Darwins teori om evolusjon ved naturlig seleksjon er ufullstendig uten bidrag fra antihelten Lamarck
Mye av moderne biologi er basert på Charles Darwins evolusjonsteori som en prosess med naturlig seleksjon, når naturen velger de sterkeste og mest tilpasningsdyktige organismer for reproduksjon, befolkningsvekst og overlevelse. Denne prosessen kalles også tilpasning, og tilpasningsdyktige er de trekkene som hjelper kroppen til å overleve bedre enn andre. Når nye modifikasjoner av organismer endres og slå rot, vises arter og utvikler seg. På 1850-tallet, da Darwin beskrev motoren for naturlig seleksjon, var de underliggende molekylære mekanismene ennå ikke kjent. Men fremskritt innen genetikk og molekylærbiologi fra forrige århundre har skissert de grunnleggende grunntrekkene i moderne nyr Darwinistisk teori om hvordan evolusjonen fungerer: DNA-sekvenser muterer tilfeldig,og de organismer hvis DNA er best tilpasset miljøet formerer seg og dominerer. Disse artene råder inntil miljøforholdene begynner å endre seg og evolusjonsmotoren starter opp igjen.
Men hvis vi antar at andre molekylære mekanismer også spiller en rolle i utviklingen av arter, så viser denne evolusjonsforklaringen seg å være ufullstendig. Problemet med Darwins teori er at mens arter utvikler mer adaptive egenskaper (kalt fenotyper i biologi), er hastigheten som tilfeldige mutasjoner forekommer i DNA-sekvenser for lang til å gjøre rede for mange av de observerte endringene. Forskere som er godt klar over dette problemet antyder en rekke kompenserende genetiske mekanismer: gendrift, når alvorlige genetiske forandringer skjer i en liten gruppe organismer, eller epistase, når ett sett med gener undertrykker en annen. Og dette er bare to av mange eksempler.
Men selv med disse mekanismene i bakhodet, er hastigheten på genetisk mutasjon blant komplekse organismer som mennesker betydelig lavere enn endringshastigheten i en rekke egenskaper fra metabolsk regulering til sykdomsresistens. Den raske manifestasjonen av en rekke trekk er vanskelig å forklare bare med metodene for klassisk genetikk og neo-Darwinian teori. For å sitere den eminente evolusjonsbiologen Jonathan BL Bard, parafraserer TS Eliot: "En skygge falt mellom fenotype og genotype."
De problematiske punktene i Darwins teori går utover evolusjonsteorien og strekker seg til andre områder av biologi og biomedisin. Hvis for eksempel egenskapene våre bestemmes av arvelighet, hvorfor har de samme tvillingene med samme sett gener en tendens til å ha forskjellige sykdommer? Og hvorfor er det slik at bare et lite antall (ofte mindre enn 1%) av de som lider av spesifikke sykdommer har vanlige genetiske mutasjoner? Hvis frekvensen av mutasjoner er tilfeldig og ensartet, hvorfor økte andelen av mange sykdommer ti ganger på bare et par tiår? Hvorfor endrer hundrevis av typer miljøforurensning omstendighetene ved sykdomsdebut, men ikke sykdommens DNA-sekvens? I evolusjon og biomedisin er hastigheten på dannelse av avvik fra fenotypiske egenskaper mye høyere enn frekvensen av genetiske endringer og mutasjoner, men hvorfor?
Noen svar finnes i ideene til Jean-Baptiste Lamarck, publisert 50 år før publiseringen av Darwins verk. Lamarcks teori, lenge gått til søppelkassen i historien, argumenterte blant annet for at "miljøet modifiserer egenskaper som deretter arves av nye generasjoner." Lamarck var professor i virvelløse zoologier ved National Museum of Natural History i Paris, og på slutten av 1700- og begynnelsen av 1800-tallet studerte han en rekke organismer, inkludert insekter og ormer. Det var han som introduserte ordene "biologi" og "virvelløse dyr" i det vitenskapelige leksikon, og han var også forfatter av flere bøker om biologi, virvelløse dyr og evolusjon. Til tross for sin utmerkede vitenskapelige karriere ble Lamarck, med sine blasfemiske evolusjonsideer, nektet av mange samtidige, så vel som forskere i de neste 200 årene.
