Гормоны эволюции

11.06.2015 Наука и жизнь

Так выглядит щитовидная железа человека. Аналоги этого органа имеются у всех позвоночных (хоть и не у всех имеют вид компактной железы), а вырабатываемый ими гормон аналогичен по составу как для человека, так и для ланцетника.
Гипоталамус — отдел промежуточного мозга,под контролем которого находиться эндокринную совокупность.

Он кроме этого фиксирует все трансформации, происходящие в спинномозговой жидкости и крови.

Во всех сферах

Тяжело назвать функции организма, каковые никак не зависят от щитовидной железы. Кроме того стрессы да и то не обходятся без ее «помощи». Тиреоидный гормон участвует в механизмах, каковые увеличивают проницаемость клеточных мембран, что разрешает передавать вовнутрь клеток гормоны стресса, такие как адреналин либо норадреналин.

Гормон щитовидной железы регулирует и рост, и развитие гонад.

Чуть больше 100 лет назад, в 1911 году, аспирант Медицинской школы в Мюнхене, в будущем узнаваемый американский биолог Фредерик Гудернач, кормил головастиков разными тканями животного происхождения. Это несложное лабораторное изучение, которое сейчас подошло бы для школьных занятий по биологии, принесло поразительное открытие.Гормоны эволюции

Наевшись фрагментов конской щитовидной железы, личинки внезапно принялись быстро метаморфизировать, другими словами преобразовываться во взрослых лягушек. Как раз с этого момента стало ясно, что выделяемый щитовидной железой тиреоидный гормон есть замечательнейшим стимулятором развития, и тогда биологическая наука решила присмотреться и к гормону, и к железе максимально внимательно.

Через чур чистая вода

Для человека трансформации функции щитовидной железы фактически всегда приводят к. Чуть ли не добрая половина населения Почвы подвержена отрицательному влиянию или недостатка гормона щитовидной железы — тиреоидного гормона, или его избытка. И что особенно принципиально важно, данный гормон имеет многоплановое воздействие.

Он воздействует на рост, на формирование опорно-двигательной, нервной и пищеварительной совокупностей, на обмен веществ, поддержание температуры тела и т. д. Недочёт тиреоидного гормона на ранних этапах развития человека обычно ведет к кретинизму: замедлению роста, затруднению и слабоумию речевой функции.

Тиреоидный гормон содержит йод, и исходя из этого самые серьёзные неприятности, которые связаны с недостатком гормона, наблюдались в том месте, где йода не достаточно. Обращение далеко не всегда идет об экологически неблагополучных районах — в недавнем прошлом в ходу был термин «альпийский кретинизм». В некоторых районах Альп, как выяснилось, такая чистая вода, что содержание йода в ней близко к нулю. Как следствие — высокая частота развития кретинизма среди местных жителей.

С проблемой удалось совладать, включив в рацион живущих в этих районах людей йодированную соль.

Бунтующая камбала

Но еще более ключевую роль тиреоидный гормон играется в развитии холоднокровных позвоночных, в частности амфибий и рыб. И особенно тех, в онтогенезе которых присутствует стадия видоизменение — превращения из личиночной формы в зрелую. В статье «Недоразвитые первопроходцы» («ПМ» № 9’2012) детально говорилось о феномене неотении.

При неотении детская (ювенильная), довольно часто личиночная форма живого существа ни при каких обстоятельствах не получает вид взрослой особи, но увеличивается и достигает половой зрелости. Так вот, стало известно, что один из решающих факторов для происхождения неотении — пониженный уровень тиреоидного гормона.

Личинка камбалы похожа на личинок простых рыб. И только по окончании видоизменение рыба переворачивается на бок и ложится на дно, меняя наряду с этим тип питания, а глаз со стороны, обращенной ко дну, «переезжает» на противоположную. Но японцы, разводящие камбал на фермах, в один раз увидели, что среди взрослых рыб попадаются особи, сохранившие личиночные черты: и плавают они в толще воды, а не лежат на дне на боку, и глаза на стандартном месте, и хищные повадки камбалы отсутствуют.

«Неправильные» камбалы попадались и в открытом море. У всех этих взрослых личинок имеется одно общее: они не прошли стадию видоизменение в следствии нарушений функции щитовидной железы.

