může Darwinovská evoluce vysvětlit Lamarckismus?
Pokud jste se na vysoké škole biologii, jste pravděpodobně obeznámeni s Jean-Baptiste Lamarck je teorie evoluce a jeho důraz na „dědičnost získaných vlastností“ — myslím, žirafy protahování krku déle dosáhnout na listí vysoko na stromech. V učebnicích je Lamarckova teorie často prezentována jako soupeř teorie evoluce Charlese Darwina přirozeným výběrem., Zjednodušující příběh je, že dvě teorie bojovali v 19. století a že Darwinismus vyhrál, což vede k Lamarckism zánik a vzestup toho, co biologové nazývají Moderní Syntézy.
ale nedávné objevy vykazovaly pozoruhodně Lamarckian chuť. Jedním z příkladů je systém CRISPR-Cas, který bakteriím umožňuje předávat informace o virech, se kterými se setkali, svým potomkům., Existují také jasné příklady transgenerační epigenetické dědičnosti, ve které vyšší zvířata postižená faktory prostředí přenášejí příznivé genetické změny na své potomky napříč generacemi. Takové mechanismy nám dávají smysl jako návrháři: zvíře by mělo ve svých genech předávat informace, které získalo o životním prostředí. Takové objevy vyvolaly debatu o možnosti aktualizace moderní syntézy. Existuje role Lamarckianových mechanismů v moderní evoluční teorii?
na úrovni specifických mechanismů, Ano., Na hlubší úrovni příčin, ačkoli, odpověď je hlasitý “ ne “ – přirozený výběr vládne nejvyšší. Jak to může být, ptáte se? Zjednodušující srovnání Darwina a Lamarcka v kurzech základní biologie je falešnou ekvivalencí. Pokud Lamarckian vzory dědičnosti existují, a jsou skutečně prospěšné pro organismu (to znamená, že jsou evoluční adaptace), pak jediný způsob, jak mohly vzniknout a byla zachována v průběhu evoluce, je Darwinistický přírodní výběr. Prostě se to nedá obejít., Naše puzzle pro tento měsíc zkoumat jednoduchou verzi transgenerační epigenetické dědičnosti a ukázat, jak přirozený výběr přes více generací může, za určitých podmínek, upřednostňují jedinci, kteří mají tyto mechanismy.
nejprve si shrňme rozdíly mezi lamarckovými a Darwinovými myšlenkami tím, že přehodnotíme Tento často citovaný příklad: dlouhý krk žirafy. Podle Lamarcka má žirafa dlouhý krk, protože její předkové se natáhli, aby jedli listy, které byly právě mimo dosah., Toto protahování krku bylo předáno jejich potomkům po generace, dokud nedosáhlo své současné délky. Na druhou stranu, tradiční Darwinian názor je, že v rámci žirafí předky, došlo ke změně velikosti krku, jako je tomu v každé populaci. Žirafy s delšími krky byly úspěšnější při získávání potravy a produkovaly více potomků s delším hrdlem. Dlouhé krky byly tak „vybrány“ v každé generaci a postupně prodlužovaly žirafí krk v průběhu evolučního času., Důvod, proč jsme již přesvědčeni, lamarckovy verze je, že genetický materiál je přenášena do další generace prostřednictvím zárodečných buněk, a většina získala změny prostě nemají vliv na zárodečné buňky; jsou do značné míry izolované od prostředí. Pokud by to nebyla pravda, myši, jejichž ocasy jsou odříznuty po mnoho generací, jak se snažil vědec August Weismann, by se narodily bez ocasů. (Nejsou!) Kromě toho by se židovští a muslimští muži narodili bez lesníků. (Navzdory mnoha generacím obřízky se mohels stále může živit.,)
Ale je zřejmé, že se zárodečné buňky mohou být ovlivněny prostředím — kdy jsou změny způsobené nemocemi a jsou škodlivé. Infekce, toxiny nebo jen stáří mohou ovlivnit zárodečné buňky a produkovat potomstvo, které je méně zdravé různými způsoby. Ve skutečnosti to nepovažujeme za neobvyklé nebo za něco společného s evolucí. Ale co když se změny ukázaly jako dobré? Slavné švédské studie z 300 lidí, kteří byli vystaveni hladomory v časném 1900s, Överkalix studie ukázala pozoruhodné výsledky., Množství potravin, kterým byli prarodiče osoby vystaveni ve svých před pubertálních letech, mělo měřitelný účinek na kardio-vaskulární riziko této osoby o dvě generace později. V jednom konkrétním sdružení, muži, kteří byli vystaveni špatné zásobování potravinami v kritickém věku, bylo zjištěno, o dvě generace později, mít titul měřitelně nižší riziko kardiovaskulární smrti, aby jejich vnoučata. Zjevně to pomáhá mít otcovského dědečka, který hladověl ve věku mezi 9 a 12 lety! Podobné změny byly zjištěny při pokusech na zvířatech., Například, přežili hladomory mezi nematody jsou menší a méně úrodná, než normální červi, ale oni získat sílu, která trvá nejméně dvě generace. A co víc, vědci také zjistili, že takové předávání napříč generacemi nestane přes změnu v DNA kódování v genech způsobem dědičnosti většinou funguje, ale spíše prostřednictvím „epigenetické“ mechanismy, jako je například inaktivace určitých genů, které připevnění methylové skupiny (metylace DNA), nebo prostřednictvím změn v konfiguraci protein, který balíčky DNA (modifikace histonů)., Tyto nestandardní“ Lamarckian “ mechanismy jistě mají potenciál udělit dobré nebo adaptivní změny jednotlivcům, a mohly by podnítit evoluci. Ale jak mohly vzniknout a jak jsou udržovány? No, musí to být náhodné variace a standardní Darwinian přirozený výběr, samozřejmě! Pojďme to prozkoumat v našich hádankových otázkách.
