poate evoluția darwinistă să explice Lamarckismul?
Dacă ai luat un liceu de biologie clasa, esti, probabil, familiarizat cu Jean-Baptiste Lamarck teoria evoluției și accentul pus pe „moștenire a caracterelor dobândite” — cred că girafele întinde gâtul mai lung pentru a ajunge la frunzele de mare în copaci. În manuale, teoria lui Lamarck este adesea prezentată ca un rival al teoriei evoluției lui Charles Darwin prin selecție naturală., Povestea simplistă este că cele două teorii s-au luptat în secolul al XIX-lea și că darwinismul a câștigat, ducând la dispariția Lamarckismului și la creșterea a ceea ce biologii numesc sinteza modernă.dar descoperirile recente au prezentat o aromă remarcabil de Lamarckiană. Un exemplu este sistemul CRISPR-Cas, care permite bacteriilor să transmită informații despre virușii pe care i-au întâlnit puilor lor., Există, de asemenea, exemple clare de moștenire epigenetică transgenerațională, în care animalele mai mari afectate de factorii de mediu transmit schimbări genetice favorabile puilor lor de-a lungul generațiilor. Astfel de mecanisme au sens pentru noi ca designeri: un animal ar trebui să transmită, în genele sale, informații pe care le-a câștigat despre mediu. Astfel de descoperiri au stârnit dezbateri despre posibilitatea unei actualizări a sintezei moderne. Există un rol pentru mecanismele Lamarckiene în teoria evoluționistă modernă?la nivelul mecanismelor specifice, da., La un nivel mai profund de cauze, însă, răspunsul este un răsunător ” nu ” – selecția naturală domnește suprem. Cum se poate asta, întrebi? Juxtapunerea simplistă a lui Darwin și Lamarck în cursurile de biologie elementară este o echivalență falsă. Dacă Lamarckiana modele de moștenire nu există, și sunt într-adevăr benefice pentru organism (care este, ele sunt adaptări evolutive), atunci singurul mod în care ar putea au apărut și s-a menținut de-a lungul evoluției este selecția naturală Darwiniană. Pur și simplu nu există nici o cale în jurul ei., Puzzle-urile noastre pentru această lună explorează o versiune simplă a moștenirii epigenetice transgeneraționale și arată cum selecția naturală pe mai multe generații poate, în anumite condiții, să favorizeze persoanele care posedă astfel de mecanisme.
Mai întâi, să recapitulăm diferențele dintre ideile lui Lamarck și Darwin, revizuind acel exemplu frecvent citat: gâtul lung al girafei. Potrivit lui Lamarck, girafa și-a luat gâtul lung, deoarece strămoșii săi i-au întins să mănânce frunze care nu erau la îndemână., Această întindere a gâtului a fost transmisă puilor lor, de-a lungul generațiilor, până când a atins lungimea actuală. Pe de altă parte, viziunea darwinistă principală este că, în strămoșii girafei, a existat o variație a dimensiunilor gâtului, așa cum există în orice populație. Girafele cu gât mai lung au avut mai mult succes în obținerea hranei și au produs mai mulți descendenți cu gât mai lung. Gâturile lungi au fost astfel „selectate pentru” în fiecare generație, prelungind treptat gâtul girafei de-a lungul timpului evolutiv., Motivul pentru care nu mai credem versiunea lui Lamarck este că materialul genetic este transmis generației următoare prin celule germinale, iar majoritatea modificărilor dobândite pur și simplu nu influențează celulele germinale; ele sunt, într-o mare măsură, izolate de mediul înconjurător. Dacă acest lucru nu ar fi adevărat, șoarecii ale căror cozi sunt tăiate de mai multe generații, așa cum a încercat să facă omul de știință August Weismann, s-ar naște fără cozi. (Nu sunt!) În plus, bărbații evrei și musulmani s-ar fi născut fără prepuț. (În ciuda multor generații de circumcizie, mohels încă își poate câștiga existența.,dar există un mod evident că celulele germinale pot fi afectate de mediu-atunci când schimbările sunt cauzate de sănătate precară și sunt dăunătoare. Infecțiile, toxinele sau doar bătrânețea pot afecta celulele germinale și pot produce urmași care sunt mai puțin sănătoși în diferite moduri. Nu ne gândim la asta ca la ceva neobișnuit, sau ca la ceva legat de evoluție. Dar dacă schimbările s-au dovedit a fi bune? Un celebru studiu suedez de 300 de persoane care au fost expuse la foamete la începutul anilor 1900, studiul Överkalix, a arătat un rezultat remarcabil., Cantitatea de hrană la care au fost expuși bunicii unei persoane în anii pre-pubertari a avut un efect măsurabil asupra riscului cardio-vascular al acelei persoane două generații mai târziu. Într-o asociație specifică, bărbații care au fost expuși la o alimentare slabă la o vârstă critică au fost găsiți, două generații mai târziu, că au conferit un risc măsurabil mai mic de deces cardiovascular nepoților lor. Se pare că ajută să fi avut un bunic patern care a murit de foame cu vârste cuprinse între 9 și 12 ani! Modificări similare au fost găsite în experimentele pe animale., De exemplu, supraviețuitorii foametei în rândul viermilor nematode sunt mai mici și mai puțin fertili decât viermii normali, dar dobândesc o duritate care durează cel puțin două generații. Ce e mai mult, oamenii de stiinta au constatat, de asemenea, că o astfel de transmitere între generații nu se întâmplă printr-o schimbare în ADN-ul de codificare în genele în mod ereditate, de obicei, funcționează, ci mai degrabă prin „epigenetic” mecanisme precum inactivarea unor gene prin atașarea de grupuri de metil (metilare ADN-ului) sau prin schimbări în configurația de proteine, care pachete de ADN (histone modificare)., Aceste mecanisme non – standard „Lamarckian” au cu siguranță potențialul de a conferi schimbări bune sau adaptive indivizilor și ar putea stimula evoluția. Dar cum ar fi putut să apară și cum sunt menținute? Ei bine, trebuie să fie prin variație aleatorie și selecție naturală darwiniană standard, desigur! Să explorăm acest lucru în întrebările noastre de puzzle.
Întrebarea 1:
Imaginați-vă că există un animal care are o nouă generație în fiecare an. Fiecare individ normal are o medie de 1.,6 descendenți supraviețuitori într-un an normal, care poate fi definit ca fitness-ul animalului (să-l numim f), după care animalul moare. În timpul unui an de foamete, f scade la 1.3. Acum să presupunem că există o grămadă de indivizi mai mici ale căror valori f sunt 1.5 în anii normali, dar 1.35 în anii de foamete: necesarul lor alimentar mai mic îi ajută să supraviețuiască foametei mai bine. Cât timp ar trebui să dureze o foamete pentru ca indivizii mici să facă mai bine decât cei normali? Câți ani de foamete înainte ca indivizii mici să constituie 90% din populație?,
Întrebarea 2:
să Presupunem că există o inițial normal mutant grup de persoane numite Epi2s, ale căror celule germinale sunt afectate de un an de foamete în așa fel încât descendenții lor modificări de tip mic pentru două generații înainte de a se reveni la normal, în cea de-a treia generație, prin mecanisme epigenetice. Luați în considerare o perioadă de 13 ani care începe și se termină cu ani normali, dar are o foamete de un an, două foamete de doi ani și o foamete de trei ani între ele., Care dintre cele trei grupuri (normal, mic, Epi2) va avea cel mai mare succes? Există modele de foamete în care Epi2-urile copleșesc celelalte două grupuri pe termen foarte lung?
Întrebarea 3:
Să adăugați un alt tip de animal la cel de mai sus: Epi1s, care la fel ca Epi2s trece la mică descendenți după o foamete, dar în acest caz descendenților reveni la normal după o singură generație., Pe o perioadă de 20 de ani, poți veni cu o „foamete ani, programul” astfel că toate cele patru tipuri de animale (normal, mic, Epi1s și Epi2s) există în virtual echilibru în această perioadă de timp?
după cum arată aceste viniete, nu contează pentru selecția naturală dacă caracteristicile sunt controlate prin mecanisme genetice sau epigenetice. Ceea ce contează este avantajul de fitness care este selectat de mediul unui organism., Dacă condițiile care conferă un avantaj de fitness unui anumit grup durează destul de mult și selectează acel grup de-a lungul mai multor generații, atunci acel grup va domina populația, iar caracteristicile speciilor se vor schimba. Deci, dacă există un subset considerabil al unei populații care prezintă moștenire epigenetică avantajoasă, selecția naturală este foarte probabil să o mențină. Pe de altă parte, dacă modificările epigenetice ale unei populații sunt dăunătoare, selecția naturală o va elimina., Nu există informații de sus în jos, intenționate, care să treacă peste generații aici, indiferent cât de sensibil ni se pare. Pe baza acestor considerente, puteți specula modul în care transferul elegant de informații de-a lungul generațiilor care este întruchipat de sistemul CRISPR-Cas în bacterii ar fi putut evolua?atât de profund și atât de inexorabil este procesul orb, de jos în sus, al selecției naturale în evoluție, încât nu există nici o modalitate de a-și conține potența și nici un mecanism rival pentru crearea adaptării., Nu este de mirare că filosoful Daniel Dennett a comparat selecția naturală cu un „acid universal” care nu poate fi conținut. Selecția naturală și analogii ei în sferele non-biologice pot fi procesele majore — sau numai — care creează noutate complexă la toate nivelurile universului. Și asta include noutatea complexă creată de noi.
Nota editorului: cititorul care prezintă cea mai interesantă, creativă sau insightful soluție (după cum apreciază cronicarul) în secțiunea de comentarii va primi un tricou cu revista Quanta., Și dacă doriți să sugerați un puzzle preferat pentru o coloană future Insights, trimiteți-l ca un comentariu mai jos, marcat în mod clar „sugestie nouă de PUZZLE.”(Nu va apărea online, deci soluțiile la puzzle-ul de mai sus ar trebui trimise separat.)