Kann darwinsche Evolution Lamarckismus erklären?
Wenn Sie haben ein high-school-Biologie-Klasse, du bist wahrscheinlich vertraut mit Jean-Baptiste Lamarck ‚ s Theorie der evolution und seinen Schwerpunkt auf die „Vererbung erworbener Eigenschaften“ — denken Giraffen Strecken Ihre Hälse länger zu erreichen, die Blätter hoch in den Bäumen. In Lehrbüchern wird Lamarcks Theorie oft als Rivale von Charles Darwins Evolutionstheorie durch natürliche Selektion dargestellt., Jahrhundert kämpften und der Darwinismus gewann, was zum Niedergang des Lamarckismus und zum Aufstieg dessen führte, was Biologen die moderne Synthese nennen.
Aber die jüngsten Entdeckungen haben einen bemerkenswert lamarckschen Geschmack gezeigt. Ein Beispiel ist das CRISPR-Cas-System, das es Bakterien ermöglicht, Informationen über Viren, auf die sie gestoßen sind, an ihre Nachkommen weiterzugeben., Es gibt auch klare Beispiele für transgenerationale epigenetische Vererbung, bei denen höhere Tiere, die von Umweltfaktoren betroffen sind, günstige genetische Veränderungen über Generationen hinweg auf ihre Nachkommen übertragen. Solche Mechanismen sind für uns als Designer sinnvoll: Ein Tier sollte in seinen Genen Informationen weitergeben, die es über die Umwelt gewonnen hat. Solche Entdeckungen haben eine Debatte über die Möglichkeit einer Aktualisierung der modernen Synthese ausgelöst. Gibt es eine Rolle für Lamarcksche Mechanismen in der modernen Evolutionstheorie?
Auf der Ebene der spezifischen Mechanismen, ja., Auf einer tieferen Ebene der Ursachen ist die Antwort jedoch ein klares „Nein“ — die natürliche Auslese steht an erster Stelle. Wie kann das sein, fragst du? Die vereinfachte Gegenüberstellung von Darwin und Lamarck in Elementarbiologiekursen ist eine falsche Äquivalenz. Wenn lamarcksche Vererbungsmuster existieren und tatsächlich für den Organismus von Vorteil sind (das heißt, sie sind evolutionäre Anpassungen), dann ist der einzige Weg, wie sie über die evolutionäre Zeit entstanden und aufrechterhalten werden konnten, die darwinsche natürliche Selektion. Es gibt einfach keinen Weg um ihn herum., Unsere Rätsel für diesen Monat untersuchen eine einfache Version der transgenerationalen epigenetischen Vererbung und zeigen, wie die natürliche Selektion über mehrere Generationen hinweg unter bestimmten Bedingungen die Individuen begünstigen kann, die solche Mechanismen besitzen.
Lassen Sie uns zunächst die Unterschiede zwischen Lamarcks und Darwins Ideen zusammenfassen, indem wir dieses häufig zitierte Beispiel wiederholen: den langen Hals der Giraffe. Laut Lamarck bekam die Giraffe ihren langen Hals, weil ihre Vorfahren ihre streckten, um Blätter zu essen, die gerade außer Reichweite waren., Diese Streckung des Halses wurde über Generationen an ihre Nachkommen weitergegeben, bis sie ihre aktuelle Länge erreichte. Auf der anderen Seite ist die Mainstream-darwinische Ansicht, dass es innerhalb der Vorfahren der Giraffe eine Variation der Halsgrößen gab, wie es sie in jeder Population gibt. Die Giraffen mit längeren Hälsen bekamen mehr Nahrung und produzierten mehr längerhalsige Nachkommen. Lange Hälse wurden so in jeder