ชีววิทยาการเจริญเชิงวิวัฒนาการ
การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเจริญเติบโตสร้างการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการในรูปร่างของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร และชุดเครื่องมือทางพันธุกรรมที่ใช้ร่วมกันกำหนดความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร
Definition
ชีววิทยาการเจริญเชิงวิวัฒนาการคือการศึกษาว่ากระบวนการเจริญเติบโตและยีนที่ควบคุมกระบวนการเหล่านั้นเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาเชิงวิวัฒนาการอย่างไรเพื่อสร้างความแตกต่างในรูปร่าง และกระบวนการเหล่านั้นจำกัดและส่งเสริมวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยาได้อย่างไร
Scope
สาขาวิชานี้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า evo-devo ตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างการเจริญเติบโตและวิวัฒนาการ: การปรับเปลี่ยนยีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและการควบคุมยีนเหล่านั้นสร้างสัณฐานวิทยาใหม่ได้อย่างไร, ความคล้ายคลึงกันเชิงลึกที่เปิดเผยโดยชุดเครื่องมือการเจริญเติบโตที่อนุรักษ์ไว้ซึ่งใช้ร่วมกันในสัตว์, ข้อจำกัดและความยืดหยุ่นที่กำหนดและส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการ, และบทบาทของการเปลี่ยนแปลงในจังหวะเวลาของการเจริญเติบโต สาขาวิชานี้บูรณาการพันธุศาสตร์การเจริญเติบโตเข้ากับชีววิทยาเปรียบเทียบและชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการ
Sub-topics
Core questions
- การเปลี่ยนแปลงในการเจริญเติบโตสร้างการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการในรูปร่างของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร?
- เหตุใดสัตว์ที่อยู่ห่างไกลกันทางสายเลือดจึงมียีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตจำนวนมากร่วมกัน?
- กระบวนการเจริญเติบโตจำกัดหรืออำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการได้อย่างไร?
- การปรับเปลี่ยนจังหวะเวลาของการเจริญเติบโตปรับเปลี่ยนสัณฐานวิทยาได้อย่างไร?
Key theories
- ชุดเครื่องมือพันธุกรรมการเจริญเติบโตที่อนุรักษ์ไว้
- สัตว์มีชุดยีนควบคุมร่วมกันที่กำหนดรูปแบบการเจริญเติบโต ดังนั้นวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยาจำนวนมากจึงเกิดจากการเปลี่ยนแปลงวิธีการและตำแหน่งที่ยีนที่อนุรักษ์ไว้เหล่านี้ถูกนำไปใช้ มากกว่าที่จะเกิดจากการสร้างยีนใหม่
- วิวัฒนาการของรูปร่างโดยการควบคุม (cis-regulatory)
- การเปลี่ยนแปลงใน DNA ควบคุมที่ควบคุมเวลาและตำแหน่งที่ยีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตแสดงออกเป็นแหล่งสำคัญของวิวัฒนาการทางสัณฐานวิทยา ทำให้รูปร่างสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในขณะที่ยังคงรักษาโปรตีนไว้เหมือนเดิม
Mechanisms
การเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการในรูปร่างมักเกิดจากการปรับเปลี่ยนการใช้งานชุดควบคุมการเจริญเติบโตที่อนุรักษ์ไว้ มากกว่าที่จะเกิดจากยีนใหม่ การกลายพันธุ์ในองค์ประกอบควบคุมแบบซิส (cis-regulatory elements) สามารถเปลี่ยนตำแหน่ง เวลา และความแรงของการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโต ซึ่งเป็นการปรับเปลี่ยนโครงสร้างโดยไม่รบกวนบทบาทอื่น ๆ ของยีนนั้น ยีนชุดเครื่องมือเดียวกัน รวมถึงกลุ่มยีน Hox กำหนดรูปแบบร่างกายของสัตว์ที่แตกต่างกันอย่างมาก ทำให้เกิดความคล้ายคลึงกันเชิงลึก (deep homology) ซึ่งยีนที่คล้ายกันเป็นพื้นฐานของโครงสร้างที่ไม่ได้สืบทอดโดยตรงในฐานะอวัยวะเดียวกัน การเจริญเติบโตยังกำหนดข้อจำกัด — การเปลี่ยนแปลงบางอย่างยากที่จะเกิดขึ้น — ในขณะที่ความยืดหยุ่นในการเจริญเติบโตช่วยให้สิ่งมีชีวิตสร้างรูปแบบทางเลือกเพื่อตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งทั้งสองอย่างนี้กำหนดเส้นทางที่วิวัฒนาการสามารถดำเนินไปได้
Clinical relevance
Evo-devo ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับต้นกำเนิดของโครงสร้างร่างกายและวิถีทางที่อนุรักษ์ไว้ ซึ่งเมื่อถูกรบกวน จะทำให้เกิดความผิดปกติแต่กำเนิด โดยให้บริบทเชิงวิวัฒนาการสำหรับการเจริญเติบโตของมนุษย์และความผิดปกติ บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาเท่านั้นและไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์
History
การตระหนักว่าสัตว์มีชุดเครื่องมือการเจริญเติบโตที่อนุรักษ์ไว้ร่วมกัน โดยเริ่มจากการค้นพบว่ายีน homeobox กำหนดแกนร่างกายในไฟลัมต่าง ๆ ได้ก่อให้เกิดชีววิทยาการเจริญเชิงวิวัฒนาการสมัยใหม่ ซึ่งรวมการศึกษาการเจริญเติบโตเข้ากับทฤษฎีวิวัฒนาการอีกครั้ง
Key figures
- Sean B. Carroll
- Stephen Jay Gould
- Walter Gehring
- Edward B. Lewis
Related topics
Seminal works
- carroll2005
- lewis1978
- gilbert2016
Frequently asked questions
- Evo-devo คืออะไร?
- Evo-devo หรือชีววิทยาการเจริญเชิงวิวัฒนาการ ศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงในการเจริญเติบโตสร้างการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการในรูปร่างของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร และชุดยีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตที่ใช้ร่วมกันกำหนดความหลากหลายของสัตว์ได้อย่างไร
- หากสัตว์มีหลายยีนร่วมกัน เหตุใดจึงดูแตกต่างกันมาก?
- ความแตกต่างส่วนใหญ่มาจากการเปลี่ยนแปลงเวลาและตำแหน่งที่ยีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตที่ใช้ร่วมกันถูกเปิดใช้งาน มากกว่าที่จะมาจากยีนที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง