L’evoluzione darwiniana può spiegare il lamarckismo?
Se hai frequentato un corso di biologia del liceo, probabilmente hai familiarità con la teoria dell’evoluzione di Jean-Baptiste Lamarck e la sua enfasi sull ‘ “eredità delle caratteristiche acquisite” — pensa alle giraffe che allungano il collo più a lungo per raggiungere le foglie alte negli alberi. Nei libri di testo La teoria di Lamarck è spesso presentata come un rivale della teoria dell’evoluzione di Charles Darwin per selezione naturale., La trama semplicistica è che le due teorie hanno combattuto nel 19 ° secolo e che il darwinismo ha vinto, portando alla scomparsa del Lamarckismo e all’ascesa di ciò che i biologi chiamano la Sintesi moderna.
Ma recenti scoperte hanno mostrato un sapore notevolmente lamarckiano. Un esempio è il sistema CRISPR-Cas, che consente ai batteri di trasmettere informazioni sui virus che hanno incontrato alla loro prole., Ci sono anche chiari esempi di eredità epigenetica transgenerazionale, in cui gli animali superiori colpiti da fattori ambientali trasmettono cambiamenti genetici favorevoli alla loro prole attraverso le generazioni. Tali meccanismi hanno senso per noi progettisti: un animale dovrebbe trasmettere, nei suoi geni, le informazioni che ha acquisito sull’ambiente. Tali scoperte hanno scatenato il dibattito sulla possibilità di un aggiornamento alla Sintesi moderna. C’è un ruolo per i meccanismi lamarckiani nella moderna teoria evolutiva?
A livello di meccanismi specifici, sì., A un livello più profondo di cause, però, la risposta è un clamoroso “no” — la selezione naturale regna sovrana. Come può essere, chiedi? La giustapposizione semplicistica di Darwin e Lamarck nei corsi di biologia elementare è una falsa equivalenza. Se i modelli di eredità lamarckiani esistono e sono effettivamente benefici per l’organismo (cioè sono adattamenti evolutivi), allora l’unico modo in cui potrebbero essere sorti e mantenuti nel tempo evolutivo è la selezione naturale darwiniana. Semplicemente non c’è modo di aggirarlo., I nostri puzzle per questo mese esplorano una semplice versione dell’eredità epigenetica transgenerazionale e mostrano come la selezione naturale tra più generazioni possa, in determinate condizioni, favorire gli individui che possiedono tali meccanismi.
Per prima cosa, ricapitoliamo le differenze tra le idee di Lamarck e Darwin rivisitando l’esempio spesso citato: il lungo collo della giraffa. Secondo Lamarck, la giraffa ha il collo lungo perché i suoi antenati si sono allungati per mangiare foglie che erano appena fuori dalla portata., Questo allungamento del collo è stato trasmesso alla loro prole, nel corso delle generazioni, fino a raggiungere la sua lunghezza attuale. D’altra parte, la visione darwiniana mainstream è che, all’interno degli antenati della giraffa, c’era una variazione nelle dimensioni del collo, come c’è in ogni popolazione. Le giraffe con collo più lungo hanno avuto più successo nell’ottenere cibo e hanno prodotto prole più a collo più lungo. I colli lunghi venivano così “selezionati” in ogni generazione, allungando gradualmente il collo della giraffa nel tempo evolutivo., La ragione per cui non crediamo più nella versione di Lamarck è che il materiale genetico viene trasmesso alla generazione successiva attraverso le cellule germinali, e la maggior parte dei cambiamenti acquisiti semplicemente non influenzano le cellule germinali; sono, in larga misura, isolati dall’ambiente. Se ciò non fosse vero, i topi le cui code sono tagliate per molte generazioni, come ha cercato di fare lo scienziato August Weismann, sarebbero nati senza code. (Non lo sono!) Inoltre, i maschi ebrei e musulmani sarebbero nati senza prepuzio. (Nonostante molte generazioni di circoncisione, mohels può ancora guadagnarsi da vivere.,)
Ma c’è un modo ovvio che le cellule germinali possono essere influenzate dall’ambiente — quando i cambiamenti sono causati da problemi di salute e sono deleteri. Infezioni, tossine o solo la vecchiaia possono influenzare le cellule germinali e produrre prole meno sana in vari modi. Non pensiamo davvero a questo come insolito, o come qualcosa a che fare con l’evoluzione. Ma cosa succede se i cambiamenti si sono rivelati buoni? Un famoso studio svedese su 300 persone che sono state esposte a carestie nei primi anni del 1900, lo studio Överkalix, ha mostrato un risultato notevole., La quantità di cibo a cui i nonni di una persona sono stati esposti nei loro anni pre-puberali ha avuto un effetto misurabile sul rischio cardio-vascolare di quella persona due generazioni dopo. In una specifica associazione, gli uomini che erano stati esposti a una scarsa fornitura di cibo in età critica sono stati trovati, due generazioni dopo, per aver conferito un rischio misurabilmente inferiore di morte cardiovascolare ai loro nipoti. A quanto pare aiuta avere avuto un nonno paterno che è morto di fame tra i 9 ei 12 anni! Cambiamenti simili sono stati trovati negli esperimenti sugli animali., Ad esempio, i sopravvissuti alle carestie tra i vermi nematodi sono più piccoli e meno fertili dei vermi normali, ma acquisiscono una tenacità che dura almeno due generazioni. Cosa c’è di più, gli scienziati hanno anche scoperto che la trasmissione attraverso le generazioni, non avviene attraverso un cambiamento nel DNA codificante dei geni in modo eredità di solito funziona, ma piuttosto attraverso “epigenetici” meccanismi di inattivazione di alcuni geni dall’attaccamento di gruppi metilici (metilazione del DNA) o attraverso i cambiamenti nella configurazione della proteina che i pacchetti di DNA (modificazione degli istoni)., Questi meccanismi “lamarckiani” non standard hanno certamente il potenziale per conferire cambiamenti buoni o adattativi agli individui e potrebbero stimolare l’evoluzione. Ma come potrebbero essere sorti, e come vengono mantenuti? Bene, deve essere per variazione casuale e selezione naturale darwiniana standard, ovviamente! Esploriamo questo nelle nostre domande di puzzle.
Domanda 1:
Immagina che esista un animale che ha una nuova generazione ogni anno. Ogni individuo normale ha una media di 1.,6 prole superstite in un anno normale, che può essere definito come la forma fisica dell’animale (chiamiamolo f), dopo di che l’animale muore. Durante un anno di carestia, f scende a 1.3. Ora supponiamo che ci siano un gruppo di individui più piccoli i cui valori f sono 1.5 negli anni normali ma 1.35 negli anni della carestia: il loro fabbisogno alimentare più piccolo li aiuta a sopravvivere meglio alle carestie. Quanto tempo dovrebbe durare una carestia perché i piccoli individui facciano meglio di quelli normali? Quanti anni di carestia prima che i piccoli individui costituiscano il 90 per cento della popolazione?,
Domanda 2:
Supponiamo che esista una inizialmente normale mutante gruppo di individui chiamati Epi2s, le cui cellule germinali sono interessati da un anno di carestia, in modo che la loro progenie modifiche al tipo piccolo per due generazioni prima che si torna di nuovo al normale alla terza generazione, attraverso meccanismi epigenetici. Si consideri un periodo di 13 anni che inizia e termina con anni normali, ma ha una carestia di un anno, due carestie di due anni e una carestia di tre anni in mezzo., Quale dei tre gruppi (normale, piccolo, Epi2) avrà più successo? Ci sono modelli di carestia in cui gli Epi2 sopraffanno gli altri due gruppi a lungo termine?
Domanda 3:
aggiungiamo un altro tipo di animale di cui sopra: il Epi1s, che, come Epi2s passare alla piccola progenie dopo una carestia, ma in questo caso la progenie di tornare alla normalità dopo una sola generazione., Per un periodo di 20 anni, si può venire con un “programma di carestia-anno” tale che tutti e quattro i tipi di animali (normale, piccolo, Epi1s e Epi2s) esistono in equilibrio virtuale in questo periodo di tempo?
Come mostrano queste vignette, non importa alla selezione naturale se le caratteristiche sono controllate da meccanismi genetici o epigenetici. Ciò che conta è il vantaggio di fitness che viene selezionato dall’ambiente di un organismo., Se le condizioni che conferiscono un vantaggio di idoneità a un determinato gruppo durano abbastanza a lungo e selezionano quel gruppo su più generazioni, allora quel gruppo dominerà la popolazione e le caratteristiche della specie cambieranno. Quindi, se esiste un sottoinsieme considerevole di una popolazione che presenta un’eredità epigenetica vantaggiosa, è molto probabile che la selezione naturale la mantenga. D’altra parte, se le modificazioni epigenetiche in una popolazione sono deleterie, la selezione naturale lo eliminerà., Non ci sono informazioni dall’alto verso il basso e mirate che passano attraverso le generazioni qui, non importa quanto ci sembri sensato. Sulla base di queste considerazioni, si può ipotizzare come l’elegante trasferimento di informazioni tra generazioni che è incarnato dal sistema CRISPR-Cas nei batteri potrebbe essersi evoluto?
Così profondo e così inesorabile è il cieco processo bottom-up della selezione naturale nell’evoluzione che non c’è modo di contenere la sua potenza e nessun meccanismo rivale per creare l’adattamento., Non c’è da meravigliarsi se il filosofo Daniel Dennett ha paragonato la selezione naturale a un “acido universale” che non può essere contenuto. La selezione naturale e i suoi analoghi nelle sfere non biologiche potrebbero essere i principali — o solo-processi che creano novità complesse a tutti i livelli dell’universo. E questo include la complessa novità creata da noi.
Nota del redattore: Il lettore che presenta la soluzione più interessante, creativa o perspicace (come giudicato dall’editorialista) nella sezione commenti riceverà una maglietta di Quanta Magazine., E se vuoi suggerire un puzzle preferito per una colonna future Insights, inviarlo come un commento qui sotto, chiaramente contrassegnato “NUOVO SUGGERIMENTO PUZZLE.”(Non apparirà online, quindi le soluzioni al puzzle sopra dovrebbero essere presentate separatamente.)