Darwinova evoluční teorie přirozeným výběrem je neúplná bez přispění antihero Lamarcka
Hodně moderní biologie je založeno na evoluční teorii Charlese Darwina jako procesu přirozeného výběru, kdy si příroda vybere pro reprodukci, růst populace a přežití nejsilnější a nejvíce přizpůsobivé organismy. Tento proces se také nazývá adaptace a adaptivní jsou vlastnosti, které pomáhají tělu přežít lépe než ostatní. Jak se nové modifikace organismů mění a zakořenují, objevují se a vyvíjejí se druhy. V 50. letech 20. století, kdy Darwin popsal motor přirozeného výběru, nebyly dosud známy základní molekulární mechanismy. Pokroky v genetice a molekulární biologii v minulém století však naznačily základní principy moderní neodarwinovské teorie, jak evoluce funguje: sekvence DNA náhodně mutují,a ty organismy, jejichž DNA je nejlépe přizpůsobena prostředí, se množí a dominují. Tyto druhy převládají, dokud se podmínky prostředí nezmění a znovu se neobjeví motor evoluce.
Pokud ale předpokládáme, že při vývoji druhů hrají roli také jiné molekulární mechanismy, pak se toto vysvětlení vývoje ukáže jako neúplné. Problém s Darwinovou teorií spočívá v tom, že zatímco druhy si vyvinou adaptivnější vlastnosti (v biologii nazývané fenotypy), rychlost, při které se vyskytují náhodné mutace v sekvencích DNA, je příliš malá na to, aby odpovídala za mnoho pozorovaných změn. Vědci dobře obeznámení s tímto problémem naznačují řadu kompenzačních genetických mechanismů: posun genu, když se vyskytnou vážné genetické změny v malé skupině organismů, nebo epistáza, když jedna sada genů potlačuje jinou. A to jsou jen dva z mnoha příkladů.
Ale i s ohledem na tyto mechanismy je rychlost genetické mutace u složitých organismů, jako jsou lidé, výrazně nižší než míra změny v řadě znaků od metabolické regulace po rezistenci vůči chorobám. Rychlý projev řady zvláštností je obtížné vysvětlit pouze metodami klasické genetiky a nearwinovské teorie. Abych citoval významného evolučního biologa Jonathana BL Barda, parafrázuji TS Eliota: „Mezi fenotypem a genotypem padl stín.“
Problematické body Darwinovy teorie přesahují teorii evoluce a zasahují do dalších oblastí biologie a biomedicíny. Například, pokud jsou naše vlastnosti určeny dědičností, tak proč mají identická dvojčata se stejnou sadou genů tendenci mít různá onemocnění? A proč je běžné, že jen malé množství (často méně než 1%) osob trpících specifickými chorobami má společné genetické mutace? Pokud je počet mutací náhodný a jednotný, proč se podíl mnoha nemocí za několik desetiletí desetkrát zvýšil? Proč mění stovky typů znečištění životního prostředí okolnosti vzniku nemocí, ale ne sekvenci DNA nemocných? V evoluci a biomedicíně je rychlost tvorby odchylek od fenotypových znaků mnohem vyšší než míra genetických změn a mutací, ale proč?
Některé odpovědi lze nalézt v myšlenkách Jean-Baptiste Lamarck, zveřejněných 50 let před zveřejněním Darwinovy práce. Lamarckova teorie, dlouho šla k popelnici historie, mimo jiné tvrdila, že „prostředí pozměňuje vlastnosti, které jsou poté zděděny novými generacemi“. Lamarck byl profesorem zoologie bezobratlých v Národním muzeu přírodní historie v Paříži a na konci 18. a počátku 19. století studoval řadu organismů, včetně hmyzu a červů. Byl to on, kdo do vědeckého lexikonu uvedl slova „biologie“a „bezobratlí“a byl také autorem několika knih o biologii, bezobratlých a evoluci. Přes jeho význačnou vědeckou kariéru byl Lamarck se svými rouhavými evolučními myšlenkami po dobu dalších 200 let mnoha současníky i vědci popřen.
Lamarck byl zpočátku odsouzen za náboženského kacíře a jeho jméno se dnes připomíná pouze jako vtip kvůli konzervatismu vědy a zejména Darwinovy nedotknutelné evoluční teorie. Na konci své vědecké cesty sám Lamarck změnil své přesvědčení: i bez potvrzení z oblasti molekulární biologie viděl, že náhodné změny se nemohou stát úplným důkazem jeho teorie.
