Что такое барьер вейсмана это
В Барьер Вейсмана, предложено Август Вейсманн, это строгое различие между «бессмертными» клонами зародышевых клеток, продуцирующих гаметы, и «одноразовыми» соматическими клетками, в отличие от Чарльз Дарвинпредлагается пангенезис механизм наследования. [1] [2] Говоря более точной терминологией, наследственная информация передается только от зародышевый клетки в соматические клетки (то есть соматические мутации не передаются по наследству). [3] Это не относится к центральная догма молекулярной биологии, в котором говорится, что никакая последовательная информация не может поступать из белок к ДНК или же РНК, но обе гипотезы относятся к геноцентрическому взгляду на жизнь. [4]
Вейсманн изложил эту концепцию в своей книге 1892 года. Das Keimplasma: eine Theorie der Vererbung (The Плазма зародышей: теория наследования). [5]
Барьер Вейсмана имел большое значение в свое время и, среди прочего, эффективно устранял некоторые Ламаркиан концепции: в частности, это сделало бы наследование по Ламарку от изменений тела (сомы) трудным или невозможным. [6] Это остается важным, но, тем не менее, требует квалификации в свете современного понимания горизонтальный перенос генов и некоторые другие генетические и гистологические разработки. [7] Использование этой теории, обычно в контексте зародышевая плазма Теория конца 19 века, до развития более обоснованных и сложных концепций генетики в начале 20 века, иногда упоминается как Вейсманизм. [8] Некоторые авторы называют Вейсманистское развитие (либо преформистский или же эпигенетический) то, в котором есть отличная зародышевая линия, в отличие от соматический эмбриогенез. [9] Этот тип развития соотносится с эволюция смерти соматической линии.
Растения и базальные животные
У растений генетические изменения в соматических линиях могут приводить и действительно приводят к генетическим изменениям в зародышевых линиях, поскольку половые клетки производятся линиями соматических клеток (вегетативные меристемы), которые могут быть достаточно старыми (много лет), чтобы накопить несколько мутаций с момента прорастания семян, некоторые из которых подлежат естественному отбору. [10] Аналогичным образом, базальные животные, такие как губки (Porifera) и кораллы (Антозоа) содержат клоны мультипотентных стволовых клеток, которые дают начало как соматическим, так и репродуктивным клеткам. Барьер Вейсмана, по-видимому, имеет более недавнее эволюционное происхождение. [11]
В Барьер Вейсмана, предложено Август Вейсманн, это строгое различие между «бессмертными» клонами зародышевых клеток, продуцирующих гаметы, и «одноразовыми» соматическими клетками, в отличие от Чарльз Дарвинпредлагается пангенезис механизм наследования. [1] [2] Говоря более точной терминологией, наследственная информация передается только от зародышевый клетки в соматические клетки (то есть соматические мутации не передаются по наследству). [3] Это не относится к центральная догма молекулярной биологии, в котором говорится, что никакая последовательная информация не может поступать из белок к ДНК или же РНК, но обе гипотезы относятся к геноцентрическому взгляду на жизнь. [4]
Вейсманн изложил эту концепцию в своей книге 1892 года. Das Keimplasma: eine Theorie der Vererbung (The Плазма зародышей: теория наследования). [5]
Барьер Вейсмана имел большое значение в свое время и, среди прочего, эффективно устранял некоторые Ламаркиан концепции: в частности, это сделало бы наследование по Ламарку от изменений тела (сомы) трудным или невозможным. [6] Это остается важным, но, тем не менее, требует квалификации в свете современного понимания горизонтальный перенос генов и некоторые другие генетические и гистологические разработки. [7] Использование этой теории, обычно в контексте зародышевая плазма Теория конца 19 века, до развития более обоснованных и сложных концепций генетики в начале 20 века, иногда упоминается как Вейсманизм. [8] Некоторые авторы называют Вейсманистское развитие (либо преформистский или же эпигенетический) то, в котором есть отличная зародышевая линия, в отличие от соматический эмбриогенез. [9] Этот тип развития соотносится с эволюция смерти соматической линии.
