На каком пути эволюционного развития находятся бактерии в настоящее время: На каком пути эволюционного развития находятся бактерии в настоящее время?

Элиза Марголис ⁴

Университет Эмори

Брюс Р. Левин, доктор философии ⁴

Университет Эмори

Хотя многие люди могут не верить в эволюцию, для тех из нас, у кого отличный вкус и удача работать с бактериями, вирусами и одноклеточными грибами, эволюция — это не вопрос веры, и тем более веры.Эволюция — это то, что мы постоянно видим, хотим мы того или нет. Те, кто являются эволюционными биологами по образованию, склонности или стремлениям, обязаны быть чем-то большим, чем просто свидетелями и историками эволюции. Мы должны дать объяснения происхождению и поддержанию всех биологических явлений. Никаких исключений быть не может.

Придумать эти объяснения, а еще лучше — проверяемые эволюционные гипотезы, несложно для персонажей, которые обеспечивают очевидные преимущества приспособленности для организмов, которые их выражают. Рост устойчивости после введения антибиотиков не стал неожиданностью для биологов-эволюционистов. В присутствии антибиотиков бактерии, устойчивые к их действию, имеют очевидное селективное преимущество по сравнению со своими восприимчивыми предками. Сложнее объяснить ситуации, когда неясно, как рассматриваемый персонаж мог развиться в результате естественного отбора в пользу отдельных организмов. В то время как взаимодействия между паразитическими бактериями и их млекопитающими-хозяевами включают множество признаков, которые можно объяснить естественным отбором, действующим на уровне отдельных бактерий или отдельных хозяев (Burnet and White, 1972), многие не могут.Вирулентность — одна из этих черт, которую трудно объяснить простыми эволюционными моделями; почему бактерии причиняют вред хозяевам, необходимым им для их выживания?

В этой главе (спекулятивная напыщенная речь, если хотите) мы сосредотачиваемся в первую очередь на аспектах эволюции взаимодействий бактерия-хозяин (в основном человека), которые не могут быть легко объяснены простыми эволюционными сценариями, ориентированными на пользу индивидуума. Мы постулируем и предоставляем доказательства того, что большая часть вирулентности бактериальных инфекций может быть связана с кажущейся ошибочной чрезмерной реакцией иммунной защиты, которую иногда называют «дружественным огнем» (Levin and Anita, 2001; Whitnack, 1993) или иммунопатологией ( Graham et al., 2005). Мы рассматриваем, как эта извращенность иммунной системы согласуется с текущими гипотезами об эволюции вирулентности, эволюции так называемых факторов вирулентности, и размышляем о причинах, по которым естественный отбор не смог или не смог подавить чрезмерную реакцию иммунной системы на бактериальные инфекции. . В заключение мы кратко обсудим значение этого взгляда на вирулентность для лечения бактериальных инфекций.

Вирулентность бактерий как иммунный ответ

Мы определяем вирулентность как величину заболеваемости и увеличение вероятности смерти в результате колонизации и размножения бактерий внутри или на хозяине.Чтобы облегчить рассмотрение этой вирулентности и ее эволюции, мы используем грубое упрощение, рисунок взаимодействия бактерии и хозяина, представленный на рис. Бактерии попадают в участок, синий ящик, где они размножаются, создают популяцию и колонизируют хозяина, но не вызывают заметных симптомов. Вирулентность требует их прохождения во второй участок, красный ящик, где присутствие бактерий (или их продуктов) может, но не обязательно, вызывать симптомы, например, для бактериемии Streptococcus pneumoniae синим участком является носоглотка, а красным — носоглотка. это кровоток.В этой модели красный участок не обязательно должен находиться в другом физическом месте. Это может быть другое состояние бактерий в месте их колонизации, например, для кожной инфекции Staphylococcus aureus синим участком будет кожа, а красным — фурункул.

РИСУНОК 3-8

Художественная концепция процесса заражения, иммунного ответа и избыточной реакции хозяина. Синий — место, где присутствие бактерий не вызывает симптомов — бессимптомно. Красный — участок / штат, где присутствует (подробнее…)

У млекопитающих, как и у млекопитающих, вирулентность проявляется двумя способами, оба из которых требуют, чтобы бактерии проникли в красный потенциально симптоматический участок или состояние: (i) прямое повреждение ткани хозяина вызвано репликацией бактерии и / или производство определенных продуктов (токсинов), или (ii) косвенное повреждение хозяина происходит из-за несоответствующей или чрезмерной реакции иммунной системы. Оба типа повреждений обозначены знаком «!» внутри треугольника. В этой схеме иммунная защита может предотвращать вирулентность одним или несколькими из семи связанных способов:

1. Ограничение проникновения бактерий в бессимптомный участок

2. Ограничение размножения бактерий в бессимптомном участке

3. Увеличение скорость выведения бактерий и их продуктов из бессимптомного участка

4. Предотвращение проникновения бактерий или их продуктов в потенциально симптоматический участок или состояние

5. Снижение скорости распространения бактерий в потенциально симптоматическом участке или состоянии

6. Увеличение скорости выведения бактерий и их продуктов из потенциально симптоматического места или состояния

7. Предотвращение иммунной избыточной реакции на бактерии или их продукты в потенциально симптоматическом месте или состоянии

Первые три из эти иммунные ответы поддерживают плотность бактерий и концентрация их продуктов в бессимптомном участке на уровне, при котором они вряд ли перейдут или иным образом проникнут на участок или состояние, где они могут вызвать симптомы. Действительно ли они вызывают симптомы, и величина этих симптомов при переходе в красный участок или состояние также зависит от того, насколько хорошо иммунная система ограничивает их плотность и концентрацию их продуктов. В цифре 8 обозначена инфекционная передача бактерий, способствующая возникновению симптомов, а цифра 9 — передача бактерий из бессимптомного участка. Все эти перечисленные этапы, на которых иммунная система ограничивает вирулентность бактерий, можно классифицировать как соответствующие реакции.Однако несоответствующие ответы, для которых мы используем термин , избыточный ответ , когда они приводят к повреждению хозяина, могут возникать из-за дефектов на одном из этих этапов или как вторичное следствие усиления иммунного ответа.

Далее мы сосредоточимся в первую очередь на вирулентности, возникающей в результате чрезмерной реакции иммунной системы. Однако есть примеры вирулентности, которые можно отнести к прямому повреждению ткани хозяина репликацией бактерий или секрецией их продуктов. К ним относятся (i) кариес зубов, возникающий в результате кислоты, вырабатываемой при метаболизме Lactobacillius acidophilus или Streptococcus mutans (Gibbons, 1964), (ii) паралич, вызванный нейротоксинами, секретируемыми Clostridium botulinum или Clostridium tetani , действующими на нервных и моторных замыкательных пластинках (Schiavo et al., 1992) и (iii) диарея, вызванная энтеротоксинами, которые ингибируют реабсорбцию хлорида натрия или способствуют его секреции. Примеры вирулентности, являющейся прямым продуктом взаимодействия между бактериями и клетками-хозяевами, по-видимому, редки по сравнению с теми, в которых заболеваемость и смертность можно отнести к косвенным повреждениям, вызванным избыточной иммунной реакцией.

Как показано на рисунке, заболеваемость и смертность от бактериальных инфекций может быть отнесена на счет иммунной системы хозяина, действующей одним из трех неподходящих способов: (i) быть более энергичным, чем необходимо, (ii) неподходящим для этого патогена, или (iii) ) реагируя на неправильные сигналы. Наиболее изученным примером слишком энергичной реакции иммунной системы является бактериальный сепсис, когда попадание цитокинов и бактерий в кровоток вызывает широко распространенное повреждение кровеносных сосудов и полиорганную недостаточность (нарушение функции легких, печени или почек).Здесь реакция на бактерии является приемлемой на одном уровне, поскольку высвобождаемые цитокины играют важную роль в привлечении нейтрофилов (иммунных клеток, фагоцитирующих бактерии) к локальному участку инфекции, но также являются чрезмерными (Kurahashi et al., 1999). Различие между несоответствующим и адекватным иммунным ответом можно увидеть в спектре заболеваний, связанных с Mycobacterium leprae (Modlin, 2002; Sieling et al., 1999). Хозяева, которые реагируют на инфекцию преимущественно антителами и очень небольшим количеством Т-лимфоцитов CD4, имеют инфекционные участки с крупными макрофагами, которые содержат множество микобактерий.Эти макрофаги ответственны за множественные поражения кожи и узелки, наблюдаемые при лепроматозной лепре, в то время как хозяин с ответом типа Т-хелперов 1 (высокая продукция интерферона-γ и низкий уровень интерлейкина-4 [IL-4]) имеет многочисленные хорошо сформированные гранулемы с очень мало микобактерий, образующих незначительные поражения кожи. Суперантигены представляют собой пример того, как иммунная система реагирует на неверный сигнал. Суперантигены — это бактериальные продукты, которые стимулируют большое количество Т-клеток (от 1 до 40% Т-клеток будут реагировать) путем связывания с молекулами основного комплекса гистосовместимости класса II и рецепторами Т-клеток (бета-цепь) независимо от их специфичности в отношении антигенов (Rott and Fleischer , 1994). S. aureus , Streptococcus pyogenes , Mycoplasma arthritidis и Yersinia pseudotuberculosis относятся к числу бактерий, продуцирующих суперантигены. В случае синдрома токсического шока суперантигены, продуцируемые S. aureus , вызывают беспорядочную и подавляющую активацию Т-клеток, ведущую к выработке цитокинов, которые опосредуют шок и повреждение тканей. Во всех трех случаях заболеваемость и смертность хозяина могут быть связаны с явно ошибочной реакцией иммунной системы, которую мы называем чрезмерной реакцией.

ТАБЛИЦА 3-1

Некоторые примеры вирулентности в результате иммунной избыточной реакции.

Эволюция бактериальной вирулентности как иммунный ответ

Как наблюдение, что большая часть заболеваемости и смертности может быть приписана чрезмерной реакции хозяина на бактерии, помогает понять эволюцию вирулентности? В перспективе, написанной десять лет назад, один из нас (Левин, 1996) перечислил четыре гипотезы, объясняющие эволюцию вирулентности: (i) общепринятое мнение, (ii) эпидемиологический отбор, (iii) случайная эволюция и (iv) близорукая эволюция внутри хозяина.С того времени, хотя был опубликован ряд теоретических, экспериментальных и спекулятивных статей об эволюции вирулентности (небольшую и, по общему признанию, предвзятую выборку см. Andre and Godelle, 2006; Bonhoeffer and Nowak, 1994; Brown et al., 2006). ; Bull, 1994; Ebert and Bull, 2003; Ebert and Herre, 1996; Frank, 1996; Grech et al., 2006; Lipsitch et al., 1995, 1996; Lipsitch, Moxon, 1997; Mackinnon and Read, 2004; Regoes et al., 2000), мы не знаем исследований, которые отвергли бы какую-либо из этих гипотез, и только одно добавило то, что может быть новой гипотезой: эволюция квазивидов (Pfeiffer and Kirkegaard, 2005). Эта пятая гипотеза может применяться только к вирусам с высокой частотой мутаций и, возможно, может быть отнесена к более широкой рубрике эволюции внутри хозяина. В этом разделе мы рассмотрим, как наблюдение о том, что заболеваемость и смертность от бактериальных инфекций могут быть приписаны чрезмерной иммунной реакции хозяев, соответствует каждой из этих гипотез эволюции вирулентности бактерий.

Общепринятая мудрость

Эту фразу, которую покойный Джон Кеннет Гэлбрейт придумал для описания идей и объяснений, которые широко признаны общественностью как истинные, Боб Мэй и Рой Андерсон (May and Anderson, 1983b) применили для описания тогдашний взгляд на эволюцию вирулентности.Согласно этой мудрости, вирулентность является артефактом относительной новизны ассоциации паразита с его хозяином. По мере развития отношений между паразитом и хозяином естественный отбор в популяции паразита или хозяина или в обоих приведет к исчезновению одного или другого вида или к эволюции симбиоза или мутуализма.

Хотя исходная теория, лежащая в основе этой гипотезы эволюции вирулентности инфекций, сводится к поговорке «не кусай руку, которая тебя кормит», доказательства в ее поддержку были и остаются убедительными.Многие из бактерий, ответственных за заболеваемость и смертность людей, были приобретены от других видов в недалеком прошлом (после появления сельского хозяйства), а некоторые постоянно приобретаются таким образом. К этим зоонозным (и протозоонозным) инфекциям относятся чума, туберкулез, болезнь легионеров, ботулизм, сибирская язва, бруцеллез, туляремия, пятнистая лихорадка Скалистых гор, холера и другие диарейные заболевания. Бактерии, вызывающие некоторые из этих инфекций, такие как Mycobacterium tuberculosis , передаются от человека к человеку и могут сохраняться без животного происхождения.Другие, такие как Legionella pneumophila , нет. Также с общепринятой точкой зрения согласуются коррелированные наблюдения о том, что лишь очень незначительное меньшинство из огромного числа видов бактерий, колонизирующих млекопитающих, вызывают болезни.