Otázka zní: pokud genetické mutace nejsou ovlivněny pouze přirozenou selekcí, jaké jsou molekulární síly, které formují celou řadu změn ve vlastnostech potřebných k dokončení práce přirozené selekce? Jeden z vodítek byl nalezen téměř století poté, co Darwin představil svou teorii. V roce 1953, když James Watson a Francis Crick rozmotávali záhady DNA a dvojité spirály, evoluční biolog Conrad Waddington z University of Edinburgh informoval, že vnější chemické podněty nebo změny teploty během embryonálního vývoje by mohly způsobují v Drosophile výskyt různých variant struktury křídla. Změny, které vedecké akce způsobily v organismech jedné generace, byly následně přeneseny na potomstvo. Aby vysvětlil tento mechanismus rychlé změny, vytvořil Waddington moderní epigenetiku. Je třeba poznamenat, že Waddington si uvědomil význam svého objevu pro teorii evoluce ještě předtím, než Watson a Crick odvodili data o struktuře DNA. Změny ve struktuře křídla jedné generace Drosophily potvrdily původní myšlenky heretického Lamarcka. Ukázalo se, že životní prostředí je schopné přímo ovlivnit vlastnosti organismu.že životní prostředí může přímo ovlivnit vlastnosti organismu.že životní prostředí může přímo ovlivnit vlastnosti organismu.
Propagační video:
Přestože Waddington popsal obecnou roli epigenetiky, nevěděl nic víc o molekulárních prvcích a mechanismech než Darwin nebo Lamarck. Hlubší molekulární biologie však dekóduje způsob života, významnější Waddingtonovy a Lamarckovy koncepce. Naprostá většina environmentálních faktorů nemůže přímo ovlivnit molekulární sekvenci DNA, ale reguluje mnoho epigenetických mechanismů, které řídí funkce DNA: spouštějí nebo potlačují expresi genů, diktují způsoby exprese v buňkách proteinů - produkt našich genů.
Dnes existuje přesná definice epigenetiky - jedná se o soubor molekulárních faktorů, které určují, jak DNA funguje a které geny se projevují, bez ohledu na samotnou sekvenci DNA. Epigenetika zahrnuje řadu molekulárních procesů, které významně ovlivňují aktivitu genomu bez změny sekvence DNA v samotných genech.
Jedním z nejběžnějších procesů tohoto typu je methylace DNA, kdy molekulární složky zvané methylové skupiny (tvořené metanem) jsou připojeny k DNA, která zapíná a vypíná geny a reguluje genovou expresi. Ukázalo se, že faktory prostředí, jako je teplota a emoční stres, mohou změnit průběh methylace DNA a změny se mohou stát součástí trvalého programu a mohou být zděděny následujícími generacemi. Tento proces je znám jako epigenetická dědičnost.
Dalším důležitým epigenetickým procesem objeveným v posledních letech je modifikace histonu. Histony jsou proteiny, které se připojují k DNA a mění její strukturu, a DNA se zase obaluje kolem histonů, jako jsou kuličky na provázku. Kombinace DNA a histonů se nazývá chromatinové struktury a cívky, smyčky a provazy v chromatinu jsou odpovědí na environmentální stres, který může trvale změnit genovou expresi.
V nedávné době vědci dokumentovali proces methylace RNA, ve kterém jsou methylové skupiny připojeny k pomocným molekulám, mění expresi genů a produkci proteinů v následujících generacích. Kromě toho působení tzv. Nekódujících RNA, malých molekul RNA, které se vážou na DNA, RNA a proteiny, také mění genovou expresi bez ohledu na sekvenci DNA.
Všechny tyto mechanismy epigenetiky jsou kritické a hrají důležitou roli v molekulární regulaci funkcí DNA. Z toho vyplývá, že biologické normy nejsou nikdy stavěny pouze na genetických nebo pouze epigenetických procesech. Naopak, procesy genetiky a epigenetiky jsou vzájemně propojeny. Jeden nefunguje bez druhého.
Podle zákonů epigenetiky, aby změna měla dopad na evoluci, musí být zděděna následnými generacemi ve formě sekvencí DNA nebo genových mutací. Epigenetická dědičnost však nekoreluje s mnoha Mendelovými zákony, které se vztahují na klasickou genetiku nebo novarwinovskou evoluční teorii. Podle těchto pravidel fungují DNA sekvence a geny odděleně jako částice: během reprodukce jsou „částice“od jednoho rodiče náhodně kombinovány s párem od druhého rodiče, což vede ke vzniku nové sekvence DNA a novému projevu dědičných vlastností.
Naproti tomu epigenetická dědičnost nastává, když zárodečná linie (spermie nebo vajíčko) přenáší epigenetické informace z jedné generace na druhou, i když neexistují přímé dlouhodobé environmentální faktory. Tyto faktory, jako je environmentální stres, jsou zvláště silné během embryonálního vývoje, například v období, kdy jsou reprodukční orgány plodu transformovány na varlata u samců a vaječníků u žen, aby se produkovala sperma a vejce v pozdějším věku. Faktory prostředí v tomto kritickém okamžiku mohou skutečně vyvolat trvalé epigenetické změny prostřednictvím methylace DNA, modifikace histonu a přeskupení nekódujících RNA.
V roce 2000 můj tým na University of Washington obdržel důkazy o této nengenetické formě dědictví a je to docela přesvědčivé. Zjištění, která moje skupina zveřejnila ve vědě v roce 2005, ukázala, že chemické látky v životním prostředí mohou podporovat přenos určitých chorob ve třech generacích potkanů a dále, a to i bez dlouhodobé expozice. Později, to je v posledních deseti letech, tento jev dokumentovalo mnoho laboratoří pro různé druhy. Jedním z příkladů je zpráva Grahama Burdgeho a jeho týmu na University of Southampton ve Velké Británii o tom, jak překrmování potkanů způsobuje epigenetické metabolické poruchy pro příští tři generace.
V další práci Sibum Sung a jeho kolegové z University of Texas v Austinu zjistili, že sucho a kolísání teploty způsobují epigenetický vývoj rostlin, což vede k generacím změn v jejich růstu a kvetení. Podle řady studií může environmentální stres přispět k epigenetickým změnám, které jsou přenášeny na následující generace a způsobit v nich patologie. Nedávná studie Gerlinde Metze a jejích kolegů z University of Lethbridge v Kanadě ukázala, že když byly těhotné krysy uvězněny nebo nuceny plavat, došlo k epigenetickému poškození, které ohrožovalo novorozence. Tento generický stres spustil řetěz epigenetického dědičnosti abnormalit po několik generací podél linie stresované ženy. Role environmentálního stresu v epigenetické dědičnosti nemocí po několik generací je nyní podporována několika dalšími studiemi.
Epigenetická dědičnost pod vlivem faktorů prostředí je pozorována u rostlin, hmyzu, ryb, ptáků, hlodavců, prasat a lidí. Jedná se tedy o velmi perzistentní jev. Ukázalo se, že epigenetická transgenerační dědičnost různých fenotypových znaků a nemocí se vyskytuje u většiny organismů nejméně v deseti generacích a nejrozsáhlejší studie studovaly stovky rostlinných generací. Například i Carl Linnaeus v 18. století si všiml, že kvetení v rostlinách může být způsobeno zvýšením teploty, a později se ukázalo, že je to způsobeno změnami methylace DNA v první rostlině v řetězci a vlastnost přetrvává po stovky generací. U červů se příznaky způsobené změnami ve výživě vyskytují více než 50 generací. U savcůkaždá generace, která žije déle, jsme objevili odchylky od normy způsobené vlivem toxinů, které se rozšířily do dalších deseti generací. Většina těchto studií ukazuje, že transgenerační vlastnosti pokračují spíše než degenerují. Dokonce i ve Waddingtonově experimentu s mouchami to byla otázka 16 generací a všechny měly změněné vlastnosti, které se nadále přenášejí z jedné generace na druhou do dnešního dne.které se nadále přenášejí z jedné generace na druhou do dnešního dne.které se nadále přenášejí z jedné generace na druhou do dnešního dne.
Změny životního prostředí doslova mění biologii, a to je do značné míry v souladu s Lamarckovým předpokladem. I když je expozice krátkodobá, biologické modifikace, které se projevují v určitých vlastnostech nebo nemocech, se přenášejí mezi generacemi.
Prostředí hraje zásadní roli v evoluci. V darwinovském smyslu určuje, kteří jedinci a druhy přežijí v neodpouštějícím stroji přirozeného výběru. Přímo na vývoj a biologii však může mít přímý vliv i řada faktorů životního prostředí, tj. Pomocí epigenetiky: vlastnosti těla se mohou měnit pod vlivem teploty nebo světla nebo v reakci na nutriční parametry, jako je dieta s vysokým obsahem tuků nebo omezení kalorií. Fenotypové změny a zdraví mohou ovlivnit různé chemikálie a toxiny z rostlin a životního prostředí obecně.