Растения и базальные животные
У растений генетические изменения в соматических линиях могут приводить и действительно приводят к генетическим изменениям в зародышевых линиях, поскольку половые клетки производятся линиями соматических клеток (вегетативные меристемы), которые могут быть достаточно старыми (много лет), чтобы накопить несколько мутаций с момента прорастания семян, некоторые из которых подлежат естественному отбору. [10] Аналогичным образом, базальные животные, такие как губки (Porifera) и кораллы (Антозоа) содержат клоны мультипотентных стволовых клеток, которые дают начало как соматическим, так и репродуктивным клеткам. Барьер Вейсмана, по-видимому, имеет более недавнее эволюционное происхождение. [11]
Второй после Дарвина
О человеке, спорившем с Дарвином и Пастером, о таинственных геммулах, а также о переливании крови кроликам и отрезании хвостов мышам рассказываем в нашей ежедневной рубрике «История науки».
Выходец из семьи франкфуртского университетского профессора Август Вейсман получил обычное для того времени образование, включавшее уроки музыки и рисования. Однако мальчику больше нравилось изучать мир вокруг, в чем его поддерживал учитель музыки, занимавшийся коллекционированием бабочек. Это увлечение Августу пришлось по душе, и в школьные годы мальчик собирал мотыльков, жуков и растения вокруг Франкфурта, потратил немало времени, изучая узоры и расцветку крыльев бабочек и наблюдая за развитием насекомых из гусениц во взрослые особи. Пройдут годы, и эти наблюдения лягут в основу одной из первых его книг.
Увлечение не нашло понимания у родителей Августа, но компромисс был найден. Друг семьи, химик Фридрих Велер (о нем мы еще упомянем), посоветовал юноше пойти по его стопам — изучать медицину (такое вот прикрытие для занятий наукой).
Фридрих Велер, литография
Отучившись в Геттингенском университете и защитив диссертацию, Август несколько лет проработал в госпитале. После работы с зоологом Рудольфом Лейкартом он решил, что химия, которой он уже посвятил немало времени, — это «не его», и обратился к биологии. Чуть позже он стал доцентом Фрайбургского университета, сосредоточившись на зоологии и сравнительной анатомии. Однако примерно в это время (ему на тот момент было 30 лет) его зрение сильно ухудшилось, и Вейсман почти не мог работать с микроскопом. В этом ему помогали студенты, ассистенты и жена Мари. Первые научные работы Августа были посвящены столь любимым им насекомым, однако потом из-за зрения ему пришлось обратиться к более общим теоретическим проблемам: воспроизводства и наследования.
Вейсман восторженно отзывался о работах Чарльза Дарвина, хотя и позволял себе не согласиться с некоторыми положениями его теории. Так, ему не понравилось (хотя и не сразу), что Дарвин поддерживал ламаркистскую гипотезу о том, что приобретенные признаки могут наследоваться. Эти взгляды он впервые описал в эссе, представленном во время торжественной речи по случаю вступления в должность проректора Фрайбургского университета (а о чем говорили в таких случаях руководители вашего вуза?).
Идею о наследовании приобретенных признаков Дарвин формулировал так: «Мы можем быть уверенными в этом в некоторых случаях, когда все или почти все особи, находившиеся в сходных условиях, изменяются одинаковым и притом определенным образом, чему мы привели несколько примеров. Однако неясно, почему потомки должны изменяться, если их родители попадают в новые условия, и почему в большинстве случаев необходимо, чтобы в этих условиях пробыло несколько поколений». Заметно, что подтвердить свою уверенность ученому непросто. Для этого он создает умозрительную в общем теорию о геммулах — элементах клеток, которые вырабатываются ими, разносятся с током крови по всему организму и могут развиваться в клетки, идентичные породившим их. Предполагалось, что с помощью геммул могут передаваться изменения в конкретном организме, вызванные условиями среды или упражнениями, однако не было объяснения тому, как эти изменения «сохраняются» в строении клеток.
