Kan Darwinistisk Evolution Förklara Lamarckism?
om du tog en high school biologi klass, är du förmodligen bekant med Jean-Baptiste Lamarcks evolutionsteori och dess betoning på ”arv av förvärvade egenskaper” — tror giraffer sträcker halsen längre för att nå bladen högt i träd. I läroböcker presenteras Lamarcks teori ofta som en rival till Charles Darwins evolutionsteori genom naturligt urval., Den förenklade storylinen är att de två teorierna kämpade ut det på 1800-talet och att darwinismen vann, vilket ledde till Lamarckismens död och ökningen av vad biologer kallar den moderna syntesen.
men de senaste upptäckterna har uppvisat en anmärkningsvärt Lamarckisk smak. Ett exempel är CRISPR-Cas-systemet, som gör det möjligt för bakterier att överföra information om virus som de har stött på sina avkommor., Det finns också tydliga exempel på transgenerationellt epigenetiskt arv, där högre djur som påverkas av miljöfaktorer överför gynnsamma genetiska förändringar till sina avkommor över generationer. Sådana mekanismer är meningsfulla för oss som designers: ett djur bör i sina gener vidarebefordra information som det har fått om miljön. Sådana upptäckter har gett upphov till debatt om möjligheten till en uppdatering av den moderna syntesen. Finns det en roll för Lamarckiska mekanismer i modern evolutionsteori?
på nivån för specifika mekanismer, ja., På en djupare nivå av orsaker är svaret dock ett rungande ” nej ” – naturligt urval regerar högsta. Hur kan det vara, frågar du? Den förenklade juxtapositionen av Darwin och Lamarck i elementära biologikurser är en falsk ekvivalens. Om Lamarckiska arvsmönster existerar och verkligen är fördelaktiga för organismen (det vill säga de är evolutionära anpassningar), är det enda sättet att de kunde ha uppstått och upprätthållits över evolutionär tid genom Darwinian naturligt urval. Det finns helt enkelt ingen väg runt det., Våra pussel för denna månad utforska en enkel version av transgenerational epigenetic arv och visa hur naturligt urval över flera generationer kan, under vissa förutsättningar, gynna de individer som har sådana mekanismer.
låt oss först sammanfatta skillnaderna mellan Lamarcks och Darwins idéer genom att återkomma till det ofta citerade exemplet: giraffens långa hals. Enligt Lamarck fick giraffen sin långa nacke eftersom dess förfäder sträckte sina Att äta löv som bara var utom räckhåll., Denna sträckning av nacken vidarebefordrades till sina avkommor, över generationer, tills den nådde sin nuvarande längd. Å andra sidan är den vanliga darwinistiska uppfattningen att inom giraffens förfäder fanns en variation i nackstorlekar, eftersom det finns i någon population. Girafferna med längre halsar var mer framgångsrika i att få mat och producerade mer längre halsade avkommor. Långa halsar var således ”utvalda för” i varje generation och förlängde gradvis giraffens nacke över evolutionär tid., Anledningen till att vi inte längre tror Lamarcks version är att genetiskt material överförs till nästa generation genom könsceller, och de flesta förvärvade förändringar påverkar helt enkelt inte könsceller; de är i stor utsträckning isolerade från miljön. Om detta inte var sant skulle möss vars svansar är avskurna i många generationer, som forskaren August Weismann försökte göra, födas utan svansar. (De är inte!) Dessutom skulle judiska och muslimska män födas utan förhudar. (Trots många generationer av omskärelse kan mohels fortfarande försörja sig.,)
men det finns ett uppenbart sätt att könsceller kan påverkas av miljön – när förändringarna orsakas av ohälsa och är skadliga. Infektioner, toxiner eller bara ålderdom kan påverka bakterieceller och producera avkommor som är mindre friska på olika sätt. Vi tänker inte på det här som ovanligt, eller som något att göra med evolutionen. Men vad händer om förändringarna visade sig vara bra? En berömd svensk studie av 300 personer som utsattes för hungersnöd i början av 1900-talet, Överkalix-studien, visade ett anmärkningsvärt resultat., Mängden matförsörjning som en persons morföräldrar utsattes för under sina pre-pubertalår hade en mätbar effekt på den personens hjärt-vaskulära risk två generationer senare. I en specifik förening hittades män som utsattes för dålig matförsörjning vid en kritisk ålder, två generationer senare, för att ha givit en mätbart lägre risk för kardiovaskulär död till sina barnbarn. Tydligen hjälper det att ha haft en fader farfar som svalt mellan 9 och 12 år! Liknande förändringar har hittats i djurförsök., Till exempel är överlevande av hungersnöd bland nematodmaskar mindre och mindre fertila än normala maskar, men de förvärvar en seghet som varar minst två generationer. Dessutom har forskare också funnit att sådan överföring över generationer inte sker genom en förändring i DNA-kodning i generna på det sätt som ärftlighet vanligtvis fungerar, utan snarare genom ”epigenetiska” mekanismer som inaktivering av vissa gener genom fastsättning av metylgrupper (DNA-metylering) eller genom förändringar i konfigurationen av proteinet som paketerar DNA (histonmodifiering)., Dessa icke-standardiserade ”Lamarckiska” mekanismer har verkligen potential att ge goda eller adaptiva förändringar på individer, och de kan sporra utvecklingen. Men hur kunde de ha uppstått, och hur upprätthålls de? Tja, det måste vara genom slumpmässig variation och standard Darwinian naturligt urval, förstås! Låt oss utforska detta i våra pussel frågor.
Fråga 1:
Föreställ dig att det finns ett djur som har en ny generation varje år. Varje normal individ har i genomsnitt 1.,6 överlevande avkommor i ett normalt år, som kan definieras som djurets fitness (låt oss kalla det f), varefter djuret dör. Under ett hungersnöd år faller f till 1,3. Anta nu att det finns en massa mindre individer vars f-värden är 1.5 i normala år men 1.35 i hungersnöd år: deras mindre matbehov hjälper dem att överleva hungersnöd bättre. Hur länge måste en hungersnöd vara kvar för de små individerna att göra bättre än normala? Hur många hungersnöd år innan små individer utgör 90 procent av befolkningen?,
fråga 2:
Antag att det finns en initialt normal mutant grupp individer som kallas Epi2s, vars könsceller påverkas av ett år av hungersnöd på ett sådant sätt att deras avkomma ändras till den lilla typen i två generationer innan de återgår till det normala i den tredje generationen, genom epigenetiska mekanismer. Tänk på en 13-årsperiod som börjar och slutar med normala år men har en ettårig hungersnöd, två tvååriga hungersnöd och en treårig hungersnöd däremellan., Vilken av de tre grupperna (normal, liten, Epi2s) kommer att bli mest framgångsrik? Finns det hungersnöd där Epi2s överväldigar de andra två grupperna på mycket lång sikt?
fråga 3:
låt oss lägga till en annan typ av djur till ovanstående: Epi1s, som Epi2s byter till liten avkomma efter en hungersnöd, men i det här fallet återgår avkomman till normal efter bara en generation., Under en period av 20 år, kan du komma med ett ”hungersnöd-årsschema” så att alla fyra typer av djur (normala, små, Epi1s och Epi2s) finns i virtuell jämvikt under denna tidsperiod?
eftersom dessa vignetter visar, spelar det ingen roll för naturligt urval om egenskaperna styrs av genetiska eller epigenetiska mekanismer. Det som är viktigt är den fitnessfördel som väljs av en organisms miljö., Om förhållandena som ger en fitnessfördel på en viss grupp varar tillräckligt länge och väljer den gruppen över flera generationer, kommer den gruppen att dominera befolkningen och artegenskaperna kommer att förändras. Så om det finns en betydande delmängd av en befolkning som uppvisar fördelaktigt epigenetiskt arv, är det naturligt urval mycket troligt att behålla det. Å andra sidan, om epigenetiska modifieringar i en population är skadliga, kommer naturligt urval att eliminera det., Det finns ingen top-down, målmedveten information som passerar över generationer här, oavsett hur förnuftigt det verkar för oss. Baserat på dessa överväganden, kan du spekulera hur den eleganta informationsöverföringen över generationer som förkroppsligas av CRISPR-Cas-systemet i bakterier kan ha utvecklats?
så djupt och så obevekligt är den blinda, bottom-up-processen med naturligt urval i evolutionen att det inte finns något sätt att innehålla sin styrka och ingen rivaliserande mekanism för att skapa anpassning., Det är inte konstigt att filosofen Daniel Dennett har liknat naturligt urval till en ”universell syra” som inte kan innehålla. Naturligt urval och dess analoger i icke-biologiska sfärer kan väl vara de stora — eller enda — processerna som skapar komplex nyhet på alla nivåer i universum. Och det inkluderar den komplexa nyheten som skapats av oss.
Redaktörens anteckning: läsaren som lämnar in den mest intressanta, kreativa eller insiktsfulla lösningen (som bedöms av kolumnisten) i kommentarsektionen kommer att få en Quanta Magazine t-shirt., Och om du vill föreslå en favorit pussel för en framtida insikter kolumn, skicka in den som en kommentar nedan, tydligt markerade ” nya pussel förslag.”(Det kommer inte att visas online, så lösningar på pusslet ovan bör lämnas in separat.)