glavom (“Teškoće teorije“) u

kojoj je odgovarao na sve primedbe, koje su, od 1859. do 1872. godine, tadašnji

biolozi upućivali teoriji evolucije. Na najvećem udaru bila je koncepcija prirodne

selekcije. Dobar deo VI glave Daravin je posvetio odgovoru zoologu Džordžu

Mivartu (Mivart, 1871) koji je tvrdio da „prirodno odabiranje ne može da objasni

začetna stanja korisnih građa“ (Darvin, 1872, 1985, naš prevod, str. 199). Taj

“paradoks selekcije“ (Müller i Newman, 2005), tj. da selekcija ne može delovati na

osobine koje još uvek ne postoje, Darvin je povezao sa „pitanjem o postepenosti

odlika, koja je često praćena menjanjem funkcije“, odnosno delovanjem selekcije na

male varijacije postojećih osobina u smeru sticanja novih funkcija (eksaptacija). Ovaj

Darvinov stav se u sintetičkoj teoriji evolucije sreće u različitim verzijama. Uporedni

morfolozi, recimo, pojavu evolucionih novina često vezuju za tzv. latentnu

homologiju. To je „situacija u kojoj razvojna osnova za neku strukturu kod potomaka

postoji u razvojnom programu koji stvara neke druge strukture kod predaka” (Hall,

2007, str. 477). Na primer, prve agnate nisu, naravno, imale vilicu, ali su u svojim

visceralnim lukovima i skeletu posedovale razvojne prekurzore vilice. Prednji

visceralni lukovi agnata se smatraju homolognim morfološkim celinama vilica

gnatostomata. Ili, iako gmizavci nemaju koščice srednjeg uha koje postoje kod sisara,

oni poseduju razvojne prekurzore tih koščica u vidu skeletnih elemenata primarnog

viličnog zgloba, od kojih nastaju nove koščice srednjeg uha sisara (ovo je primer

heterotopske promene). Dakle, između dva skeletna elementa viličnog zgloba

gmizavaca i dve koščica srednjeg uha sisara postoji homologija.

Možda najspektakularniji primer latentne homologije, ali sada na nivou gena

koji kontrolišu signalne puteve tokom razvića, jesu Sog i hordin geni (Hall, 2005).

Kod vinskih mušica, ključni faktor u inicijaciji nervnog sistema - Sog (od engl. short

order gastrulation), ima svog homolognog parnjaka kod kičmenjaka – to je gen

hordin. Postojanje ove homologije je iznenađujuće ako znamo da se kod voćne

mušice telo organizuje oko ventralno-dorzalne ose i da nervni sistem ima ventralan

položaj, dok se kod kičmenjaka telo organizuje oko dorzo-ventralne ose sa dorzalnim

57

položajem nervnog sistema. Ovo otkriće je važno jer pokazuje da elementi velike

evolucione novine – dorzalni položaj nervnog sistema – imaju svoju evolucionu

istoriju kod beskičmenjaka.

U svim slučajevima latentne homologije, specifičnost fenotipske promene

određuje sistem razvića koji se modifikuje, a ne prirodna selekcija. “Nagla“ pojava

evolucione novine se interpretira kao “efekat praga“ (engl. threshold effect), koji se

ispoljava posle akumulacije dovoljnog broja malih promena koje su se kontinuirano

odigravale tokom razvića u dovoljno dugim intervalima vremena.

3.5.2. Životna sredina i evolucione novine

Darvin je smatrao da direktni efekti različitih faktora životne sredine na

procese razvića mogu biti prvi korak u nastanku evolucionih novina. Međutim, zbog

njegovog pozivanja na nasleđivanje stečenih osobina, ali još više zbog nepoznavanja

mehanizama genetičke i epigenetičke kontrole razvića, evolucioni biolozi dugo su

zazirali od svakog pomena uloge životne sredine u oblikovanju fenotipskih promena

tokom evolucije (u delu 4 govorićemo više o odgovorima sistema razvića na promene

u životnoj sredini). Danas, neki savremeni evolucioni biolozi tvrde, čak, da je

„sredinska indukcija najznačajniji inicijator evolucionih novina“ (West-Eberhard,

2003). Prema Vest-Eberhardovoj, glavna prednost sredinske indukcije nad

mutacionim promenama je u tome što one mogu istovremeno uticati na mnoge (ili

sve) pripadnike populacije.