Generation „ausgewählt“ und verlängerten den Hals der Giraffe über die evolutionäre Zeit allmählich., Der Grund, warum wir Lamarcks Version nicht mehr glauben, ist, dass genetisches Material durch Keimzellen auf die nächste Generation übertragen wird und die meisten erworbenen Veränderungen einfach keine Keimzellen beeinflussen; Sie sind weitgehend von der Umwelt isoliert. Wenn dies nicht wahr wäre, würden Mäuse, deren Schwänze für viele Generationen abgeschnitten sind, wie der Wissenschaftler August Weismann es versuchte, ohne Schwänze geboren. (Sie sind nicht! Außerdem würden jüdische und muslimische Männer ohne Vorhaut geboren. (Trotz vieler Generationen der Beschneidung kann Mohels immer noch seinen Lebensunterhalt verdienen.,)
Aber es gibt einen offensichtlichen Weg, wie Keimzellen von der Umwelt beeinflusst werden können — wenn die Veränderungen durch Krankheiten verursacht werden und schädlich sind. Infektionen, Toxine oder nur das Alter können Keimzellen beeinflussen und Nachkommen hervorbringen, die auf verschiedene Weise weniger gesund sind. Wir betrachten das nicht wirklich als ungewöhnlich oder als etwas, das mit Evolution zu tun hat. Aber was ist, wenn sich die Änderungen als gut herausstellen? Eine berühmte schwedische Studie mit 300 Menschen, die in den frühen 1900er Jahren Hungersnöten ausgesetzt waren, die Överkalix-Studie, zeigte ein bemerkenswertes Ergebnis., Die Menge an Nahrungsmitteln, der die Großeltern einer Person in ihren vorpubertären Jahren ausgesetzt waren, hatte zwei Generationen später einen messbaren Einfluss auf das kardiovaskuläre Risiko dieser Person. In einem bestimmten Zusammenhang wurde festgestellt, dass Männer, die in einem kritischen Alter einer schlechten Nahrungsmittelversorgung ausgesetzt waren, zwei Generationen später ein messbar geringeres Risiko für einen kardiovaskulären Tod für ihre Enkelkinder hatten. Anscheinend hilft es, einen Großvater väterlicherseits zu haben, der zwischen 9 und 12 Jahren verhungerte! Ähnliche Veränderungen wurden in Tierversuchen gefunden., Zum Beispiel sind Überlebende von Hungersnöten unter Nematodenwürmern kleiner und weniger fruchtbar als normale Würmer, aber sie erhalten eine Zähigkeit, die mindestens zwei Generationen anhält. Darüber hinaus haben Wissenschaftler auch herausgefunden, dass eine solche Übertragung über Generationen hinweg nicht durch eine Veränderung der DNA-Kodierung in den Genen in der Art und Weise erfolgt, wie die Vererbung normalerweise funktioniert, sondern durch „epigenetische“ Mechanismen wie die Inaktivierung bestimmter Gene durch Anheftung von Methylgruppen (DNA-Methylierung) oder durch Änderungen in der Konfiguration des Proteins, das die DNA verpackt (Histon-Modifikation)., Diese nicht standardisierten „lamarckschen“ Mechanismen haben sicherlich das Potenzial, Individuen gute oder adaptive Veränderungen zu verleihen, und sie könnten die Evolution anregen. Aber wie hätten sie entstehen können und wie werden sie aufrechterhalten? Nun, es muss durch zufällige Variation und Standard darwinische natürliche Selektion sein, natürlich! Lassen Sie uns dies in unseren Puzzle-Fragen erkunden.