Опытным путем доказать ошибочность предположений о наследовании приобретенных признаков пытался и неугомонный двоюродный брат Дарвина, Фрэнсис Гальтон, переливавший кровь темных кроликов светлым, и сам Вейсман, экспериментировавший с мышами. 901 зверьку из пяти поколений он отрезал хвосты, «и все же у потомства не было ни одного примера укороченного хвоста или какой-либо иного отклонения в строении этого органа». Не настаивая на чистоте и полноте эксперимента, Вейсман видел свою задачу в опровержении бытовавших в то время слухов, например, о кошке, родившейся без хвоста из-за того, что многие ее родственники потеряли свои.
Постоянно повторяющиеся жизненные циклы рождения и смерти — это один из фундаментальных принципов природы. Организм зарождается в виде клетки, которая растет и делится, превращается в эмбрион, взрослеет, достигает зрелого возраста, но потом стареет, теряет функциональность и, в конце концов, умирает.
Но почему жизнь должна быть циклической, почему она должна заканчиваться старением и смертью?
Ведь такие животные, как кораллы и морские губки, живут на протяжении тысячелетий и способны к практически бесконечной регенерации и восстановлению клеток. Даже у более сложных животных потомство не наследует возраста своих родителей: каждое новое поколение начинается с одной клетки в ее первозданном состоянии, без признаков старения. Если старение каким-то образом подавляется в репродуктивных клетках, почему остальные ткани организма в конечном итоге истощаются и умирают?
Бессмертные зародышевые клетки — «одноразовое» тело
В конце XIX века немецкий биолог Август Вейсман выяснил, что сложные организмы состоят из двух типов клеток: «бессмертных» зародышевых — вечно молодых клеток, из которых состоит сперма и яйцеклетки, — и «одноразовых» соматических клеток, которые образуют остальную часть тела.
Клетки зародышевой линии формируют наследственность, сохраняя генетическую информацию и передавая ее последующим поколениям. Соматические клетки, напротив, не несут в себе наследственный материал и просто образуют защитную оболочку, которая отбрасывается после размножения.
Вейсман предположил простую модель организма со строгим разделением между зародышевыми клетками и соматическими — так называемый барьер Вейсмана, который не позволяет возрастным изменениям соматических клеток передаваться через зародышевые клетки к следующему поколению, которое всегда рождается молодым.
Совсем недавно идеи Вейсмана были кардинально пересмотрены Томасом Кирквудом в его теории «одноразовой сомы». Кирквуд, вдохновленный идеями Медавара и Уильямса, утверждал, что сила естественного отбора уменьшается с возрастом, потому что большинство организмов в естественной среде умирает из-за внешних опасностей, таких как хищники, паразиты и истощение.
Организмы должны вкладывать ресурсы как в репродуктивную функцию, так и в функцию сохранения и восстановления соматических клеток. В связи с тем, что вероятность выживания с учетом внешних угроз со временем снижается, оптимальная стратегия состоит в том, чтобы выделять все меньше и меньше ресурсов на обслуживание соматических клеток с течением времени. Отсутствие восстановления клеток на поздних стадиях жизненного цикла приводит к постепенной потере функциональности и постепенному распаду — старению.
Что особенно важно, Кирквуд понял, что его теория «одноразовой сомы» работает только тогда, когда существует строгое разграничение между зародышевыми и соматическими клетками. Организмы, в которых барьер Вейсмана нарушен и соматические клетки также используются для размножения, не должны стареть.
Словом, в реальном мире картина оказалась более сложной, чем могла предсказать модель Вейсмана.
У сложных животных, таких как млекопитающие, птицы и насекомые, предположение Вейсмана о жестком разграничении зародышевых клеток и соматических справедливо: лишь относительно небольшая группа клеток взрослой особи хранит репродуктивный потенциал, а остальные не могут дать жизнь новому организму.
Но у самых древних жителей планеты, таких как гидры, кораллы и губки, все не так. Даже будучи взрослыми, эти организмы сохраняют большие популяции универсальных стволовых клеток, которые могут генерировать как соматические, так и репродуктивные клетки, то есть зародышевые клетки и соматические на самом деле не разделены. Это отсутствие зародышевой секвестрации дает кораллам и их сородичам силу регенерации и вегетативного размножения.
Не менее впечатляют различия в продолжительности жизни животных и темпах старения.
Средняя продолжительность человеческой жизни составляет около 70 лет — гораздо дольше, чем у домашних мышей, которые живут только 2 года, но гораздо меньше, чем у коралловых колоний, живущих на протяжении тысячелетий без признаков старения. У организмов, которые не стареют, хронологически старые и молодые особи практически идентичны, с универсальными популяциями стволовых клеток, постоянно обновляющими свои соматические и репродуктивные ткани.
Барьер Вейсмана не универсален для всех животных, а относится лишь к сложным организмам, подверженным соматическому старению и смерти. Не ясно, что заставило эволюцию разделить зародышевые и соматические клетки, но ответ также прольет свет на происхождение смертности сложных животных.
За эволюцией старения стоит клеточная энергетика
Существуют признаки того, что эволюция зародышевых и соматических клеток связана с клеточной энергетикой.
Клетки животных производят энергию через дыхание в митохондриях — органоидах бактериального происхождения, которые сохраняют свои собственные крошечные геномы, отличные от хромосом внутри ядра. Каждая клетка содержит десятки и сотни митохондрий, и каждая митохондрия имеет несколько молекул ДНК. Этот крошечный геном регулирует функцию митохондрии; ее целостность имеет решающее значение для клеточного дыхания, так как дефектные гены митохондрий часто приводят к изнурительным болезням, нервно-мышечной дегенерации и ранней смерти.
Большая часть дефектов в генах митохондрий возникают в результате случайных ошибок при воспроизведении ДНК. Так как клетки в развивающемся организме делятся, их митохондрии делают то же самое, каждый раз производя новые мутации ДНК.
В нашей недавней статье в PLoS Biology мы показываем, что в организмах с быстрым накоплением митохондриальных дефектов естественный отбор способствует изоляции зародышевой клетки с меньшим числом циклов воспроизведения. Это сводит к минимуму повреждение энергопроизводящих органоидов, которые потенциально могут быть переданы следующему поколению. Если темпы накопления ошибок невелики, барьер между зародышевыми и соматическими клетками не развивается.
Частота, при которой возникают ошибки копирования ДНК (скорость мутаций), различается среди групп животных, но эти различия поразительно согласуются с положениями новой гипотезы.
Скорость мутаций у высших животных, таких как млекопитающие, рептилии и птицы, удивительно высока, в 10-50 раз выше скорости, типичной для генов в ядре. С другой стороны, крайне медленная скорость мутаций митохондрий характерна для большинства древних групп животных и растений, которые способны к клональному размножению, регенерации и, казалось бы, неограниченной продолжительности жизни, а также, что особенно важно, не имеют строгого разграничения между зародышевыми и соматическими клетками.
Мы считаем, что самые древние животные развивались и воспроизводились так же, как современные кораллы и губки: это были сидячие фильтраторы, которые имели большие популяции недифференцированных стволовых клеток, непрерывно производящих как соматические, так и зародышевые клетки. Они могли восстанавливать свои части тела и размножаться путем, например, отделения группы клеток от их соматических тканей, как растения и гидры.
Благодаря низкой скорости мутаций митохондрий у них не было настоящих соматических клеток, и они были практически бессмертными.
Однако из-за роста уровня кислорода в атмосфере на границе между эдиакарским и кембрийским периодами около 550 млн лет назад увеличилась метаболическая и физическая активность некоторых первобытных животных, что привело к переходу от сидячей фильтрации к более высокой подвижности и хищничеству. Это в свою очередь увеличило риск накопления дефектов в их митохондриальных геномах и запустило процесс разделения и защиты зародышевых клеток.
Разделение зародышевых и соматических клеток позволило развиться высшим животным, но и положило начало старению и смертности.
Соматические клетки, избавленные от необходимости поддерживать бессмертие, получили возможность практически неограниченной дифференцировки в узкоспециализированные ткани, такие как кишечник, мозг или кожа.
Только в сложных животных мы видим одноразовые ткани с высокими энергетическими потребностями и высокой скоростью митохондриальных мутаций. Эти ткани никогда не обновляются или регенерируются. Нервные клетки в мозге человека, например, зачастую раньше других страдают от митохондриальных заболеваний, но не заменяются, так как это приведет к изменению сети синаптических связей, которые отвечают за наши воспоминания, личность и интеллект.
Сложность животных, сильная дифференциация на множество типов специализированных тканей и органов и даже сознание — все это стало возможным благодаря строгой зародышевой-соматической дихотомии и неразрывно связано со смертностью.
Человечество давно стремится к долголетию, и даже если наша продолжительность жизни сейчас растет, всему есть предел — бессмертие может быть в корне несовместимо с биологической сложностью животных с высокоэнергетическим образом жизни.
В Барьер Вейсмана, предложено Август Вейсманн, это строгое различие между «бессмертными» клонами зародышевых клеток, продуцирующих гаметы, и «одноразовыми» соматическими клетками, в отличие от Чарльз Дарвинпредлагается пангенезис механизм наследования. [1] [2] Говоря более точной терминологией, наследственная информация передается только от зародышевый клетки в соматические клетки (то есть соматические мутации не передаются по наследству). [3] Это не относится к центральная догма молекулярной биологии, в котором говорится, что никакая последовательная информация не может поступать из белок к ДНК или же РНК, но обе гипотезы относятся к геноцентрическому взгляду на жизнь. [4]
Вейсманн изложил эту концепцию в своей книге 1892 года. Das Keimplasma: eine Theorie der Vererbung (The Плазма зародышей: теория наследования). [5]
Барьер Вейсмана имел большое значение в свое время и, среди прочего, эффективно устранял некоторые Ламаркиан концепции: в частности, это сделало бы наследование по Ламарку от изменений тела (сомы) трудным или невозможным. [6] Это остается важным, но, тем не менее, требует квалификации в свете современного понимания горизонтальный перенос генов и некоторые другие генетические и гистологические разработки. [7] Использование этой теории, обычно в контексте зародышевая плазма Теория конца 19 века, до развития более обоснованных и сложных концепций генетики в начале 20 века, иногда упоминается как Вейсманизм. [8] Некоторые авторы называют Вейсманистское развитие (либо преформистский или же эпигенетический) то, в котором есть отличная зародышевая линия, в отличие от соматический эмбриогенез. [9] Этот тип развития соотносится с эволюция смерти соматической линии.
Растения и базальные животные
У растений генетические изменения в соматических линиях могут приводить и действительно приводят к генетическим изменениям в зародышевых линиях, поскольку половые клетки производятся линиями соматических клеток (вегетативные меристемы), которые могут быть достаточно старыми (много лет), чтобы накопить несколько мутаций с момента прорастания семян, некоторые из которых подлежат естественному отбору. [10] Аналогичным образом, базальные животные, такие как губки (Porifera) и кораллы (Антозоа) содержат клоны мультипотентных стволовых клеток, которые дают начало как соматическим, так и репродуктивным клеткам. Барьер Вейсмана, по-видимому, имеет более недавнее эволюционное происхождение. [11]