Otázka 1:
Představte si, že existuje zvíře, které má každý rok novou generaci. Každý normální jedinec má v průměru 1.,6 přežívajících potomků v normálním roce, které lze definovat jako způsobilost zvířete (nazýváme to f), po kterém zvíře zemře. Během hladomoru F klesne na 1,3. Nyní předpokládejme, že existuje pár menších jedinců, jejichž hodnoty f 1.5 v normálních letech, ale 1.35 v hladomoru let: jejich menší jídlo povinnost jim pomáhá přežít hladomory lepší. Jak dlouho by musel hladomor trvat, než by malí jedinci udělali lépe než normální? Kolik let hladomoru před malými jedinci tvoří 90 procent populace?,
2. Otázka:
Předpokládejme, že existuje zpočátku normální mutant skupina osob tzv. Epi2s, jejichž zárodečné buňky jsou ovlivněny rok hladomoru v takovým způsobem, že jejich potomci se změní na malý typ pro dvě generace, než se vrátí k normálu ve třetí generaci, a to prostřednictvím epigenetických mechanismů. Zvažte období 13 let, které začíná a končí normálními roky, ale má roční hladomor, dva dvouleté hladomory a mezi nimi tříletý hladomor., Která ze tří skupin (normální, malá, Epi2s) bude nejúspěšnější? Existují vzorce hladomoru, ve kterých Epi2s dlouhodobě přemohou další dvě skupiny?
3. Otázka:
Pojďme přidat další druh zvířat do výše: Epi1s, které jako Epi2s přepnout na malé potomstvo po hladomor, ale v tomto případě potomstvo vrátí zpět do normálního jen po jednu generaci., Po dobu 20 let, můžete přijít s „hladomor-rok plánu“ tak, že všechny čtyři typy zvířat (normální, malé, Epi1s a Epi2s) existují ve virtuální rovnováhy po tomto období?
jak ukazují tyto viněty, nezáleží na přirozeném výběru, zda jsou vlastnosti řízeny genetickými nebo epigenetickými mechanismy. Důležité je fitness výhoda, která je vybrána prostředím organismu., V případě, že podmínky, které poskytují fitness výhodu pro danou skupinu trvat dostatečně dlouho a vybrat tuto skupinu napříč několika generacemi, pak tato skupina bude dominovat populaci, a druhové charakteristiky se změní. Takže pokud tam je značná podmnožinu populace, která vykazuje výhodné, epigenetická dědičnost, přirozený výběr, je velmi pravděpodobné, že udržet to. Na druhou stranu, pokud jsou epigenetické modifikace v populaci škodlivé, přirozený výběr ji odstraní., Neexistují žádné shora dolů, účelné informace procházející napříč generacemi, bez ohledu na to, jak rozumné se nám to zdá. Na základě těchto úvah můžete spekulovat, jak se mohl vyvinout elegantní přenos informací napříč generacemi, který je ztělesněn systémem CRISPR-Cas v bakteriích?
tak hluboký a tak neúprosný je slepý, zdola nahoru proces přirozeného výběru v evoluci, že neexistuje způsob, jak omezit jeho účinnost, a žádný konkurenční mechanismus pro vytváření adaptace., Není divu, že filozof Daniel Dennett přirovnal přirozený výběr k „univerzální kyselině“, která nemůže být obsažena. Přirozený výběr a jeho analogy v nebiologických sférách mohou být hlavními — nebo jedinými-procesy, které vytvářejí komplexní novost na všech úrovních vesmíru. A to včetně složité novinky, kterou jsme vytvořili.
Poznámka Editora: čtenář, který předloží nejzajímavější, kreativní nebo bystré řešení (podle hodnocení publicisty) v sekci komentáře, obdrží tričko časopisu Quanta., A pokud byste chtěli navrhnout oblíbenou hádanku pro budoucí sloupec Insights, odešlete ji jako komentář níže, jasně označený “ nový návrh PUZZLE.“(Nezobrazí se online, takže řešení výše uvedené hádanky by měla být předložena Samostatně.)