автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: История геносистематики и её применение в филогенетике

Полный текст автореферата диссертации по теме "История геносистематики и её применение в филогенетике"

Г6 ж.

УТ ИСТОРИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНИКИ ИМЕНИ С. И. ВАВИЛОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

1!з правах рукописи

СЕДОВ Александр Евгеньевич

ИСТОРИЯ ГЕ1ЮС1ЮТЕЫАТИКИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ В ФИЛОГЕНЕТИКЕ

Специальность 07.00.10 - история науки и техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

йэсква - 1994 гол

Работа выполнена в Институт© истории естествознания и техники имени С. И. Вавилова Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор химических наук А. Е Шамин.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор А. С. Антонов;

член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор Л. И. Корочкин.

Неофициальный оппонент: доктор биологических наук,

профессор Ю. Г. Рычков.

Ведущее учреждение: Институт молекулярной биологии Российской Академии Наук.

Защита состоится 12 мая 1894 г. в 14 часов 00 мин. на ааседании Специализированного совета К 003.11.01 при Институте истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова Российской Академии Наук по адресу: 103012, Москва, К-12, Старопанский пер., д. 1/5. ИИЕиТ РАЯ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан 12 апреля 1094 г.'

Ученый секретарь Специализированного совета,

доктор биологических наук Е И. Назаров

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гено систематика - систематика живых организмов посредством сравнений их генетических текстов - интен-! сивно развивающаяся область биологии. Именно поэтому актуален анализ ее исторического развития как целостной динамической системы енаний.

Последние 45 лет - период бурного развития молекулярной биологии и, в частности, - анализа генетических текстов. Все это время данные об интегральных статистических характеристиках и о локальных первичных структурах ДНК и РНК с~мых различных организмов служили не только для изучения структурно-функциональной организации геномов и их частей, но и для систематики самих организмов: именно степени их филогенетической близости (родства) могут быть отражены в сходствах их генетических текстов. Предложенный А. С. Антоновым в 1974 году термин "геносисте-матика" укоренился в отечественной литературе; его английские эквиваленты -"DNA taxonomy" и "DMA systematlcs", а для сравнений организмов по РНК - "RNA taxonomy" и "RNA systematlcs".

Ранее в систематике использовали морфологические и биохимические привнаки, в рамках равных царств организмов различные и поэтому не сопоставимые. Однако принципы строения ДНК и кодирования генетической информации едины. Это привело к идее разработки универсальных методов, применимых как для систематики в рамках различных таксонов, так и для построения единой обшей системы живых организмов. В то я» время сходства ДНК с текстами (линейность, алериодичиость и кодирующие свойства) позволили применять для их анализа и сравнений количественные метода, логически сходные с методами структурной и сравнительной лшгвис-тики. . ' '■;*. 'Л '-i--'"".

Геносистематика развивается в тесном взаимодействии дрек-нейдай вегви биологии - систематики организмов, с новейшей ее ветвью - молекулярной биологией геномов и генов, на базе эмпирической информации и методологий обеихэтих наук. Дая анализа развития геносистематики необходимо изучить и историю формирования ее ввезших связей (взаимодействий ó лингвис л«ой, хями-

ческой кинетикой, информатикой, рядом разделов математики), и ее собственную когнитивную структуру, историю ее внутреннего развития - того, как и насколько разные методы сравнений генетических текстов были значимыми для систематики и филогенетики представителей различных групп живых организмов.

Проведенный в диссертации анализ геносистематики как когнитивной структуры позволяет строить "стратегические планы*' ее дальнейшего развития. Так, например, картирование генов, цито-генетика и *ак называемая генолингвистика (исследования генетических текстов) на наших глазах формируют целостную область знаний - геномику. В контексте геносистематики это означает, что будут сравниваться линейные структуры в огромном диапазоне длин (9 порядков). Поэтому именно теперь задача ретроспективного анализа истории геносистематики - с оценками как ее реальных достижений, так и методологических ограничений - стала особенно актуальной.

Степень разработанности проблемы. Всего было опубликовано более тысячи работ по геносистематике; количество их растет экспоненциально в связи с прогрессом в методах функциональной идентификации, избирательного копирования и секвенирования фрагментов генетических текстов. Однако история геносистематики в целом рассматривалась лишь вкратце. В обзорах по общей и частной геносистематике описана лишь позитивная сторона исследований во вневременном аспекте. Подробным историко-научным исследованием можно считать лишь опубликованную в 1992 году монографию И. Е Бдохиной, Г. Ф. Левановой и А. С. Антонова, в которой рассмотрена история геносистематики прокариот. Поэтому диссертант поставил перед собой задачу собрать по набору ключевых слов .в справочной литературе и проанализировать тотальный массив публикаций по проблеме (в пределах избранного исторического периода - 1949-1990 гг.). Однако геномы прокариот, органелл и клеточных ядер эукариот столь различны, что диссертант строил исследования по оригинальной логической схеме, описанной ниже.

Дели и задачи исследования. Основная цель данной работы -полный многоаспектный анализ истории геносистематики и ее при-

менения в филогенвтике различных организмов. Для проведения такого анализа необходимо бш.о решить ряд задач:

1. Определив само понятие "геносистематика", предложить критерии отличий соответствующих публикаций от работ в логически близких областях молекулярной биологии, рассмотрев и направления, иногда дававшие информацию для систематики организмов: изучение функциональной организации генетических элементов, внутригеномную систематику генов, сравнения секвенированных белков, анализ синтении локусов на генетических картах и т. п.

2. Исследовать генезис и место геносистематики в мировосприятии, в обшей структуре науки и в системе биологических знаний, истоки ее познавательных моделей и базовых концепций:

- в пресциентистских взглядах на жив.:э организмы;

- в контексте истории проблем общей и частной систематики всех живых организмов;

- в историй представлений данных классической и молекулярной генетики;

- во взаимодействиях с другими дисциплинами, анализирующими знаковые и текстовые объекта

3. Наследовать когнитивную структуру самой геносистематики: историю как развития и взаимодействий методов и концепций в целом, так и изучения таксонов различных рангов в рамках каждой исследованной группы и в масштабе общей системы организмов. Провести периодизацию исследований в этих аспектах. Представить результаты этого анализа в обобщенной форме, - систематизировав данные, полученные разными методами, в соответствии и с исторической последовательностью публикаций, и с биологической систематикой. Сравнить исторические особенности применения различных методов в разных таксонах.

4. Изучить свя8И различий в структурах геномов, а также -в морфологии и биохимии представителей различных групп организ-, мов (архебактерий, эубактерий и эувариот; животных, растений и грибов; различных таксонов меньших рангов в этих группах) со специфическими чертами истории их геносистематики.

5. Оценить реальные достижения, принципиальные ограничения

и дальнейшие перспективы общей и частной геносистематики; выявить преимущества и недостатки геносистематики по сравнению с другими принципами систематики в различных группах организмов.

6. Исследовать роль мирового научного сообщества и отдельных институциональных групп в зарождении и развитии геносистематики. Изучить историю формирования и развития отечественной школы геносистематики, основанной академиком А. й Белозерским, и оценить ее вклад в развитие мировой геносистематики.

Научная новизна диссертации. Бее названные выше задачи впервые решаются в данной диссертации. Исторический подход к геносистематике поаводил изучить это новое и бурно прогрессирующее направление в биологии как целостную систему знаний - в контексте становления и развития естественных и точных наук. Выявлен ряд важных черт ее развития - как специфических, так и общях для ряда областей науки: множественность познавательных моделей, анализ все более глубоких уровней структурной организации объектов, многоуровневость сравнений иерархических систем, различия в эффективности разных методов для разных таксонов и на различных уровнях таксономической иерархии, сменяемость методов и парадигм, гетерохронность этих процессов в геносистематике разных таксонов и т. п.

Сочетание анализа общей истории методов геносистематики с исследованием истории их применения в рамках каждой из исследованных групп организмов стало основой для нового подхода - реконструкции и анализа когнитивной структуры геносистематики, представленной в диссертации в виде цветных схем.

]&тоды геносистематики . - это часть методов молекулярной биологии нуклеиновых кислот, и поэтому ее задачи могли и могут решаться во.многих лабораториях. Пэказано, что сотнями ученых осуществлено свыше тысячи геносистематических исследований. Однако удалось выявить очень мало исследовательских групп, постоянно решавших такие задачи и формировавшихся .следствие предпочтения тех или иных методов иди интереса к той иди иной группе организмов. Показано, что старейшая шкода геносистематики, созданная в МГУ одним из основателей этой дисциплины, ака-

демиком А- Е Белозерским, отличается от других коллективов уникальным сочетанием широки методических и таксономических диапазонов исследований. Исследованы формирование геносистема-тических подходов в общем контексте молекулярно-биологических работ А. Е Белозерского, история геносистематических исследований самого Белозерского, его учеников и более молодых представителей этой школы. В контексте анализа всей когнитивной истории геносистематики роль этой школы особенно наглядна.

Теоретическая и практическая вначимость работы. Работа имеет методологическое значение для изучения современных направлений науки, так как в ней отработаны приемы информационного анализа тотальных массивов новых публикаций по избранной тематике в историко-научных аспектах. Ивуче. л когнитивная история мировой геносистематики вне социального контекста Для развития геносистематики характерны разнообразные междисциплинарные взаимодействия и многоуровневый иерархический характер как физи-еской организации объектов сравнений (геномов), так и.логической структуры получаемых результатов (таксономических и филогенетических схем). Шэтому данная диссертация - это опыт исследорэния сложных открытых иерархических когнитивных систем в их историческом развитии.

Исследование должно иметь и прогностическую значимость. Выяснив, в каких р'зделах системы живых органиамов геносистематики взаимно верифицировали свои выводы различными методами сравнений геномов и подтверждали их другими критериями систематики, и сравнив эти данные с обшей системой организмов, можно выявить структурные лакуны, исследовать их заполнение за 1991-1993 гг., а затем - прогнозировать, какие из них могут быть заполнены в ближайшие годы.

В диссертации приведено много примеров применения геьосис-теиатики в прикладных целях: в диагностике патогенных вирусов бактерий и жгутиконосцев; в исследованиях генезиса ряда сельскохозяйственных культур; в изучении антропогенеза и этногенеза, важном для медицины, и т.п. Систематизация таких работ - необходимый этап п панирования и

Результаты диссертации могут быть использованы как в дальнейших исследованиях истории, философии, логики и методологии науки в целом, так и при анализе развития конкретных наук: молекулярной биологии, общей и частной систематики. Ряд положений и выводов может быть включен в соответствующие учебные и методические пособия, в курсы лекций в высших учебных заведениях.

Апробация работы. Материалы диссертации и вся работа в целом докладывались на XXX, XXXI, XXXII и XXXIII Научных конференциях аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники ИИЕиТ РАН (Москва, 1987-1991), на заседаниях Секторов истории химии и истории биологии ИИЕиТ (Мэсква, 1985-1991), а также на Научной конференции стран - членов-СЭВ "Применение банков данных и микрокомпьютеров в молекулярной биологии" (ГДР, Йена, 31 октября - 5 ноября 1988).

Основные положения, защищаемые в работе.

1. Задачи геносистематики.- реконструкции отношений сходства организмов на базе сравнений их генетических текстов. Именно этот круг задач отличает ее от методически и логически сходных с нею разделов молекулярной биологии - изучения -функциональной организации и внутригеномной систематики генетических текстов. Определение места геносистематики в общей системе биологических знаний - неоходимый этап исследования ее истории.

2. йгтория геносистематики может служить моделью развития области знаний, формировавшейся в процессе сложных междисциплинарных взаимодействий. Сравнивая генетические тексты с помощью ыолекулярно-биологических методов и специальных компьютерных алгоритмов, ге.носистематики решали широкий круг проблем общей и частной систематики, а порой - и филогенетики различных живых организмов. Многие из этих бирдогических проблем были поставлены задолго до зарождения геносистематики. Важнейший аспект когнитивной истории геносистематики - воздейстг л на нее не биологических дисциплин: лингвистики, химической кинетики, информатики, некоторых разделов математики.

3. Впервые детально исследована история развития и взаимо- '

действий всех молекулярно-биологических методов, применявшихся в геносистематике до 1990 го. г. В их развитии выделено три периода. бучены как специфические особенности каждого из периодов, так и обшие постоянные методологические тенденции в развитии всех этих методов. Шказано, что применение методов сравнений РНК- в целях систематики как бы кратко повторяло истории развития методов сравнений ДНК. Исследовано влияние на развитие геносистематики секвенирования белков, разработки специальных компьютерных алгоритмов и формирования банков данных о первичных структурах ДНК и РНК. Рассмотрена связь геносистематики с изучением функциональной организации геномов.

4. Цроведен анализ взаимодействий молекулярно-биологичес-ких методов в ис т о рий - г ено с ис г е маг и ки к.здой из исследованных до 1990 года групп живых организмов. Для -этого использован принцип "обхода по древу": последовательно изучены в хронологическом порядке геносистематические исследования в рам их каждого из разделов общей системы живых организмов, принятой феьо-систематиками (с учетом существующих между, ними разногласий), а также - в масштабах этой системы в целом. Составлен первый большой обзор истории общей и частной геносистематики всех организмов, исследованных до 1990 года.

5. Эти данные стали материалом для построения общей трехмерной когнитивной схемы развития геносистематики, представленной- в диссертации в виде цветных рисунков. В плане ее лежит'общая система живых организмов, а осью ординат является отрезок оси времени, сответствующий истории геносистематики. Шказано, что в каждом царстве организмов формировались своеобразные "ядра" геносисгематических иследований: применяя наибольшее количество методов, наиболее многосторонне и интенсивно сравнивали геномы представителей родов и семейств, хорошо изученных генетиками и феносистематиками или интересных в практическом отно тении; фрагменты именно этих геномов составляют значительную часть банков нуклеотидных последовательностей. Обнаружено, что одни и те же методы в разных "ядрах" применялись с различной интенсивностью и в разных хронологических рамках / последова-

тельностях - вследствие различий как в строении геномов, так и в пригодности этих методов для их анализа

6. Показано, что одни и те «в методы в разных царствах организмов позволяли решать задачи геносистематики в разных диапазонах таксономических рангов. В диапазоне рангов от семейств до классов еще почти не, было получено геносистематических результатов, информативных для филогенетических построений.

7. С использованием полученной схемы обшей когнитивной структуры геносистематики описана история становления, развития и исследований одной из первых институциональных групп геносис-тематиков - школы, основанной академиком А. Е Белозерским.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 13 научных работах.

Структура диссертации. Диссертация, написанная в форме монографии, состоит из зведения, четырех глав с выводами в конце каждой из них, общего заключения, общих выводов, списка литературы, 4 таблиц, 9 рисунков' и приложения-препринта (Седов, 1990). Основной текст диссертации изложен на 301 машинописных странице, библиография, таблицы и схемы - еще на 196 страницах. Список использованной литературы - свыше 1000 публикаций1.

11. ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении геносистематика рассмотрена как объект истори-ко-научного анализа Охарактеризованы в целом ее вадачи, объекты, методы и результата Определено место геносистематики в общей системе научных внаний, в биологии в целом и в молекулярной биологии в частности. Сформулированы задачи диссертации, показана их научная новизна Охарактеризованы типы использованных источников информации, описана методика их поиска и выбора; кратко описана структура диссертации.

В первой главе, "Исторические и методоло ческие предпосылки формирования геносистематики", рассмотрена постановка проблем геносистематики в контекстах истории и методологии различна направлений систематики живых организмов, а также - вли-

яние классической генетики и ряда других областей науки XX века на становление и .развитие логики геносистематики.

История геносистематики еще не была исследована; работы по обшей историографии систематики крайне малочисленны. Разные авторы предлагали различные варианты периодизации истории систематики - и в целом (Э. Майр, 1982), и в рамках нескольких конкретных крупных таксонов - животных (Е а Плавильщиков, 1941), в частности - насекомых (ККирби, ЕСпенс, 1826) и покрытосеменных растений (Б. А. Старостин, 1970; И. М. Культиасов, К Е Павлов, 1972). Однако можно предложить общую типологическую классификацию прошлых и современных теорий систематики (Э. Майр, 1971). Удается выявить и некоторое сходство в последовательностях их смен в истории систематики разных групп организмов. (Первичный анализ массива публикаций по геносистематике"привел к аналогичному выводу: обп^я историческая последовательность развития методов геносистематики по-разному отображалась в развитии геносистематики в рамках разных крупных таксонов. Этим обусловлена логическая структура следующих глав диссертационной работы.).

Проведен краткий анализ истории формирования тех познавательных моделей генетики и концепций эволюции, которые легли в основу методологий геносистематики. Кратко рассмотрены некоторые черты анализа информационных структур, обиие для генетики и лингвистики. В свете общих методологических проблем биологической систематики и принципов организации и наследования генетической информации сформулирован ряд общих принципиальных проблем, стоящих перед геносистематиками. рассмотрена история и современное значение проблемы форм представления данных для ге-носистематических и филогенетических концепций и схем - соотношения иерархических, комбинативных и коррелятивных принципов при построении естественных систем.

Во второй главе. "История развития методов геносистематики", датировано зарождение и описано развитие тех молекуляр-но-биологичееких и логико-алгоритмических методов сравнений генетических текстов, которые использовались и используются для систематики организмов. Сначала были предложены методы сравне-

- ю -

иий геномов .по частотам "букв"-нуклеотидов. т. е. по соотношениям (0+С) /(А+Т) в ДНК: Э. Чаргафф с соавторами в 1947-1949 гг. разработали химические (хроматографические) методы, а в 1959 г. Дж. Мармур и И Доти предложили первые физические методы. Затем, начиная с методической, работы КШильдкраута, Дх.Мармура и Е Доти, опубликованной в1961 г.., исследователи стали разрабатывать и применять методы измерений усредненного сходства пар "текстов", т. е. наборов полинуклеотидных фрагментов ДНК, получаемых посредством стохастического фрагментирования геномов: методы молекулярной гибридизации ДНК на твердых носителях (в агаре, на нитроцеллшовных фильтрах, на препаратах хромосом) и В растворах, а также - термоэлюции гибридных молекул.

Показано, что два этапа развития гибридизации на носителях были связаны с двумя различными принципами сравнений геномов: с кинетико-статистическими измерениями их усредненного сходства и с анализом линейной организации индивидуальных генетических структур различной величины (секвенируемых фрагментов ДНК, рес-трикционкых карт, метафазных хромосом). Рассмотрены в их историческом развитии логические принципы кинетике-статистических сравнений геномов методами молекулярной гибридизации ДНК и термоэлюции гибридных молекул на фильтрах и в растворах. Списано, как методами анализа "самогибридизашш" (реассоциации) ДНК. была обнаружена и изучалась кинетическая гетерогенность геномов эукариот; как были выявлены различия в скоростях эволюционной дивергенции между нуклеотидными последовательностями, представленными в геномах эукариот различными количествами копий; как на основании этих данных были выдвинуты весьма логичные гипотезы о принципах структурно-функциональной организации геномов эукариот (Р.Бриттен, а Дэвидсон, 1969; Г.П. Георгиев, 1970), и как они были опровергнуты уже через 7-8лет. Показано, как развивался кризис "гибридизгицюннр-статистической методологии" в применении к анализу функциональной организации ДНК эукариот. Исследована история последовавшего затем становления и развития и описаны логические принципы иных, генно-инженерных методов - размножения (с помощью клонирования,. а позже - и ДНК-по-

- 11 - -

лимеразного копирования), анализа и сравнение линейной организации конкретных фрагментов геномов посредством их рестрикцион-ного картирования (с 1975 г.), а затем и секвенирования (с 1977 т.). Показано, что разные методы сравнений РНК применялись для решения задач геносистематики в той яе исторической последовательности; что и аналогичные им методы сравнений ДНК, но несколько позже, а самые ранние из них - менее интенсивно и более кратковременно.

Мэтодики секвенирования белков были разработаны и широко применялись еще в начале 1960-х гг. - задолго до того, как одновременно и независимо в 1977 году А. Максэм и У. Гилберт, а также - Ф.Сэнгер с сотрудниками, разработали две различных мэтодики секвенирования индивидуальных фрагментов ДНК. Поэтому в работе рассмотрены и различные аспекты влияния на развитие концепций геносистематики результатов сравнений аминокислотных последовательностей в гомологичных белках.

Кратко изложена история развития банков данных о первичных структурах белков и нуклеиновых кислот, описана их специфика как мета-объектов молекулярной биологии. Сформулированы типы задач, которые могут быть решены при их анализе.

Описано, как развивались алгоритмические методы построений таксономических и филогенетических схем на базе сравнений генетических текстов. Показано, что первые такие алгоритмы, позже вошедшие в арсенал методов геносистематики, были созданы еще в 1960-х гг. для решения задач генетики популяций, а также - для построения нумерических систем организмов по морфологическим признакам. Прослежена обратная связь - влияние задач и выводов систематиков, располагающих биологическими критериями проверки таких алгоритмов, на развитие соответствующих новых разделов математики. Приведена классификация алгоритмических методов и в соответствии с нею рассмотрена история развития методов каждого класса. Отмечено низкое качество их описаний в большинстве исследовательских работ. Проведены сравнения корректности этих методов и -.описаны их возможные погрешности при использовании в геносистематике и филогенетике.

Проведенный анализ позволил выделить в обшей истории методов геносистематики три несколько прекрываюцихся основных периода- период сравнений нуклеотидных составов (1950-е - 1960-е гг.), период сравнений статистических характеристик совокупностей полинуклеотидных наборов методами гибридизации и термоэлю-ции (1960-е - конец 1970-х гг.) и период сравнений индивидуальных секвенированных нуклеотидных последовательностей (с начала 1970-х гг. по настоящее время). В развитии всех этих методов удается выявить ряд общих тенденций.

Первая тенденция - все большая фрагментарность тест-объектов и критериев их сравнений: сначала сравнивали интегральные свойства геномов; затем - степени усредненного сходства субгеномных фракций ДНК, разделяемых по физико-химическим и кинетическим критериям; и, наконец, - конкретные линейные структуры, т. е. рестрикционные карты и секвенированные фрагменты геномов.

Вторая тенденция - все более целостный сравнительный анализ самих этих тест-объектов: от сравнений соотношений количеств "букв" (нуклеотидного состава) и "слогов" определенных типов (пиримидиновых изошшт) перешли к измерениям степеней интегрального сходства пар статистических ансамблей полинуклеотидных фрагментов ДНК, составлявших геномы или упомянутые фракции, методами молекулярной гибридизации и термоэлюции; затем -к "локализации слогов в текстах" - различных рестрикционных сайтов в конкретных фрагментах «НК; и, наконец, - к полному прочтению и сравнениям все более протяженных фрагментов ДНК.

Третья тенденция - это возрастание значения биогенных компонентов в методическом "инструментарии". Методы анализа соотношений нуклеотидов и полипиримидиновых блоков (изоплит) - физико-химические, не специфичные для биологических объектов. Методы реассоциации, гибридизации и термоэлюции уже специфичны для анализа групп полинуклеотидных последовательностей, составляющих .нативные геномы. Методы клонирования, рестрикционного анализа и секвенирования базируются на использовании не только объектов с нативными первичными структурами (индивидуальных фрагментов геномов), во и биогенных "инструментов": активных

ферментов (полимераз, лигаз, рестриктаз), специальных мини-ге-номоь (векторов) и живых клеток как систем для клонирования.

Четвертая тенденция - это усиление взаимодействий задач геносистематики с логико-аналитическими методами других наук: химической кинетики, прикладной математики (компьютерных методов построений и анализа графов интегральных сходств и дендрог-рамм детальных сходств литеральных объектов), а также - информатики (формирования и анализа банков данных о первичных структурах генетических текстов). Ц>и этом развивались и усложнялись методы логико-алгоритмического анализа - единые стратегии построения рестрикцисшных карт и секвенирования, общие принципы построения филодендрограмм, формы представления и методы анализа в банках данных.

В третьей главе, "История геносистематики и ее филогенетических интерпретаций в рамках конкретных таксономических групп живых организмов", рассмотрено развитие геносистематики в рамках каждой из групп организмов, ставших ее объектами, а тшсже -геносистематических реконструкций общего филогенеза живых организмов. Сначала рассмотрена история геносистематики вирусов -искусственной группы с различными геномами, генетически и структурно связанными с геномами их хозяев - представителей самых различных групп клеточных организмов. Последовательность рассмотрения в диссертации всех крупных таксонов клеточных организмов соответствует логике "обхода" филогенетико-таксономи-ческой схемы Р.Уиттейкера и Л. Маргелис 1983 г.: прокариоты; геномы пластид и митохондрий и их сходства с геномами прокариот; различия, сходства и связи между разными царствами организмов; одноклеточные эукариоты; грибы; водоросли; сосудистые растения; животные. Сравнения геномов пластид и митохондрий рассмотрены также в контекстах истории геносистематики различных групп эукариот. Хронология развития геносистематики в каждом из названных таксонов рассмотрена в порядке усложнения строения организмов, сначала - в рамках таксонов меньших рангов, а затем - в контексте истории сравнений медду геномами этих таксонов. Таким образом удалось описать историю, логику и результаты ге-

- 14 . ; • /

носистематических исследований во всех частных разделах системы организмов и во всей этой системе в целом. Особое внимание уделено анализу развития таких исследований, в которых геносистематики решали фундаментальные вадачи двух типов:

- сравнивали собственные выводы с выводами на базе других методов геносистематики и с построениями по различным феносис-тематическим критериям; ':

- изучали, как взаимодействовали и влияли на те или иные критерии сходств меаду геномами различные особенности их структур и эволюции: типы организации и степени структурной сложности геномов, различия в тешах фиксации нуклеогидных замен в эволюции разных организмов - в разных кинетических фракциях и в отдельных конкретных участках ДНК,, блочные перестройки внутри геномов, полиплоидизация, межвидовая гибридизация и т. л.

Этот большой обзор, который должен представлять интерес для биологов-систематиков, стал материалом для анализа истории геносистематики как развивающейся когнитивной структуры. Показано, что в каждом царстве организмов формировались своеобразные "ядра" геносистематики, характеризующиеся наибольшим спектром использованных методов и количеством исследований. Это -знтеробактерии, различные дрожжи, злаковые, паразитические жгу--тиконосцы, несколько видов дрозофил и представители высших приматов (включая человека). На цветных схемах показано, что последовательности и хронологические рамки применения одних и тех же методов в разных "ядрах" были различными. Причины этого -различия между геномами представителей разных "ядер" как в биологическом, так и в методическом аспектах: в их характере организации, степени сложности и пригодности для применения тех или иных методик. В каждом из "ядер" геносистематики исследованы специфические особенности смен и взаимодействий методов. Показано на конкретных примерах, как из "ядер" методические подходы "рассеивались" - экстраполировались и применялись для геносистематики видов и родов в близких семействах, отрядах, классах и типах, где последовательности их применения были гораздо более сжатыми и неполными. В самых широких таксономических рамках - в

разных царствах организмов - одни и те ло методы геносистемати-ки также находили применение не одновременно и с равными хронологическими интервалами. Некоторые представления об атом дает таблица: .

ПЕРВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХ КРИТЕРИЕВ ЫЕЖГЕНОМНЫХ СХОДСТВ В СИСТЕМАТИКЕ ОРГАНИЗМОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ЦАРСТВ

КРИТЕРИИ ЦАРСТВА Цуклеотидные составы ДНК Гибридизация . ДНК \ . Первичные структуры . рибосомных РНК

Бактерии К.Ли, Р.Валь, В. Еарбю, 1956 А. Е Белозерский с сотр. , 1957 КШильдкраут, Дж.Мармур, П.ДОТИ, 1901 Р. Шварц. Ы. Дайхофф, 1978 - ■ - . \ "

Грибы Р. Сторк. 1966 0. Дутта , ЕРичман, Е Вудвард, Ы. Мэндель, 1967 ЕДулиттл, 1982

Растения ЕФ. Ванюшин, А. Н Белозерский, 1959 А. 09НДИЧ, Э. Болтон, 1967 ДПейн, Т.Даер, 1976

Животные А. С. Антонов, 1965 ■ • ■ Е Хэйер, ЕШкКарти, Э. Волгой, К. Роберте, 1965 К Комийя, Е ремизу, М.Каваками, С. Таке-мура, 1980

Значительно болыпг примеров тцкой гетерохронности (по 10 критериям,' с4 анализом разнообразных таксономических выводов) приведено! в диссертации - в тексте и на Предлагаемой цветной

- 16 -

схеме проекций когнитивной структуры геносистематики.

В целом эта схема напоминает палеонтологические и геостратиграфические схемы: области системы организмов похожи на географические регионы, а последовательности применения методов -на пласты различных эпох; наряду с общей "стратиграфической шкалой" - последовательностью развития методов геносистематики в целом - существуют локальные особенности, воспроизводящие ее с различными пропусками, временными сдвигами и инверсиями. (Однако наша реконструкция, в отличие от палеонтологических, отображает не физически существующие, а логические, когнитивные объекты.). Некоторым визуальным аналогом дрейфа континентов на нашей схеме являются изменения обпей структуры всей системы организмов вследствие развития геносистематики: выделение царства архебактерий, выяснение связей геномов эукариотических органедл и их гипотетических бактериальных предков и т.п. Для исследования общих таксономических и филогенетических связей между царствами и типами применяли две группы критериев, соответствующие максимальному и минимальному' масштабам анализа геномов: сначала - сравнения их нуклеотидных составов, а впоследствии и до сих пор - сравнения отдельных наиболее консервативных нуклеотидных последовательностей, информативных в эволюционно-таксономичес-ком отношении (различных рРНК и их генов, генов , цитохромов, ферментов гликолиза и т. п.).

Совокупности рассмотренных и систематизированных в диссертации результатов конкретных исследований и построенные по ним цветные схемы впервые позволяют как изучать специфические черты истории геноносистематики в рамках различных групп организмов, так и прогнозировать пути ее дальнейшего развития. По ним южно видеть, насколько еще не полно геносистематические исследования охватывак/г все многообразие живых организмов.

Рассмотрена история исследований, позволивших доказать реальность таксонов различных рангов, а также - определять количественные меры рангов таксонов и границ между ними в разных царствах организмов. Доказано, что разные методы для геносистематики в пределах разных конкретных таксонов были наиболее зф-

фективными и давали "наибольшее разрешение" в разных диапазонах таксономических рангов (например, гибридизация фракций ДНК пригодна в диапазоне от подвидов до надсемейств для цветковых растений, от видов до семейств для хищных млекопитающих и от видов до отрядов для класса птиц;' различны диапазг ы разрешения метода сравнений секвенированных рРНК при построениях систем классов и типов в разных царствах эукариот и т.п.). Обнаружено, что в диапазоне таксономических рангов, включающем семейства, отряды и классы, а в некоторых разделах системы - и типы, все методы геносистематики почти еще не эффективны ни для определения положений конкретных групп в систематической иерархии, ни для филогенетических реконструкций. Однако уже есть и обнадеживающие исключения: геносистематика рыб и птиц на основе данных по гибридизации их ДНК и первые ш щ в с, .тематике цветковых растений на основе многоаспектных Vравнений их хлоропластных геномов и отдельных содержащихся в них генов.

Отмечено, что во всей совокупности уме сравнивавшихся -фрагментов геномов и их совокупностей-фракций не было найдено "универсальных молекулярных часов", которые изменялись и дивер-гировали со сходными и постоянными скоростями у организмов из различных систематических групп и поэтому могли бы служить для измерения временных соотношений, а при наличии палеонтологических датировок - и для вычисления конкретных дат дивергенции В филодендрограммах любых организмов. Ра' :мотрены многие конкретные публикации, авторы которых в разных группах организмов, по различным критериям сходств геномов и их разных конкретных участков обнаруживали неравномерность "хода" тех или иных предлагавшихся "молекулярных часов", что делало геносистематический анализ сложным или невозможным. Однако рассмотрены и те много- , численные ситуации, когда в геномах все же удалось "подобрать* ' для решения конкретных проблем те или иные "молекулярные часы".

Таким образом - показано, что ни один ив методов геносистематики не является универсальным и не может в случае удачного его применения в одних задачах быть использован в других беа надлежащих проверок; однако в совокупности эти методы дали, да-

- 18 -

ют и дадут множество результатов, ценных для биологов.

В четвертой главе. "Вклад школы А. Е Белозерского в развитие геносистематики", описана история научной деятельности одного из основателей отечественной молекулярной биологии и обшей геносистематики - А. Е Белозерского. Особое внимание уделено формированию его геносистематических представлений. Затем изложена история конкретных исследований, проведенных и проводимых представителями созданной им научной школы геносистематиков. ' Структура этой главы как бы воспроизводит структуру рассмотренной выше целостной когнитивной реконструкции геносистематики. Это позволяет оценить вклад школы А. Е Белозерского в становление и развитие геносистематики.

В заключении проведена общая оценка вклада геносистематики в построение системы организмов и в изучение путей их эволюции, а также - анализ принципиальных методологических ограничений геносистематики и их причин. Описана трехмерная реконструкция общей когнитивной структуры геноси.тематики, изображенной на соответствующих цветных рисунках б диссертации.

В общих выводах крат суммированы выводы отдельных глав.

В таблицах отражено место геносистематики в системе биологических знаний и ее связи с разными иерархиче;.,шми уровнями изучения биологических систем; в хронологическом порядке охарактеризованы те ' исследования в рамках трех групп организмов (прокариот, дрозофил и приматов), в которых геносистематические выводы наиболее детально сопоставлялись с результатами различных сравнений фенотипов. ^

В приложении рассмотрена история донаучных представлений о текстах и формах в применении к системе организмов в ареалах различных культур и сформулирован ряд актуальных биологических проблем, логически связанных с этими познавательными моделями.

III. ВЫВОДЫ. . ' : ; ;■'

1. Геносистематика (формировалась и развивалась в процессе разнообразных междисциплинарных взаимодействий;- как в рамках

собственно биологии (систематики и теории эволюции, генетики, молекулярной биологии и биохимии нуклеиновых кислот), так и под влиянием концепций других наук: сравнительной лингвистики, теории информации, теории кодирования, методов и алгоритмов срав-• нительного анализа текстовых структур. Причь л этого - своеобразие и уникальность объектов ее экспериментальных сравнений -эволюционирующих генетических текстов.

2. Универсальность общих принципов организации генетичес- • ких текстов во всех организмах, возможность измерять степени их сходства и связь их с фундаментальными свойствами жизни дали основания считать, что сравнения геномов позволят решать вах-.. нейшие проблемы систематики живых организмов, в том числе - и не разрешимые никашш другими ыетодап. Во многих случаях выводы геносистематиков действие >льно совпадали с предиество-, вавшим им построениями других систематиков, а в областях обадэй' системы царств и типов организмов лишь геносистематика позволила получить ряд ценнейших выводов и оправдала возлагавшиеся на ' нее надежды. Так, были выявлены царства архебакгерий и зубакте-рий, исследован генезис пластид и митохондрий, определены связи между различными прокариотами, последовательности дивергенции . основных царств организмов в Докембрии, которые в принципе не/': могут быть отражены в палеонтологических находках, построено-несколько систем в ряде конкретных групп организмов.

•Однако в основе геносистематики ле.-гат постулаты, которые выполняются далеко не всегда - принцип "молекулярных часов" и-' невозможность конвергенции генетических текстов. Кроме того, ; все более очевидной становится эволюционная роль внутригеномных ; избирательных амплификаций, внутригеномной дивергенции и блочных перестроек разных груш последовательностей нуклеотидов, механизмы и фенотипические последствия которых абсолютно не ясны, а для анализа результатов такой дивергенции почти нет аяго- , < ритмов сравнений и количественных мер мехгеномных сходств-.1; (впрочем, самые простые геномы, дивергировавшие таким образом,• : удается классифицировать "вручную"; примеры этого - бурно'раз- .,'• виваициеся сравнения ДНК хлоропластов в геносистематике сосу- ;

дистых растений). Поэтому для геномов организмов из разных групп могут Сыть эффективными различные методы геносистематики, разработанные в разные периоды ее истории и позволяющие измерять сходства генетических текстов по более или менее интегральным критериям, в различной степени зависящим от изменений линейной организации геномов. Всегда, когда это возможно, следует использовать геносистематические и феносистематические результаты для их взаимной проверки.

3. 3 истории развития совокупности методов геносистематики выделены три периода, упомянутых выше. В целом г чем прогое устроены геномы, тем более эффективны "старые" методы их сравнений. Так. для геномов прокариот методы, разработанные в течение всех этих периодов, по-прежнему эффективна Многие методы взаимно дополнительны, и поэтому следует сравнивать результаты применения разных методов в систематике одних и тех же организмов и выявлять причины логической некорректности тех или иных результатов, исходя из знаний об организации соответствующих геномов и их частей.

4. В последовательное. I развития этих методов выявлены постоянные тенденции: использование для сравнений организмов все более частных и конкретных фрагментов геномо . все более детальный анализ все более протяженных их частей; возрастание биологической специфичности методик и значения биогенных составляющих их "инструментария"; усиления взаимодействий с логическими методами не биологических наук - физической химии, химической кинетики, теории алгоритмов и информатики.

5. Соотнесение исследованной общей истории развития методов геносистематики с принятой обшей классификацией живых организмов использовано для анализа истории и сравнений логики развития геносистематики в рамках каждого из таксонов и в масштабе всей системы организмов. Подробно описаны все результаты, представляющие интерес для биологов-систематиков. Во всех царствах организмов выявлены так называемые "ядра" - наиболее исследованные геносистемат<ами группы видов и родов, сочетания и смены методов в пределах котооых были наиболее полными. Эти ме-

• ' "'21 -

тоды распространялись из этих "ядер" - в близких к ним таксонах проводились аналогичные исследования. В разных "ядрах" различ--нне методы и их сочетания применялись в разных хронологических, интервалах и о различной интенсивностью. Это зависело от специ-! фики организации и изученности соответствующе геномов.

6. Всю историю геносистематики можно представить в виде трехмерной ортогональной схемы, план которой - та или иная при-' нятая схема общей классификации организмов, а ось ординат шкала хронологии геносистематических исследований. Тогда з го-; ризонгальных сечениях масштаб рассмотрения определяет ранги таксонов; результаты каждого конкретного исследования должны выглядеть как граф мер сходства, связывающий несколько точек -организмов, построенная на нем система кластеров или фшгоденд-рограмма.-, "Ядра" выглядят как "--¡трова" внутри соответствующий таксонов, образованные трехмерной сетью из таких графов. В вертикальных (диахронных) проекциях эта схема напоминает представ-, ления данных в палеонтологии: общая последовательность развития методов аналогичла.сводной стратиграфической шкале; "ядра" сложны из "слоев" - методов и целых методологий, • причем последовательности их в разных частях системы сходны, но разные "ядра" несколько различаются по "глубине залегания" и "толщине'.' . "слоев" (т.е. давности и длительности применения методов), .а".; иногда - и по их исторической последовательности. . Некоторые "слои" местами отсутствуют; в тех "регионах"-таксонах, где они' "выходят на поверхность", соответствующие методы илм далью методологии эффективны и сейчас. Такая реконструкция позволяет видеть "белые пятна" геносистематики по сравнению с систематикой организмов в целом и прогнозировать пути ее дальнейшего', развития. Описанная картина представлена в виде цветных рисун- ,'. ков в диссертации. \

7. До сих пор почти нет геносистематических методов исследований таксономических и филогенетических отношений между так-) сонами в диапазоне рангов,. включающем семейства, отряды (поряд- : ки), классы, а в некоторых царствах - и типа Первые такие поаи-' тивные результаты в одних группах нуждаются в проверке (система- ;

тика рыб, птиц и хищных млекопитающих с помощью гибридизации ДИК), в других - весьма специфичны для определенных геномов и основаны на использовании не количественных критериев (систематика сосудистых растений с помощью сравнений рекомбинаций в их хдоропластных ДНК). Разные методы пригодны в разных диапазонах таксономических рангов в рамках разных царств организмов. Поэтому ситуация несколько парадоксальна: геносистематиками получено множество ценнейших результатов и сформирована "сумма методологий" - в целом вполне рациональная, но не содержащая "готовых рецептов" для решения всех новых конкретных задач. В контексте всей систематики живых организмов геносистематика - это не "панацея от всех недугов феносистематики", а дополнительная к ней система методов, концепций и результатов.

8. В рамках описанной когнитивной структуры удобно изучать роль различных научных коллективов в общем контексте истории ге-носистематики. Так в данной работе проведен анализ истории исследований, проведенных А. Н. Белозерски... ti представителями созданной им научной школа

IY. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Седов А. Е. Методы молекулярной гибридизации ДНК и РНК на цитологических препаратах (гибридизация in situ). //Молекуляр-

. ные основы геносистематики. Мэсква: Изд-во МГУ, 1980. 267 с. С. 78-85.

2. Шльграм Е Д., Седов А. Б., Станишевская О. М. Анализ полноты документов, представленных в современных базах данных по нуклеотидным последовательностям. .//Теоретические исследования и банки данных по молекулярной биологии и генетике. -Сборник научных трудов под ред. д. б. н. Е А. Ратнера. ИЦиГ

СО АН СССР. Новосибирск, 1986. С. 9-14.

3. Александров А. А., Мильграм Е Д., Седов А. Е. Технология подготовки базы данных по нуклеотидным последовательностям в ВИНИТИ. //Теоретические исследования и банки данных по молекулярной биологии и генетике. Сборник научных трудов под

ред. д. б. н. В* А. Ратнера ЩиГ СО АН СССР. Нэвосибирск, 1986. С. 36-39.

4. Седов А. Б. Некоторые варианты информационно-поисковых задач в банках последовательностей биополимеров. //Теоретические - исследования и банки данных по молекулярной биологии и генетике. Сборник научных трудов под ред. д.б.н. RA.Ратнера. ЩиГ СО АН СССР. Нэвосибирск. 1986. С. 40-43.

б. Седов А. Е. Формирование и задачи автоматизации тезауруса банка первичных структур биополимеров. //Вопросы информационной технологии первой очереди ГАСНГИ. Тезисы докладов XYI Всесоюзного научного семинара "Системные исследования ГАСИГИ". Ярославль, 20-22.10.1987. Часть II. С. 65-68.

6. Седов А. Е. Некоторые методологические предпосылки геносисте-матики. //Труда XXX научной конференции аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники. Секция истории биологической и биоорганической химии. ИИБиТ All СССР. Москва, 1987. Депонировано в ВИНИТИ. 0,5 п. л.

7. Седов А. Е. История основных проблем систематики. //Труды XXXI научной конференций аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники. Секция истории биологической и биоорганической химии. ИИЕиТ АН СССР. Мэсква, 1988. Депонировано в ВИНИТИ. 0,5 л. д.

8. Седов А.Е. Развитие анализа гснстичсских текстов и новые формы организации мирового научного сообщества //Социокультурные предпосылки эффективности научной деятельности. Всесоюзная школа молодых ученых и молодых специалистов. Усть-Нарва, ноябрь 1988 г. Теэисы докладов. ИИЕиТ АН СССР. Мэсква, 1988. С. 16-19.

9. Седов А.Е. Взаимодействие анализа пространственно-временных и текстовых структур в истории биологической систематики. //Социокультурные предпосылки эффективности научной деятельности. Всесоюзная школа молодых ученых и молодых специашс- ' Тов. Усть-Нарва, ноябрь 1988 г. Тезисы докладов. ИИЕиТ АН :: СССР. Мэсква. 1988. С. 156-164.

10. Седов А. В. Анализ живых форм и анализ кодирующих текстов - .

два , стиля в биологии и в культуре. //Труды XXXI I научной " конференции аспирантов и молодых специалистов по. истории естествознания и техники. Секция истории биологической и

, биоорганической химии. ИИЕиТ АН СССР.. йэсква, 1089. Депони- ; ровано в ВИНИТИ. 0,5 п. л. ;

11. Седов А. Б. Взаимосвязи живых форм и кодирующих текстов как •"." проявление принципа дополнительности в биологии и в культуре. ИИЕиТ АН СССР. Москва, 1990. Црепринт No 48. 1 п. л.

12. Седов А. Е. Специфические черты развития методов геносисте-матики. //Труды XXXIII научной конференции аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники.

. Секция истории биологической и биоорганической химии. Тези-: ; сы докладов. ИИЕиТ АН СССР. Москва, 1991. 0,1 п. л.

13. A. A. Alexandrov, N. I. Aklmova, 0. У. Nitsal, а й Palmbakh, А.Е. Sedov, L A. Yitzon, <3. T. Zhangeldina, E. I. Qolovanov,

., Yu. A. Sprizhitsky, Y. A. Shepelev. GENEXPRESS, database of.

■ pfimary blopolymer structures. VStudla Biophysica, 1989.

■ Vol. 129, No 2-3. P. 117-12" ~

r