Может показаться, что предположение о том, что вирулентность бактериальных инфекций может быть объяснена чрезмерной реакцией иммунной системы хозяина, вполне согласуется с этим общепринятым мнением. То есть иммунная система еще не успела развиться, чтобы смягчить реакцию на эти новые бактерии и их продукты, и / или эти бактерии еще не превратились в хорошие.В конце концов, или, как это когда-то называли, в «день равновесия» (Левин и др., 2000) возобладает мутуализм, и иммунная избыточная реакция смягчается.

Эпидемиологический отбор

Принято считать, что это наблюдение, а не механизм, наблюдение, которое фокусируется на взаимодействиях между бактериями и отдельными хозяевами, которых они колонизируют. Однако, чтобы полностью понять эволюцию комменсальных и патогенных бактерий, необходимо рассмотреть их образ жизни вне организма-хозяина и, в частности, их передачу между хозяевами.Один из подходов к этой более полной картине эволюции паразитических микробов заключался в том, чтобы сделать выводы о природе и направлении отбора на основе эпидемиологических моделей (Levin et al. , 1982; Levin and Pimentel, 1981; May and Anderson, 1983a). В соответствии с этой точкой зрения, приспособленность конкретного штамма бактерий определяется его основным репродуктивным числом, R ₀ , количеством вторичных инфекций, вызванных одним инфицированным индивидуумом в полностью восприимчивой популяции хозяев; чем выше значение R ₀ , тем выше приспособленность бактерий.В этих традиционных эпидемиологических моделях вирулентность выражается только как смертность. Заболеваемость и другие более тонкие эффекты инфекций не рассматриваются напрямую в этих эпидемиологических моделях.

Пока для переноса к новым хозяевам требуются жизнеспособные хозяева, отбор будет отдавать предпочтение бактериям, которые не только инфекционно передаются с еще более высокой скоростью, но и дольше сохраняются в колонизированных хозяевах (т. Е. С меньшей вероятностью убивают хозяина). Другими словами, отбор будет отдавать предпочтение более доброкачественным, симбиотическим или, что еще лучше, мутуалистическим бактериям. Эволюция популяции хозяев также будет способствовать снижению вирулентности; предпочтение будет отдаваться хозяевам, которые менее подвержены инфекционным заболеваниям и смертности. Поскольку передача происходит из синего бессимптомного участка (8 дюймов), а не из красного участка (9 дюймов), эти эпидемиологические модели можно рассматривать как теоретическую основу общепринятого мнения (также см. Lenski and May, 1994). Однако, если передача и заболеваемость и смертность хозяина связаны так, что более вирулентные бактерии передаются с большей скоростью, чем более доброкачественные, существует компромисс между потерей хозяина и выгодой для бактерий; вирулентность будет благоприятствовать бактериальной популяции (Ebert and Bull, 2003).

На первый взгляд может показаться, что этот компромисс между передачей и вирулентностью несовместим с предположением о том, что заболеваемость и смертность от инфекции являются продуктом иммунной реакции хозяина. Мы полагаем, что это не всегда так. Чрезмерная реакция хозяина может быть побочным продуктом отбора, действующего на отдельные бактерии, чтобы способствовать их передаче. Хотя мы не знаем неопровержимых количественных и эмпирических доказательств того, что это справедливо для каких-либо патогенных бактерий (вирусы — другое дело; см. Fenner and Ratcliffe, 1965), эта интерпретация поддерживается аргументами разумного правдоподобия.Здесь мы рассмотрим два наиболее убедительных из этих примеров патогенных бактерий человека.

Первый — это диарейные заболевания, при которых человек играет важную роль в процессе передачи. Из-за массового размножения бактерий диарея, вероятно, увеличит плотность бактерий в воде и пищевых продуктах и, следовательно, скорость передачи этих бактерий. Таким образом, пока передаче способствует диарея, отбор в бактериальной популяции будет отдавать предпочтение механизмам, вызывающим диарею.В некоторых случаях индукция диареи объясняется тем, что можно рассматривать как чрезмерную реакцию иммунной системы. Дизентерийные бактерии Shigella flexneri индуцируют высвобождение цитокина интерлейкина 1 (ИЛ-1) в инфицированных макрофагах, что приводит к обширному повреждению слизистой оболочки толстой кишки, что, в свою очередь, приводит к потере жидкости и белка в просвет кишечника и, как следствие, диарея (Hilbi et al. , 1997). Эта гипотеза эволюции диареи с целью увеличения передачи требует, чтобы преимущество передачи более чем компенсировало потерю передачи из-за смертности хозяина.Насколько нам известно, нет количественных эмпирических исследований, демонстрирующих, что этот компромисс возможен при любом диарейном заболевании.

Второй пример — чума. Хотя еще не так хорошо задокументирована, как часто рассказываемая мать всех историй о компромиссах, миксома и австралийские кролики (Fenner, 1965), новая история эволюции вирулентности бациллы чумы, Yersinia pestis , имеет параллели с той историей. Имеются убедительные доказательства того, что этот передающийся блохами патоген произошел от не очень вирулентного кишечного, орально-фекального происхождения Yersinia относительно недавно путем приобретения пары плазмид и нескольких хромосомных генов (Achtman et al., 1999; Карниэль, 2003). Поскольку блохи приобретают эти бактерии из крови грызунов, плотность бактерий в циркулирующей крови будет напрямую связана с вероятностью их передачи другим грызунам (или людям). Также с такой плотностью бактерий в крови напрямую связан сепсис, опасное проявление инфекции Y. pestis . Элизабет Карниэль (личное сообщение) предположила, что способность вызывать летальный сепсис — это не просто побочный продукт размножения бактерий в крови, но она может быть выбрана в бактериальной популяции.Хотя расчет рентабельности не производился, возможно, что скорость передачи бактерий увеличивается за счет уничтожения инфицированных грызунов, поскольку блохи перемещаются к новым хозяевам, когда их первоначальный хозяин умирает. И для диарейных заболеваний, и для чумы вирулентность, возникающая в результате чрезмерной реакции хозяина, связана с передачей инфекции. Очевидно, что потребуется дополнительная эмпирическая работа, чтобы подтвердить существование компромисса между бактериальной передачей и иммунной избыточной реакцией, а также постулируемое использование этой избыточной реакции для эпидемиологического преимущества паразита.

Coincidental Evolution

В соответствии с этой гипотезой, у бактерий нет преимущества в том, чтобы вызвать заболевание хозяина, и, конечно же, нет преимущества для него, если он болен; вирулентность является следствием того, что бактерии находятся в неправильном хозяине или в неправильном месте у правильного хозяина (Levin and Svanborg Eden, 1990) (стрелка выше 7 дюймов). Бактериальные продукты, ответственные за заболеваемость и / или смертность хозяина, детерминанты вирулентности, эволюционировали в ответ на отбор по некоторой функции, отличной от вирулентности.

Разумными кандидатами на случайную вирулентность из-за избыточного иммунного ответа являются заболевания, связанные с Helicobacter pylori. Эти бактерии колонизируют и поддерживают популяции в желудках большинства людей на протяжении большей части их жизни, не вызывая симптомов, и, по-видимому, делали это с доисторических времен (Falush et al., 2003). Однако только после того, как Маршалл и Уоррен (1984) представили доказательства того, что изогнутая бактерия, которую мы теперь знаем как H. pylori , была этиологическим агентом желудочной и пептической язвы, эта, казалось бы, комменсальная бактерия была повышена до статуса патогена.Это различие было дополнительно усилено доказательствами того, что H. pylori также были связаны с раком желудка (Moss and Blaser, 2005; Tatematsu et al. , 2005). H. pylori. Колонизация может привести к хроническому воспалительному состоянию, которое возникает, когда реакции хозяина (такие как высвобождение IL-8 и других хемокинов, привлечение нейтрофилов, макрофагов и местная стимуляция Т-клеток) не в состоянии очистить от бактерий и лимфоидных агрегатов в собственной пластинке желудка и двенадцатиперстной кишки.Эта продолжающаяся стимуляция иммунных и воспалительных клеток (так называемый хронический атрофический гастрит) приводит к разрушению эпителия желудка, образованию пептических язв и повышенному риску рака желудка. Предположительно, но еще не продемонстрировано официально, индукция воспалительного ответа и последующих заболеваний не дает преимущества H. pylori в колонизированном хозяине или его передаче новым хозяевам. В этом смысле вирулентность H. pylori у колонизированных людей является случайной.

Хотя они обычно описываются как патогены, особенно в заявках на гранты и людьми, страдающими от симптомов, которые они могут вызывать, ряд бактерий, ответственных за заболеваемость и смертность людей, также имеют хорошую репутацию в качестве комменсалов. Как и H. pylori , они переносятся многими бессимптомно и лишь у немногих вызывают заболевание. К наиболее известным из этих комменсальных патогенов для человека относятся S. aureus , Haemophilus influenzae , S.pneumoniae и Neisseria meningitidis . С эволюционной точки зрения, инвазивные заболевания, по-видимому, не подходят для этих бактерий — тупики. Места их вирулентности, кровь и мозговые оболочки, безусловно, не подходят для их передачи новым хозяевам обычным путем через респираторные капли. Редкая вирулентность этих комменсальных бактерий может быть объяснена иммунной реакцией на эти участки (Bergeron et al., 1998; Braun et al., 1999). Случайное перемещение бактерий в места, где они могут вызвать заболевание (красный цвет), может быть следствием случайной или случайной эволюции или, как мы утверждаем ниже, может быть следствием эволюции бактериальной популяции внутри хозяина.

Развитие внутри хозяина

В соответствии с этой гипотезой вирулентность бактерий является продуктом отбора в пользу более патогенных членов популяции, колонизирующей отдельного хозяина (Levin and Bull, 1994). Преимущество, полученное бактериями путем создания симптомов у колонизированного хозяина, ограничивается этим хозяином и может быть его недостатком при передаче новому хозяину; эта эволюция недальновидна. Мутантная комменсальная бактерия, способная создавать и поддерживать популяции в обычно стерильных участках, клетках или тканях, может быть предпочтительнее в колонизированном хозяине, потому что в этих участках меньше конкуренция за питательные вещества и / или эти мутантные бактерии в некоторой степени защищены от хозяина. иммунная защита.

Хотя мы можем привести веские доводы и даже привести доказательства вирулентности некоторых вирусов, таких как полиовирус и вирус Коксаки, являющихся продуктом эволюции внутри хозяина (Gay et al., 2006; Levin and Bull, 1994), для Лучшее, что мы можем сделать на этом этапе, — это представить аргументы, основанные на правдоподобности и согласованности с наблюдениями (см., например, Meyers et al., 2003). Центральным в этих аргументах являются результаты исследований на мышах и крысах, демонстрирующие, что бактерии, ответственные за инвазивность (заражение крови), обычно происходят из одной из очень немногих клеток (Meynell, 1957; Moxon and Murphy, 1978; Pluschke et al. , 1983; Рубин, 1987). Одно из возможных объяснений этих наблюдений состоит в том, что бактерии, ответственные за заражение крови, являются продуктами единичных мутантных клеток с повышенной способностью проникать в кровь и размножаться в ней.

Поддерживая гипотезу внутрихозяйственной эволюции вирулентности, эти наблюдения также согласуются с гипотезой случайной эволюции: только по чистой случайности только одна или несколько клеток вызывают инфицирование крови, что может быть связано с очень маленькими дырами в защите хозяина. через которую проходит только одна или несколько бактерий, указанная стрелкой выше 7 дюймов.Хотя гипотезы совпадения и гипотезы внутри хозяина можно отличить, продемонстрировав, что бактерии, вызывающие инфекцию крови, имеют унаследованную склонность к вторжению в кровь, насколько нам известно, нет опубликованных исследований, в которых проводился бы этот тест. Однако независимо от того, является ли инвазивность крови или других обычно стерильных участков случайной или обусловленной эволюцией внутри хозяина, вирулентность бактерий в этих участках может быть отнесена на счет избыточного иммунного ответа хозяина.

Эволюция детерминантов вирулентности

Не все бактерии или даже все представители одного и того же вида бактерий, способные колонизировать млекопитающих, несут ответственность за заболевание.Одним из объяснений того, почему одни бактерии вызывают заболевание, а другие нет, является то, что стало известно как факторы вирулентности или детерминанты вирулентности, выражение которых, по определению, необходимо для того, чтобы эти бактерии вызывали болезнь у (или на) колонизированных хозяев (Finlay и Фалькоу, 1989). Среди них есть признаки, которые способствуют адгезии к клеткам-хозяевам, уклоняются от конститутивной и индуцируемой иммунной защиты хозяина и продуцируют токсины. Соответственно, большая часть современной бактериологии посвящена пониманию молекулярной биологии, генетики, эволюционного происхождения и механизма действия детерминант вирулентности как способ понять бактериальные заболевания и в идеале предотвратить или лечить их.В то время как детерминанты (факторы) вирулентности почти наверняка являются продуктами адаптивной эволюции бактериальных популяций, не так однозначны факторы отбора, ответственные за их эволюцию и поддержание. Являются ли они благоприятными из-за вирулентности, то есть заболеваемости и смертности хозяина способствуют колонизации, сохранению и инфекционной передаче бактерий, которые выражают эти детерминанты? Являются ли факторы вирулентности побочными продуктами отбора для выполнения других функций, например, их экспрессия обеспечивает защиту от пасущихся простейших (Wildschutte et al., 2004) и / или способствует конкуренции с другими микробами? Или вирулентность, приписываемая этим факторам, является непреднамеренным побочным продуктом их нормальной функции в организме хозяина, примитивным характером, который будет утрачен в день равновесия или до него. Хотя эти гипотезы могут быть взаимоисключающими для любой конкретной бактерии-хозяина и фактора вирулентности, они явно не так коллективны. Независимо от того, развиваются ли они в ответ на отбор на вирулентность или нет, некоторые из этих факторов вирулентности ответственны за запуск избыточного иммунного ответа.

Почему иммунная система слишком быстро реагирует?

Ранее мы изображали иммунную систему хозяина как ошибочную, чрезмерно реагирующую на нее, которая скорее вызывает, чем предотвращает заболеваемость и смертность от бактериальной инфекции. Однако с точки зрения эволюционной биологии «заблуждение» вряд ли может служить объяснением. Колонизация бактериями — не редкое явление, а скорее то, с чем млекопитающие сталкиваются все время, и чрезмерная реакция, приводящая к их заболеваемости и смертности, почти наверняка будет выбрана против.В своем обзоре «иммунопатологии» Грэм и его коллеги постулировали ряд причин такого нарушения иммунного ответа (Graham et al., 2005). Здесь мы предлагаем нашу точку зрения на этот вопрос.

Как мы видим, существует два основных класса объяснений поддержания чрезмерной реакции иммунной системы. (i) Хотя инфекционное заболевание может быть основным источником заболеваемости и смертности (Haldane, 1949), отбор, опосредованный болезнью, может быть относительно слабым, и потребуется много времени для разработки механизмов, модулирующих иммунный ответ на определенные бактериальные инфекции. .(ii) Функциональные ограничения иммунной системы ограничивают способность естественного отбора полностью предотвращать и, возможно, даже частично снижать иммунный ответ на бактериальные инфекции.

(a) Даже если отбор повсеместно способствует сдерживанию чрезмерной реакции иммунной системы на инфекции и могут быть созданы предпочтительные генотипы (что мы ставим под вопрос ниже [b]), время, необходимое для развития умеренности, может быть значительным, особенно если чрезмерная реакция будет специфические для конкретных бактерий и / или их продуктов.Это связано с двумя факторами. (a) В максимальной степени интенсивность отбора для модулирования иммунного ответа на инфекцию равнялась бы доле популяции с этой инфекцией. Он был бы значительно ниже, если бы симптомы инфекции не проявлялись у всех колонизированных хозяев, редко были бы смертельными или стерилизующими, или проявлялись бы в первую очередь после репродуктивного возраста, или если бы величина снижения избыточной реакции предпочтительного генотипа была меньше абсолютной. . Большинство болезней, перечисленных в списке вирулентности, редко встречаются у колонизированных хозяев (менее 1%), и поэтому интенсивность отбора против иммунного избыточного ответа будет относительно слабой. (б) Редкому полезному мутанту может потребоваться значительное количество времени, чтобы подняться до значительных частот. Например, если отбор для снижения избыточной реакции действует на генотипы в одном локусе (лучший случай), начальная частота предпочтительного аллеля составляет 10 ⁻³ , предпочтительный генотип имеет селективное преимущество 1%, и там не является доминированием, потребуется 1381 поколение (более 20000 лет для человека), чтобы этот ген достиг частоты 50%. Если предпочтительный генотип рецессивен, соответствующее количество поколений будет 100 491 (Crow and Kimura, 1971).

Как насчет роли бактерий в эволюции более умеренной иммунной системы? Вследствие значительно более короткого времени генерации, гаплоидных геномов и склонности к получению генов и островков патогенности путем горизонтального переноса кажется разумным предположить, что бактерии будут иметь преимущество в эволюционной гонке вооружений со своими млекопитающими-хозяевами. Мы предполагаем, однако, что это преимущество почти не влияет на замедление темпа, с которым эволюция млекопитающих может модулировать избыточный иммунный ответ. Хотя могут быть ситуации, когда вирулентность положительно коррелирует с инфекционной передачей бактерий, в большинстве этих случаев заболеваемость и смертность, связанные с их передачей, не в пользу бактерий, а могут быть в их ущерб. Еще большая передача этих бактерий была бы возможна, если бы хозяева не были ослаблены или убиты в результате диареи или если бактериемии, необходимые для трансмиссивной передачи, не привели к сепсису. В этой интерпретации эволюция популяции бактерий не будет препятствовать эволюции более умеренной иммунной системы хозяина.Из всех примеров, рассмотренных в этой главе, единственный, в котором эволюция бактериальной популяции может способствовать чрезмерному иммунному ответу, — это предположение Карниэля о том, что, убивая своего хозяина, Y. pestis получает преимущество в передаче.

(ii) Хотя приведенные выше реалии экологии и генетики естественного отбора могут быть частью ответа на вопрос, почему эволюция не устранила чрезмерную реакцию иммунной системы на бактериальные (и другие) инфекции, мы полагаем, что это не так. самая важная причина.Мы предполагаем, что основная причина, по которой эволюция млекопитающих не замедлилась и, возможно, не может сдержать чрезмерную реакцию иммунной системы на бактериальные и другие инфекции, — это функциональные ограничения, которые ограничивают степень, в которой иммунная система может быть изменена. Иммунная система не только устраняет бактериальные инфекции, но и выполняет другие функции. Было высказано предположение, что эти другие роли доминировали в эволюции иммунной системы млекопитающих (Burnet, 1970). Эти разные роли, а также необычайное разнообразие организмов, колонизирующих млекопитающих, бактерии, вирусы, грибы и червей разного рода, а также разнообразие мест колонизации предъявляют различные и потенциально противоречивые требования к иммунной защите, явление, называемое антагонистической плейотропией.Привлекательной гипотезой иммунопатологии, известной как аллергия, является чрезмерная реакция тех элементов иммунной системы, которые в менее древние времена в противном случае были бы заняты борьбой с гельминтными инфекциями (Wilson and Maizels, 2004).

Существует тонкая грань между ответом (1–6 дюймов) и избыточным ответом (7 на этом рисунке), что может быть трудно для систем, регулирующих иммунный ответ, воспринимать, не говоря уже о том, чтобы избежать. Как предположил Франк (Андре и др., 2004), интенсивность иммунного ответа может определяться компромиссом между увеличением силы и скорости иммунной защиты и вирулентностью из-за чрезмерного отклика иммунной системы.

Есть ли доказательства в поддержку этих двух гипотез, почему эволюция не устранила вирулентность, возникающую в результате чрезмерного иммунного ответа? Немного — по крайней мере, пока. Однако мы предполагаем, что часть значительной наследственной изменчивости восприимчивости к инфекционным заболеваниям в популяциях людей (Bellamy and Hill, 1998; Bellamy et al., 2000; Segal and Hill, 2003; Sorensen et al., 1988) можно интерпретировать как поддержку этих гипотез. Безусловно, есть убедительные и даже неопровержимые доказательства того, что некоторые из этих вариаций поддерживаются опосредованным заболеванием балансированием или частотно-зависимым отбором, но это не относится ко всем или даже к большей части. Мы предполагаем, что большая часть устойчивых генетических вариаций восприимчивости к болезням в человеческих популяциях является отражением близорукости и ограничений естественного отбора: (i) относительной слабости отбора для модулирования иммунной избыточной реакции и (ii) даже в большей степени, бессилия естественный отбор из-за ограничений иммунной системы — антагонистическая плейотропия. Генетическая изменчивость, которая не воспринимается или плохо воспринимается естественным отбором, будет накапливаться и сохраняться (Crow and Kimura, 1971).

Последствия

В то время как заболеваемость и смертность от большинства бактериальных инфекций можно объяснить чрезмерной реакцией иммунной системы, практически все наши усилия по лечению этих инфекций направлены на контроль распространения и уничтожение бактерий, в первую очередь с помощью антибиотиков.Этот подход был и остается эффективным, но не полностью. Лечение антибиотиками обычно не дает результатов, и пациенты умирают или остаются больными в течение длительного времени. Устойчивость патогена к антибиотикам, используемым для лечения, является лишь одной из причин этого неэффективности, а для некоторых инфекций не является основной, по крайней мере, пока (Levin and Rozen, 2006; Yu et al., 2003).

Очевидным альтернативным подходом к лечению инфекций является снижение заболеваемости и предотвращение смертности за счет модуляции избыточной реакции иммунной системы.Это были попытки сделать именно это для лечения бактериального сепсиса. Клинические испытания оценивали использование глюкокортикоидов (Bone et al., 1987), препаратов, предназначенных для нейтрализации эндотоксинов (Ziegler et al., 1991), фактора некроза опухоли α (Fisher et al., 1996) и IL-1. β (Fisher et al., 1994), но ни один из этих методов лечения не был эффективным. На сегодняшний день наиболее успешные испытания на людях были с компонентом естественной антикоагулянтной системы, активированным протеином С, который обладает значительными противовоспалительными свойствами, а также является мощным антикоагулянтом (уменьшает образование сгустков, которые ответственны за органную недостаточность на поздних этапах). стадии сепсиса) (Fourrier, 2004).Кроме того, новые агенты перенаправляют иммунный ответ и обещают стать эффективным средством лечения сепсиса в будущем, такие как IL-12 (O’Suilleabhain et al., 1996) и антитела против комплемента (C5a) (Czermak et al., 1999). Однако понимание специфики иммунной сверхреакции и сложности механизмов обратной связи, которые контролируют иммунный ответ, необходимо для лечения, направленного на усиление или подавление иммунного ответа пациента.

В настоящее время, в целом, успех этих иммуномодулирующих методов в предотвращении заболеваемости и смертности от бактериальных инфекций можно в лучшем случае охарактеризовать как скромный.Однако, поддерживая спекулятивный характер этой разглагольствования и желая получить оптимистичный вывод, мы предполагаем, что по мере того, как мы узнаем больше о регуляции иммунного ответа и разработаем процедуры для мониторинга, а также введения регуляторных иммунных молекул в режиме реального времени, эти методы будут становятся все более эффективными для лечения бактериальной инфекции.

Благодарности

Мы благодарим Элизабет Карниэль за то, что она поделилась своими идеями об эволюции вирулентности Y.pestis . Мы благодарны Джиму Буллу и Харрису Финбергу за ценные комментарии и предложения. Б. Р. Л. выражает свою постоянную благодарность Фернандо Бакеро за вдохновение, идеи, нескончаемые прихоти, поддержку и дружбу. Это начинание было поддержано грантом от NIH, AI40662 (B. R. L.), и грантом NIH на обучение (E. M.).

Эволюция бактерий: путь к сопротивлению

Вспомните, когда вы или ваш близкий в последний раз болели бактериальной инфекцией и нуждались в антибиотиках.Что, если антибиотики не подействовали? К сожалению, это становится все более распространенным во всем мире, вызывая не менее 700 000 смертей в год (O’Neill, 2016). Устойчивость к противомикробным препаратам, также известная как УПП, быстро развивается, часто в течение одной инфекции. Это происходит либо в результате обмена бактериями друг с другом генами, обеспечивающими устойчивость, либо в результате того, что отдельная бактерия становится устойчивой в результате мутаций в своих собственных генах. Устойчивые бактерии с большей вероятностью переживут лечение противомикробными препаратами и распространят инфекцию среди других людей.

Во время инфекций бактерии имеют тенденцию расти на поверхностях в сообществах, называемых биопленками (Koo et al., 2017). Биопленки способствуют общению и сотрудничеству, а также физически защищают бактерии от антимикробных препаратов и иммунной системы хозяина. Эти свойства затрудняют лечение биопленочных инфекций даже при отсутствии УПП. Было высказано предположение, что бактерии, растущие в биопленках, могут быстрее развить УПП, что затрудняет прогнозирование результатов лечения. Однако мало исследований изучали, как различные способы роста влияют на способность бактерий развиваться (Steenackers et al., 2016).

