Kan Darwinistisk Evolution Forklare Lamarckism?
Hvis du tog en gymnasiebiologi klasse, er du sikkert bekendt med Jean-Baptiste Lamarcks evolutionsteori og dens vægt på “arv af erhvervede egenskaber” — tænk giraffer, der strækker halsen længere for at nå bladene højt i træer. I lærebøger præsenteres Lamarcks teori ofte som en rival til Charles Dar .ins evolutionsteori ved naturlig udvælgelse., Den forenklede historie er, at de to teorier kæmpede for det i det 19.århundrede, og at Dar .inismen vandt, hvilket førte til Lamarckismens død og fremkomsten af, hvad biologer kalder den moderne syntese.
men de seneste opdagelser har udvist en bemærkelsesværdig Lamarckian smag. Et eksempel er CRISPR-Cas-systemet, som gør det muligt for bakterier at videregive oplysninger om vira, de er stødt på, til deres afkom., Der er også klare eksempler på transgenerational epigenetisk nedarvning, hvor højere dyr, påvirkes af miljømæssige faktorer, sender gunstige genetiske ændringer til deres afkom på tværs af generationer. Sådanne mekanismer giver mening for os som designere: et dyr skal videregive oplysninger om miljøet i sine gener. Sådanne opdagelser har givet anledning til debat om muligheden for en opdatering til den moderne syntese. Er der en rolle for Lamarckiske mekanismer i moderne evolutionsteori?
på niveau med specifikke mekanismer, Ja., På et dybere niveau af årsager, selvom, svaret er et rungende ” nej — – naturlig udvælgelse hersker øverste. Hvordan kan det være, spørger du? Den forenklede sammenstilling af Dar .in og Lamarck i elementære biologi kurser er en falsk ækvivalens. Hvis Lamarckiske arvsmønstre eksisterer og faktisk er gavnlige for organismen (det vil sige de er evolutionære tilpasninger), er den eneste måde, de kunne have opstået og været opretholdt over evolutionær tid, ved Dar .inistisk naturlig udvælgelse. Der er simpelthen ingen vej rundt om det., Vores puslespil for denne måned udforsker en simpel version af transgenerational epigenetisk arv og viser, hvordan naturlig udvælgelse på tværs af flere generationer under visse betingelser kan favorisere de personer, der besidder sådanne mekanismer.
lad os først opsummere forskellene mellem Lamarcks og Dar .ins ideer ved at revidere det ofte citerede eksempel: giraffens lange hals. Ifølge Lamarck fik giraffen sin lange hals, fordi dens forfædre strakte deres til at spise blade, der lige var uden for rækkevidde., Denne strækning af nakken blev overført til deres afkom gennem generationer, indtil den nåede sin nuværende længde. På den anden side er den almindelige Dar .inistiske opfattelse, at der inden for giraffens forfædre var en variation i halsstørrelser, som der er i enhver befolkning. Girafferne med længere hals var mere succesrige med at få mad og producerede mere længere halsede afkom. Lange halse blev således “udvalgt til” i hver generation, hvilket gradvist forlængede girafens hals over evolutionær tid., Årsagen til, at vi ikke længere tror på Lamarcks version, er, at genetisk materiale overføres til den næste generation gennem kimceller, og de fleste erhvervede ændringer påvirker simpelthen ikke kimceller; de er i vid udstrækning isoleret fra miljøet. Hvis dette ikke var sandt, ville mus, hvis haler er afskåret i mange generationer, som forskeren August .eismann forsøgte at gøre, blive født uden haler. (De er ikke!) Desuden ville jødiske og muslimske mænd blive født uden Forhud. (På trods af mange generationer af omskæring kan mohels stadig leve.,men der er en indlysende måde, at kimceller kan blive påvirket af miljøet — når ændringerne er forårsaget af dårligt helbred og er skadelige. Infektioner, toksiner eller bare alderdom kan påvirke kimceller og producere afkom, der er mindre sunde på forskellige måder. Vi tænker ikke rigtig på dette som usædvanligt, eller som noget at gøre med evolution. Men hvad nu hvis ændringerne viste sig at være gode? En berømt svensk undersøgelse af 300 mennesker, der blev udsat for hungersnød i begyndelsen af 1900 ‘ erne, Överkali. – undersøgelsen, viste et bemærkelsesværdigt resultat., Mængden af fødevareforsyning, som en persons bedsteforældre blev udsat for i deres præpubertale år, havde en målbar effekt på denne persons hjerte-vaskulære risiko to generationer senere. I en bestemt forening blev mænd, der blev udsat for en dårlig fødevareforsyning i en kritisk alder, fundet to generationer senere at have tildelt en målbar lavere risiko for hjerte-kar-død til deres børnebørn. Tilsyneladende hjælper det at have haft en farfar, der sultede mellem 9 og 12 år! Lignende ændringer er fundet i dyreforsøg., For eksempel er overlevende af hungersnød blandt nematodeorm mindre og mindre frugtbare end normale orme, men de får en sejhed, der varer mindst to generationer. Hvad mere er, forskerne har også fundet, at en sådan transmission på tværs af generationer ikke ske gennem en ændring i DNA-kodning i generne, i den måde, arvelighed normalt fungerer, men snarere gennem “epigenetisk” mekanismer som inaktivering af visse gener ved udlæg af methylgrupper (DNA methylering), eller via ændringer i konfigurationen af det protein, der pakker DNA (histon ændring)., Disse ikke-standardiserede” Lamarckian ” – mekanismer har bestemt potentialet til at give gode eller adaptive ændringer på enkeltpersoner, og de kan anspore til udvikling. Men hvordan kunne de være opstået, og hvordan opretholdes de? Godt, det skal være ved tilfældig variation og standard Dar !inistisk naturlig udvælgelse, selvfølgelig! Lad os udforske dette i vores puslespil spørgsmål.