Неандертальский кретинизм

В соответствии с одной из догадок, неприятности со щитовидной железой испытывали и неандертальцы. В строении их тел наблюдаются кое-какие черты, характерные для современных людей, страдающих кретинизмом: похожая структура костей, кургузое тело, маленькие нижние конечности.

Решающая роль тиреоидного гормона в развитии организмов заставляет отыскать в памяти теорию немецко-американского биолога Рихарда Гольдшмидта, вычислявшего макроэволюционные трансформации следствием единичной мутации, воздействующей на работу эндокринных желез и вызывающей скоординированные трансформации морфологии организма, а не результатом постепенного накопления маленьких эволюционных трансформаций. К ним имели возможность относиться и мутации, которые связаны с производством тиреоидного гормона, а правильнее, со всей тиреоидной осью.

Неверный пучок

На то, что эволюция, по крайней мере временами, носила взрывной темперамент, показывает существование феномена «пучка видов» (species flock). Продолжительное время считалось, что самый вероятным механизмом видообразования была аллопатрия — разделение ареала предкового вида на пара частей, приводящее к репродуктивной изоляции популяций.

Симпатрическое видообразование (формирование нескольких видов из популяций, не поделённых географическими барьерами) продолжительное время оставалось гипотетическим.

И внезапно друг за другом стали обнаруживаться «пучки видов». Среди самые известных — пучки из 200 и 500 видов цихлид из Великих Африканских Виктории: и озёр Танганьики.

В каждом из них было обнаружено множество генетически близкородственных видов рыб, предположительно случившихся от одного предка. Рыбы эти, но, столь резко отличаются друг от друга, что их возможно отнести не то что к различным видам, но и к различным родам. Обычно озера, в которых образуются «пучки», имеют к тому же и очень маленькую геологическую историю, что показывает, что видообразование имело стремительный, взрывной темперамент.

Нет ли в таковой скоротечной эволюции следа тиреоидного гормона?

Чудеса Эфиопии

Дабы подтвердить либо опровергнуть эту догадку, авторы данной статьи выполняют изучения в составе совместной российско-эфиопской биологической экспедиции на берегах наибольшего в Эфиопии озера Тана. В его водах появился, пожалуй, один из самых известных «пучков видов» карповых рыб, складывающийся из 15 видов громадных африканских усачей, прекрасно различающихся по морфологии, образу судьбы, типу и поведению питания.

Более половины этих видов — активные хищники, что для карповых в высшей степени нетипично, поскольку у них нет челюстных зубов, лишь глоточные. Причем среди хищников имеется огромные рыбины, тогда как родительская форма очень мала. Озеро Тана не в один раз в собственной истории пересыхало и последний раз заполнилось водой 15 000 лет назад.

Так, все это разнообразие — и морфологическое, и поведенческое — появилось за время, которое по меркам эволюции сопоставимо с долями секунды.

Гормональные терзания

Первым шагом изучения было получение оплодотворенной икры от формы и рыб. Большая часть видов танских усачей нерестятся в реках, впадающих в озеро, причем уходят довольно далеко вверх по течению (на 50−70 км), где ищут маленькие перекаты с дном, покрытым небольшим гравием, чистую и богатую кислородом быстрое течение и воду. Нерестятся усачи в основном ночью, что затрудняет поимку нерестовой группы, другими словами готовых к размножению самцов и самки одного вида.

В случае если такую группу удается найти, ее вылавливают накидной сетью. Из самки выдавливают икру в особую чашку Петри с высокими сетчатыми бортами, рядом додают сперму одного из самцов. После этого икра и сперма бережно перемешиваются и промываются речной водой.

Оплодотворенная икра усачей владеет высокой клейкостью и мгновенно прилипает к бортам и дну чашки Петри.

В то время, когда икринки начинают отклеиваться от бортов и дна чашки, их бережно переливают в пластиковую бутылку с речной водой и перевозят в лабораторию (иногда на расстояние более 100 км), где после этого происходит молоди усачей и выращивание личинок. В лаборатории икру разделяют на группы: контрольная несколько, выращиваемая в чистой воде; несколько, выращиваемая в условиях гипертиреоидизма — при повышенной концентрации тиреоидного гормона (для этого активную форму гормона додают конкретно в воду); и несколько, содержащаяся в условиях гипотиреоидизма либо недостатка тиреоидного гормона (для этого в воду добавляется гойтроген — вещество, подавляющее активность щитовидной железы).