Frage 1:
Stellen Sie sich vor, es gibt ein Tier, das jedes Jahr eine neue Generation hat. Jeder normale Mensch hat durchschnittlich 1.,6 überlebende Nachkommen in einem normalen Jahr, das als die Fitness des Tieres definiert werden kann (nennen wir es f), wonach das Tier stirbt. Während eines Hungerjahres fällt f auf 1.3. Angenommen, es gibt eine Reihe kleinerer Personen, deren f-Werte in normalen Jahren 1,5, in Hungerjahren jedoch 1,35 betragen: Ihr geringerer Nahrungsbedarf hilft ihnen, Hungersnöte besser zu überleben. Wie lange müsste eine Hungersnot dauern, damit die kleinen Individuen es besser machen als normale? Wie viele Hungersnotjahre vor kleinen Individuen machen 90 Prozent der Bevölkerung aus?,
Frage 2:
Angenommen, es gibt eine anfänglich normale mutierte Gruppe von Individuen namens Epi2s, deren Keimzellen von einem Jahr Hungersnot so betroffen sind, dass sich ihre Nachkommen zwei Generationen lang auf den kleinen Typ ändern, bevor sie in der dritten Generation durch epigenetische Mechanismen wieder normal werden. Betrachten Sie eine 13-jährige Periode, die mit normalen Jahren beginnt und endet, aber eine einjährige Hungersnot, zwei zweijährige Hungersnot und eine dreijährige Hungersnot dazwischen hat., Welche der drei Gruppen (normal, klein, Epi2s) wird am erfolgreichsten sein? Gibt es Hungersnot Muster, in denen Epi2s die anderen beiden Gruppen auf sehr lange Sicht überwältigen?
Frage 3:
Fügen wir einen anderen Tiertyp hinzu: die Epi1s, die wie die Epi2s nach einer Hungersnot zu kleinen Nachkommen wechseln, aber in diesem Fall werden die Nachkommen nach nur einer Generation wieder normal., Können Sie über einen Zeitraum von 20 Jahren einen „Hungerjahresplan“ erstellen, so dass alle vier Tierarten (normal, klein, Epi1s und Epi2s) in diesem Zeitraum im virtuellen Gleichgewicht sind?
Wie diese Vignetten zeigen, spielt es für die natürliche Selektion keine Rolle, ob Merkmale durch genetische oder epigenetische Mechanismen gesteuert werden. Was zählt, ist der Fitnessvorteil, der von der Umgebung eines Organismus ausgewählt wird., Wenn die Bedingungen, die einer bestimmten Gruppe einen Fitnessvorteil verschaffen, lange genug andauern und diese Gruppe über mehrere Generationen hinweg auswählen, dominiert diese Gruppe die Population und die Artenmerkmale ändern sich. Wenn es also eine beträchtliche Teilmenge einer Population gibt, die eine vorteilhafte epigenetische Vererbung aufweist, ist es sehr wahrscheinlich, dass die natürliche Selektion diese beibehält. Auf der anderen Seite, wenn epigenetische Modifikationen in einer Population schädlich sind, wird die natürliche Selektion sie beseitigen., Es gibt hier keine von oben nach unten gerichteten, zielgerichteten Informationen, die über Generationen hinweg weitergegeben werden, egal wie vernünftig uns das erscheint. Können Sie anhand dieser Überlegungen spekulieren, wie sich der elegante Informationstransfer über Generationen hinweg, der durch das CRISPR-Cas-System in Bakterien verkörpert wird, entwickelt haben könnte?
So tief und so unerbittlich ist der blinde Bottom-up-Prozess der natürlichen Selektion in der Evolution, dass es keine Möglichkeit gibt, seine Potenz einzudämmen, und keinen konkurrierenden Mechanismus zur Schaffung von Anpassung., Es ist kein Wunder, dass der Philosoph Daniel Dennett die natürliche Selektion mit einer „universellen Säure“ verglichen hat, die nicht enthalten sein kann. Natürliche Selektion und ihre Analoga in nicht-biologischen Sphären können durchaus die wichtigsten oder einzigen Prozesse sein, die auf allen Ebenen des Universums komplexe Neuheit schaffen. Und dazu gehört auch die komplexe Neuheit, die wir geschaffen haben.
Anmerkung der Redaktion: Der Leser, der die interessanteste, kreativste oder aufschlussreichste Lösung (wie vom Kolumnisten beurteilt) im Kommentarbereich einreicht, erhält ein Quanta Magazine T-Shirt., Und wenn Sie ein Lieblingspuzzle für eine zukünftige Insights-Spalte vorschlagen möchten, senden Sie es als Kommentar unten, deutlich markiert „NEUER PUZZLE-VORSCHLAG.“(Es wird nicht online erscheinen, daher sollten Lösungen für das obige Rätsel separat eingereicht werden.)