Теперь в eLife Вон Купер и его коллеги из Университета Питтсбурга, в том числе Альфонсо Сантос-Лопес и Кристофер Маршалл в качестве первых авторов, сообщают, как «бактериальный образ жизни» влияет на эволюцию устойчивости к антибиотику ципрофлоксацину (CIP) в патоген Acinetobacter baumannii (Santos-Lopez et al. , 2019). Для этого они сравнили бактерии, которые плавали в жидкой культуре, когда они росли, с бактериями, которые росли в виде биопленок.Бактерии, растущие в жидкой культуре, были экспериментально эволюционированы путем ежедневного переноса небольших количеств культуры в новый контейнер со свежей питательной средой (рис. 1А). Биопленки были созданы путем выращивания A. baumannii на пластиковых шариках, погруженных в жидкую культуру, и ежедневного переноса этих покрытых биопленкой шариков в новый контейнер со свежей средой и чистым шариком (Рисунок 1B). В начале эксперимента клетки подвергались воздействию очень низкой дозы CIP, а затем доза CIP удваивалась каждые 72 часа по мере развития устойчивости в течение 12-дневного периода.

Экспериментальная эволюция устойчивости к ципрофлоксацину (CIP) у бактерий, выращенных в жидкости и на биопленках.

Чтобы понять, как образ жизни бактерий влияет на эволюцию устойчивости к противомикробным препаратам, штаммы бактерии A. baumannii были экспериментально выведены либо в жидкой культуре ( A ), либо в виде биолфимов на пластиковых шариках ( B ).Сантос-Лопес и др. обнаружили, что у штаммов A.baumannii , выращенных в жидкости и на биопленке, устойчивость к противомикробному CIP развивалась по-разному: бактерии, выращенные в жидкости, развили одну устойчивую линию, которая доминировала в популяции ( C ), тогда как бактерии, выращенные на биопленке развились множественные устойчивые линии, сосуществующие в популяции ( D ). Другие важные характеристики двух эволюционировавших штаммов (такие как устойчивость к CIP) обсуждаются в основном тексте.

Образцы бактерий были собраны из каждой культуры в разное время во время эксперимента, а также в конце эксперимента. Полногеномное секвенирование этих образцов показало, что выращенный в жидкой среде и выращенный на биопленке A. baumannii идет разными, но повторяемыми путями в ходе экспериментальной эволюции. Для бактерий, выращенных в жидкой культуре, Santos-Lopez et al. обнаружили, что наиболее устойчивая линия CIP превосходит другие бактериальные линии, что позволяет ее потомству быстро захватить популяцию (рис. 1C).Однако для бактерий, выращенных в биопленках, исследователи обнаружили, что конкуренция между клонами была меньше — предположительно потому, что они не так свободно перемещаются, как бактерии, выращенные в жидкости, — и что несколько сосуществующих линий смогли появиться (рис. 1D). ).

Дальнейшие эксперименты показали, что бактерии, выращенные в жидкости и на биопленке, выработали уникальные стратегии противодействия CIP, что привело к разной степени устойчивости к CIP. Бактерии, выращенные в жидкости, развили устойчивость к CIP на низком уровне за счет мутаций, которые увеличили количество белков-помп, которые транспортируют CIP из клеток.Эти устойчивые клетки быстро взяли верх, а затем приобрели дополнительные мутации, которые препятствовали связыванию CIP с его белками-мишенями. Бактерии с обоими типами мутаций могли противостоять дозам CIP, которые были намного выше, чем те, которые использовались во время эволюционного эксперимента. Бактерии, выращенные на биопленке, также развили низкий уровень устойчивости к CIP за счет увеличения продукции помпового белка, но использовали другие насосы, чем их жидкие аналоги. Однако бактерии, выращенные на биопленке, не смогли развить высокий уровень устойчивости за счет дополнительных мутаций.Избирательное давление, создаваемое различными образами жизни, похоже, взаимодействует с давлением воздействия CIP и ограничивает эволюционные пути и, следовательно, результаты, доступные для каждого образа жизни.

Сантос-Лопес и др. обнаружили, что в отсутствие CIP устойчивые к CIP бактерии, образовавшиеся из жидкости, были менее приспособлены, чем штамм-предок, и их можно было легко победить. Примечательно, что о подобных компромиссах в фитнесе сообщалось и раньше, и считается, что снижение фитнеса замедляет распространение бактерий AMR. Вызывает тревогу то, что устойчивые к CIP штаммы, образовавшиеся из биопленок, были, по крайней мере, такими же пригодными, как и их предки, при выращивании без CIP. В то время как эволюционирующий из жидкости штамм часто становился устойчивым к дополнительным противомикробным препаратам, бактерии, выросшие на биопленке, обычно проявляли повышенную чувствительность по крайней мере к одному другому противомикробному лечению. Это означает, что, хотя штаммы, образовавшиеся из биопленок, могут быть более приспособленными и с большей вероятностью распространяться среди новых пациентов, их также может быть легче убить с помощью других противомикробных препаратов.

В этой работе Santos-Lopez et al.сосредоточились на том, как биопленки влияют на конкуренцию и давление отбора в процессе эволюции. Однако биопленки могут влиять на эволюцию другими способами, а бактериальный образ жизни — лишь один из многих факторов, определяющих эволюцию УПП «в дикой природе». Например, многие виды бактерий испытывают повышенное совместное использование генов и частоту мутаций при формировании биопленки, что также может способствовать развитию УПП (Steenackers et al. , 2016). Кроме того, развитие УПП может быть вызвано увеличением частоты мутаций, вызванных противомикробными препаратами (Cirz et al., 2005; Кохански и др., 2010; Gutierrez et al., 2013; Pribis et al., 2019) и другие факторы стресса, такие как голод, с которыми сталкиваются бактерии во время инфекции (Fitzgerald and Rosenberg, 2019).

Эти результаты имеют важное значение для лечения A. baumannii, , который уже устойчив ко многим лекарственным препаратам и считается критической угрозой как Всемирной организацией здравоохранения, так и Центрами по контролю и профилактике заболеваний в США. Лучшее понимание переменных, формирующих эволюцию УПП, улучшит прогнозы эволюционных исходов, меры по контролю над противомикробными препаратами и клинические исходы для отдельных пациентов.

Эволюция и развитие (Стэнфордская энциклопедия философии)

1. Эволюция и развитие в историческом контексте

Первоначально концепции эволюции и развития были тесно связаны между собой. связанный. Фактически, с конца 17 ^-го века понятие «эволюция» широко использовалось для описания процессы индивидуального развития, и гипотезы часто относились к тому, что сейчас называется эволюцией. В кроме того, развитие (Entwicklung) часто считалось не только для описания онтогенетических изменений организмов (Goethe 1790; Debraw 1777), но также (что мы рассматриваем сегодня) филогенетические изменения.Например, Фридрих Шеллинг (1798) утверждает, что последовательность стадий всех органических существ сформировались через постепенное развитие («Entwicklung») той же организации. Этот ситуация изменилась в начале 19 ^-го века, когда эволюция использовалась некоторыми авторами для обозначения трансгенеративных трансформации организмов, в том числе Чарльзом Лайелем и Георгом W.F. Гегель. Однако в своем первом издании Происхождение Вид (1859) Дарвин не использовал термин эволюция, скорее всего потому что он хотел отделить свою теорию от более ранних понимания слова. Вместо этого он говорил о «происхождении с модификации ». Но особенно благодаря работам Герберта Спенсера, эволюция утвердилась как концепция, касающаяся «Трансформация видов» и теория Дарвина трансформация посредством отбора все чаще рассматривалась как образец «теории эволюции» (Spencer 1852 [1891], 1). Согласно этой теории, эволюция осуществляется через организмы. «Борьба за существование» (Дарвин) и «выживание» из сильнейших »(Спенсер).

Однако, помимо этого увеличивающегося концептуального расставания, эволюция и развитие рассматривались как тесно взаимосвязанные процессы многие ученые на протяжении 19 ^{-х годов} века.Основываясь на более ранние сравнительные исследования эмбриональных процессов в различных таксонах (среди других Карл Э. фон Бэр (1827) и Фриц Мюллер (1864)), Эрнст Геккель (1872) утверждал, что все многоклеточные животные имеют одинаковые ранние стадии развития (см. Gould 1977). Он понимал эти паттерны развития как модификации основного типа. В соответствии с этот биогенетический закон, развитие особей является резюме эволюционных изменений видов:

В ходе быстрого и непродолжительного индивидуального развития органическая особь […] повторяет важнейшие изменения форма, через которую прошли его предки в течение долгого и медленного ход палеонтологического развития, следуя законам наследственности и адаптация. (Геккель 1866 г., II 300)

Эта взаимосвязь, при которой биоразнообразие постепенно возникло из изменения в развитии, которые уже предвидел Иоганн Ф. Меккель (1812) и Ричард Оуэн (1837), которые распараллелили «Трансмутации» эмбриональных форм и трансмутации разновидность. Также Дарвин (1837) описывает генезис индивидов как «Укороченное повторение» морфологических изменений во время филогенез. С конца 19 ^-го века этот вид на развитие как резюме эволюции стало проблематичным (см. Расмуссен 1991).Во-первых, за это время вид линейного эволюция от беспозвоночных до позвоночных к человеку была все чаще подвергаются сомнению. Во-вторых, на основе сравнительных исследований клеточного В 1890-х годах ученые критиковали то, что эволюционируют не только взрослые организмы, но и пути их развития. Например, в 1898 году эмбриолог Эдмунд Б. Уилсон (1898) использовал гомологичные паттерны деления эмбриональных клеток для объединения таксонов, в то время как эмбриолог Франк Р. Лилли (1898) изучал различия в этих шаблоны, чтобы показать истоки эволюционной адаптации.Эти исследования (по крайней мере, до некоторой степени) противоречили теории Геккеля. рекапитуляционизм, поскольку они видели онтогенез недостаточно объясненным историческими причинами, а скорее нуждаются в независимой механистической законы, влияющие на физические свойства онтогенетического материала (см. Гуралник 2002). Кроме того, это исследование клеточного происхождения показало, что что закон Геккеля о взаимосвязи между развитием и эволюция должна быть инвертирована, поскольку клеточные клоны эволюционируют эволюционное время. В более общем плане это означает, что разработка не просто имитирует эволюцию.Скорее, это источник вариаций. и, следовательно, причина эволюции и адаптации: «онтогенез не резюмирует филогенез, он его создает »(Garstang 1922: 81). В Короче говоря, эволюция происходит через модификации развития.

Еще одна характерная черта 19 ^{-х годов} века (и раннего 20 (^{-е гг.} века) биология имела отсутствие четкой концептуальной разрыв между процессами развития и размножением. Особенно идея наследования приобретенных характеристик была частью мейнстрим эволюционной мысли (Bowler 1983, 2017; Gissis И Яблонька 2011).По словам Жана Батиста Ламарка (1809 г.), изменения в структуре или функции черт, которые произошли во время жизнь организма, в зависимости от их использования или неиспользования, может быть по наследству. Дарвин принял эту идею в своей теории наследования пангенезис (см. Holterhoff 2014). Он предположил, что все части тела, на на каждой стадии развития содержат мелкие частицы, так называемые «Геммулы», чувствительные к изменениям окружающей среды. Эти частицы накапливаются в репродуктивных органах и передается следующему поколению.Таким образом, геммулы модифицировались во время развитие привело к изменениям в следующем поколении. Дарвин заявил, что из-за этой тесной связи развития и воспроизводства, «наследование следует рассматривать как просто форму рост »(Дарвин 1868: II, 404). Однако эта связь между развитие и наследование все чаще подвергались критике в первые половина 20-го ^-го века. Вслед за Августом Вейсманном (1892 г.) наследование вызванных окружающей средой изменчивости соматических клеток (тело) организмов все чаще подвергалось сомнению.В организмы, размножающиеся половым путем, для сперматозоидов используется только зародышевая плазма. и яйца были признаны несущими информацию, которая передается новое поколение. Согласно этой точке зрения, у зародышевой линии был иммунитет. от изменений, происходящих в соматических клетках тела, и, таким образом, наследование приобретенных характеристик или другие теории плазматическое наследование были отвергнуты (но см. Harwood 1993, Gilbert И Эпель 2015).

Это разделение между развитием, с одной стороны, и наследованием, и эволюции, с другой стороны, через теорию Вейсмана наследования, оказали долгосрочное влияние на рассуждения биологов о эволюция в последующие годы.Несмотря на продолжающиеся усилия неоламаркианцы вплоть до 1930-х годов (Bowler, 1983), развитие все больше исчезал с ландшафта эволюционной теории. От объединение законов Менделя и новых открытий в генетике в статистические основы популяционной генетики, современный синтез пришли к пониманию эволюции как изменения частот разные аллели в популяции (Фишер, 1930; Добжанский, 1951). Изменения, относящиеся к эволюции, производились только в генах зародышевая линия. Эти случайные изменения, мутации, были исключены из история развития личности.В 1940-х и 50-х годах это точка зрения все более и более проявлялась, не в последнюю очередь через так называемые «Центральная догма» молекулярной биологии (Crick 1958). Это утверждает (аналогично теории Вейсмана), что информационные потоки всегда от ДНК к белкам, и никогда наоборот. Таким образом, фенотипический изменения во время развития не могли повлиять на гены. Тенденция к связывать гены с популяциями в эволюционных объяснениях, а не развитие с эволюцией достигло своего апогея с появлением гена взгляд на эволюцию глазами (Williams 1966; Dawkins 1976).Сосредоточив внимание на вопрос, каковы могут быть определенные черты характера, такие как альтруистическое поведение полезный, он не только идентифицировал гены (а не организмы) как единственные единицы выбора. Кроме того, он описал развитие как ничего, кроме считывания генетической программы (Maienschein 2003; Пильуччи 2010). Гены контролируют развитие признаков и поведения организмов, и они копируются, чтобы защитить свои собственные дальнейшее размножение группами и популяциями.

В течение двадцатого века эти разрывы в развитии и эволюция привела к таким заявлениям, как: «Проблемы, связанные с упорядоченное развитие личности не связано с эволюция организмов во времени »(Wallace 1986: 149).Однако такие заявления также подверглись критике со стороны ряда критиков. Например, исключение биологии развития из современного синтез (Harrison 1937; De Beer 1954; Waddington 1957; Hamburger 1980), объяснительная автократия адаптационистской программы в эволюционной биологии (Gould & Lewontin 1979) и упущение удовлетворительная теория эволюционной новизны, в которой развитие сыграли бы роль (Goldschmidt 1940), подверглись критике. Не в последнюю очередь из-за этого отказа от перспектив развития эволюционная теория была обвинена в ограничении направления исследований в эволюционная биология (Provine 1989).Фактически, на протяжении двадцатого века был выдвинут ряд теорий, которые утверждают, что из-за частичной независимости генетической и фенотипической изменчивости, эволюционные исследования должны уделять больше внимания тому, как изменения в паттерны развития и поведения могут влиять на эволюционное изменять. Сюда входят случаи «канализованного» развития пути, которые сохраняются, даже если генотип или окружающая среда могла измениться до некоторой степени (Waddington 1957; см. также Nijhout 2002; Гилберт и Эпель, 2015 г .; Султан 2015).Кроме того, исследования фенотипической пластичности показали, что признак организма может по-разному реагировать на воздействие окружающей среды, и что геном кодирует широкий спектр потенциальных фенотипов (Waddington 1942; Nijhout 1990; Пильуччи 2001). Эволюционная значимость эти результаты были подчеркнуты исследованиями, изучающими, как диапазон вариации меняется от пластического признака к фиксированному или канал канализировал на протяжении поколений (Suzuki and Nijhout 2008; Вест-Эберхард 2003; Б.Baker et al. 2019). Более того, согласно так называемый «эффект Болдуина», изученный поведенческий паттерны (например, акклиматизация к новому стрессору), которые были изначально довольно пластичен, может повлиять на репродуктивный успех людей и, таким образом, из поколения в поколение и через естественные отбора, постепенно включаться в генетические и эпигенетические состав вида (Baldwin 1896; Simpson 1953; Piaget 1976 [1978]; Ньюман 2002). Хотя некоторые из этих перспектив развития эволюции соответствовали популяционно-генетической структуре эволюционной биологии и фактически постепенно вошли в эволюционной мысли, другие ставили перед теоретическая интеграция.

Основываясь на последнем, более проблематичном наборе подходов (особенно в последние годы) эволюционная теория столкнулась с звонки ориентированных на развитие биологов и философов биологии, чтобы расширить стандартные пояснительные и методологические подходы к эволюции (Bonner 1958; Alberch 1982; Bonner 1982; Raff & Кауфман 1983; Гилберт, Опиц и Рафф, 1996; Schlichting & Pigliucci 1998; Вест-Эберхард 2003; Г. Мюллер 2007; Пильуччи & Мюллер 2010; Бейтсон и Глюкман, 2011 г .; Яблонька и Баранина 2014; Лаланд и др.2014, 2015; Гилберт и Эпель, 2015 г .; Г. Мюллер 2017; для обсуждения см. Huneman И Уолш, 2017; Фабрегас-Техеда и Вергара-Силва 2018; Baedke et al. 2020b). Они утверждают, что эволюционные изменения не должны в первую очередь должны быть исследованы и объяснены как изменение генотипа частоты в популяциях, но (также) на уровне развивающихся и действующее лицо. Основная идея заключается в том, что фенотипический вариативность и гибкость реакции организмов на сигналы окружающей среды могут вносить неслучайные вариации и, таким образом, могут предвзятость и / или прямая морфологическая эволюция до некоторой степени.Этот включает не только экологические изменения в нормативных процессы, но также и физические ограничения развивающегося эмбриона. Сосредоточившись на этих явлениях, Кевин Лаланд и его коллеги (2014: 161) утверждают: «Альтернативное видение эволюции начинает проявляться. кристаллизуются, в которых процессы, с помощью которых организмы растут и развитие признаются причинами эволюции ». У других есть утверждал, что гены, вероятно, чаще следуют за эволюцией, чем лидеры (Вест-Эберхард 2003, 2005). Другими словами, экологически чуткий, развивающийся и действующий организм принимает Свинец.Он привносит неслучайным образом новые фенотипы в популяции, которые впоследствии стабилизируются генами.

Это «взгляд на разработку в первую очередь» (или иногда его называют «Взгляд на пластичность в первую очередь») эволюции в настоящее время принят особенно исследователями в трех областях исследований: эволюционных биология развития (эво-дево), эпигенетика и конструирование ниш теория. Evo-DevO изучает эволюцию путей развития и многое другое. важно для вышеприведенного взгляда, как ограничения и предубеждения развития может влиять на эволюционные траектории (Raff 1996, 2000; Gerhart & Киршнер 1997; Любовь 2003; Amundson 2005; Лаубихлер и Майеншайн 2007; Сансом и Брэндон 2007; Г.Мюллер 2007; Минелли 2009; Laubichler 2010; Пильуччи и Мюллер 2010; Гилберт и Эпель 2015; Moczek et al. 2015; Levis & Pfennig 2020). Это включает в себя спрашивая, как изменения в регуляторных сетях генов вызывают модификации процессы развития (связанные с основными сдвигами в морфологическом «Планы тела») и, таким образом, создают эволюционные новшества, или какими возможностями обладают организмы для создания наследуемых, адаптивных фенотипической изменчивости и, следовательно, эволюционировать в процессе эволюции (т. е. их эволюционируемость; см. Hendrikse et al.2007). Это фокус на том, как фенотипические создается вариация, а не то, как она выбирается, поддерживается исследования в области эпигенетики межпоколенческих и межпоколенческих эпигенетических наследование (см. запись системы наследования), как через передачу регуляторных факторов активности генов (Яблонка и Лэмб 1989, 2014, Янлонка и Раз 2009, Перес и Ленер 2019). Другие формы внегенетического наследования включают передача микробиоты (Gilbert et al.2012, 2014, Browne et al. 2017) и поведенчески опосредованные родительские эффекты (Kappeler & Meaney 2010; Rilling & Young 2014).Этот набор процессов содержит экологически чувствительные негенетические источники вариаций для организмы, которые могут передаваться из поколения в поколение, во многих случаях не связаны с передачей генетической информации. Наконец, ниша теория строительства подчеркивает самовоспроизводящийся и взаимный эффекты организмов как агентов, которые создают свою собственную нишу (и / или других видов) во время развития (Lewontin 1982; Стерельный 2001; Day et al. 2003; Odling-Smee et al. 2003; Лаланд и др. 2008, 2009, 2011; Odling-Smee 2010; Чиу и Гилберт 2015, 2020; Aaby & Ramsey готовится к печати).Эти недавние исследования эволюции развития будут обсуждаться в подробно в разделе 3.

Различные разработки в вышеуказанных областях привели к увеличению философский интерес к возникающим концептуальным и объяснительным вопросам с нового стыка развития и эволюции. К ним относятся выяснение, какие причинно-следственные связи и границы существуют между две области, в которых разные роли играют процессы развития. недавние эволюционные исследования, и как эти новые роли влияют на онтологические рамки организма.Кроме того, эти развития сопровождались дебатами о структуре объяснения эволюции развития. Наконец, они сообщили дискуссии по антропологическому пониманию и этическим вопросам относительно людей. Теперь мы обсудим дебаты по этим вопросам в деталь.

2. Концептуальные разделения и объединения эволюции и развития

Одна из центральных тем ранней философии биологии в 1960-е и 1970-е годы были попыткой разработать подходящую концептуальную фреймворк, который поддерживал бы разделение между разработкой и эволюция в соответствии с центральным предположением современного синтеза что эволюция — это изменение генетического состава популяций только (Добжанский 1951: 16; см. также Charlesworth et al.2017). Этот означает, как следствие, что развитие не существенные пути) причинно влияют на эволюцию. На протяжении десятилетий это предположение было поддержано исторически влиятельными концептуальное различие между непосредственными причинами и конечными причинами (Майр, 1961).

2.1 Ближайшее и высшее различие

Двойная структура «приблизительное против окончательного» обеспечивает качественное различие биологической причинности (для родственных различия, см. J. Baker 1938; Тинберген 1951, 1963).Он считает, что биологи, изучающие непосредственные причины, задают вопросы о индивидуальные процессы развития. Таким образом, функциональные биологи заинтересованные в таких ближайших причинах изучения, как работают системы. Вместо, эволюционные биологи, изучающие первопричины, задаются вопросом, почему например, почему филогенез произвел определенные эволюционные функции. Согласно этому различию, по крайней мере на поверхности, ближайший причины напоминают аристотелевские действенные причины, в то время как первопричины напоминают аристотелевские конечные причины.Чтобы проиллюстрировать это различие, Майр (1961) приводит пример миграции птиц. Миграция может быть изучили, задавая вопросы о том, как птицы мигрируют (т.е. как они развивают такие навыки, как навигации) или почему они мигрируют (т. е. из-за каких выборочных преимущество). Под этими двумя исследованиями понимаются оба важны и дополняют друг друга. Однако к ним следует относиться как к отличны друг от друга.

Ближайшее-окончательное различие может быть дано эпистемическим или онтологическое чтение. Во-первых, авторы интерпретировали это как различая разные виды объяснений (Amundson 2005; Calcott 2013; Scholl & Pigliucci 2015).Это эпистемическое прочтение включает что как вопросы не могут быть решены с помощью объяснений, цитирующих окончательные причины (то есть рассказ об адаптации) и вопросы, почему не могут быть рассмотрены с помощью объяснений с указанием ближайших причин (т. е. рассказывая историю развития черты характера). Во-вторых, авторы интерпретировали это различие как различие между разными онтологическими классы причин, работающих в онтогенетических и филогенетических процессах (Лаланд и др., 2013a). Это онтологическое прочтение подкреплено теоретически в соответствии с концепцией Вейсмана о отделении зародыша линия и сома, которая обеспечивает демаркационную линию между двумя различными классы причин.По сей день биологи и философы не достигли консенсуса относительно того, как именно разделение Должно быть «ближайший-окончательный» или «как-почему» понимается эпистемически или онтологически (Francis 1990; Dewsbury 1992, 1999; Стерельный 1992; Битти 1994; Ariew 2003). Несмотря на это отсутствие Соглашения, эта основа применялась в различных областях, начиная с эволюционная биология (E.O. Wilson 1975 [2000: 23]), эволюционная биология. психологии (Daly & Wilson 1978; Crawford 1998) и поведенческих от экологии (Morse 1980: 92–95) до гуманитарных наук, как в сотрудничество (Marchionni & Vromen 2009) и развивающее психология (Lickliter & Berry, 1990).Особенно в эволюционном биологии, он вносил свой вклад в основную причинно-следственную связь в течение долгого времени. время, даже среди биологов-эволюционистов, интересующихся вопросами развития процессы (см., например, Maynard Smith 1982: 6).

2.2 Объединение непосредственных и конечных причин

Постоянная критика ближайшего и окончательного различие (еще до Майра 1961 г.) и против лежащего в его основе идея принизить объяснительную или причинную значимость развития к эволюции.В последнее время обсуждение этого вопроса набирает обороты. благодаря новым открытиям в таких областях, как эпигенетика, эволюция и ниша теория строительства (Thierry 2005; Laland et al. 2011, 2013a, 2013b; Хейг 2011, 2013; Скотт-Филлипс и др. 2011; Дикинс и Рахман 2012; Герреро-Босанья 2012; Calcott 2013; Дикинс и Бартон, 2013 г .; Гарднер 2013; Mesoudi et al. 2013; Мартинес и Эспозито 2014; Scholl & Pigliucci 2015; Baedke 2018; Уллер и Лаланд 2019). В этом контексте некоторые ученые утверждают, что непосредственное-окончательное различие стоит «в центре некоторых из самые ожесточенные споры современной биологии »(Laland et al.2011: 1512) о роли пластичности развития, нише построение и инклюзивное наследование эволюционных траекторий. Участники этой дискуссии утверждали, что мы должны в силу различные эпистемологические или эвристические причины, придерживайтесь мнения Майра непосредственное-окончательное различие (Скотт-Филлипс и др., 2011; Дикинс & Barton 2013) или его пересмотренная или переосмысленная форма (Scholl И Пильуччи 2015; Otsuka 2015), расширите его на третье промежуточное звено. форму объяснения (Haig 2013) или заменить ее концепцией «Взаимная причинность» (Laland et al.2011, 2013a, 2013b, 2015; Mesoudi et al. 2013). В соответствии с более ранней философской работой (Oyama 1985; Keller 2010; Griffiths & Stotz 2013), последняя идея взаимной причинности должны позволять описывать процессы обратной связи между причинными факторами в развивающихся системах. Это включает в себя способность организмов к фенотипической пластичности или, более в частности, их деятельность по изменению давления отбора. Примеры парадигматической обратной связи — это нишевое конструктивное поведение организмы, которые изменяют свою среду обитания и, таким образом, формируют естественные давление отбора, работающее над ними.Другими словами, взаимное причинно-следственная связь утверждает, что организмы — это не только результат адаптивных процессы, но и причинные отправные точки эволюционного траектории. В этом смысле эта структура выступает против причинно-следственной связи. и / или объяснительное утверждение асимметрии ближайшего-окончательного различие. Он подчеркивает важную роль развития для эволюция.

Против этого нового подхода ученые утверждали, что взаимное причинно-следственная связь на самом деле не представляет никаких концептуальных проблем для эволюционная биология, так как она была включена с некоторого времени назад в поле (Svennson 2018).Однако настоящая проблема состоит в том, чтобы развить эту идею в методологически обоснованную основу, которая позволяет изучение и моделирование сложной нелинейной системы организм-среда связи. Другие ставят под сомнение центральную причинную роль единицы. организма, как предполагается, играет в рамках этой взаимности. (Baedke 2019a), или поставил под сомнение, может ли эта концептуализация в Фактически, охватить все представляющие интерес отношения причинной зависимости для эволюционная биология (Martínez & Esposito 2014; Scholl И Пильуччи 2015).Более того, некоторые утверждали, что и этот фреймворк полагается на дихотомию между развитием и эволюцией (Дикинс & Бартон 2013; Martínez & Esposito 2014) и что это не способствует успешная биологическая наука, так как она не приводит к фальсифицируемым вопросы (Dickins & Rahman 2012) и кровоточит непосредственно и окончательные объяснения друг друга, так что их различие становится бессмысленным (Gardner 2013; следует, однако, отметить, что это может быть самой целью этого подхода).В более общем плане было предложено, чтобы сторонники этого подхода предоставили больше концептуальные разъяснения того, что на самом деле является взаимной причинно-следственной связью должно означать (Buskell 2019).

Помимо различения развития и эволюции в качественном как непосредственные и окончательные причинные процессы, менее распространенный попытка состоит в том, чтобы количественно различить (или связать) их. Здесь, особенно различия, основанные на темпах или временных масштабах, на которых происходят различные процессы развития и биологические процессы (см. запись уровни организации в биологии).Например, Конрад Х. Уоддингтон (1957) разработал иерархическую модель временных шкал, включающая биохимические процессы на нижних молекулярные уровни организации с более высокой скоростью, средней скоростью процессы развития на среднем уровне и эволюционные процессы на более высоких уровнях с более медленным темпом. Согласно такой точке зрения, эволюционные процессы — это просто процессы, происходящие с разными темп и, следовательно, на другом уровне, чем уровни развития. Таким образом, они отличаются скорее постепенно, чем по сути.Рейтинговые различия имеют было описано, чтобы быть совместимым с окончательной ближайшей структурой (интерпретируя его как тот, который различает разные временные рамки фенотипического изменения; см. Francis 1990; Haig 2013) или как разные от ближайших до конечных различий (Baedke & Mc Manus 2018). В кроме того, концептуализация шкалы времени (или шкалы размеров) была применяется для разработки методологий и многомасштабного моделирования, интегрировать, среди прочего, процессы развития и эволюции (С.Левин 1992; Грин и Баттерман, 2017; Дакворт 2019).

3. Изменения в развитии как механизм эволюции

Идея о том, что эволюция представляет собой изменение развития отношения имеют центральное значение для области эволюционного развития биология (эво-дево). Эта область описывает себя как науку, которая изучает, как изменения в развитии создают вариации, которые природа может выбирать (Raff & Kaufman 1983; Gilbert, Opitz, & Raff 1996). Другими словами, естественный отбор не создавал вариаций; развитие создает вариации.Развитие — это художник; естественный выбор — куратор (Gilbert 2006, 2019). У обоих есть творческие агентство; но они работают на разных уровнях. Хотя это мнение были выражены такими учеными, как Томас Хаксли, Джулиан Хаксли, Конрад Х. Уоддингтон и Ричард Б. Гольдшмидт, он получил доверие благодаря более поздним открытиям, которые объяснили, как нормальное развитие могло произойти. Главным среди этих открытий было объяснение пути развития, которые связывают эмбриональную индукцию с геном выражение.Здесь паракринные факторы (белки, влияющие на поведения или паттерны экспрессии генов соседних клеток) секретируются одним набором клеток были получены рецепторы на мембранах другие клетки. Эти рецепторы затем активировали белки в цитоплазма, которая в конечном итоге активировала или подавляла поступающие белки ядро, регулирующее транскрипцию определенных генов.

Вторым крупным открытием, которое способствовало развитию evo-DevO, было открытие модульные усилители. Вышеупомянутые факторы транскрипции будут связываются с определенными участками ДНК, называемыми энхансерами.Большинство генов имеют несколько энхансеров. Таким образом, у гена может быть «конечность». энхансер, который активирует экспрессию гена в конечности, и Энхансер «глаза», который обеспечивает экспрессию гена в глаз. Более того, каждый энхансер обычно связывает несколько транскрипционных факторы и могут быть активированы в логических или мода. Эволюция могла происходить путем создания или удаления энхансеров, тем самым позволяя генам по-разному экспрессироваться в разных разновидность. Кинг и Уилсон (1975) и Джейкоб (1977) предположили, что эволюция произошла за счет изменений в регуляции генов.Это обеспечило модель для такого регулирования, и некоторые из лучших примеров можно увидеть в отличие человека от других обезьян (Geschwind & Konopka 2012; Pollard et al. 2006 г.). Как заметил Харауэй (2008), «отношения — самые маленькие возможный образец для анализа », и связь между энхансер и фактор транскрипции могут указывать на «естественный виды биологического мира (Gilbert & Bard 2014). Более того, объекты, определяемые энхансером / фактором транскрипции взаимодействия во время разработки часто бывают неожиданными и не отражают интуитивные границы между сущностями у взрослых.Активация генов например, формирование дистального ребра контролируется другим энхансер, чем тот, который активирует гены в проксимальном ребре (Guenther и другие. 2008 г.).

Эти различия в экспрессии генов можно разделить на четыре категории. категории (Артур 2004). Одна из этих категорий включает в себя место экспрессии генов, где разные популяции клетки экспрессируют определенный ген у разных видов. Например, ген gremlin в перепонках задних конечностей утки защищает эти клетки от клеточной гибели, что приводит к перепончатым лапам (Laufer et al, 1997; Merino et al.1999). Вторая категория включает изменения в время экспрессии гена, как в случае продолжающейся экспрессии ген fgf8 на кончике передних конечностей дельфина, таким образом позволяя выдвигать ласты (Richardson & Oelschläger 2002). Третья категория изменений включает изменения в величине экспрессии генов, как в различия в экспрессии гена Bmp4 , определяющие ширину клювов вьюрка (Абжанов и др., 2004). Четвертая категория сосредоточена на изменения фактической последовательности белка регуляторного белков, как в изменениях гена Antennapedia в насекомые, которые не позволяют насекомым образовывать более шести конечностей (Галант и Кэрролл, 2002).

Третьим открытием стало выяснение регуляторных сетей генов. (GRN). GRN основан на паракринных факторах, передаче сигнала каскады и факторы транскрипции. Игнорируя посттранскрипционная регуляция генов, эта концепция пытается объяснить как начальные условия (РНК и белки в ооците, положение эмбриона в матке и т. д.) могут создать условия при этом типы клеток различаются, хотя их геномы идентичны. Возглавляемый Эриком Дэвидсоном (2001, 2006), этот подход использует системы теоретические концепции, такие как модульность и диссоциативность, чтобы объяснить, как гены взаимодействуют иерархическим образом, производя различные типы клеток (Levine & Davidson 2005) и то, как типы клеток в родственные виды могут отличаться пополнением (кооптированием) конкретный GRN путем изменения связывания фактора транскрипции.Более в целом открытие GRN позволило интегрировать биология развития с палеонтологией (Jablonski 2017; Hinman et al. 2003; Hinman & Cheatle Jarvela 2014), а также может быть расширен на области симбиоза и конструирования ниш (Laubichler & Renn 2015).

Четвертым открытием эволюционной биологии развития было важность пластичности развития для эволюции (Nijhout 1990; Gilbert 2001; Пильуччи 2001). К концу ХХ века роль температуры, солнечного света, диеты, скученности, материнского поведения, и хищничество, как было замечено, играет важную роль в влиянии на фенотипы растения и животные.Таким образом, среда не только выбрана вариации, это помогло их произвести. Поскольку evo-DevO постулировал, что изменения в развитии вызывают эволюцию, и поскольку развитие пластичность сыграла роль в развитии, тогда возникла необходимость смотрите на изменения пластичности как на часть эволюции. Рано годы 21-го века, пластичность развития сыграла свою роль роли в эволюционных изменениях (West-Eberhard 2003; Abouheif et al. 2014; Suzuki & Nijhout 2006; Rajakumar et al. 2018; Левис и Pfennig 2020), и понятие «пластичность прежде всего эволюция »(или« эволюция в первую очередь ») интегрировали данные из многочисленных источников в программу, в которой физиологическая способность изменять фенотип из-за агенты окружающей среды могут стать канализованными и генетически закрепленными выбор.Механизмы, с помощью которых произошла такая эволюция, основанная на пластичности. осуществлено (разоблачение и отбор загадочных генетических вариантов, связанная со стрессом неспособность молекулярных шаперонов сворачивание мутантных белков и т. д.) стало новой исследовательской программой.

Пятое открытие заключалось в осознании того, что одним из основных агентами окружающей среды, влияющими на развитие, были симбиотические микробы (Макфолл-Нгай, 2002; Гилберт и др., 2012, 2015). Понятие холобионт (то есть интегрированный составной организм, состоящий из микробных и эукариотические виды-хозяева) организовали большую часть данных, чтобы посмотреть на роль микробов в нормальном развитии организм и варианты нормального развития (при болезни и эволюция) (Rosenberg & Zilber-Rosenberg 2016; см. запись биологические особи).Например, у мышей нормальное развитие иммунной система и капиллярная сеть кишечника зависят от конкретных бактерий полученный при рождении. Эти бактерии вызывают экспрессию определенные гены в эукариотических клетках и белки, производимые эти гены влияют на судьбу клеток (Hooper et al. 2001; McFall-Ngai et al. al. 2013). Другими словами, бактерии могут действовать как эмбриональная клетка. бы, регулируя экспрессию генов в соседних клетках. Здесь эукариотический организм нуждается в этих бактериях и ожидает их присутствия в течение нормальное развитие.

Как и в других случаях пластичности развития, следующим шагом было чтобы увидеть, могут ли изменения в развитии симбионтов вызвать изменения в эволюция (см. O’Malley 2015). Было показано, что изменения в симбионтах могут обеспечить выбираемые варианты для эволюции (Zhang et al., 2019), и он мог обеспечивают основу для репродуктивной изоляции через цитоплазматическую несовместимость или предпочтение спаривания (Brucker & Bordenstein 2013; Sharon et al. 2010). Одна из самых интересных возможностей, однако, исходит из точки зрения, что большинство, если не все, эукариотические организмы — холобионты, и симбионты открывают новые эволюционные траектории.Например, симбиотические микробы известны давно. отвечать за ферменты, переваривающие растения, в желудках жвачные животные. Без бактерий, переваривающих целлюлозу, коровы не переваривают трава или зерно. Более того, микробы помогают создавать рубец после они колонизируют пищеварительную систему при рождении. Таким образом, эти микробы также вызывают формирование органа, в котором они находятся, и позволяют им функция (Гилберт 2020; Чиу и Гилберт 2020). Развивающий симбиоз (симпоэзис), таким образом, открыл эволюционные траектории для некоторые млекопитающие.Это пример симбиоза развития и нишевое строительство. Конструкция ниши зависит от развития пластичность (Лаланд и др., 2008).

Эти пять новых (или обновленных) аспектов биологии развития имеют несколько философских выводов. Среди прочего, они касаются онтологические вопросы о том, что такое развивающиеся организмы и как они следует объяснять с комплексной точки зрения развития эволюция.

4. Онтологические проблемы эволюции развития

Многие онтологические споры о связи между развитием и эволюция фокусируется на организме как центральной единице, которая одновременно развивается и эволюционирует, в отличие, например, от генов или населения.Несколько теорий пытались прояснить природу этого организменная единица: Согласно одной влиятельной точке зрения, организм — это серия интегрированных процессов в течение жизненного цикла (Bonner 1965; Николсон и Дюпре, 2018; Fusco 2019a; DiFrisco 2019), с сложные и взаимные отношения между всем организмом и его части (Gilbert & Sarkar 2000; Esposito 2016; Peterson 2017). Центральные элементы этой точки зрения основаны на органицистской концепции. разработан Кантом, который утверждает, что в организмах «части, по отношению как к форме, так и к бытию, возможны только через их отношение к целому »и« что части связывают взаимно превращаются в единое целое таким образом, что они являются взаимно причиной и следствием друг друга »(Kant 1790/1793 [1902: 373]; см. также Lenoir 1982).Haraway (2008) подчеркивает последняя идея о взаимном взаимодействии частей организмов говоря: «Взаимная индукция — это название игры» (2008: 228), и это «взаимная сложность на всем пути. вниз »(2008: 42).

Эти идеи интеграции жизненного цикла и повсеместная взаимность предполагает более процессный и ориентированный на организм онтологический взгляд на организм. Эта точка зрения становится важен в исследованиях эволюции. Например, чтобы понять как развивается нервная система, нужно учитывать, что нервная система развивающегося организма имеет иные функции, чем нервная система взрослого человека и может использоваться для координации строения тела по мере развития (М.Левин 2019; Филдс и др. 2020). Это развивающееся системы демонстрируют истощение и конкуренцию, а развивающиеся системы показывают сотрудничество позволило Филдсу и Левину (готовится к печати) предположить, что процессы развития и эволюции могут быть интегрированы в безмасштабный уровень за счет языка обработки информации и коммуникация.

Второе онтологическое соображение гласит, что развитие и развитие организмы — это интегрированные коллективные особи, так называемые холобионты. или «мета-организмы» (Зильбер-Розенберг и Розенберг 2008; Bosch & McFall-Ngai 2011; Гилберт, Сапп и Таубер 2012; см. также O’Malley 2017; Baedke et al.2020a). Поэтому наши дискуссии об эволюции должны учитывать, что каждый организм — это консорциум, имеющий множество геномов, а не один, как традиционно предполагается. Математическое моделирование эволюции холобионтов, учитывающих это разнообразие, просто начало (Roughgarden et al. 2018; Osmanovic et al. 2018; Roughgarden 2020). Эта новая онтологическая основа утверждает, что симбиоз — это норма; это не периферийный. Эти симбионты могут действовать по-разному. этапы жизненного цикла и рассматриваются до развития каркаса (Гриземер 2014; Чиу и Гилберт 2015; Минелли 2016).В «Строительные леса», каждая стадия развития становится возможной объектами и процессами, которые катализируют эту деятельность, что позволяет новые и эволюционно релевантные процессы, которые будут происходить на более низком уровне трудности и затраты.

Третий онтологический момент касается точной природы ссылки. между развитием и эволюцией. Были предложены два подхода вперёд: Один опирается на идею, что биологическая сущность, которая причинно-следственная связь в обеих сферах может быть найдена только на уровне интегрированные коллективы симбиотических взаимодействий.Следуя в традиции представления Лейбница о возможности, а также Маргулис (1999) утверждает, что мы живем за счет «симбиотической планеты », эта точка зрения утверждает, что симбиотические коллективы не только существенные единицы развития, но также и эволюции. Это приводит с точки зрения эволюции, которая не сосредоточена на межвидовых конфликтах и соревнование между людьми (Huxley 1888; Williams 1966; Докинз 1976 г.). Вместо этого сущности, которые развиваются, сотрудничают соразвивающиеся коллективы (Rosenberg & Zilber-Rosenberg, 2016; Roughgarden et al.2018; для обсуждения см. Peacock 2011; Суарес 2018).

Ссылки на другую онтологическую структуру развитие и эволюция через сущность действующего организма (Nicholson 2014, 2018; Walsh 2015; обсуждение см. В Pradeu 2016; Baedke 2019a, 2019b). Эти подходы обычно меньше связаны с исследованиями симбиоза, чем исследованиями конструирования ниш или материнского последствия. Здесь организм (например, бобер, строящий плотину или дождевой червь, который обрабатывает почву) построен как самоопределение агент, который своим поведением модулирует давление отбора воздействуя на него (Odling-Smee et al.2003; Уллер и Хелантера 2019). Таким образом, согласно этому аргументу, он может оказывать влияние на население динамика. Перспектива холобионта и конструкция ниши перспективы объединяются, когда каждый понимает, что микробы и хозяева образуют среду друг друга. Здесь хозяин и микробы поддерживают развитие и эволюцию друг друга (Чиу И Гилберт 2015, 2020).

Независимо от того, рассматриваем ли мы коллективные или организменные индивидуальные агенты как основные субъекты, участвующие как в развитии, так и в эволюции, попытки интегрировать эти две области должны в каждом случае показать, что, Фактически, это то же самое подразделение, которое разрабатывает и эволюционирует .В другими словами, если мы хотим объединить развитие и эволюцию через единица биологического индивида (являющаяся единственной сущностью, которая принимает в обоих) эта единица должна соответствовать критериям как физиологических (например, метаболический) и эволюционной индивидуальности (см. биологические особи). Эволюционные личности традиционно рассматривались как репродуктивные единицы с дифференциальной приспособленностью и общими линиями (так называемые «дарвинисты»; см. Годфри-Смит 2009) или как единицы выбора («взаимодействующие»; см. Корпус 1980).К сожалению, обе эти единицы не всегда совпадают. (Годфри-Смит 2013; Pradeu 2016). Например, некоторые организмы (голобионты) образуют развивающиеся но без репродуктивных единиц, так как они включают множество линий передачи (например, микробные). Другие возможные единицы отбора (например, гены или популяции) не идентичны физиологическим индивидуумам. Таким образом, физиологический человек не обязательно может быть эволюционная единица или наоборот.

Это подводит нас к четвертому онтологическому пункту: развитие пластичность, которая, как считается, смещает или даже направляет эволюционные траектории (West-Eberhard 2003; Radersma et al.предстоящий). В концепция пластичности гласит, что развитие можно регулировать в важные пути окружающей среды. Это исключает генетический детерминизм (но не обязательно экологический детерминизм; см. Wagoner and Uller 2015). В первоначальной концепции производства фенотипа (т. Е. развития), Вильгельм Йоханнсен (1909) указал, что фенотип является продуктом как генотипа, так и условий окружающей среды, и Вольтерек (1909; см. Также Саркар 1999) утверждал, что то, что было унаследовано это « Reaktionsnorm », потенциал генерировать фенотипические вариации в ответ на факторы окружающей среды.В соответствии с этой точкой зрения многие тексты по эмбриологии в конце 1800-х годов (например, Hertwig 1894) провозгласили точка зрения, что развитие потребовало как взаимодействия между эмбриональные клетки и дальнейшее взаимодействие этих клеток с окружающая среда (см. Nyhart 1995).

Несмотря на эту историю, пластичность развития была маргинализована, поскольку генетические объяснения вышли на первый план в середине 20-го века (Саркар 1998; Келлер 2002). На этом фоне такие эмбриологи, как Льюис Вольперт (1994) мог спросить, является ли фенотип организма можно было бы вычислить, если бы у нас было полное описание яйца.Из-за вышеприведенные данные о взаимодействии организм-среда (см. 3) возникла иная точка зрения, более серьезно рассматривающая экологичность и пластичность развивающихся фенотип. Эта точка зрения включает переход от экстерналистов к интерналистам. или конструкционистское понимание организма-окружающей среды отношения (Годфри-Смит 1996). В то время как экстерналистский взгляд — ортодоксальный взгляд в эволюционной теории — концептуализирует свойства организмов в результате их окружающей среды (т.е. естественный отбор, нацеленный на генетические программы), интерналистский взгляд рассматривает «один набор органических свойств с точки зрения других внутренних или внутренние свойства органической системы »(Годфри-Смит 1996: 30). Согласно этим двум рассказам, организмы занимают окружающая среда, которая совпадает с ними или которая в значительной степени не зависит от их вариация. Вышеупомянутое исследование эволюции развития предлагает перейти от экстерналиста к конструкционисту перспектива, в которой организм активно формирует свои внутренние состояния и реагирует на внешнюю среду и изменяет ее (см. Laland et al.2014, 2015). Кроме того, в этой структуре также причинная роль окружающая среда становится более сложной. Теперь он включает идею, что окружающая среда имеет активный агент, который может определять фенотип. Вместо того, чтобы рассматривать окружающую среду как не что иное, как пассивное фильтра для эволюции, с этой точки зрения окружающая среда играет роль в активация фенотипа в дополнение к его выбору (Moczek 2015; Гилберт и Эпель 2015).

5. Объяснение эволюции развития

Помимо этих дискуссий об онтологии разработки и эволюционирующих организмов, другие центральные философские дискуссии о взаимодействие между развитием и эволюцией нацелены на тему научное объяснение.Имеется в виду вопросы о том, какие исследования эволюции развития (должны) объяснять и как они объясняют.

5.1 Механистические объяснения эволюции развития

Философы науки давно выступают за объяснительную автономию биологических объяснений. Особенно критиковали понимание биологического объяснения как аналогичного законным счетам объяснений в физике (см. Lange 2007). Напротив, ученые утверждали, что объяснение в бионауках часто включает описание механизма, который вызывает определенные биологические феномен (Bechtel & Richardson 1993; Craver 2007; Bechtel & Abrahamsen 2010; см. также запись механизмы в науке).Эво-дево было описано как парадигматический механистический наука, которая — вопреки крайнему и непосредственному различению — стремится определить механизмы развития, которые могут объяснить эволюционное изменение фенотипов (Gilbert 2003; Hall 2012). Этот механистический подход часто сопровождается математическими моделями различные паттерны развития, от изменений в регуляции генов сетей к моделям роста организмов и историческими повествованиями о том, как развиваются организмы и виды (Jaeger & Sharpe 2014; Winther 2015).Однако, помимо признанной центральности механистического объяснение эволюции развития, широко обсуждаемая тема что такое механизм развития и как он функционирует в эволюционное объяснение по сравнению со стандартными объяснениями, цитирующими естественный отбор.

Философы биологии (в так называемой новой механистической философии) концептуализировали механистические объяснения в биологии как построение моделей механизмов, соединяющих части систем, расположен на одном уровне организации, с поведением всего системы, обычно расположенной на более высоком уровне организации (Machamer et al. al.2000; Craver 2007; Иллари и Уильямсон 2012). В этом рамки, механистические модели связывают различные композиционные уровни организация, как гены и фенотипы или клетки и ткани. Эти межуровневые отношения существуют между причинными способностями частей системы и их организации, а также возможностей системы как все. Такие отношения устанавливаются в порядке декомпозиция и локализация (Bechtel & Richardson 1993; Craver 2007; Menzies 2012). Эта концептуальная основа для описания биологических механизмы и механистическое объяснение было разработано на основе тематические исследования в области молекулярной и клеточной биологии.Однако ученые поставить под сомнение полезность описания механистических объяснения в исследованиях развития и развития эволюция.

Что касается развития, то, во-первых, утверждалось, что организация играет иную роль в механистическом развитии объяснения (Mc Manus 2012). В отличие от вышеупомянутой структуры, что обычно предполагает, что уровни организации просто там, и, следовательно, не нужно разъяснять, как уровни организации на самом деле происходят, происхождение уровней и других форм организация (e.g., пространственные оси) специально рассматриваются в объяснения механистического развития. Во-вторых, философы утверждал, что отношения между уровнями прослеживаются с точки зрения развития механизмы не исчерпываются синхронными, определяющими отношениями между частями и целым, как предлагают некоторые новые механики (Craver & Bechtel 2007). Напротив, объяснения развития отслеживают изменение диахронические отношения между причинными способностями системы при разные уровни организации в разные промежутки времени (Ylikoski 2013; Бэдке и Мак Манус, 2018; Baedke 2020; см. также Love & Hüttemann 2011).В-третьих, утверждалось, что объяснения в evo-DevO с использованием механизмов развития сталкиваются с проблемой из-за неоднородность этих механизмов (Love 2018). При попытке объединить два типа объяснений механизмов развития — объяснения высококонсервативных молекулярно-генетических механизмов, как сети регуляции генов, и объяснения клеточно-физических механизмы, такие как миграция клеток — иногда возникает компромисс. Вместо того, чтобы давать более полное объяснение, объединение двух механизмы могут привести к менее общему объяснению, поскольку нефилогенетически консервативные клеточно-физические механизмы дают меньше общность объяснений.Этот компромисс может привести к объяснению предвзятость к проектам, которые стремятся объединить развитие и эволюцию. Это может побудить исследователей склоняться к общности объяснений, которые ссылаются на высококонсервативные молекулярно-генетические механизмы и не клеточно-физические механизмы, более комплексные объяснения, цитирующие оба виды механизмов.

