ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Профессор, академик РАН
Э.И. Воробьева

Один из объектов исследования –
Ranodon sibiricus

Профессор Б.С. Матвеев (слева) и
профессор С.В. Емельянов (справа)

• Биология развития и эволюция живых систем
• Экология организмов и сообществ

Исследования проводились в направлении выявлений закономерностей темпов и механизмов морфологической макроэволюции на современных и ископаемых позвоночных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся) путем изучения разных систем их органов сравнительными и экспериментальными методами. За период 10 лет разработан ряд концепций и создана методологическая основа для дальнейших исследований морфологической эволюции позвоночных. Среди них:

Представлена современная разработка концепции о целостности организма в онто- и филогенезе по И.И. Шмальгаузену как единица целостности биосферы, которая опирается на кибернетический подход и взаимодействие генетических и эпигенетических факторов эволюции.

Получены новые доказательства филогенетического единства современных земноводных и их близости к палеозойским кистеперым рыбам. Среди последних выделен новый отряд - пандерихтиид, рассматриваемый в качестве сестринской группы тетрапод. Показано, что выходу позвоночных из воды на сушу предшествовал длительный период полуводной радиации тетрапод, с чем было связано сохранение многих рыбьих черт в их организации.

Обоснована концепция о ведущей роли филогенетических гетерохроний, в первую очередь педоморфоза, в формировании морфофункциональных новшеств и становлении новых таксонов на уровне низших позвоночных и пресмыкающихся. Это, в свою очередь, привело к переоценке традиционных критериев и принципов филогенетики, акцентируя внимание на роли онтогенетических диверсификаций в формировании биологического разнообразия и на генезисе структурных трансформаций.

Впервые вплоть до видового уровня составлена сводка о морфологии, филогении, механизмах эволюции, таксономии, географическом и таксономическом распространении палеозойских кистеперых рыб на территории России и бывшего Советского Союза. Сводка опубликована в томе "Бесчелюстные, древние рыбы". М.: Геос, 2004.

Предложен новый подход к проблеме происхождения наземных позвоночных, основанный на морфогенетической интерпретации эволюционно-морфологических событий и первичноводной радиации тетрапод.

На основе объединения палеонтологических, сравнительно- и экспериментально-эмбриологических и генетических данных составлена картина преобразований скелета парных плавников саркоптеригий в парные конечности тетрапод, показано, что их пальцевая дуга является новообразованием.

Прослежена последовательность и темпы формирования мезенхимных и хрящевых закладок в лапке разных видов (и популяций) хвостатых амфибий – примитивных и продвинутых, лимнофилов и реофилов, а также последовательность оссификации элементов лапки. Показано, что асинхронность в этих последовательностях связана с гетерохрониями развития и личиночными адаптациями.

Выяснены закономерности морфофункциональных и морфогенетических преобразований черепа в эволюционно-морфологическом ряду палеозойские кистеперые рыбы – ископаемые амфибии и современные амфибии. Показано, что важную роль в этих трансформациях играл педоморфоз.

На основе оригинальных экспериментальных исследований и анализа литературных данных предложена концепция регулируемости метаморфоза в эволюционно-морфологических рядах рыб и амфибий и дана оценка факторов, определяющих эту регулируемость.

Палеозойская кистеперая рыба Laccognathus

На конкретных материалах по развитию хвостатых амфибий показано, что их эволюция сопровождалась прогрессирующим расхождением морфологии личиночной и взрослой стадий и прогрессирующей концентрацией на стадии метаморфоза все большего числа морфогенетических процессов, что сопровождалось совершенствованием системы его регуляции, у продвинутых форм путем усиления роли териоидных гормонов как факторов регулирующих метаморфоза.

Экспериментально установлено, что если у амфибий на ранних стадиях онтогенеза тиреоидные гормоны играют незначительную роль в регуляции онтогенеза и их значение проявляется лишь в период метаморфоза, то у костистых рыб наиболее чувствительным к воздействию этих гормонов являются ранние этапы индивидуального развития. На примере костистых рыб (африканский усач) впервые обнаружено, что педоморфоз может достигаться ускорением темпов их соматического развития.