Pošto danas znamo da organizmi raspolažu različitim genetičkim i

epigenetičkim mehanizmima pomoću kojih tokom razvića kontrolišu svoje fenotipske

odgovore na efekte životne sredine, revitalizovane su i neke davno iznete hipoteze,

poput tzv. Boldvinovog efekta (videti deo 4), o sredinskoj indukciji kao važnom

činiocu u postanku evolucionih novina. Ovakve hipoteze podržavaju i neki podaci iz

paleontologije. Na primer, pokazalo se da je pojava evolucionih novina kod niza

morskih beskičmenjaka (na osnovu kojih se oni svrstavaju u različite redove), tokom

poslednjih 250 miliona godina, pozitivno korelisana sa velikim promenama u

njihovim životnim sredinama (Jablonski, 2005). Kada smo govorili o postanku cveta

kod biljaka (deo 2.4.1) istakli smo, takođe, da se ti događaji mogu povezati sa

drastičnim promenama u životnoj sredini.

Rane faze u evoluciji višećelijskih životinja već dugo se vezuju za tzv.

“kambrijsku eksploziju“ (vreme od pre 542 miliona godina) i velike promene u

58

životnoj sredini. Većina savremenih paleontologa smatra da se adaptivna radijacija

metazoa u kambrijskoj ekspoziji odigravala, zapravo, u dve faze: 1) kladogeza u

prekambrijskoj eri, i 2) “čvrsti-deo“ (engl. hard-part) evolucije, u ranoj kambriji

(Nielsen i Parker, 2010). U kasnim prekambrijskim slojevima (u tzv. edajakari, koja

se datira na vreme od pre 632 do 542 miliona godina), intenzivna kladogeneza, koja je

dovela do pojave više od 30 kola životinja sa bilateralnom simetrijom tela, smatra se

posledicom velikih promena u životnoj sredini tog doba. Edajakarska fauna je

karakteristična po dominaciji životinja sa mekim telom. U sledećoj fazi dolazi do

“prave“ kambrijske eksplozije, i počinje dominacija životinja sa skeletom (otuda i

naziv ove faze), kako su pokazali skorašnji fosilni zapisi iz jednog kineskog nalazišta

(Huo i sar., 2004). Pretpostavljena pojava skeletonizacije (pre oko 520 miliona

godina; Marshall, 2006) ne vezuje se, međutim, za velike promene u životnoj sredini,

već za morfloške celine koje su značajno promenile način ishrane tih organizama.

Naime, kod Bilateria (zajedno sa knidarijama često se svrstavaju u grupu neuralia)

pojavlje se niz evolucionih novina, poput creva, nervnog sistema i mišića. Svi ovi

organi, zajedno sa bilateralnom simetrijom, koje su kontrolisali Hox geni,

omogućavali su životinjama ishranu većim organizama i vanćelijsko varenje u

crevima. Sva ponašanja vezana sa takvu ishranu (lovljenje ili strvinarenje)

podrazumevaju, naravno, postojanje mozga, koji bi koordinisao aktivnosti životinja.

Prema hipotezi pod nazivom “teorija svetlosnog prekidača“ (engl. light switch

theory), ključnu ulogu u daljoj evoluciji morfoloških struktura životinja imala bi

pojava viđenja (Parker, 2003). Kako se navodi, viđenje, zajedno sa mozgom koji

obrađuje tako dobijene informacije, i telom koje može da “kapitalizuje“ sve te

informacije, bili su okidač koji je doveo do diverzifikacije telesnih sklopova životinja

kakve danas vidimo.

3.5.3. Da li se srećna čudovišta ipak vraćaju?

„Premda je gotovo izvesno da su vrlo mnoge vrste bile proizvedene većim

postepenostima nego što su one koje razdvajaju fine varijetete, ipak se može tvrditi da

su se neke razvile na drukčiji i nagao način. Takvo tvrđenje, međutim, ne bi trebalo

činiti bez jakog dokaza“ (Darwin, 1872, 1985, naš prevod, str. 224). Da li danas

postoje takvi “jaki dokazi“?

Svaki pokušaj da se pronađe odgovor na to pitanje susreće se sa osnovnim

pitanjem - koliki zapravo treba da bude diskontinuitet u razviću neke evolucione

59

novine da bismo govorili o naglom nastanku? Da li većina promena u načinu

regulacije razvića, koje dovode, na primer, do heterohronije i heterotopije,

predstavljaju takve skokove? Da li se skokom može nazvati i relativno brza

akumulacija poligenskih promena uz delovanje visokih intenziteta prirodne selekcije?

U prekambriji i kambriji, broj različitih načina regulacije razvića i različito učešće

brojnih transkripcionih faktora, doveli su do pojave niza telesnih sklopova životinja.

Da li se zbog toga sve savremene životinje mogu nazvati potomcima Goldšmitovih

srećnih čudovišta? Ma koliko u geološkoj skali ti vremenski intervali izgledali kratki,

teško da na ovo pitanje možemo dati potvrdan odgovor. Postanak tako kompleksne

strukture, kao što je telesni sklop, nije mogao nastati u jednom koraku. Vraćajući se

na ranije opisanu koncepciju “evolucionih opterećenja“ Ruperta Ridla, možemo

predložiti sledeći scenario. Prekambrijski preci životinja morali su biti mnogo

jednostavniji organizmi i sigurno su sadržali mnogo manji broj elemenata u mreži

razvića i interakciji telesnih funkcija. U takvom sistemu, osobine i molekularni

elementi, koje danas smatramo esencijalnim za telesne sklopove i koji su u

“evoluciono sklerotičnom stanju“ (Schoch, 2009), morali su biti znatno manje

opterećeni i stoga mnogo podložniji promenama. Drugim rečima, put od postepenih

evolucionih promena perifernih osobina do onih više integrisanih i više opterećenih,

mogao je biti znatno brži. Ne treba zaboraviti ni da su veličine populacija tih

predačkih taksona morale biti veoma male. To podrazumeva da je genetički drift

mogao održati i fiksirati mnoge ne baš savršene strukture. Kasnije “fino modelovanje“

i usaglašavanje uspostavljenih sistema, kao i dodavanje novih elemenata, ustalilo je

osnovne telesne sklopove koji su kasnije pokazivali znatno manju stopu evolucionih

promena.

Istraživači koji se danas bave relativno velikom grupom račića – ciripedijama

(Cirripedia), smatraju da elementi telesnog sklopa te grupa predstavljaju jedan od

najjačih dokaza nastanka evolucionih novina na nagao način (Geant i sar., 2006).

Inače, Darvin je veoma dobro poznavao ciripedije jer ih je intenzivno proučavao

čitavih osam godina (E. Majer, na primer, smatra da je zahvaljujući ciripedijama

Darvin među tadašnjim zoolozima stekao ugled ozbiljnog istraživača). Najveći broj,

od preko 1000 poznatih vrsta ciripedija svrstanih u tri reda, prvi je opisao upravo

Darvin. Jedna od najznačajnijih osobina ovih račića jeste gubitak abdomena tokom

razvića; larve ciripedija poseduju zakržljali abdomen koji potpuno nestaje kod polno

zrelih jedinki.

60

Molekularno biološke analize nekoliko vrsta ciripedija pokazale su da je

najverovatniji razlog odsustva abdomena delecija jednog od Hox gena (abdA), koji se

inače nalazi kod sestrinske grupe (Geant i sar., 2006). Polazeći od ovih podataka,

istraživači koji su otkrili ovu deleciju Hox gena, smatraju da se ciripedije mogu

tretirati kao Goldšmitova srećna čudovišta! „Nije li ironično“, pita se Ginter Tajsen

(Teissen, 2009), „što omiljene životinje tvrdokornog gradualiste Darvina možda

predstavljaju sjajan primer negradualističke (saltacionističke) evolucije?“

Imajući u u vidu da su ciripedije vrlo stara grupa sa širokim rasprostranjenjem

i relativno velikim brojem vrsta, one, sasvim sigurno, nisu “srećna čudovišta“, već su

uspešni savremeni organizmi. Izvesno je, međutim, da je jedan od ključnih događaja u

oblikovanju njihove građe bila opisana mutacija Hox gena. Pojava te mutacije jeste

skok, ali njena integracija u procese razvića i, što se često zaboravlja, u genetičku

strukturu populacija, morao je biti postepen proces. Osnovna primedba populacionih

genetičara na sve ideje o značaju makromutacija jeste mala verovatnoća njihove

fiksacije u populacijama30.

Savremena evoluciona biologija razvića je pokazala da, ma koliko mutacije

svih gena, uključujući i one koji regulišu ključne procese razvića, imale kontinuiranu

raspodelu u veličini fenotipskih efekata, neke mutacije mogu dovesti do značajnijih

promena fenotipa u odnosu na druge. Na primer, teško je zamisliti da se skapula,

skeletni element ramenskog pojasa kod kornjača, mogla postepeno pomeriti sa mesta

van grudnog koša u grudni koš (slika 3.18). Bar jedan korak u nizu, koji je vodio od

položaja kao kod “normalnih tetrapoda“ do onog kod kornjača, morao je uključivati

veliku promenu u ontogenetskoj putanji (Rieppel, 2001).

30 Verovatnoća fiksacije mutacije koja nastaje samo u jednom alelu diploidnog organizma u populaciji od N jedinki, izračunavava se po formuli p = (1 – e-2Ne × s/N)/(1 – e-4Ne × s), gde je Ne efektivna veličina populacije, a s koeficijent selekcije (Kimura 1962). Kada je N = Ne, formula se svodi na p = (1 – e-

2s)/(1 – e-4Ns), a kada je s = 0 (tj. kada je mutacija neutralna), onda imamo p = 1/2N. Na primer, u slučaju hipotetičkog mutanta sa selektivnom prednošću od s = 0,01 u populaciji od 1000 jedinki verovatnoća fiksacije će biti p = (1 – e-0,002)/(1 – e-4) = 0,00199 (tj. svega oko 0,2%), a ako je mutant selektivno neutralan p = 0,05%. Dakle, ako pretpostavimo da mutant ima blagu prednost ili je selektivno neutralan, njegova verovatnoća fiksacije u populaciji je izuzetno mala. Međutim, pošto znamo da su mutacije sa velikim fenotipskim efektima u najvećem broju slučaja štetne, verovatnoća fiksacije je još manja. Recimo, da je s samo 0,001, p bi bilo svega 0,004%, u populaciji sa 1000 jedinki. Zbog ovih efekata, smatra se da srećna čudovišta moraju imati dodatnu sreću da se nađu u populaciji sa drastično smanjenom veličinom.

61

Slika 3.18.. Položaj skapule kod ptica i kornjače. Kod ptica i drugih amniota skapula se nalazi van grudnog koša, dok se kod kornjača nalazi unutar grudnog koša (prema Kuratani i sar., 2011).

Uprkos mnogim pokušajima da se pojava cveta objasni na gradualistički

način, većina savremenih hipoteza postulira postojanje promena u transkripcionim

faktorima sa homeblokovima, koje su dovele do heterotopije ili homeoze (Baum i

Hileman, 2006; videti deo 2.4.1). Kod A. thaliana i zevalica iz roda Antirrhinium sp.

nađeno je nekoliko homeotičkih mutanata. Mutacije u AP3 i PI genima kod A.

tahliana, i DEF genu kod zevalice, transformisali su krunične listiće u čašične listiće i

prašnike u tučkove. Sve te mutacije onemogućavale su samooplodnju. Dodatno,

mutacije koje menjaju morfologiju cveta poseduju potencijal da evoluiraju relativno

brzo. Razlog ovom “ubrzanju“ je zavisnost protoka gena između populacija

angiospermi od polinacije, tako da svaka veća promena cveta može dovesti do

promene načina polinacije, odnosno do reproduktivne izolacije takve grupe.

Kada smo govorili o polipolidiji (deo 2.3.1) naveli smo da je to jedan od

značajnih mehanizama koji mnogim biljkama obezbeđuje ekološki uspeh i relativno

brzu evoluciju. Takođe, ne smemo izgubiti iz vida da je ključni korak u nastanku

eukariotskih ćelija bila endosimbioza (deo 1.9). Osim primarne, sekundarna i

tercijarna endosimbioza dovele su kod nekih fotoautotrofnih grupa, kao što su

dinoflagelate i euglenide, do velikog diskontinuiteta u odnosu na predačke taksone.

Primena savremenih citoloških i molekularno bioloških metoda nedvosmisleno je

pokazala da su hloroplasti kod Euglena gracilis (slika 3.19) algalnog porekla

(Kutschera i Niklas, 2008). Pored fotosintetičkih zelenih euglenida (sa hlorofilom b),

plastide su putem sekundarne endosimbioze stekle i brojne vrste koje ulaze u sastav

62

slatkovodnih i morskih fitoplanktona. Zanimljivo je da kod savremenog fitoplanktona

dominiraju vrste sa crvenim plastidima (sa hlorofilom c), dok su u fitoplanktonu

tokom paleozoika dominirale cijanobakterije i jednoćelijski protoktisti (“alge“) sa

hlorofilom b31.

Slika 3.19. Fotografija i shematski prikaz euglene. c = hloroplasti, cv = kontraktilne vakuole, cy = citoplazma, e = očna mrlja, f = flagelum, m = mitohondrije, n = jedro (prema: Kutschera i Niklas, 2008).

Primeri koje smo da sada navodili, a koji se tiču evolucionog značaja mutacija

sa malim i velikim uticajima na fenotip, odnosili su se na manje-ili-više uspešne

rekonstrukcije evolucione istorije različitih taksona. Međutim, Ričard Lenski sa

svojim saradnicima uspeo je da u eksperimentima, koji su trajali desetine hiljada

generacija, rasvetli neke od važnih elemenata za razumevanje načina kako se u

populacijama ponašaju mutacije sa velikim efektima. Eksperimente sa tako velikim

brojem generacija moguće je, naravno, izvesti samo na bakterijama. Eksperimenti su

započeti tako što je 12 populacija bakterije E. coli, dobijenih klonalnim putem od

jedne bakterijske ćelije, održavano u Erlenmajerovim posudama sa ograničenom

količinom šećera glukoze. Od 1988. godine, kada je eksperiment počeo, svakih 500

generacija zamrzavan je poveći uzorak bakterija iz svih 12 populacija, tako da svaka

populacija ima veliku kolekciju “fosilnih zapisa“. Na ovom mestu opisaćemo samo

eksperimente koji su urađeni nakon što se, posle 31500 generacija, pojavila neobična

31 Protoctista (ranije Protista), po najnovojoj klasifikaciji to je carstvo, sa 18 filuma, koje uključuje sve eukariote koji nisu “prave” biljke, glive i životinje.

63

mutacija u jednoj populaciji (Blount i sar., 2008). U populaciji obeleženoj kao Ara-3,

pojavili su se mutanti koji su počeli da koriste citrat, supstancu inače sadržanu u

medijumu na kome su održavane kulture bakterijskih ćelija. Ovo je bilo iznenađene za

istraživače budući da E. coli, bar do pojave Cit+ fenotipova u ovom eksperimentu, ne

može koristiti citrat pod oksigenim uslovima. Dakle, radilo se, iz ugla bakterijskog

metabolizma, o vrlo velikoj promeni.

Da bi otkrili mehanizme ove ekstremno duge (preko 30000 generacija)

evolucije, istraživači su, naravno, posegli za fosilima. Zanimljiv je, međutim,

postupak kojim su se poslužili. Pored početne populacije, odmrzli su primerke iz još

15 različitih vremenskih tačaka kako bi pokrili čitavu evolucionu istoriji Ara-3

populacije. Populacijama “oživelih fosila“ omogućeno je da se razmnožavaju pod

istim uslomima kao i Ara-3. U najvećem, od nekoliko eksperimenata sa ponovljenom

evolucijom, pojavilo se 8 novih Cit+ fenotipova. Važan podatak je da su se prva dva

mutanta pojavila tek u zamrnutom uzorku Ara-3 populacije koji je bio star 20000

generacija. Ovo ukazuje da se sposobnost korišćenja novog izvora energije nije desila

u jednom koraku, već da su pojavi Cit+ fenotipa prethodile druge važne genetičke

promene. Dodatne analize su pokazale da su to bile mutacije najmanje tri druga gena

koji nisu imali vidljive fenotipske efekate. Te mutacije se označavaju kao

potencijacione, jer njihova pojava u genotipovima ne utiče na organizam, ali njihove

interakcije sa budućim mutacijama mogu dovesti do korisnih efekata. Ključna

adaptacija, koja je dovela do “iskakanja“ iz fenotipskih granica E coli, pojavila se tek

posle (epistatičkih) interakcija Cit+ mutanta sa drugim delovima genoma bakterije.

Boks 3.3. Koliko je evolucija ponovljiva?

Eksperiment na E. coli koji smo upravo opisali može nam pomoći i da odgovorimo na

pitanje koliko je evolucija ponovljiva. Ili, kako je to Guld (Gould, 2002) slikovito rekao „ako

bismo film evolucije pustili ispočetka, da li bi se evolucija ponovila na isti način?“ Istraživači

koji su izveli eksperiment na E. coli smatraju da je evolucija neponovljiva jer je „evolucija

[Cit+] fenotipa bila kontigentna na posebnu istoriju [Ara-3] populacije“, ili opštije „istorijska

kontigentnost je posebno značajna kada ubrzava evoluciju ključnih inovacija koje ne mogu

lako evoluirati putem postepene i kumulativne selekcije“ (Blount i sar., 2008, str. 7899).

[Značenje termina kontingentan je suprotno značenju termina “nužan”. Neki događaj ili

proces je kontigentan ako se moglo desiti da se ne dogodi (lat. contigenere znači desiti se)]

64

Međutim, ekperimenti na istoj bakterijskoj vrsti, ali koji su se odnosili na evoluciju

rezistentnosti na β-laktamske antibiotike (npr. penicilin), navode na suprotan zaključak. U β-

laktamaznom genu (bla 1) nađeno je 5 mutacija, koje zajedno povećavaju otpornost E. coli na

β-laktamske antibiotike za oko 100000 puta. Evolucija ove visoke rezistentnost mogla se

ostvariti preko jedne od 120 mogućih putanja, ali se pokazalo da se 102 nikada nisu

realizovale, a među preostalih 18 kombinacija mutacija, mnoge uopšte nisu povećavale

rezistentnost na antibiotike (Weinreich i sar., 2006). Ovi podaci „impliciraju da je proteinska

filmska traka života vrlo reproducibilna, pa čak i predvidiva“ (Weinreich i sar., 2006. str.

111).

Dakle, kontradiktorni rezultati laboratorijske evolucije na E. coli nisu nam pomogli

da damo precizan odgovor na pitanje kontigentnosti procesa evolucije. Većina evolucionih

biologa će, verovatno, i dalje verovati u kontigentnost evolucije iz jednostavnog razloga jer

svi oblici života koje danas srećemo imaju istoriju. A svi istorijski događaji i putevi inicirani

su pod jedinstvenim okolnostima, te otuda predstavljaju singularitete. Zbog toga su, kaže

Guld, i procesi evolucije neponovljivi.

65