Что касается концепции механизма эволюции развития, Бригандт (2015) подчеркивает, что некоторые механистические объяснения в evo-DevO — как те, что о том, как развитие влияет на эволюцию (Radersma et al.предстоящий), как новые вариации возникают благодаря пластичность развития (Pigliucci 2001, Gilbert 2006) и как организмы порождают наследственные адаптивные фенотипические вариации (эволюционируемость; см. Brown 2014) — значительно расширить стандартный анализ декомпозиции и локализации с помощью динамических модели (см. также Bechtel & Abrahamsen 2010; Brigandt 2013; Baedke 2020). Эти модели позволяют прогнозировать динамику развития системы. После разложения системы и выявления причинных вклады частей или подсистем, динамические модели помогают продемонстрировать, как эти вклады работают вместе, чтобы вызвать поведение всей системы.Таким образом они отвечают, как механизмы развития создают эволюционно релевантные качественные изменения фенотипических свойств, таких как устойчивость, фенотипические пластичность и модульность через лежащие в основе количественные изменения в их составные части и виды деятельности. Один классический пример этого являются математическими моделями устойчивости пространственного рассеяния и сегментация у Drosophila . Они обеспечивают количественные информация о взаимодействии лежащей в основе генной сети компоненты, включая, например, скорость транскрипции и распад генов уровни генных продуктов (von Dassow et al.2000).

Другие обсуждения на стыке развития и эволюции сосредоточьтесь на структуре объяснений, которые касаются того, как механизмы развиваются. Калкотт (2009, 2013) утверждает, что Майр различие характеризует два вида объяснения: объяснение, которое отвечает: «Как работают человека, человек за ? »И эволюционное объяснение, которое отвечает «Как популяции меняют с течением времени?» Однако существует третий вид, называемый «родословная». объяснение’.Объяснение происхождения отличается от приведенного выше на ответив «Как человека меняют сверх время ? »Поэтому они предлагают ряд механистических модели, в которых прослеживаются различия между механизмами развития особей, которые производят соответствующие морфологические структуры на разные времена. В течение эволюционного времени эти отношения претерпевают небольшие изменения. модификации, которые в конечном итоге приводят к нововведениям, таким как глаза и перья во всей системе. Таким образом, объяснение происхождения расширяет философские рамки стандартов из единственного описания механизм в серию механистических моделей.

5.2 Объяснительная сила объяснений эволюции сторонниками развития

Помимо этих дебатов о структуре биологических механизмов и их роль в объяснении эволюции развития, философы биология и биологи обсуждали в более общем плане, какая добродетель объяснения развития (могли бы) иметь для обращения к эволюционным явления. С этим вопросом связан вопрос, сколько — в смысл того, что за факты — только естественный отбор может объясните (см. запись адаптационизм).Широко признано, что такие объяснения могут касаться общих динамика частот черт и выживаемость (см. Sober 1984). Тем не мение, верно ли это для более детального рассмотрения развития отдельных черт личности — нерешенный вопрос. Хотя некоторые авторы утверждают, что эволюционные объяснения естественным отбором могут объяснять, почему у конкретного человека есть определенная черта, а не другая черта (Neander 1995; Forber 2005), другие отрицают это (Sober 1984; Stegmann 2010).Более того, утверждалось, что интегрирующие объяснения феноменов развития, таких как предвзятость в развитии, фенотипическая пластичность, конструирование ниш и инклюзивное наследование к объяснительной структуре эволюционного теория приведет к «значительно расширенному объяснительному емкость »этой теории (Pigliucci & Müller 2010: 12). Однако, хотя в эволюционной биологии часто существует согласие относительно существование этих феноменов развития (Laland et al. 2014; Рэй и др. 2014), их объяснительная значимость подвергается сомнению.Против На этом фоне ученые начали анализировать, на основании каких критериев объяснительной силы, такой как точность, соразмерность, чувствительность, и идеализация, эволюционистские эволюционные объяснения лучше, чем объяснения селекционера. Это включает в себя определение, какие компромиссы между пояснительными стандартами (например, между точностью и чувствительность или идеализация) те аккаунты, с которыми сталкиваются объединить объяснения развития и эволюции (Baedke et al. 2020b; Uller et al.2020).

6. Антропологические и этические аспекты эволюции развития

Вышеупомянутые дебаты о взаимосвязи между эволюцией и развитие в первую очередь возникло в рамках философии науки, особенно по истории и философии биологии. Однако есть и другие, более общие дебаты по антропологическим и этическим вопросам, которые касаются эволюция развития. В первую очередь относятся к тому, как мы концептуализируем развивающиеся и развивающиеся люди, их жизнь, тело и здоровье, а также как мы распределяем обязанности по медицинскому вмешательству.

Во-первых, новые открытия в пластичности развивающегося организма, их взаимосвязанность и способы передачи из поколения в поколение информация повлияла на научное и общественное понимание того, что люди. Например, если люди концептуализируются как холобионты — как коллективы совместно развивающихся и совместно эволюционирующих организмов — это также означает, что развитие — это вопрос совместное построение взаимодействий между видами. Значит, как Харауэй (2016) сформулировал это, что мы — как люди — очень буквально «стать с другими».’ В контексте, симпоэзис (симбиоз развития) означает, что развитие совместная разработка. На этом фоне Джон Дюпре и Морин О’Мэлли (2009) рассматривает живые существа как интерактивные коллекции: «Жизнь, как мы утверждаем, обычно находится в совместных пересечения многих родословных, и мы даже предлагаем сотрудничество следует рассматривать как центральную характеристику жизни иметь значение».

Во-вторых, биологические и биофилософские дебаты о развитии эволюция и пластичность организмов и окружающая среда отзывчивость повлияла на дебаты о том, что такое человеческое тело.За Например, Jörg Niewöhner (2011) утверждает, что новая концепция человеческое тело в настоящее время появляется в современной биологии, так называемые «Встроенное тело». Согласно этой точке зрения, человеческое тело больше не машиноподобная единица, которая генетически запрограммирована, нервно-контролируемый и ограниченный кожей, но открытый и динамичный единица, которую нельзя понять в отрыве от ее материальных и социальных окружающая среда (см. также Baedke 2017). Дополнительно в корпус встроен в различные временные шкалы, начиная от его эволюционного и трансгенерационные в онтогенетическое прошлое, которые постоянно составляют его настоящее.Другие возражали против стандартного человеческого рождения. повествования и Аристотеля, определившего временные границы людей при рождении и смерти, то рождение у людей не является создание нового человека. Напротив, рождение следует понимать как зарождение нового многовидового коллектива (Gilbert 2014; Chiu & Гилберт 2015).

Еще одна антропологическая проблема, возникшая в результате недавнего исследования evo-DevO и эпигенетика, в-третьих, вопрос, как определить нормальность и здоровье человека (см. Baedke 2019b).Есть свидетельства того, что бактерии необходимы для нашего нормального когнитивного и социального развития. За Например, стерильные мыши асоциальны и ведут себя как аутисты. (Desbonnet et al., 2014), и это поведение может быть воспроизведено имплантация микробиома аутичным пациентам (но не контроль пациентов) в стерильных мышей (Sharon et al., 2019). Такие случаи предполагают что биологическая нормальность не является неотъемлемым свойством организмов но возникает через взаимосвязи с другими организмами и окружающая обстановка.Кроме того, наше понимание здоровья все больше возрастает. оспаривается. Особенно это относится к взгляду, описывающему человеческое здоровье как свобода и автономия от внешнего вмешательства. Это обычно считает бактерии отклонениями от нормы, а паразитизм — патологический, потому что он угрожает и загрязняет чистоту индивидуальный энергетический паттерн. Вместо этого в (более процедурном) холобионтический каркас, микробы необходимы для нормального развития и считается, что они предотвращают развитие определенных заболеваний (Bello et al. al.2018; Кирьявайнен и др. 2019). Кроме того, некоторые организации, бактерии или вирусы, которые ранее считались вредными, теперь все чаще считается «хорошим» или «Здоровые» сотрудники, а не «плохие злоумышленники» (Дюпре и Гуттингер, 2016). В более общем смысле это означает что, поскольку микробиота становится все более важной компоненты, которые стабилизируют нормальное развитие и эволюционируют вместе с люди, следовательно, они обладают чертами, критически важными для физической формы человека, то есть здоровье. Эта новая перспектива может привести к радикальным изменениям в персонализированное наблюдение и лечение заболеваний и многое другое как правило, к новым стратегиям в разработке политики, которые заменяют идею сохранения автономной личности от заражения идеей поддержания (равновесных состояний) коллективов соразвивающихся и совместно развивающиеся люди.

Наконец, в более этическом аспекте эти выводы о открытость людей своему окружению и друг другу привело, во-первых, к дискуссиям о том, кто берет на себя ответственность за состояния здоровья людей и вмешательства (например, на эпигеномы и микробиомов) во временных масштабах внутри и между поколениями (Dupras & Равицкий 2016). Если развитие пластика может влиять на эволюцию, кто отвечает за результаты развития и эволюционные траектории в людях? Должен ли человек, являющийся центральным медицинским учреждением, агент, который «освобожден от цепей своих генов» (Пикерсгилл и др.2013), взять на себя эту ответственность? Или должен коллективы, такие как национальные государства или международные организации, должны быть отвечает за уровень токсинов в окружающей среде, а также за пища, которую едят люди, и стресс, которому они подвергаются (Hedlund 2012)? Последний отчет об ответственности направлен на то, чтобы не переоценивать причинная роль матери как важнейшего звена общественного здравоохранения агентов, которые должны быть привлечены к ответственности (и виновны), если их дети или более поздние поколения заболевают (Richardson et al.2014).

7. Заключительные замечания

Связь между эволюцией и развитием была долгой. обсуждаемая тема в истории биологии и философии биологии. В этой записи отобрана небольшая часть работ, относящихся к концептуальные, эпистемологические, антропологические и этические размышления об этих отношениях. Помимо обсуждаемых здесь вопросов, философы биологов и биологов обсудили, как развитие и филогенетические подходы к гомологии могут быть интегрированы (Amundson 2004; Вагнер 2014; DiFrisco 2019; см. запись биология развития), какие модельные организмы (Love 2009; Lloyd et al.2012; Минелли и Бедке, 2014 г .; Zuk et al. 2014; см. запись биология развития) и репрезентативные инструменты, которые ученые (должны) использовать для изучения отношения между эволюцией и развитием (например, нормальные пластины, карты судьбы клеток, эпигенетические ландшафты) и то, что эпистемологические и эвристические роли этих инструментов в научной практике (см. Haraway 1976; Gilbert 1991; Hopwood 2007; Любовь 2010; Baedke 2013; Бедке и Schöttler 2017; Никоглу 2018). Кроме того, давние дебаты по телеологии в биологии (см. запись телеологические понятия в биологии) обратил внимание на связь между эволюцией и развитием, чтобы различать телеологическое измерение развития от нетелеологического эволюционных процессов (Mayr 1961), чтобы ввести новые концептуальные фреймворки, такие как телеономия, которые относятся только к очевидным целенаправленным систем (Pittendrigh 1958), или чтобы подчеркнуть целенаправленное действие организменный агент как отправная точка для рассуждений о телеологических природа эволюции (Russell 1950; Piaget 1976 [1978]; Walsh 2015).

В настоящее время ведутся философские дебаты о подходящем концептуальном и объяснительный подход к объединению или интеграции развития и эволюционные процессы не достигли консенсуса. Это не в последнюю очередь в связи с тем, что соответствующие дисциплинарные области, такие как ево-дево, эпигенетика и теория конструирования ниш, которые способствуют развитию таких интеграции, все еще относительно молоды. Их теоретические и концептуальные рамки весьма разнородны. Таким образом, важные цели для будущих философских исследований — это понять препятствия на пути стабилизация и укрепление этих каркасов, чтобы идентифицировать их объяснительные достоинства и ограничения, а также внимание к их влиянию на то, как мы понимаем людей и людей здоровье.

Микробиом расширяет эволюционный потенциал хозяина

Взгляд с конференции Mountain Lake по развитию и эволюции на JSTOR