Выявлены черты педоморфного недоразвития крыши черепа у полиодона Polyodon spathula. Сравнение этого вида с осетрами доказывает, что вопреки традиционной и наиболее распространенной точке зрения связь с каналом боковой линии не может служить решающим аргументом при гомологизации покровных окостенений. При этом Y-образные соединения каналов (как в случае с exstrascapulare laterale) служат "эпигенетическими ловушками" (sensu Wagner, 1991), детерминируя одну и ту же специфическую морфологию кости независимо от источника эмбрионального материала этого вида.

Проводилась экспериментальная работа, посвященная выявлению роли гормонов щитовидной железы (ТГ) в формировании скелета в онтогенезе бесхвостых амфибий, а также гойтрогенов, подавляющих функцию щитовидной железы. Показано, что в отличие от хвостатых, у бесхвостых амфибий (на примере травяной лягушки Rana temporaria) развитие всех без исключения костей черепа находится под более или менее выраженным влиянием со стороны ТГ, причем для более ранних окостенений ТГ играют роль регуляторов, а для более поздних – облигатных индукторов. Искусственно повышенный или пониженный уровень ТГ в ходе личиночного развития может существенно влиять на пропорции тела (относительную длину конечностей) у сеголетков R. temporaria по завершении ими метаморфоза.

На основе изучения преобразований скелетно-мышечной и других систем органов в эволюции позвоночных животных разработана концепция двух уровней (и этапов) макроэволюционных процессов: низшего (макрогенезы – крупные изменения отдельных структур или органов) и высшего (типогенез – формирование общего плана организации нового макротаксона). Выявлены механизмы начальных макрогенезов, которые могут развиваться как путём постепенных микроэволюционных изменений, так (более редко) на основе относительно крупных морфофункциональных сальтационных преобразований, затрагивающих отдельные признаки и корреляционные комплексы признаков.

Показано, что педоморфоз и неотения представляют собой качественно различные эволюционные преобразования онтогенеза. Выделены 3 основные категории педоморфозов (прогенезы, ретрогенезы и рудиментации) и показаны различия их эволюционных механизмов.

Показано, что интенсификация функций органов в эволюции может быть достигнута, помимо известных прежде способов (изменений количества и качества структурных элементов, по А.Н. Северцову) также путём изменений системной организации, позволяющих оптимизировать взаимодействия компонентов системы.

Впервые охарактеризованы различия скелетных и мышечных структур челюстного аппарата у всех 8 современных семейств хвостатых амфибий. Выяснены эволюционные преобразования и гомология ряда черепных мускулов у амфибий и рептилий.

Проведен сравнительный морфофункциональный анализ гиобранхиального аппарата у остеолепиформных и поролепиформных рыб и дана реконструкция различий их гипобранхиальных мышц и создана новая модель кинетизма черепа кистеперых рыб.

Проводились исследования биоразнообразия, ресурсов и охрана земноводных Северной Евразии. Установлено, что наиболее серьезные сокращения популяций земноводных наблюдаются в европейских регионах. Основная причина – антропогенные факторы (разрушение лесов). Из природных отрицательных факторов основным является, вероятно, естественное изменение растительного сообщества, которое ведет к эвтрофикации и зарастанию водоемов. Сокращения популяций отдельных видов не связаны с их филогенетическим и систематическим положением.

Проводились работы по изучению состояния выпускаемой молоди осетровых (осетр, белуга, севрюга) с рыбоводных заводов Волго-Каспийского региона в условиях антропогенного прессинга. Выявлены две наиболее массовые, влияющие на жизнедеятельность выпускаемой молоди аномалии – катаракта и истончение брюшной полости, вплоть до прорыва с выпадением внутренних органов (за счет недоразвития брюшных мышц). Установлено, что катаракта представляет собой два самостоятельных заболевания рыб, каждое из которых имеет свою этиологию.

Поддержка исследований подразделения в 2002-2006 гг. международными и российскими грантами

• Грант Ведущей научной школы Президента РФ “Эволюционная и экологическая морфология” (2002-2006) НШ-1808.2003.4. Р – Э.И. Воробьева; И – С.В. Смирнов, А.Б. Васильева, А.А. Канюкин, Д.Н. Медников.



• Гранты РФФИ:
  № 02-04-42292 (2002-2004). Р – Э.И. Воробьева; И – Н.Н. Иорданский, А.А. Канюкин, Д.Н. Медников, Т.П. Антипенкова, С.Н. Букреева.
  № 05-04-48949 (2005-2007). Р – Э.И. Воробьева; И – Н.Н. Иорданский, А.А. Канюкин, Д.Н. Медников, Т.П. Антипенкова, С.Н. Букреева, О.Б. Вейс.
  № 01-04-48681 (2001-2003. Р – С.В. Смирнов.
  № 04-04-4891 (2004-2006). Р – С.В. Смирнов; И – А.Б. Васильева, К.Ф. Дзержинский, К.А. Меркулова.



