ПОПУЛЯЦИИ ОРГАНИЗМОВ-ОПУХОЛЕНОСИТЕЛЕЙ КАК ПЕРЕХОДНЫЕ ФОРМЫ МЕЖДУ ВИДАМИ ОРГАНИЗМОВ, СТОЯЩИХ НА РАЗЛИЧНЫХ СТУПЕНЯХ ПРОГРЕССИВНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

А. П. Козлов

Биомедицинский центр;

Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия: contact@biomed. spb. ru

Экспрессия в опухолях эволюционно новых генов может приводить к возникно — вению новых типов клеток, которые наследуются в поколениях организмов с по — мощью эпигенетических механизмов, аналогичных имеющим место в наследова — нии предсуществующих типов клеток. На определенных стадиях эволюции такие явления могли достаточно часто происходить в популяциях организмов с генети — чески или эпигенетически предетерминированными опухолями. Таким образом, популяции организмов-опухоленосителей можно рассматривать как переходные формы между видами организмов, стоящих на различных ступенях прогрессивной эволюции. Опухолевые процессы могут быть аналогичны мутационному процессу. Мутационный процесс, с одной стороны, приводит к «молекулярным болезням», а с другой — обеспечивает наследственную изменчивость, без которой невозможна эволюция. Опухоли, с одной стороны, приводят к болезням многоклеточности — ракам, а с другой — могут снабжать эволюционирующие многоклеточные организ — мы избыточными клеточными массами для экспрессии эволюционно новых генов.

Ключевые слова: опухоли, эволюция, эволюционно новые гены и типы клеток.

В настоящее время происходит синтез эволюционной биологии и наук о здоро — вье. Появляется новая дисциплина, которую уже назвали дарвиновской медициной и которая пытается осуществить эволюционный подход ко всему спектру вопросов, от — носящихся к здоровью и болезни (Williams, Nesse, 1991). Эпидемиология расширяет горизонт своих исследований, включая туда эволюционное измерение (Ewald, 1994).

Начиная с 1970-х гг., мы развиваем эволюционные представления в онкологии (Козлов, 1976, 1983, 1987, 1988; Kozlov, 1979, 1996, 1910). В этой статье мы рассмо — трим свидетельства в пользу возможной положительной роли опухолей в эволю — ции, в том числе наши собственные экспериментальные данные.

Распространенность опухолей среди многоклеточных организмов

Истоки сравнительной онкологии предшествуют открытию клетки. В 1802 г. одно из научных обществ Эдинбурга впервые сформулировало вопрос: «Встреча — ются ли у примитивных организмов заболевания, напоминающие рак у человека?» (цит. по: Dawe, 1969). В 1838 г. был установлен клеточный состав опухолей чело — века (Muller, 1838), а в 1858 г. — опухолей домашних животных (Leblanc, 1858). До конца ХIХ в. были обнаружены опухоли у рыб (Bugion, 1875) и моллюсков (Ryder, 1887, Collinge, 1891, Williams, 1908). В 1901 г. опухоли были описаны у оболочников (Siedlecki, 1901). В 1938 г. нашему соотечественнику С. Чахотину удалось экспериментально вызвать смертельную атипическую пролиферацию

мезенхимных клеток у иглокожих, погружая оплодотворенные яйца этих жи — вотных на стадии бластулы в раствор монойод — или монобромуксусной кислоты (Tchakhotine, 1938). Опухоли были обнаружены даже у ископаемых динозавров (Moodie, 1917, Rothschild et al., 2003).

Эпидемиологическое исследование более чем 10 000 позвонков динозавров с по — мощью флуороскопии выявило опухоли у гадрозавров, обитавших в меловом периоде. У других семейств динозавров в этом исследовании опухоли выявлены не были, что предполагает специфичность предрасположенности к новообразованиям у различ — ных групп динозавров (Rothschild et al., 2003).

Самые разнообразные влияния внешней среды могут вызвать в тканях растений длительную пролиферативную реакцию, приводящую к возникновению опухоле — подобных наростов (Петров, 1961). Более того, некоторые опухоли растений, в част — ности так называемые «корончатые галлы», возникающие под влиянием «опухолео- бразующих» бактерий Agrobacterium tumefaciens (Smith, Townsend, 190-bidi-language: AR-SA’>

Активация транскрипции в опухолях связана с гипометилированием ДНК и гистонов и декомпактизацией хроматина. Эти процессы не обладают жесткой специфичностью и затрагивают обширные участки генома (Lin et al., 2001). Из — менения в метилировании ДНК приводят к активизации транскрипции не только генов, связанных с опухолевой прогрессией, но также к неспецифической акти — вации транскрипции последовательностей, расположенных в близких участках генома.

Другим свойством опухолевых клеток, которое могло использоваться в эволю — ции, является способность опухолевых клеток к дифференцировке с одновременной потерей злокачественности. Имеющиеся данные свидетельствуют, что генетиче — ская информация, ответственная за терминальную дифференцировку опухолевых клеток, присутствует и способна к фенотипической экспрессии (Friend et al., 1971; Mintz, Illmensee, 1975; Hendrix et al., 2007).

Опухоли могут принимать участие в морфогенетических процессах, как, напри — мер, в случае ороговевающих непигментированных папиллом, или «кожных рогов» (Willis, 1967). Другим примером могут быть своеобразные «шапочки», образующие — ся на головах некоторых рыб (см. рис. 1). Можно предположить, что своеобразные разрастания на морде у бородавочника Phacochoerus aethiopicus, являющиеся его систематическим признаком, также произошли в результате каких-то опухолепо- добных процессов.

Рис. 1. Шапочка-опухоль у золотой рыбки

Способность опухолевых клеток дифференцироваться в различных направле- ниях вместе с утратой злокачественности и экспрессией в опухолях генов, не экс — прессирующихся в нормальных тканях (но присутствующих в геноме), в том числе эволюционно новых генов, может в принципе приводить к возникновению эволю — ционно новых типов клеток.

Примеры опухолевых процессов, сыгравших роль в эволюции

Можно привести примеры патологий и патогенов, имеющих адаптивное и/или положительное эволюционное значение. Так, вирусы могут играть положительную роль в эволюции, перенося гены между различными группами организмов (Ander — son, 1970; Reanney, 1974; Zdanov, Tikhonenko, 1974).

Признак серповидноклеточности эритроцитов связан с некоторой устойчи — востью к малярийному плазмодию Plazmodium falciparum, вызывающим малярию (Allison, 1961; Livingstone, 1964). Это пример молекулярной паталогии, имеющей адаптивное значение.

Наиболее драматичным примером патологического процесса, играющего важ — ную роль в эволюции, является мутационный процесс. Эволюция невозможна без мутационного процесса, хотя значительная часть мутаций (если не большинство из них) является вредной для индивидуальных организмов. Мутационный процесс имеет две стороны. С одной стороны, он приводит к нарушениям в сбалансирован — ных молекулярных механизмах и работает как генератор разнообразных молеку — лярных болезней. С другой стороны, он поставляет новый генетический материал для отбора и работает как мотор эволюции.

Аналогичный парадокс может быть справедлив для опухолей. Опухоли мож — но представить как мутационный процесс на многоклеточном уровне. С одной сто — роны, опухолевые процессы приводят к различным злокачественным патологиям, вредным для индивидуальных организмов. С другой стороны, опухолевые процессы поставляют избыточные клеточные массы, характеризующиеся высоким уровнем биосинтезов, и это может использоваться в прогрессивной эволюции организмов для возникновения новых клеточных типов. Можно привести примеры, когда это действительно происходило в эволюции.

Азотфиксирующие клубеньки на корнях бобовых, симбиотично ассоцииро — ванные с бактериями рода Rhizobium, являются примером ситуации, когда опухоли приобретают функцию в организме и становятся новыми органами. Существенным отличием клубеньков от опухолей, вызываемых A. tumefaciens, является то, что вос — становленный в клубеньках азот используется самим растением, поэтому возникает регулируемая функция и новый орган растения — клубеньки. Напротив, в случае опухолей, индуцируемых A. tumefaciens, синтезируемые в них опины используются только бактериями, то есть имеет место паразитизм, вредный для растения.

Следующий пример роли опухолей, реализовавшейся в эволюции, можно найти у рыб рода Xiphophorus. У этого рода рыб имеются макромеланофоры, представ — ляющие собой гигантские меланоциты, локализованные по бокам тела. Они играют роль маскировки. В классических экспериментах Gordon и Kosswig (Gordon, 1927; Kosswig, 1928) было показано, что в потомстве, полученном методом обратного скре — щивания X. maculatus и X. helleri, у некоторых рыбок возникают меланомы. Андерс с коллегами предложил генетическую модель, объясняющую эти и другие подобные эксперименты по гибридизации (Ahuja, Anders; 1976, Anders, 1991). Была предложе — на простая двухлокусная система, где X. maculatus является носителем «опухолево — го локуса» Tu, расположенного на половой хромосоме, и аутосомного регуляторного локуса R, подавляющего активность опухолевого гена. У X. helleri отсутствуют как Tu, так и R. При удалении в результате скрещивания аутосом, несущих R, локус Tu выходит из-под контроля, что приводит к усилению его экспрессии и увеличению

размеров темных пятен на теле у гетерозиготных особей. Отсутствие обоих копий R в потомстве F2, содержащем ген Tu, полученном обратным скрещиванием F1 гете — розигот с X. helleri, приводит к развитию злокачественных меланом.

Мы предполагаем, что в эволюции имел место обратный процесс. Сначала могла возникнуть популяция рыб с высокой предрасположенностью к развитию меланом вследствии возникновения локуса Tu. После этого мог возникнуть ген R, который блокировал развитие меланом, что в конечном итоге привело к возникновению ма — кромеланофоров.

Оказывается, что локус Tu включает два гена: Mdl, определяющий различные фенотипы макромеланофорного (пигментного) паттерна, и онкоген Xmrk. Оба гена относительно эволюционно новы и возникли незадолго до возникновения рода Xi — phophorus (5–6 млн лет назад) (Weis, Schartl, 1998).

Макромеланофоры оказались эволюционно выгодны, так как приобрели функ — цию, которая закрепилась естественным отбором. Таким образом, макромеланофоры у X. maculatus являются меланомой, стабилизировавшейся в результате удачной комби — нации онкогена, гена-супрессора и возникновения функции, связанной с геном Mdl.

Мы можем также привести пример искусственного отбора доброкачественной опухоли у золотых рыбок (рис. 1). В данном случае декоративность своеобразной

«шапочки» на голове у некоторых рыбок, которая является папилломой по данным гистологического анализа, была причиной отбора и успеха в размножении у попу — ляции рыбок, обладающих этим признаком.

У мышей, полевок и леммингов описана мутация, следствием которой является заболевание злокачественным папилломатозом, который приводит к разрастанию роговой выстилки эпителия желудка, где появляются многочисленные ворсинки — папиллы. Такие животные в конце концов гибнут, однако обычно успевают дать не — сколько пометов и передать этот ген потомству. У африканского хомяка Mystromys (подсемейство Cricetinae), азиатских роющих грызунов — цокоров Myospalax, аф — риканских роющих грызунов Tachyoryctes и представителей совсем другого подо — тряда грызунов — африканских землекопов Cryptomys было обнаружено существо — вание ворсинчатого эпителия в желудке, полностью копирующего злокачественные новообразования при папилломатозе. Такие ворсинки способствуют развитию в же — лудке симбиотических микроорганизмов, участвующих в расщеплении клетчатки до моносахаридов. Таким образом, мутация папилломатоза, при которой формиро — вание ворсинок сдвинулось на ранние этапы онтогенеза, смогла зафиксироваться у неродственных видов грызунов, обеспечив морфологическую основу для симбиоза с микроорганизмами, что способствовало биологическому прогрессу данных групп (Воронцов, 1999, с. 508).

Таким образом, мы видим, что опухоли и/или опухолеподобные процессы мог — ли играть положительную роль в прогрессивной эволюции организмов, в частности при возникновении новых типов клеток и новых органов.

Гипотеза возможной эволюционной роли опухолей в происхождении новых клеточных типов

Начиная с 1970-х гг. нас привлекала проблема эволюционной роли опухолей и взаимосвязи процессов, протекающих на разных уровнях организации — макромоле — кулярном, клеточном и многоклеточном уровнях. В результате была развита гипотеза

об эволюционной роли опухолей в происхождении новых клеточных типов, опубли — кованная в серии статей (Козлов, 1976, 1983, 1987, 1988; Kozlov, 1979, 1996, 2010).

Суть гипотезы состоит в следующем. По мере эволюции генома и увеличения числа новых генов в геномах эволюционирующих организмов должны были иметь место усиление генной конкуренции и возникновение отношений несовместимости между генами. Поэтому предшествующие клеточные типы многоклеточных орга — низмов не обладали способностью обеспечивать экспрессию эволюционно новых генов. Под эволюционно новыми генами мы понимаем гены, возникшие относи — тельно недавно в эволюции данного вида многоклеточных организмов. Из-за ген — ной конкуренции они некоторое время могут не экспрессироваться в клетках дан — ного оганизма, то есть быть «молчащими», или «спящими», генами.

Для экспрессии эволюционно новых и/или «спящих» генов и появления но — вых клеточных типов организму необходимы избыточные клеточные массы. Пред — существующие клеточные типы не могут давать избыточные клеточные массы из-за регуляции и наличия достаточно жестких ограничений числа возможных делений (Hayflick, Moorhead, 1961; Stranger et al., 2007). Именно опухоли могли быть тем процессом, который снабжал эволюционирующие многоклеточные организмы из — быточными клеточными массами для экспрессии эволюционно новых и/или «спя — щих» генов.

