В 1940s и 50s биолог теоретик Conrad H. Waddington постулировал существование онтогенетических механизмов, которые "canalize" фенотип в присутствии генетических и внешне-средовых пертурбаций [1-3]. Сходную концепцию ауто-регуляторных механизмов в развитии предложил независимо и почти в то же самое время русский биолог Иван Шмальгаузен. Сегодня мы знаем, что нарушения канализации развития, обусловленные внешне-средовыми или генетическими пертурбациями, лежат в основе некоторых болезней, которые обычно рассматриваются как многофакторые или с неясной этиологией и которые могут обнаруживать спектр симптомов (напр., метаболический синдром, нарушения спектра аутизма, нарушения алкогольного спектра; [4-10]). Сходной концепцией эволюционной биологии является концепция "phenotypic robustness," которая означает способность биологических систем продуцировать функциональные фенотипы, сталкиваясь с генетическими и внешне-средовыми вариациями [11-13].

В этих контекстах термин канализация может означать феномен двух разных уровней, популяционный паттерн и механизм индивидуального развития. В популяционной генетике канализация означает снижение эффекта аллеля, которое может приводить к снижению генетической изменчивости в популяции из индивидов [13-15]. Второе значение канализации - это "developmental canalization" - означает механизмы, которые снижают или компенсируют отклонения индивидуального развития от его траектории, ведущей к цели. Такие отклонения могут возникать в результате внешне-средовых и генетических пертурбаций (напр., [16]). Канализация развития может снижать фенотипическую изменчивость в популяции и может (но необязательно) лежать в основе популяционной генетической концепции канализации, если механизмы канализации касаются аллельной изменчивости. Генетическая и фенотипическая изменчивость может также снижаться или увеличиваться благодаря множественным др. механизмам и феноменам (see below and, e.g., [13, 17-19]).

Канализация развития, обозначаемая также как целенаправленный рост, активно изучалась на людях и млекопитающих во время постнатального роста [17, 18, 20-24]. Напр., довольно низкорослые индивиды обнаруживают тенденцию подвергаться ускоренному росту, тогда как необычно высокие индивиды обнаруживаю снижение скорости роста, чтобы в финале достичь высоты взрослого тела в пределах нормальной изменчивости. У людей и животных этот феномен также наз. "догоняющий рост" и "замедляющий рост", которые часто наблюдаются после периодов недоедания или патологических состояний (напр., [20, 24, 25]). Термин компенсаторный рост, напротив, обычно означает онтогенетическую компенсацию одного из нарушенных признаков за счет др. признака, напр., гипертрофия органов или частей органов после удаления его части (некоторые авт., однако, используют термины catch-up growth и compensatory growth как синонимы). В этом самом смысле, Уоддингтон представляет себе развитие как "homeorhetic" процесс: нарушаемое с помощью внешне-средовых или внутренних флюктуаций, индивидуальное развитие варьирует вокруг устойчивой траектории или траектории цели - которую он назвал chreod (комбинация греческих слов "determined" или "necessary" и "pathway"). Если действительная траектория отклоняется от своей цели, то она обнаруживает тенденцию возвращаться к chreod благодаря процессам канализации, как это иллюстрируется его важной метафорой эпигенетического ландшафта (Fig 1; см. [26], где рассмотрена эта концепция и её влияние на современные науки о жизни). Индивидуальное развитие представлено катящимся мраморным шариком в этом ландшафте. Когда он отклоняется от дна долины (хреод или целевая траектория), например, из-за воздействия окружающей среды, мраморный шар в конечном итоге скатывается по стене и возвращается на пол, пока его снова не отталкивают. Крутизна стены символизирует силу канализации, тенденцию к возвращению к хреоду.

Fig 1. Epigenetic landscape.

Conrad Waddington's epigenetic landscape is a landscape over a phenotype space and a time dimension, illustrating the canalization of individual development (the marble) around a target trajectory (the valley floor). Branching valleys represent cell fates, or more generally, predetermined ontogenetic pathways ("chreod"), where the branching points relate to alternative differentiations. The steepness of the walls represent the strength of canalization, the tendency of individual development to return to the chreod (modified from [27], after [2]).

Механизмы развития, которые канализируют или компенсируют пертурбации развития организма (целевой или компенсаторный рост), обычно рассматриваются как обязательное условие индивидуального здоровья и эволюции сложной жизни, но мало известно о природе этих механизмов. Даже неясно, действительно ли и как "целевые траектории" индивидуального развития кодируются в генетической-онтогенетической системе организма или, вместо этого, возникают как эпифеномен. Мы разработали статистическую модель канализации развития, базируясь на расширенной autoregressive модели. Мы показали, что при определенных предположениях сила канализации и количество канализированных вариантов в популяции могут быть подсчитаны или, по крайней мере, приблизительно, исходя из продольных фенотипических измерений, даже если целевые траектории не обнаруживаются. Мы расширили эту модель для многомерных измерений и обсудили конкретизацию абстрактных понятий (reifications), вытекающих из параметров матрицы (parameter matrix). Мы использовали этот подход к продольным геометрическим морфометрическим данных для оценки постнатальных размеров и формы черепа и лица людей , а также размера фронтальных синусов. Черепно-лицевые размеры обнаруживают строгую канализацию развития во время первых 5 лет жизни, приводя к 50% снижению изменчивости размеров поперечных срезов, сопровождаемому постоянным увеличением изменчивости во время полового созревания. Размер фронтального синуса, напротив, не обнаруживал каких-либо признаков канализации. Тотальная изменчивость формы лица и черепа снижалась слегка вплоть до 5 летнего возраста и увеличивалась после этого. Однако, разные признаки черепно-лицевой формы обнаруживали очень отличную динамику развития. В то время как относительные размеры носоглотки обнаруживали строгую канализацию и снижение изменчивости в ходе постнатального развития, ориентация лица постоянно увеличивала свою изменчивость. Некоторые сигналы канализации могут зависеть от независимой изменчивости во время развития черепных компонентов, но наши результаты указывают на участие, частично механически индуцируемых механизмов канализации, которые гарантируют соотв. размеры верхних дыхательных путей и размеры лица.

Итак, в то врем как общие черепно-лицевые размеры оказывались строго канализированы во время первых 5 лет жизни, размер фронтального синуса не обнаруживал признаков канализации. Относительные размеры носоглотки обнаруживают строгую канализацию и снижение изменчивости в ходе постнатального развития, тогда как др. характеристики формы, такие как ориентация лица, постоянно увеличивали свою изменчивость. Следовательно, частично механически индуцированные механизмы канализации, гарантируют соотв. размеры верхних дыхательных путей и лицевые размеры.