spørgsmål 1:
Forestil dig, at der findes et dyr, der har en ny generation hvert år. Hver normal person har et gennemsnit på 1.,6 overlevende afkom i et normalt år, som kan defineres som dyrets egnethed (lad os kalde det f), hvorefter dyret dør. I løbet af et hungersnødår falder f til 1.3. Antag nu, at der er en flok af de mindre individer, hvis f-værdier er 1,5 i normale år, men 1.35 i hungersnød år: deres mindre mad hjælper dem med at overleve hungersnød bedre. Hvor længe ville en hungersnød skulle vare for de små individer til at gøre det bedre end normale dem? Hvor mange hungersnød år før små individer udgør 90 procent af befolkningen?,
Spørgsmål 2:
Antag at der eksisterer en oprindelig normal mutant gruppe af enkeltpersoner, der kaldes Epi2s, hvis kønsceller er påvirket af et år med hungersnød på en sådan måde, at deres afkom ændringer til den lille type, der for to generationer, før de kan vende tilbage til det normale i den tredje generation, gennem epigenetiske mekanismer. Overvej en 13-årig periode, der starter og slutter med normale år, men har et års hungersnød, to toårige hungersnød og en treårig hungersnød imellem., Hvilken af de tre grupper (normal, small, Epi2s) vil være mest succesfulde? Er der hungersnødsmønstre, hvor Epi2s overvælder de to andre grupper på meget lang sigt?
Spørgsmål 3:
Lad os tilføje en anden type dyr til ovenstående: Epi1s, der ligesom Epi2s skifte til små afkom efter en af sult, men i dette tilfælde afkom vende tilbage til normal efter bare én generation., Over en periode på 20 år kan du komme med en “hungersnødårsplan”, så alle fire typer dyr (normale, små, Epi1 ‘er og Epi2’ er) eksisterer i virtuel ligevægt i denne tidsperiode?
som disse vignetter viser, betyder det ikke noget for det naturlige valg, om karakteristika styres af genetiske eller epigenetiske mekanismer. Det, der betyder noget, er den fitnessfordel, der vælges af en organismes miljø., Hvis de forhold, der giver en fitness fordel på en given gruppe vare længe nok, og vælg denne gruppe på tværs af flere generationer, så denne gruppe vil dominere befolkningen, og artens karakteristika vil ændre sig. Så hvis der er en betydelig delmængde af en befolkning, der udviser fordelagtig epigenetisk arv, er det meget sandsynligt, at det naturlige valg opretholder det. På den anden side, hvis epigenetiske ændringer i en befolkning er skadelige, vil naturlig udvælgelse eliminere det., Der er ingen Top-do .n, målrettet information, der passerer over generationer her, uanset hvor fornuftigt det forekommer os. Baseret på disse overvejelser kan du spekulere i, hvordan den elegante informationsoverførsel på tværs af generationer, der er legemliggjort af CRISPR-Cas-systemet i bakterier, kunne have udviklet sig?
så dybt og så ubønhørligt er den blinde bottom-up proces med naturlig udvælgelse i evolutionen, at der ikke er nogen måde at indeholde sin styrke og ingen rivaliserende mekanisme til at skabe tilpasning., Det er ikke underligt, at filosofen Daniel Dennett har sammenlignet det naturlige valg med en “universel syre”, der ikke kan indeholdes. Naturligt udvalg og dets analoger i ikke-biologiske sfærer kan godt være de vigtigste — eller eneste — processer, der skaber kompleks nyhed på alle niveauer i universet. Og det inkluderer den komplekse nyhed, der er skabt af os.Redaktørens note: læseren, der sender den mest interessante, kreative eller indsigtsfulde løsning (som bedømt af spaltisten) i kommentarfeltet, modtager en Quuanta Maga .ine T-shirt., Og hvis du gerne vil foreslå et yndlingspuslespil til en kolonne med fremtidig indsigt, skal du indsende det som en kommentar nedenfor, tydeligt markeret “nyt puslespil forslag.”(Det vises ikke online, så løsninger til puslespillet ovenfor skal indsendes separat.)