Таким образом, мы полагаем, что опухоли могли быть полигоном (или резервуа — ром) экспрессии эволюционно новых и/или «спящих» генов, возникающих в про- цессе эволюции генома в клетках зародышевой плазмы (но не в клетках опухолей). В тех случаях, когда экспрессия эволюционно нового гена в клетках опухоли при — водила к возникновению новой функции, одновременно возникали новые обратные связи и регуляция. Клетки опухоли дифференцировались, и возникал новый тип клеток для данного вида многоклеточных организмов, который наследовался благо — даря эпигеномным механизмам, как и предсуществовавшие типы клеток (рис. 2).

Популяции организмов-опухоленосителей, у которых опухоли были генетиче — ски или эпигенетически детерминированы, могли представлять переходные формы между видами организмов, находящихся на разных ступенях прогрессивной эво — люции (рис. 3). Примером такого рода популяций опухоленосителей могут быть гадрозавры, обсуждавшиеся выше.

В определенные периоды филогенеза дифференцировка опухолевых клеток в популяциях опухоленосителей должна была быть достаточно частым явлением, чтобы давать популяции организмов с новым типом клеток. Организмы с новым клеточным типом затем должны были подвергаться отбору на приспособленность и конкурентоспособность. Примером могут служить рыбы рода Xiphophorus.

Новые типы клеток могли принимать участие в образовании новых тканей и органов. Примером могут служить клубеньки у бобовых, которые иногда называют новыми органами. У различных видов обсуждавшихся выше гадрозавров встреча — ются необычные костные разрастания на голове, имеющие форму гребня и участво — вавшие в издании различных звуков (Alexander, 2006).

Образование нового типа клеток является редким эволюционным событием и связано с прогрессивной эволюцией. В частности, у млекопитающих насчиты — вается только от 200 до 500 специализированных клеточных типов (Kozlov, 1996; Vickaryous, Hall, 2006). Таким образом, если опухоли действительно играли роль

Рис. 2. Эволюция путем дифференцировки опухолевых клеток

Рис. 3. Популяция опухоленосителей — переходная форма между двумя видами

в происхождении новых клеточных типов у многоклеточных животных, это должно было быть достаточно редким эволюционным явлением.

Результаты экспериментального подтверждения некоторых нетривиальных предсказаний гипотезы

Гипотеза положительной эволюционной роли опухолей не только позволяет объяснить и систематизировать большое количество наблюдений и эксперимен — тальных фактов, но и сделать неочевидные экспериментально проверяемые пред — сказания. Одним из таких предсказаний является утверждение об активации в опу — холях эволюционно новых и/или «спящих» генов. Начиная с 1980-х гг. (Evtushenko et al., 1989), мы работали над экспериментальным доказательством этого предсказа — ния. Mетодами молекулярной гибридизации нам удалось показать, что в опухолях млекопитающих экспрессируются последовательности, не экспрессирующиеся ни в одной экспериментально доступной нормальной ткани (Evtushenko et al., 1989, Kozlov et al., 1992). К концу 1990-х гг. накопилось большое количество кДНКовых библиотек из самых разнообразных нормальных и опухолевых тканей, последова — тельности кДНК которых были доступны через соответствующие базы данных. Мы осуществили глобальное сравнение всех опухолевых последовательностей, то есть последовательностей кДНК из всех опухолевых кДНКовых библиотек, и всех нор — мальных последовательностей, то есть последовательностей кДНК из всех доступ — ных кДНКовых библиотек, полученных из нормальных тканей.

Рис. 2. Эволюция путем дифференцировки опухолевых клеток

Рис. 3. Популяция опухоленосителей — переходная форма между двумя видами

в происхождении новых клеточных типов у многоклеточных животных, это должно было быть достаточно редким эволюционным явлением.

Результаты экспериментального подтверждения некоторых нетривиальных предсказаний гипотезы

Гипотеза положительной эволюционной роли опухолей не только позволяет объяснить и систематизировать большое количество наблюдений и эксперимен — тальных фактов, но и сделать неочевидные экспериментально проверяемые пред — сказания. Одним из таких предсказаний является утверждение об активации в опу — холях эволюционно новых и/или «спящих» генов. Начиная с 1980-х гг. (Evtushenko et al., 1989), мы работали над экспериментальным доказательством этого предсказа — ния. Mетодами молекулярной гибридизации нам удалось показать, что в опухолях млекопитающих экспрессируются последовательности, не экспрессирующиеся ни в одной экспериментально доступной нормальной ткани (Evtushenko et al., 1989, Kozlov et al., 1992). К концу 1990-х гг. накопилось большое количество кДНКовых библиотек из самых разнообразных нормальных и опухолевых тканей, последова — тельности кДНК которых были доступны через соответствующие базы данных. Мы осуществили глобальное сравнение всех опухолевых последовательностей, то есть последовательностей кДНК из всех опухолевых кДНКовых библиотек, и всех нор — мальных последовательностей, то есть последовательностей кДНК из всех доступ — ных кДНКовых библиотек, полученных из нормальных тканей. Результаты срав — нения были описаны в статьях А. В. Барановой с соавторами (Баранова и др., 2001; Baranova et al., 2001).

Как мы и предсказывали, в опухолях действительно была обнаружена экспрессия десятков и сотен последовательностей, не экспрессирующихся в нормальных тканях.

Мы также предприняли эксперименты по подтверждению специфичности опухо — левой экспрессии последовательностей, выявленных с помощью глобального КДД.

Всего нами было изучено экспериментально 56 последовательностей из описан — ных в (Баранова и др., 2001, Baranova et al., 2001). Для 9 из них была подтверждена специфичность опухолевой экспрессии (Krukovskaya et al., 2005, Palena et al., 2007, Круковская и др. 2007). Затем мы предприняли изучение их эволюционной новиз — ны. С использованием молекулярно-биологических методов, методов сравнитель — ной геномики и анализа эволюционной консервативности последовательностей нам удалось показать, что шесть из этих девяти последовательностей являются эволю- ционно новыми: две из них возникают у человека, одна — у приматов, а другие три имеют ортологов только у млекопитающих и эволюционируют нейтрально, о чем свидетельствуют скорость нуклеотидных замен и отсутствие консервативных фрагментов и консервативных участков вторичной структуры в их составе (Kozlov et al., 2003; Kozlov et al., 2006; Самусик и др., 2006). Таким образом, нетривиаль — ное предсказание нашей гипотезы об активации экспрессии эволюционно новых и/или «спящих» последовательностей в опухолях получило экспериментальное подтверждение в наших работах.

Позитивный отбор большого количества экспрессирующихся в опухолях ге — нов в эволюции приматов прямо подтверждает предположение об отборе на но — вую функцию в опухолях (Crespi, Summers, 2006). Если эволюционно новый ген экспрессируется в опухолях, или последовательность, которая эволюционирует

нейтрально и экспрессируется в опухолях, обретает функцию и становится эво — люционно новым геном, то, как следует из гипотезы, непременно будет иметь ме — сто отбор по этой новой функции. Такой отбор называется позитивной селекцией и связан с более высокой скоростью замещения аминокислот в эволюционирующих белках (Ka/Ks >1) в организмах потомства. Именно это явление было обнаружено в исследовании, упомянутом выше, в котором описывается эволюция организмов, а не соматическая эволюция опухолевых клеток.

Заключение

Мы видим, что опухоли могут играть положительную роль в эволюции, предо — ставляя эволюционирующим многоклеточным организмам избыточные клеточные массы для экспрессии эволюционно новых генов. Популяции организмов-опухоле — носителей могли быть переходными формами между существующими видами орга — низмов на различных ступенях прогрессивной эволюции.

Гипотеза эволюции путем дифференцировки опухолевых клеток объясняет воз — можные механизмы возникновения новых клеточных типов в многоклеточных ор- ганизмах, что не может быть связано только с возникновением эволюционно новых генов. Эта гипотеза объясняет парадокс позитивной селекции экспрессирующихся в опухолях генов в поколениях приматов, что невозможно объяснить никаким дру — гим способом. Гипотеза дает возможность сформулировать нетривиальные предпо — ложения, планировать новые эксперименты и получать оригинальные данные.

Теория возможной роли опухолей в эволюции новых типов клеток как новая научная парадигма может значительно расширить наше понимание природы опухо — лей и возможностей для влияния на опухолевые процессы.

Литература

Баранова А. В., Лобашев А. В., Иванов Д. В., Янковский Н. К., Козлов А. П. Опухолеспецифически экспрессирующиеся нуклеотидные последовательности генома человека: поиск in silico // ВИЧ/СПИД и родственные проблемы : русский журнал. 2001. Т. 5. № 2. С. 45–50.

Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М.: УНЦ ДО МГУ, 1999. 639 с.

Евтушенко В. И., Хансон К. П., Барабицкая О. В., Емельянов А. В., Решетников В. Л., Козлов А. П.

Регуляторные механизмы как выражение и результат эволюции конкурентных отно-шений между генами // Соленостные адаптации водных организмов. Л. : Наука, 1976.

С. 237–248.

Козлов А. П. Принципы многоуровневого развития организмов // Проблемы анализа биоло-гических систем / под ред. В. Н. Максимова. М. : Изд-во МГУ, 1983. С. 48–62.

Козлов А. П. Генная конкуренция и возможная эволюционная роль опухолей и клеточных

онкогенов // Теоретические и матемаcerun:yes’> // Deutsch. Zs. Tiermed. Vergl. Path. 1875. Vol. 1.

P. 132–134.

Collinge W. E. Note on a tumor in Anadonta cygnea Linn // Journal of Anatomy and Physiology:

Normal and Pathological. 1891. Vol. 25. P. 154.

Crespi B. J., Summers K. Positive Selection in the Evolution of Cancer // Biology Reviews. 2006.

Vol. 81. P. 407–424.

Dawe C. J. Phylogeny and Oncogeny // National Cancer Institute Monograph. 1969. Vol. 31.

P. 1–41.

Dawe C. J. Comparative neoplasia // Cancer Medicine / eds. J. F. Holland, E. Frei. Philadelphia :

Lead & Febiger, 1973. P. 193–240.

Evtushenko V. I., Hanson K. P. Barabitskaya O. V., Emelyanov A. V., Reshetnikov V. L., Kozlov A. P.

Determination of the upper limit of rat genome expression // Molecular Biology. 1989. Vol. 23.

P. 663—675.

Ewald P. W. Evolution of Infectious Disease. Oxford: Oxford Univ. Press, 1994. P. 1–298.

Friend C., Scher W., Holland J. G., Sato T. Hemoglobin Synthesis in Murine Virus-Induced Leuke-mic Cells In Vitro: Stimulation of Erythroid Differentiation by Dimethyl Sulfoxide // Pro-ceedings of the National Academy of Sciences of USA. 1971. Vol. 68. №. 2. P. 378–382.

Gordon M. The genetics of viviparous top-minnow Platypoecilus: the inheritance of two kinds of

melanophores // Genetics. 1927. Vol. 12. P. 253–283.

Hayflick L., Moorhead P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains // Experimental Cell

Research. 1961. Vol. 25. P. 585–621.

Hendrix M. J. C., Seftor E. A., Seftor R. E. B., Kasemeier-Kulesa J., Kulesa P. M., Postovit L.-M.

Reprogramming metastatic tumor cells with embryonic microenvironments // Nature Reviews

Cancer. 2007. Vol. 7. P. 246–255.

Kosswig C. Über bastarde der teleostier Platypoecilus und Xiphophorus // Zs. der Induktive. Ab-stammungs — Vererbungslehre. 1928. Bd. 44. P. 150–158.

Kozlov A. P. Evolution of Living Organisms as a Multilevel Process // Journal of Theoretical Biology.

1979. Vol. 81. P. 1–17.

Kozlov A. P. Gene Competition and the Possible Evolutionary Role of Tumors // Medical Hypotheses.

1996. Vol. 46. P. 81–84.

Kozlov A. P. The possible evolutionary role of tumors in the origin of new cell types // Medical

Hypotheses. 2010. Vol. 74. P. 177–185.

Kozlov A. P., Emeljanov A. V., Barabitskaja O. V., and Evtushenko V. I. The maximal expression of

mammalian genome, the complexity of tumor-specific transcripts and the cloning of tumor-specific cDNAs // Abstracts of Annual Meeting Sponsored by Laboratory of Tumor Cell

Biology. Bethesda, 1992.

Kozlov A. P., Galachyants., Galachyants., Galachyants Y. P., Dukhovlinov I. V., Samusik N. A., Ba- ranova A. V., Polev D. E. and Krukovskaya L. L. Evolutionarily new sequences expressed in tumors // Infectious Disease and Cancer. 2006. Vol. 1. № 8. doi: 10.1186/1750-9378-1-8.

Kozlov A., Krukovskaya L., Baranova A., Tyezelova T., Polev D. Transcriptional activation of evolu — tionary new genes in human tumors // Russian Journal of HIV/AIDS and Related Problems.

2003. Vol. 7. № 1. P. 30–39.

Krukovskaya L. L., Baranova A., Tyezelova T., Polev D., Kozlov A. P. Experimental study of human ex-pressed sequences newly identified in silico as tumor specific // Tumor Biology. 2005. Vol. 26.

P. 17–24.

Leblanc M. U. Recherches sur le cancer des animaux // Recueil de Medecine Veterinaire. 1858.