• Программа фунд. иссл. Президиума РАН “Биоразнообразие и динамика генофондов” грант 5.4.2 (2005-2006). И – С.В. Смирнов.
• Программа “Биоресурсы” ООБ Биоресурсы земноводных РФ. Р – С.Л. Кузьмин, И – Поярков Н.В. (2005-2006).
• Программа Президиума РАН “Происхождение и эволюция биосферы”, проект №25. И – Э.И. Воробьева (2005-2006).

Государственные награды, премии и другие научные награды

• Н.Н. Иорданский – премия РАН им. акад. А.Н. Северцова в 2005 г.
• Э.И. Воробьева – 3-я премия Х.Раусинга, 2004 г.
• Э.И. Воробьева – 1-я премия Х.Раусинга, 2005 г. (в составе авторского коллектива).
• Э.И. Воробьева – Главная премия МАИК, 2006 г. (совместно с А.А. Канюкиным и Д.Н. Медниковым).

Выступления на научных российских и международных совещаниях в 2002-2006

1. Э.И. Воробьева выступление с пленарным докладом на Международной конференции Европейского герпетологического общ-ва (совместно с Р.Хинчлиффом-Великобритания и Д.Н. Медниковым), август 2003 г., С-Петербург в ЗИН РАН.
2. Э.И. Воробьева – выступление с пленарным докладом “Проблемы целостности организма” на конференции, посвященной памяти акад. И.И. Шмальгаузена (120 лет со дня рождения) – 23 апреля 2004 г., Москва.
3. С.В. Смирнов – выступление на той же конференции с докладом “Эволюция механизмов регуляции онтогенеза амфибий”.
4. Э.И. Воробьева, С.В. Смирнов – выступление с пленарным докладом на научной юбилейной сессии ИПЭЭ РАН (“Происхождение тетрапод и становление амфибий”, 5 октября 2004 г.).
5. Э.И. Воробьева – выступление с пленарным докладом “Проблема тетраподизации” на юбилейной сессии, 100 лет со дня рождения акад. А.В. Иванова – 2 ноября 2006 г. в ЗИН РАН.
6. С.В. Смирнов – выступление с пленарным докладом на юбилейной сессии 140 лет со дня рождения акад. А.Н. Северцова – 27 ноября 2006 г. (М.,ИПЭЭ РАН).
7. С.Л. Кузьмин – выступления с пленарными докладами на Международных конференциях Герпетологического об-ва им. А.М. Никольского в 2003 г. (С.-Петербург) и 2006 г. (Пущино). На конференции по эксплуатации ресурсов животных и растений (г. Королев, 2006 г.); Amphibian Summit, 2005 г. (Вашингтон, США).
8. Н.Н. Иорданский – выступление с пленарным докладом на юбилейной сессии Ученого Совета ИПЭЭ РАН, посвященной 75- летию со дня рождения В.В. Кокшайского – декабрь 2006 г. (М., ИПЭЭ РАН).
9. Н.Н. Иорданский – выступление с пленарным докладом "Главные направления эволюционного процесса" на конференции "Этапы развития эволюционной теории. К 140 летию со дня рождения акад. А.Н. Северцова" – 6 декабря 2006 г. Госуд. Биологический музей им. К.А. Тимирязева.

Участие сотрудников подразделения в организации научных совещаний

1. Воробьева Э.И. – председатель оргкомитета конференции, посвященной 120-летию со дня рождения акад. И.И. Шмальгаузена (ИПЭЭ РАН, Москва, 2004 г.).
2. Воробьева Э.И. – член оргкомитета на юбилейной международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения акад. А.В. Иванова (ЗИН, С-Петербург, 2006 г.).
3. Воробьева Э.И. – председатель оргкомитета по проведению конференции, посвященной 140-летию со дня рождения акад. А.Н. Северцова (ИПЭЭ РАН, Москва, 2006 г.).
4. Воробьева Э.И., Смирнов С.В. – члены оргкомитета по проведению конференции “Современные проблемы биологической эволюции” в Дарвиновском Музее (Москва, 18-20 сентября 2007 г.).