Jeden příklad, který jsme studovali v naší laboratoři, zahrnoval chemické účinky na variabilitu příznaků a onemocnění. Zkoumali jsme schopnost toxinu vinclozolin, nejčastěji používaného fungicidu v zemědělství, ovlivňovat vlastnosti epigenetickými změnami. Nejprve jsme tomuto fungicidu vystavili gravidní samici potkana, poté jsme čekali tři generace na její potomky, kteří už toxin nepoužívali. Téměř všichni muži vykazovali pokles počtu a životaschopnosti spermií as věkem případy neplodnosti. Pozorovali jsme také řadu dalších chorobných stavů jak u mužů, tak u žen, tři generace oddělené od přímé expozice toxinu. Mezi tyto stavy patřily abnormality ve funkcích varlat, vaječníků, ledvin, prostaty, mléčných žláz a mozku. Odpovídající epigenetické změny v spermatozoech vedou ke změnám v methylaci DNA a expresi nekódujících RNA.
Naše studie ukázala, že expozice toxinu vinclozolin vedla k pohlavnímu výběru o tři generace dopředu. Aby bylo možné pozorovat sexuální selekci nebo preference kamarádů, která byla považována za hlavní hnací sílu evoluce od doby, kdy Darwin představil svou teorii, dostaly ženy z jiných vrhů možnost vybrat si mezi potomkem exponovaného jednotlivce a jinými muži. V naprosté většině případů si ženy vybraly ty, které neměly epigenetické transgenerační změny, tj. Muži, jejichž předci nebyli toxinem ovlivněni. Jinými slovy, vliv fungicidu navždy změnil epigenetiku spermatu potomstva, což zase ukazuje na dědičnou povahu charakteristik sexuálního výběru, která, jak je známo,usiluje o omezení šíření genů v populaci a přímo ovlivňuje evoluci v mikroevolučním měřítku.
V další nedávné studii jsme se dotkli makroevoluční stupnice evoluce - speciace. Jedním z klasických příkladů speciace jsou Darwinovy finche na Galapágských ostrovech. Skupina pěnkav stejného druhu produkovala šestnáct nových druhů, které se lišily co do velikosti a měly variabilitu v jiných vlastnostech, jako je struktura zobáku. Náš tým se rozhodl prozkoumat pět různých druhů. Sledovali jsme mutace sekvence DNA od jednoho druhu k druhému, ale počet epigenetických změn v methylaci DNA (epimutace) byl vyšší a více korelován s fylogenetickou vzdáleností mezi druhy (rodokmen). Přestože v současné době je kladen větší důraz na nearadwinovské genetické koncepty, naše zjištění naznačují, že epigenetika hraje roli ve spekulaci a vývoji darwinových finch.
Uznávání role epigenetiky v evoluci stále roste. Jedna zajímavá studie srovnává neandertálskou a lidskou DNA a je zřejmé, že genetické rozdíly jsou zřetelně méně výrazné než epigenetické rozdíly, pokud jde o změny v methylaci DNA v genomech. Stručně řečeno, kombinace neo-Lamarckovských a neararvinských konceptů do jedné teorie poskytuje mnohem účinnější molekulární základ pro evoluci.
Evoluce je ovlivněna neararwinskými i neo-Lamarckovskými mechanismy a zdá se, že spolu úzce souvisejí. Jelikož environmentální epigenetika může zvýšit variabilitu zvláštností v jedné populaci, rozšiřuje možnosti přirozeného výběru, v nichž všechny ostatní dominují adaptivní rysy. Klasická novodarwinovská evoluce staví na genetické mutaci a genové variaci jako primárním molekulárním mechanismu, který vytváří rozmanitost. K těmto mechanismům je přidán fenomén epigenetiky, který přímo zvyšuje počet variací ve zvláštnostech, což zvyšuje šance prostředí na zprostředkování v procesu vývoje a přirozeného výběru.
Kritickým doplňujícím faktorem pro nás je schopnost epigenetiky změnit stabilitu genomu, a tak přímo vyvolat genetické mutace, které jsou pozorovány v biologii rakoviny. Takové genetické mutace zahrnují změny počtu kopií (počet opakování krátké sekvence DNA) a bodové mutace (změny v jednotlivých nukleotidech mimo sekvenci DNA) v následujících generacích. Je známo, že téměř všechny genetické mutace mají epigenetické prekurzory - změny, které zvyšují míru citlivosti na mutace. Zjistili jsme, jak přímý dopad prostředí v první generaci nezpůsobil genetické mutace, ale vedl k epigenetickým změnám a v následujících generacích byl zjištěn nárůst počtu genetických mutací. Vzhledem k tomu, že epigenetika je spojena s oběma proměnnými zvláštností,tak také s mutacemi urychluje motor evoluce, který nelze udělat darwinovskými mechanismy samy o sobě.
Mnozí jsou skeptičtí vůči jednotné teorii evoluce, zejména ve světle paradigmatu genetického determinismu, který ovlivňuje biologické disciplíny více než 100 let. Genetický determinismus vnímá DNA jako základní stavební blok biologie a sekvenci DNA jako konečnou kontrolu na molekulární úrovni.
Pravděpodobně magickou postavou genetického determinismu bylo sekvenování lidského genomu, jehož účelem bylo poskytnout přesvědčivý důkaz nadřazenosti genu. Podle předpovědí měly studie zaměřené na celý genom identifikovat biologické markery běžných a abnormálních životních jevů a zdůraznit předpoklady nemocí. Ale po nástupu sekvenování nebyla potvrzena hlavní hypotéza genetického determinismu - tvrzení, že většinu biologie a nemocí člověka lze interpretovat pomocí hranolu genetiky.
Genetika byla studována mnoha generacemi vědců a veřejnosti, ale jen málo z nich se obrátilo k relativně nové vědě epigenetiky: v praxi se zařazení epigenetiky do studia molekulárních prvků biologie a evoluce setkalo s opozicí. Jak Watson, který hrál roli při objevování struktury DNA, tak Francis Collins, jehož práce na sekvenování genomu DNA byla významná, zpočátku zpochybňovali důležitost epigenetického faktoru, ale dnes jsou oba příznivěji nakloněny. Francis Collins je nyní vedoucím amerického Národního institutu zdraví. Není však překvapivé, že po 100 letech genetického determinismu mnozí odolávají změnám paradigmatu.
Měsíc poté, co jsem předložil sjednocenou teorii evoluce a byl publikován v Genome Biology and Evolution v roce 2015, David Penny z Massey University New Zealand navrhl, že epigenetika je prostě genetická složka o dědičných vlastnostech. Další nedávné publikace, jako například článek Emmy Whitelaw z australské La Trobe University, napadly koncept Lamarckian epigenetic dědičnosti u savců.
Přes opozici jsem přesvědčen, že jsme dosáhli bodu, kdy hrozí změna paradigmatu. Uznání, že epigenetika hrála roli v evoluci, nezpochybňuje význam genetiky. Každý, kdo bere v úvahu neo-Lamarckovské myšlenky, není vůbec výzvou pro klasickou nearwinistickou teorii. Uznaná učení jsou důležitá a přesná, ale jsou to části širšího, podrobnějšího materiálu, který rozšiřuje naše porozumění integrací všech našich pozorování do uceleného celku. Sjednocená teorie ukazuje, jak prostředí současně ovlivňuje fenotypovou rozmanitost a zjednodušuje přirozený výběr, jak ukazuje obrázek výše.
Stále více evolučních biologů projevuje rostoucí zájem o roli epigenetiky, již bylo vytvořeno množství matematických modelů, které kombinují genetiku a epigenetiku do jediného systému, a tato práce se vyplatila se zájmem. Pohled na epigenetiku jako komplementární molekulární mechanismus pomáhá pochopit jevy, jako je genový drift, genetická asimilace (když se vlastnost vyvinutá v reakci na podmínky prostředí skončí zakódováním v genech), a dokonce i teorie neutrální evoluce, podle které se vyskytuje většina změn. ne jako odpověď na přirozený výběr, ale náhodou. Nové modely zavedením rozšířeného molekulárního mechanismu pro pozorování biologů vytvářejí hlubší, jemnější a přesnější scénář celkového vývoje.
Dohromady tato data vyžadují, abychom přehodnotili starý standard, genetický determinismus, při hledání mezer. V roce 1962 Thomas Kuhn navrhl, že když v současném paradigmatu vzniknou anomálie, je třeba věnovat pozornost novým znalostem: tak se rodí vědecká revoluce.
Sjednocená teorie evoluce by měla kombinovat nearwinwinovské a neo-Lamarckovské aspekty, aby se rozšířilo naše chápání toho, jak prostředí ovlivňuje evoluční proces. Pro Darwina není možné slevu Lamarckova příspěvku před více než 200 lety. Naopak, musí být vzat v úvahu, aby se vytvořila přesvědčivější a komplexnější teorie. Stejně tak nelze na genetiku a epigenetiku pohlížet jako na konfliktní oblasti, naopak je třeba je kombinovat, abychom získali širší škálu molekulárních faktorů as jejich pomocí vysvětlili, co řídí náš život.