Виды а также роды рыб различаются по нескольким серьёзным показателям: это количество чешуй, глоточных зубов, костей, лучей в плавниках и т. д. Обнаружилось, что изменение уровня тиреоидного гормона приводит к изменению числа этих структур. Показателями, на основании которых различают виды танских усачей, помогают форма и тела и пропорции головы. Оказалось, что при большом уровне гормона у них происходит укорачивание морды (отличительный показатель одного из видов).

В то время, когда же снижали концентрацию гормона, то приобретали рыб, более похожих на кое-какие виды хищных усачей, чем на своих родителей — предковую форму, являющуюся всеядной.

Еще один пример.

В пояснице рыб над позвоночником между спинным плавником и головой расположены кости — супраневралии. У древних рыб таких костей было большое количество, а у современных карповых их число очень сильно сократилось. У танских усачей их всего шесть-семь штук. Действием высоких доз тиреоидного гормона нам удалось добиться еще более заметного сокращения их числа.

При содержании личинок усачей в условиях недостатка гормона число супраневралий увеличилось, причем удалось установить, что любая из них есть сложной костью и формируется в следствии слияния нескольких зачатков.

Сходные последствия трансформаций уровня гормона были обнаружены и на вторых скелетных структурах. Значит, понижение уровня гормона щитовидной железы на протяжении развития частично возвращает живое существо к предковому состоянию, а большой уровень гормона ведет к появлению более эволюционно продвинутых показателей. Эти факты разрешают высказать предположение, что трансформации гормональной регуляции смогут лежать в базе формирования не только видов, но и групп более большого порядка, что и предполагал Гольдшмидт.

Не сошлись характером

Как же произошло, что озеро Тана так скоро заселили столь различные виды, случившиеся от одного предка? Разумеется, в то время, когда предковый вид заселял озеро, в том месте была весьма множество мест и бедная ихтиофауна, где возможно было обосноваться, причем с достаточно разнообразными условиями. Имеется глубокие места, мелководье, участки с различной разным количеством и концентрацией кислорода пищи, со не сильный перемешиванием воды, имеется участки, где впадают реки с громадным выносом.

А потребность в кислороде и активность поведения кроме этого напрямую зависят от скорости метаболизма и, следовательно, от уровня тиреоидного гормона. Изменчивость уровня метаболизма разрешила предковому виду занимать различные биотопы и в каждом из них ощущать себя прекрасно.

В 2010 году японский биолог Джун Китано со собственными сотрудниками из Японии и США изучил рыбу, которая именуется колюшка трехиглая. У нее имеется две формы: морская (исторически первичная) и речная, сформировавшаяся в следствии колонизации колюшками пресных водоемов. Морские и речные колюшки различаются не только средой обитания, но и морфологией, и физиологией.

Китано удалось установить различие между ними в уровне тиреоидного гормона и доказать, что это различие наследуется, другими словами закреплено генетически.

Для обитания в местах с дефицитом кислорода и пониженными пищевыми ресурсами адаптивен низкий уровень гормона. Для форм активных нужен повышенный уровень. Так, различный уровень гормона содействовал разделению форм одного вида по средам обитания и практически создал предпосылки для происхождения новых видов.

Возможно, что-то подобное происходило и в озере Тана, но обстоятельство стремительной эволюции усачей еще предстоит узнать. Отыщем ли мы эту обстоятельство в генетических мутациях либо в области эпигенетики, другими словами в трансформациях экспрессии одних и тех же генов, продемонстрируют предстоящие изучения. Но уже на данный момент возможно с громадной долей уверенности заявить, что тиреоидный гормон сыграл важную роль в эволюционных преобразованиях.

Коварные гойтрогены

Гойтрогенами (от британского goiter — зоб) именуются вещества, каковые подавляют синтез тиреоидного гормона щитовидной железой.

Удивление гипофиза

Щитовидная железа начинает синтезировать гормон в ответ на получение из гипофиза другого (тиреотропного) гормона. В то время, когда же срабатывает гойтроген, синтез железы подавляется, и организм ощущает недочёт тиреоидного гормона. В ответ гипофиз увеличивает подачу собственного гормона, как бы упорно «напоминая» щитовидке о невыполненных обязательствах. Но она неимеетвозможности нормально трудиться под действием гойтрогенов и лишь возрастает в размерах.

Так появляется заболевание, известное как «зоб».

Уголь, сорго и капуста

Гойтрогены видятся везде и очень плохо действуют на человека. К примеру, в районах шахт в воде и воздухе содержится масса сопровождающих уголь веществ, каковые подавляют функцию щитовидной железы. Пока не додумались додавать в пищу обитателей этих мест йод, у них были значительные неприятности со развитием и здоровьем детей.

Имеется гойтрогены, каковые находятся в растительной пище, к примеру в сорго, батате и маисе.

В местностях, где сорго есть главным продуктом питания (это по большей части отдельные районы Африки), местные обитатели сталкиваются с проблемой недостатка тиреоидного гормона, что обычно отражается на ментальных свойствах, ведет к формированию зоба, а в крайних случаях — кретинизма. Носителями природных гойтрогенов являются и крестоцветные: капуста, репа, редька, редиска. Потребление этих овощей не отражается на здоровье людей с обычным уровнем тиреоидного гормона, но в случае если уровень понижен — вероятны негативные последствия.

Кроме того у для того чтобы любителя капусты, как заяц, продолжительная капустная диета вызывала в опыте развитие зоба. Имеется гойтроген и в сое. Некое время назад сою начали применять в детском питании, но после этого японцы увидели нежелательные побочные эффекты у малышей.

С того времени в детское питание стали добавлять йод, нужный для синтеза тиреоидного гормона.

Уязвимая ось.

Из-за чего щитовидная железа и ее гормоны считаются самые возможными факторами, вызывающими эволюционные преобразования?

Все начинается с мозга

Дело в том, что это только часть громадной регуляторной оси — ГГТ-оси (гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной), которая начинается в гипоталамусе. Второе ее звено — гипофиз, третье — щитовидная железа. Связь между звеньями реализовывают гормоны.

Гипоталамус, наиболее значимый орган нейрогуморальной регуляции, руководит развитием организма и многими жизненными функциями.

Все многообразие сигналов, обрабатываемых нервной совокупностью, транслируется гипоталамусом в гормоны, в том числе и в тиреотропин-релизинг-гормон (ТРГ), стимулирующий гипофиз к синтезу тиреотропного гормона. Его концентрация в крови регулирует активность производства тиреоидных гормонов щитовидной железой.

База для эволюции

Из щитовидной железы в кровь поступает неактивный прогормон — тироксин. Попадая в клетки, он трансформируется энзимами-дейодиназами в активную форму — трийодтиронин, что, образуя комплекс со своеобразным рецептором, может включать либо выключать экспрессию генов-мишеней. Активность ГГТ-оси очень изменчива.

Гипоталамус, как часть нервной совокупности, изменяет ее в ответ на трансформации во внешней среде.

Внутренние факторы, среди них и генетически обусловленные, также играются значимую роль. Мельчайшие трансформации активности дейодиназ, доступность рецепторов, состояние генов-мишеней и т. д. приводят к трансформации конечного результата работы ГГТ-оси. Учитывая, что морфология и развитие организма зависят от тиреоидных гормонов, изменчивость ГГТ-оси формирует красивый ресурс для эволюции и естественного отбора.

У миноги все напротив

Как мы знаем, что щитовидная железа эволюционно восходит к эндостилю — трубчатому органу, являющемуся частью совокупности пищеварения у таких примитивных родственников позвоночных, как асцидии и ланцетники. У многих рыб нет компактной щитовидной железы, а ее фолликулы разбросаны по телу. Щитовидка показалась только у наземных позвоночных.

Но все эти органы, начиная с эндостиля, синтезируют неспециализированный для всех хордовых животных тиреоидный гормон. Увлекателен пример миноги (низшее позвоночное класса круглоротых).

У ее личинки, которая резко отличается от взрослой особи и живет в прибрежном песке, имеется эндостиль. По окончании видоизменение эндостиль сменяется щитовидной железой, животное выбирается из песка и уходит в море. Но в случае если у рыб либо амфибий метаморфоз запускается резким увеличением уровня тиреоидного гормона, то у миног напротив — видоизменение содействует столь же падение уровня.

Так, вырабатываемый эндостилем гормон, подобно особому гормону у насекомых, до поры до времени консервирует личиночную стадию, и только падение его уровня открывает личинке новую судьбу.

Статья «Гормон эволюции» размещена в издании «Популярная механика» (№125, март 2013).

Случайные записи:

Биология | Подготовка к олимпиаде 2017 | Задача \


Похожие статьи, которые вам понравятся: