czy ewolucja darwinowska może wyjaśnić Lamarckizm?
Jeśli chodziłeś do klasy biologii w liceum, prawdopodobnie znasz teorię ewolucji Jean-Baptiste Lamarcka i jej nacisk na ” dziedziczenie cech nabytych — – pomyśl, że żyrafy rozciągają szyje dłużej, aby dotrzeć do liści wysoko na drzewach. W podręcznikach teoria Lamarcka jest często przedstawiana jako rywalka teorii ewolucji Karola Darwina poprzez dobór naturalny., Uproszczona fabuła polega na tym, że obie teorie walczyły z tym w XIX wieku i że darwinizm wygrał, co doprowadziło do upadku Lamarckizmu i powstania tego, co biolodzy nazywają nowoczesną syntezą.
ale ostatnie odkrycia wykazywały niezwykle Lamarcki smak. Jednym z przykładów jest system CRISPR-Cas, który umożliwia bakteriom przekazywanie informacji o napotkanych wirusach potomstwu., Istnieją również wyraźne przykłady transgeneracyjnego dziedziczenia epigenetycznego, w którym wyższe zwierzęta dotknięte czynnikami środowiskowymi przenoszą korzystne zmiany genetyczne na potomstwo przez pokolenia. Takie mechanizmy mają sens dla nas jako projektantów: zwierzę powinno przekazywać w swoich genach informacje, które zdobyło na temat środowiska. Takie odkrycia wywołały dyskusję na temat możliwości aktualizacji Współczesnej syntezy. Czy istnieje rola mechanizmów Lamarckiego we współczesnej teorii ewolucji?
na poziomie konkretnych mechanizmów, tak., Jednak na głębszym poziomie przyczyn odpowiedź brzmi ” nie ” — dobór naturalny panuje nade wszystko. Jak to możliwe, pytasz? Uproszczone zestawienie Darwina i Lamarcka na podstawowych kursach biologii jest fałszywą równoważnością. Jeśli Lamarckie wzorce dziedziczenia istnieją i są rzeczywiście korzystne dla organizmu( to znaczy są adaptacjami ewolucyjnymi), to jedynym sposobem, w jaki mogły powstać i zostać utrzymane w czasie ewolucyjnym, jest darwinowska selekcja naturalna. Po prostu nie da się tego obejść., Nasze zagadki na ten miesiąc zbadają prostą wersję transgeneracyjnego dziedziczenia epigenetycznego i pokażą, w jaki sposób dobór naturalny przez wiele pokoleń może, pod pewnymi warunkami, faworyzować jednostki, które posiadają takie mechanizmy.
najpierw podsumujmy różnice między ideami Lamarcka i Darwina, powracając do często cytowanego przykładu: długa szyja żyrafy. Według Lamarcka żyrafa miała długą szyję, ponieważ jej przodkowie rozciągali się, aby jeść liście, które były poza zasięgiem., To rozciąganie szyi było przekazywane ich potomstwu, z pokolenia na pokolenie, aż osiągnęło obecną długość. Z drugiej strony, głównym Darwinowskim poglądem jest to, że w obrębie przodków żyrafy występowały różnice w rozmiarach szyi, jak to ma miejsce w każdej populacji. Żyrafy o dłuższych szyjach odnosiły większe sukcesy w zdobywaniu pożywienia i produkowały więcej potomstwa o dłuższych szyjach. Długie szyje były więc „wybierane” w każdym pokoleniu, stopniowo wydłużając szyję żyrafy w czasie ewolucji., Powodem, dla którego nie wierzymy już w wersję Lamarcka jest to, że materiał genetyczny jest przenoszony do następnego pokolenia przez komórki zarodkowe, a większość nabytych zmian po prostu nie wpływa na komórki zarodkowe; są one w dużej mierze izolowane od środowiska. Gdyby to nie była prawda, myszy, których ogony są odcięte od wielu pokoleń, jak próbował to zrobić Naukowiec August Weismann, urodziłyby się bez ogonów. (Nie są!) Ponadto mężczyźni żydowscy i muzułmańscy urodziliby się bez napletków. (Pomimo wielu pokoleń obrzezania, mohele nadal mogą zarabiać na życie.,)
ale jest oczywisty sposób, że komórki rozrodcze mogą być dotknięte przez środowisko — gdy zmiany są spowodowane złym stanem zdrowia i są szkodliwe. Infekcje, toksyny lub po prostu starość może wpływać na komórki rozrodcze i produkować potomstwo, które są mniej zdrowe na różne sposoby. Nie uważamy tego za coś niezwykłego, ani za coś związanego z ewolucją. Ale co, jeśli zmiany okażą się dobre? Słynne szwedzkie badanie 300 osób, które były narażone na głód na początku 1900 roku, badanie Överkalix, wykazało niezwykły wynik., Ilość żywności, na którą narażeni byli dziadkowie danej osoby w okresie przed okresem dojrzewania, miała wymierny wpływ na ryzyko kardio-naczyniowe tej osoby dwa pokolenia później. W jednym konkretnym związku stwierdzono, że mężczyźni, którzy byli narażeni na słabe zaopatrzenie w żywność w krytycznym wieku, dwa pokolenia później, przyznali znacznie mniejsze ryzyko śmierci sercowo-naczyniowej swoim wnukom. Najwyraźniej pomaga mieć dziadka ze strony ojca, który głodował między 9 a 12 rokiem życia! Podobne zmiany stwierdzono w doświadczeniach na zwierzętach., Na przykład, którzy przeżyli głód wśród nicieni są mniejsze i mniej płodne niż normalne robaki, ale nabywają wytrzymałość, która trwa co najmniej dwa pokolenia. Co więcej, Naukowcy odkryli również, że taka transmisja przez pokolenia nie odbywa się poprzez zmianę kodowania DNA w genach w sposób, w jaki dziedziczność zwykle działa, ale raczej poprzez „epigenetyczne” mechanizmy, takie jak inaktywacja niektórych genów przez przyłączenie grup metylowych (metylacja DNA) lub poprzez zmiany w konfiguracji białka, które pakuje DNA (modyfikacja histonu)., Te niestandardowe „Lamarckian” mechanizmy z pewnością mają potencjał, aby nadawać dobre lub adaptacyjne zmiany na jednostki, i mogą pobudzić ewolucję. Ale jak mogły powstać i jak są utrzymywane? Cóż, musi to być przypadkowa zmienność i Standardowy darwinowski dobór naturalny, oczywiście! Zbadajmy to w naszych zagadkowych pytaniach.
Pytanie 1:
wyobraź sobie, że istnieje zwierzę, które co roku ma nowe pokolenie. Każdy normalny osobnik ma średnio 1.,6 przetrwanie potomstwa w normalnym roku, które można określić jako sprawność zwierzęcia (nazwijmy to f), po czym zwierzę umiera. W ciągu roku głodowego f spada do 1,3. Załóżmy teraz, że istnieje grupa mniejszych osobników, których wartości f wynoszą 1,5 W normalnych latach, ale 1,35 w latach głodu: ich mniejsze zapotrzebowanie na żywność pomaga im lepiej przetrwać głód. Jak długo musiałby trwać głód, aby małe osoby poradziły sobie lepiej niż normalne? Ile lat głodu, zanim małe osobniki stanowią 90% populacji?,
Pytanie 2:
Załóżmy, że istnieje początkowo normalna zmutowana grupa osobników o nazwie Epi2s, których komórki zarodkowe są dotknięte rokiem głodu w taki sposób, że ich potomstwo zmienia się w mały typ przez dwa pokolenia, zanim powrócą do normy w trzecim pokoleniu, poprzez mechanizmy epigenetyczne. Rozważmy okres 13 lat, który rozpoczyna się i kończy normalnymi latami, ale ma jeden rok głodu, dwa dwa lata głodu i trzy lata głodu pomiędzy., Która z trzech grup (normalna, mała, Epi2s) będzie najbardziej udana? Czy istnieją schematy głodu, w których Epi2s przeważają dwie pozostałe grupy w bardzo długiej perspektywie?
pytanie 3:
dodajmy do powyższego inny rodzaj zwierzęcia: Epi1s, które podobnie jak Epi2s zmieniają się na małe potomstwo po klęsce głodu, ale w tym przypadku potomstwo wraca do normy już po jednym pokoleniu., Czy w ciągu 20 lat można wymyślić „harmonogram roku głodowego”, tak aby wszystkie cztery rodzaje zwierząt (normalne, małe, Epi1 i Epi2) istniały w wirtualnej równowadze w tym okresie czasu?
Jak pokazują te winiety, nie ma znaczenia dla doboru naturalnego, czy cechy są kontrolowane przez mechanizmy genetyczne czy epigenetyczne. Liczy się przewaga fitness, która jest wybierana przez środowisko organizmu., Jeśli warunki, które dają przewagę nad daną grupą, trwają wystarczająco długo i wybierają tę grupę przez wiele pokoleń, to ta grupa zdominuje populację, a cechy gatunku ulegną zmianie. Jeśli więc istnieje spora podgrupa populacji, która wykazuje korzystne dziedziczenie epigenetyczne, dobór naturalny jest bardzo prawdopodobny, aby go utrzymać. Z drugiej strony, jeśli zmiany epigenetyczne w populacji są szkodliwe, dobór naturalny wyeliminuje go., Nie ma tutaj odgórnych, celowych informacji przekazywanych przez pokolenia, bez względu na to, jak rozsądne wydaje nam się to. Opierając się na tych rozważaniach, czy można spekulować, jak elegancki transfer informacji między pokoleniami, który jest ucieleśniony przez system CRISPR-Cas w bakteriach mógł ewoluować?
tak głęboki i tak nieubłagany jest ślepy, oddolny Proces doboru naturalnego w ewolucji, że nie ma możliwości powstrzymania jego siły i nie ma konkurencyjnego mechanizmu tworzenia adaptacji., Nic dziwnego, że filozof Daniel Dennett porównał dobór naturalny do „uniwersalnego kwasu”, którego nie można powstrzymać. Dobór naturalny i jego analogi w sferach niebiologicznych mogą być głównymi — lub jedynymi-procesami, które tworzą złożoną nowość na wszystkich poziomach wszechświata. I to obejmuje złożoną nowość stworzoną przez nas.
Uwaga redakcji: czytelnik, który zgłosi najciekawsze, kreatywne lub wnikliwe rozwiązanie (według oceny felietonisty) w dziale komentarze, otrzyma koszulkę magazynu Quanta., A jeśli chcesz zasugerować ulubioną łamigłówkę do przyszłej kolumny Insights, prześlij ją jako komentarz poniżej, wyraźnie oznaczony jako ” new PUZZLE SUGGESTION.”(Nie pojawi się on w Internecie, więc rozwiązania powyższej zagadki należy składać osobno.)