Vol. 35. P. 769–783.

Lin C. H., Hsieh S. Y., Sheen I. S., Lee W. C., Chen T. C., Shyu W. C. and Liaw Y. F. Genome-wide

hypomeththylation in hepatocellular carcinogenesis // Cancer Research. 2001. Vol. 61. № 10.

P. 4238–4243.

Livingstone F. B. Aspects of the population dynamics of the abnormal hemoglobin and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency genes // The American Journal of Human Genetics.

1964. Vol. 16. P. 435–450.

Mintz B., Illmensee K. Normal genetically mosaic mice produced from malignant teratocarcinoma

cells // Proceedings of the National Academy of Sciences of USA. 1975. Vol. 72. P. 3585–3589.

Moodie R. L. Studies of paleopathology. I. General consideration of the evidences of pathological

conditions found among fossil animals // Annals of Medical History. 1917. Vol. 1. Р. 374–393.

Muller J. Ueber den feinern Bau und die Formen der krankhaften Geschwülste. Berlin : G. Reimer,

1838.

Neoplasms and Related Disorders of Invertebrate and Lower Vertebrate Animals / eds. by C. J. Dawe,

J. C. Harshbarger // National Cancer Institute Monograph. 1969. V. 31. XVI, 772 p.

Palena C., Polev D. E., Tsang K. Y., Fernando R. I., Litzinger M., Krukovskaya L., Baranova A. V.,

Kozlov A. P. Schlom J. The human T-box mesodermal transcription factor Brachyury is a can-didate target for T-cell — mediated cancer immunotherapy // Clinical Cancer Research. 2007.

Vol. 13. №. 8. P. 2471–2478.

Reanney D. C. Viruses and evolution // International Journal of Cytology. 1974. Vol. 37. P. 21–52.

Rothschild B. M., Tanke D. H., Helbling M., Martin L. D. Epidemiologic study of tumors in dinosaurs //

Naturwissenschaften. 2003. Vol. 90. P. 495–500.

Ryder J. A. On a tumor in the oyster // Proceedings of the National Academy of Sciences USA.

1887. Vol. 44. P. 25–27.

Siedlecki M. Sur les rapports des gregarines avec l’epithelium intestinal // Comptes F. B. Aspects of the population dynamics of the abnormal hemoglobin and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency genes // The American Journal of Human Genetics.

1964. Vol. 16. P. 435–450.

Mintz B., Illmensee K. Normal genetically mosaic mice produced from malignant teratocarcinoma

cells // Proceedings of the National Academy of Sciences of USA. 1975. Vol. 72. P. 3585–3589.

Moodie R. L. Studies of paleopathology. I. General consideration of the evidences of pathological

conditions found among fossil animals // Annals of Medical History. 1917. Vol. 1. Р. 374–393.

Muller J. Ueber den feinern Bau und die Formen der krankhaften Geschwülste. Berlin : G. Reimer,

1838.

Neoplasms and Related Disorders of Invertebrate and Lower Vertebrate Animals / eds. by C. J. Dawe,

J. C. Harshbarger // National Cancer Institute Monograph. 1969. V. 31. XVI, 772 p.

Palena C., Polev D. E., Tsang K. Y., Fernando R. I., Litzinger M., Krukovskaya L., Baranova A. V.,

Kozlov A. P. Schlom J. The human T-box mesodermal transcription factor Brachyury is a can-didate target for T-cell — mediated cancer immunotherapy // Clinical Cancer Research. 2007.

Vol. 13. №. 8. P. 2471–2478.

Reanney D. C. Viruses and evolution // International Journal of Cytology. 1974. Vol. 37. P. 21–52.

Rothschild B. M., Tanke D. H., Helbling M., Martin L. D. Epidemiologic study of tumors in dinosaurs //

Naturwissenschaften. 2003. Vol. 90. P. 495–500.

Ryder J. A. On a tumor in the oyster // Proceedings of the National Academy of Sciences USA.

1887. Vol. 44. P. 25–27.

Siedlecki M. Sur les rapports des gregarines avec l’epithelium intestinal // Comptes Rendus des

Seances de la Societe de Biologie (Paris). 1901. Vol. 53. P. 81–83.

Smith E. F., Townsend C. O. A plant-tumor of bacterial origin // Science. 1907. Vol. 25. P. 671–673.

Stranger B. Z., Tanaka A. J., Melton D. A. Organ size is limited by the number of embryonic progeni-tor cells in the pancreas but not in the liver // Nature. 2007. Vol. 445. P. 886–891.

Supovit S. C., Rosen J. M. Tumor-specific polyadenylated RNAs from 7,12-dymethyl benz (a) an-tracene-induced mammary tumors revealed through hybridization with fractionated single

copy DNA // Cancer Research. 1981. Vol. 41. P. 3827–3834.

Tchakhotine S. Cancerisation experimentale des elements embryonnaires obtenus sur les larves

d’oursins // Comptes Rendus des Seances de la Societe de Biologie (Paris). 1938. Vol. 127.

P. 1195–1197.

Vickaryous M. K., Hall B. K. Human cell type diversity, evolution, development, and classification

with special reference to cells derived from neural crest // Biological Reviews of the Cam-bridge Philosophical Society. 2006. Vol. 81. № 3. P. 425–455.

Weis S., Schartl M. The macromelanophore locus and the melanoma oncogene Xmrk are separate

genetic entities in the genome of Xiphophorus. Genetics 1998. Vol. 149. P. 1909–1920.

Williams J. W. A tumor in the fresh-water mussel, Anodonta cygnea Linn // Journal of Anatomy

and Physiology: Normal and Pathological. 1908. Vol. 24. P. 307–308.

Williams G. C., Nesse R. M. The Dawn of Darwinian Medicine // The Quarterly Review of Biology.

1991. Vol. 66. P. 1–22.

Willis R. A. Pathology of Tumors. 4th ed. L. : Butterworth, 1967. 992 p.

Zhdanov V. M., Tikhonenko T. I. Viruses as a factor of evolution: exchange of genetic information in

the biosphere // Advances in Virus Research. 1974. Vol. 19. P. 361–394.

Populations of Tumor-Bearing Organisms as Transition between Species at Different Stages of Progressive Evolution

A. P. Kozlov

Biomedical Center and Saint-Petersburg State University

St. Petersburg, Russia: contact@biomed. spb

The ability of tumor cells to differentiate in combination with their ability to express genes that are not expressed in normal tissues, may result in the emergence of new cell types in evolution. Tumors may play an evolutionary role by providing conditions (space and resources) for the expression of newly evolving genes. Genetically or epigenetically predetermined tumors at the early stages of progression, benign tumors, and some tumor — like processes in invertebrates and plants, all of which are modes of excess cell growth which provide evolving multicellular organisms with extra cell masses, are considered as potentially evolutionarily meaningful. Malignant tumors at the late stages of progression, however, are not.

The preexisting cell types of multicellular organisms had restricted potential for the ex — pression of newly evolving genes. Because of regulation and gene competition, some of the newly evolving genes may stay silent. Multicellular organisms would need excess cell masses for the expression of newly evolving genes. The preexisting cell types cannot pro — vide such excess cell masses because of limitations imposed on the number of possible cell divisions. Tumors could provide the evolving multicellular organisms with the excess cell masses for the expression of newly evolving genes.

We suggest that tumors could be a sort of proving ground (or reservoir) for the expres — sion of newly evolving genes that originate in the course of genome evolution in the DNA of germ cells (i. e., not in tumor cells themselves). The case in which the expression of a newly evolving gene in tumors results in the origin of a new function would be as — sociated with the origin of new feedback and regulatory circuits, as in root nodules in le — gumes and macromelanophores in Xiphophorus fishes. Tumor cells would differentiate, resulting более или менее общепринятая схема, объяс — няющая пути происхождения наземных позвоночных от древних мясистолопастных (Sarcopterygii) (Воробьева, 1977; Panchen, 1977; Lombard, Sumida, 1992).

Наиболее разработанные подходы к этой проблеме можно сформулировать в виде набора аксиом, используемых для эволюционных построений. Первая аксио — ма гласит, что у рыбообразных предков амфибий были легкие, которые возникли и сформировались еще в воде. Они представляли собой довольно развитый орган, позволявший дышать атмосферным воздухом. По мнению большинства авторов, легкие возникли как адаптация к жизни в бедных кислородом и пересыхающих во — доемах. Они развивались параллельно с жаберным аппаратом и постепенно брали на себя основные функции дыхания. Вторая аксиома говорит о том, что мясистые плавники также сформировались у кистеперых предков амфибий в воде. Они только несколько усовершенствовались при выходе на сушу во время ползания от одного водоема к другому. Третья аксиома заключается в том, что сенсорные системы, во — дный баланс и мозг адаптировались к наземному существованию весьма постепенно и одновременно. Основным аргументом в пользу такой точки зрения является дли — тельность этих событий и постепенность преобразований органов и систем.

В рамках этих представлений реконструкция выхода позвоночных на сушу выглядит следующим образом. Довольно крупные, длиной около 1 м, кистеперые рыбы обитали в хорошо прогреваемых мелких водоемах. У них возникли легкие, которые позволяли дышать атмосферным воздухом, и мясистые плавники, которые выполняли функции конечностей. К моменту пересыхания мелких водоемов уже все основные адаптивные изменения в организме рыб произошли, что и позволило им выйти на сушу.

Такая модель появления наземных позвоночных содержит множество про — тиворечий. Наиболее очевидная проблема модели связана с адаптацией органов дыхания мясистолопастных к условиям наземного существования. Считается, что

предковые формы наземных позвоночных могли обитать на мелководье. В этом случае стимуляция формирования легких обычно объясняется невысокой кон — центрацией кислорода в прогреваемой воде. Этот тезис вызывает сомнения, по — скольку количество кислорода, растворенного в морской воде, при повышении температуры уменьшается незначительно. При +15 °С в морской воде содержится

5,79 мл/л кислорода, а при +30 °С — 4,46 мл/л. Все гипотезы происхождения на — земных позвоночных предполагают опреснение прибрежных водоемов. В пресной воде растворено больше кислорода, чем в соленой, а на мелководье происходит по — стоянная аэрация воды, что увеличивает растворимость кислорода. Следовательно, кислорода в прибрежной опресненной воде оказывается больше, чем в морской.

Еще одна популярная концепция построена на идее пересыхания гниющих во — доемов. В этой ситуации первичноводные животные были бы вынуждены адаптиро — ваться к экстремальным условиям дыхания, что и стало бы причиной отбора. Одна — ко эта проблема решается не только с помощью легких. Такие специализированные виды, как Clarias, Plecostomus, Hoplosternum, Amia calva, Lepidosiren, используют для дыхания оперкулярные и ротовые полости, желудок, кишечник, плавательный пузырь или легкие. Вторая дыхательная система встречается у многих современных сомовых, двоякодышащих и кистеперых рыб. У двух последних групп они одно — временно являются плавательным пузырем и зоной дополнительного газообмена. Следовательно, биологические причины и эволюционные механизмы возникнове — ния легких остаются неясными. На необычную среду возникновения легких указы — вает хорошо развитый у примитивных тетрапод орган обоняния. Развитие системы воздушного обоняния в водоемах, перенасыщенных разлагающимися остатками растений и животных, лишено всякого биологического смысла. Поэтому необычно выглядит эволюция хеморецепторного анализатора, который при выходе на сушу дифференцируется в два органа водного и воздушного обоняния.

Еще более парадоксальная ситуация возникает при анализе слуховой системы и лабиринта у архаичных амфибий. Эта система включает в себя три органа чувств: слуховой аппарат (или его кожный аналог — боковая линия), рецептор линейного ускорения (гравитационный рецептор) и рецептор углового ускорения (и торможе — ния). Вполне справедлив вопрос о том, зачем такая совершенная система управле — ния движением, если животное ползает в мелком водоеме или грязи миллионы лет. Поскольку упрощения этой системы не произошло, можно с уверенностью сказать, что ее обладатели существовали в трехмерной среде.

C этим выводом согласуются особенности строения электрорецепторной си — стемы, характерной для всех саркоптеригий. Под эмалеподобной поверхностью у древних рипидистий и двоякодышащих располагается своеобразный дентин с системой поровых каналов. Найденные у рипидистий образования сходны по строению с ампулами Лоренцини и электрорецепторами современных хрящевых и костистых рыб (Thomson, 1975; Воробьева, 1977; Vorobyeva, 1980). Эти орга — ны необходимы для ориентации в мутной воде и темноте, где другие дистантные рецепторы малоэффективны. У рипидистий это был очень совершенный орган, который позволял ориентироваться и искать добычу по искажениям электриче — ского поля. Следовательно, саркоптеригии обладали специализированной систе — мой электрорецепции, для которой нужен большой объем воды. По сути дела, соз — дается взаимоисключающая ситуация: наиболее совершенный рецептор возник и усовершенствовался в условиях, где его невозможно использовать. По-видимому,

этот орган сформировался и использовался Crossopterygii в более подходящих условиях, чем пересыхающие водоемы.

Cвоеобразно выглядит организация зрительной системы саркоптеригий. У них обнаружены небольшие глазницы, которые свидетельствуют о незначительном раз — витии зрительной системы. Это странная ситуация, поскольку в мелководных и пересыхающих водоемах зрение должно играть доминирующую роль. Однако во- преки всем ожиданиям развитая зрительная система у рипидистий не встречается.

Попробуем представить себе загадочного предка наземных позвоночных в ши — роко признанной среде обитания. Неглубокий, прогретый и периодически пересы — хающий водоем так заполнен разлагающимися органическими остатками, что у ри- пидистий возникли легкие для воздушного дыхания. В этом водоеме при недостатке пищи находится слабовидящее животное, лишенное возможности использовать развитое обоняние, и практически глухое. Эту парадоксальную картину дополня — ет ненужный в мелких водоемах, но хорошо развитый рецептор ускорения и такой же никчемный, но совершенный дистантный электрорецептор. Животное обладает всем, что ему совершено не нужно, и не имеет того, что ему просто необходимо. Все перечисленные противоречия приносятся в жертву одной идее — мелководной про — межуточной среде обитания, которая считается «естественным» этапом между водной средой и сушей.

Решение проблемы лежит в поиске переходной среды обитания, которая могла бы соответствовать имеющимся у архаичных земноводных адаптациям. Наиболее вероятным биотопом перехода из воды на сушу для кистеперых были прибрежные водно-воздушные лабиринты. В них находились как морская, так и стекающая с бе — рега пресная вода, полузаполненные воздухом и водой многочисленные камеры и связанные между собой полости. Это могло быть размытое устье реки или набор ка — верн, возникших по геологическим причинам. Еще одной причиной появления мно — гочисленных районов с полуводными лабиринтами могли стать растения. Растения с полостями внутри погибали, но не разрушались, что позднее создало каменноуголь — ные залежи и дает представление о масштабах процесса. Скопления остатков таких растений с полыми стволами становились обычными и широко распространенны — ми лабиринтами, которыми воспользовались древние рыбы для перехода на сушу. В таких лабиринтах мог сложиться совершенно особый и неповторимый биоценоз с избытком наземных беспозвоночных и водных позвоночных животных.

Переход к наземному образу жизни через адаптивные перестройки организма в системе водно-воздушных лабиринтов повлек за собой изменение нервной системы и других органов. Устойчивое закрепление эффективных адаптаций происходило в условиях продолжительной и интенсивной конкуренции, что вполне соответству — ет принципам, предложенным Ч. Дарвином при создании теории естественного отбора. Для возникновения жесткой межвидовой конкуренции необходимы есте — ственные ограничения пространства, пищевых и репродуктивных ресурсов, что было достигнуто в среде лабиринтов. Поэтому, исходя из принципов филогенетиче — ских изменений органов, необходимо предположить продолжительное существова — ние стабильной переходной среды при выходе позвоночных на сушу.

Лабиринтная переходная среда для появления наземных позвоночных объяс — няет причины адаптивных изменений нервной системы земноводных. В темноте лабиринтов зрение не играет особой роли, а обоняние становится ведущей систе — мой афферентации. Появляется веская причина для возникновения парного водно-

воздушного обоняния. Поиск пищи, полового партнера и ориентация будут намного успешнее, если появится возможность анализировать сразу обе среды обитания.

Жизнь в полуводных лабиринтах снимает вопрос и о гипертрофированном развитии вестибулярного аппарата. Для ориентации в такой среде он просто жиз — ненно необходим, как и способность воспринимать колебания воздуха над поверх — ностью воды, поэтому параллельно с сохранением боковой линии у рыб возникла слуховая система и наружная барабанная перепонка у амфибий (Fay, Popper, 1985). В темноте звуковая сигнализация стала одним из ведущих способов общения на рас — стоянии. Именно это привело к развитию языка, подъязычного и языкоглоточного нервов. Сформировалась система генерации звуков, которая совместно с обонянием обеспечила коммуникационную среду внутри лабиринтов.

Причины возникновения слуховой системы амфибий постоянно вызывают дискуссии, поскольку барабанная перепонка и стремя уха стегоцефалов очень мас — сивны. Их строение явно не позволяло воспринимать слуховые сигналы из воз — духа по принципу выравнивания импедансов, как это происходит у современных амфибий. Однако можно допустить, что слуховая система всех древних амфибий сложилась как орган восприятия направлений колебания воды в узких лабиринтах. Для этого достаточно грубой чувствительности, которая должна определять колеба — ния не воздуха, а воды. Собственно большая наружная барабанная перепонка была прекрасным анализатором колебаний воды в погруженном или полупогруженном состоянии. Следовательно, барабанная перепонка и вся слуховая система могли сложиться на границе сред для анализа колебаний воды, а не воздуха. Способность воспринимать колебания воздуха слуховая система приобрела после длительного этапа рецепции колебаний воды в водно-воздушных лабиринтах.

Влажные лабиринты обладали еще одним достоинством — в них можно было довольно долго пользоваться жабрами и параллельно развивать все варианты аль — тернативного дыхания. Для этого подходили влажная кожа, плавательный пузырь и выросты пищеварительной системы, ставшие легкими. При высокой и постоянной влажности проблем параллельного использования несовершенных легких и быстро — высыхающей кожи не возникало. Никакой необходимости в быстром и глобальном ароморфозе у предков амфибий просто никогда не существовало. Все события адап — тации к полуводной среде протекали довольно долго в растительно-подземных ла- биринтах. Постепенность перехода от жаберно-кожного дыхания к легочному име — ла и другие физиологические причины. У рыб, как правило, почки агломерулярные, а у имеющих гломерулы скорость фильтрации крайне низкая. Агломерулярные почки не могли выводить избыток воды из организма. Чем опресненнее водоем, тем меньше шансов выжить было у проамфибий. Эта проблема не могла разрешиться быстро. Вероятно, освоение пресных водоемов происходило через солоноватые прибрежные лабиринты. В солоноватых водах параллельно формировались защита кожи от переобводнения, гломерулярные почки и легкие. Легкие в отличие от жа — берного аппарата уже не входили в контакт с водой, что снижало водную нагрузку и позволяло проамфибиям осваивать пресноводные водоемы, а затем и сушу.

Лабиринты были весьма подходящим местом для возникновения конечностей. Многие сохранившиеся скелеты амфибий обладают длинным телом и удивитель — но короткими конечностями. В открытой водной среде движения тела намного эффективнее, но в тесных лабиринтах от такого мускулистого тела проку немно — го, а небольшие конечности становятся ценным приобретением. Они позволяют

эффективно двигаться, не затрачивая огромной энергии на сокращение мышц всего тела. При этом выглядит естественным возникновение рычажных конеч — ностей, действующих в противоположных направлениях — задние для движения вперед, а передние — для движения назад. Сохранив способности к изгибаниям тела и эффективному плаванию в открытой воде, амфибии стали универсальны — ми водно-лабиринтными существами и приобрели конечности, необходимые для выхода на сушу.

Возникшими в переходной среде конечностями, легкими и сосудами надо было согласованно управлять, что невозможно без нервной системы. Иначе говоря, у ар — хаичных амфибий должны были возникнуть новый дыхательный, двигательный и интегративный центры. Казалось бы, что такое количество принципиально но — вых функций должно потребовать необычайно глубокой перестройки нервной си — стемы. Однако этого не произошло. Моторный автоматизм, возникший в спинном мозге первичноводных позвоночных, оказался вполне достаточным субстратом для развития систем наземной локомоции. Принципиальным событием было появле — ние скромного центра согласованного управления конечностями — красного ядра (Савельев, 2005). Этот центр сформировался в ретикулярной формации, которая простирается от продолговатого до промежуточного мозга амфибий.

Небольшое скопление крупных нейронов возникло на пересечении важнейших моторных и сенсорных путей. При этом рядом с красным ядром сформировались еще два мозговых ядра, определяющих саму возможность пребывания на суше: сосудодвигательный и дыхательный центры. Собственно говоря, в нижней части среднего мозга сложился ретикулярный «тетраподный» центр. Он практически объединил все неврологические приобретения головного мозга, необходимые для жизни вне воды. Согласованное управление конечностями, дыханием и сердечно — сосудистой системой реализуется в этом центре через двигательные (эфферентные) выходы. Однако в этом «тетраподном» ретикулярном комплексе реализованы не только моторные, но и сенсорные достижения адаптивной эволюции. К клеткам комплекса поступает информация от гломусных клеток каротидного лабиринта, которые чувствительны к концентрации двуокиси углерода в крови. В результате обеспечивается обратная связь между дыхательной активностью и концентрацией кислорода в крови (Piiper, Scheid, 1977). Без такой системы регуляции дыхания вы — ход на сушу едва ли был возможен.

Сердечно-сосудистая часть этого ретикулярного центра сложилась еще у рыб. Многие рыбы способны к рефлекторному замедлению дыхания и сердечного рит — ма. На этой базе и возник центр регуляции сердечной активности, который позво — ляет наземным животным точно приспосабливать физиологическую активность и метаболизм к конкретной ситуации. Однако сенсорным источником контроля за сердечной деятельностью являются сосудистые барорецепторы. Потребность в них возникла только с выходом на сушу и усилением кровообращения. Для рыб, находящихся в стабильной гидродинамической среде, проблемы тонкой регуляции давления крови в сосудах не существует. Описываемый ретикулярный центр обла — дает не только прямыми сенсомоторными связями, но и обеспечивает необходимой информацией мозжечок, крышу среднего мозга и стриарные структуры переднего мозга. Именно с ним образуются связи обонятельных и вомероназальных центров переднего мозга.

Таким образом, вероятным биотопом для перехода кистеперых рыб из воды на сушу были прибрежные водно-воздушные лабиринты (Савельев, 2005). Они мог — ли быть как почвенного, так и растительного происхождения. В них находились полузаполненные воздухом и водой многочисленные камеры и связанные между собой полости. В этих условиях сформировалась вторая обонятельная система из — вестная как вомероназальный орган. В результате амфибиям стала доступна для химического анализа как воздушная, так и водная среда. При выходе на сушу у рипидистий вестибулярный аппарат был развит намного лучше, чем у их потом — ков. Это свидетельствует о том, что обладатели совершенного рецептора ускоре — ния существовали в трехмерной среде лабиринтов. Выход на сушу через водно — воздушные лабиринты подтверждается существованием у архаичных рипидистий аналогов электрорецепторных ампул (Савельев, 2005). Эти органы необходимы для ориентации в мутной воде и темноте, где другие дистантные рецепторы мало — эффективны. Принципиальным событием было появление центра согласованно — го управления конечностями — красного ядра. При этом рядом с красным ядром сформировались еще два мозговых ядра, определяющих саму возможность пре — бывания на суше: сосудодвигательный и дыхательный центры. В описываемом ретикулярном центре сосредоточены как моторные, так и сенсорные достижения адаптивной эволюции. В комплекс поступает информация от гломусных клеток каротидного лабиринта и барорецепторов сосудов, чем обеспечивается обрат — ная связь между дыхательной активностью и концентрацией кислорода в крови. В возникшем «тетраподный» центре объеденены все неврологические приобрете — ния головного мозга, необходимые для жизни вне воды. Без такой системы регу — ляции дыхания выход на сушу едва ли был возможен. В связи с выходом на сушу у амфибий сформировался единый комплекс управления новоприобретенными ор — ганами и системами. В этом комплексе было объединено простое, но эффективное управление «новыми» функциями, которые сложились в условиях лабиринтов переходной среды.

Исследование поддержано грантом президента РФ «Ведущие научные школы» НШ–1808.2003.4

Литература

Воробьева Э. И. Морфология и особенности эволюции кистеперых рыб // Труды палеонтоло — гического института АН СССР. Т. 153. М. : Наука, 1977. 239 с.

Савельев С. В. Происхождение мозга. М. : Веди, 2005. 367 с.

Fay R. R., Popper A. N. The octavolateralis system // Functional vertebrate morphology / eds.

M. Hildebrand, D. M. Bramble, K. F. Liem, D. B. Wake. Cambridge : Harvard Univ. Press,

1985. P. 291–316.

Lombard R. E., Sumida S. S. Recent progress in understanding early tetrapods // American Zoology

1992. Vol. 32. P. 609–622.

Panchen A. L. The origin and early evolution of tetrapod vertebrate // Problems in vertebrate evolu — tion / еds. S. M. Andrews, R. S. Miles, A. D. Walker. N. Y. : Academic Press, 1977. P. 289–318.

Piiper J., Scheid P. Comparative physiology of respiration: Functional analysis of gas exchange or — gans in vertebrates // International Review of Physiology. 1977. Vol. 14. P. 219–253.

Thomson K. S. On the Biology of Cosmine // Peabody Museum of Natural History Yale University.

1975. Vol. 40. P. 1–58.

Vorobyeva E. I. Observations on Two Rhipidistian Fishes from the Upper Devonian of Lode, Latvia // Zoology Journal Linneus Society. 1980. Vol. 70. P. 191–201.

The Origin of Brain of Terrestrial Vertebrates

S. V. Saveliev

Institute of Human Morphology RAMS (Russian Academy of Medical Sciences) Моsсow, Russia: embrains@hotmail. com

Some trends in the phylogenetic changes of the vertebrate neural system in the course of their transition from aquatic to terrestrial mode of life are analyzed. Wide multifunction — ality of the neural centers is supposed to be prerequisites of transition of archaic amphib — ians to the land via a stable transitional environment. The latter include underground or vegetation aquatic-air labirynths in which condition of gradual acquisitions of adap — tations to the terrestrial mode of life occurred. The principal neurological adaptations to such mode of life and less dependence on aquatic environment developed during the long-term evolution in that environment. The neurobiological model of evolution of the archaic amphibians in the transitional environment of aquatic-air labyrinths suggested here with is compared to other hypotheses of the tetrapod origin.

Keywords: brain, amphibians, tetrapod origin.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)