Opprinnelig ble Lamarck fordømt som en religiøs kjetter, og i vår tid huskes navnet hans bare som en vits, på grunn av vitenskapens konservatisme, og spesielt Darwins ukrenkelige evolusjonsteori. På slutten av sin vitenskapelige reise forandret Lamarck seg selv: selv uten bekreftelse fra feltet molekylærbiologi så han at tilfeldige forandringer ikke kan bli et fullstendig bevis på teorien hans.
Spørsmålet er dette: hvis genetiske mutasjoner ikke bare påvirkes av naturlig seleksjon, hva er da molekylkreftene som former hele settet med endringer i egenskaper som er nødvendige for å fullføre arbeidet med naturlig seleksjon? En av ledetrådene ble funnet nesten et århundre etter at Darwin presenterte sin teori. I 1953, da James Watson og Francis Crick var å avsløre mysteriene om DNA og dobbelt helix, rapporterte evolusjonsbiologen Conrad Waddington ved University of Edinburgh at ytre kjemiske stimuli eller temperaturendringer under embryonal utvikling kunne forårsake utseendet til forskjellige varianter av vingestrukturen i Drosophila. Endringene som forskerens handlinger forårsaket i organismer av en generasjon, ble deretter videreført til avkommet. For å forklare denne mekanismen for rask endring, tegnet Waddington det moderne begrepet epigenetikk. Det skal bemerkes at Waddington var klar over betydningen av oppdagelsen hans for evolusjonsteorien, selv før Watson og Crick dro fra seg data om strukturen til DNA. Endringer i vingestrukturen til en generasjon Drosophila bekreftet de originale ideene til den kjetter Lamarck. Det viste seg at miljøet er i stand til å direkte påvirke egenskapene til organismen.at miljøet direkte kan påvirke egenskapene til organismen.at miljøet direkte kan påvirke egenskapene til organismen.
Salgsfremmende video:
Selv om Waddington beskrev den generelle rollen til epigenetikk, visste han ikke mer om molekylære elementer og mekanismer enn Darwin eller Lamarck. Men jo dypere molekylærbiologi avkoder hvordan livet fungerer, desto mer meningsfylt blir Waddingtons - og Lamarcks konsepter. Det store flertallet av miljøfaktorer kan faktisk ikke direkte påvirke molekylsekvensen til DNA, men de regulerer mange epigenetiske mekanismer som kontrollerer funksjonene til DNA: de utløser eller slukker genuttrykk, dikterer uttrykksmåter i celler av proteiner - produktet av genene våre.
I dag er det en presis definisjon av epigenetikk - det er en samling molekylære faktorer som bestemmer hvordan DNA fungerer og hvilke gener som vises, uavhengig av selve DNA-sekvensen. Epigenetikk inkluderer et antall molekylære prosesser som betydelig påvirker aktiviteten til genomet uten å endre DNA-sekvensen i selve genene.
En av de vanligste prosessene av denne typen er DNA-metylering, når molekylkomponenter kalt metylgrupper (bestående av metan) er knyttet til DNA, som slår på og av gener og regulerer genuttrykk. Det er vist at miljøfaktorer, som temperatur og emosjonell stress, kan endre løpet av DNA-metylering, og endringer kan bli en del av et permanent program og begynne å bli arvet av påfølgende generasjoner. Denne prosessen er kjent som epigenetisk arv.
En annen viktig epigenetisk prosess oppdaget de siste årene er histonmodifisering. Histoner er proteiner som fester seg til DNA og endrer strukturen, og DNA på sin side vikler seg rundt histoner som perler på en streng. Kombinasjonen av DNA og histoner kalles kromatinstrukturer, og spolene, løkkene og tauene i kromatin er et svar på miljøspenning som kan endre genuttrykk permanent.
Nyere har forskere dokumentert prosessen med RNA-metylering, der metylgrupper knytter seg til hjelpermolekyler, og endrer genuttrykk og proteinproduksjon i påfølgende generasjoner. I tillegg endrer også virkningen av såkalte ikke-kodende RNA, små RNA-molekyler som binder seg til DNA, RNA og proteiner, genuttrykk uavhengig av DNA-sekvensen.
Alle disse mekanismene for epigenetikk er kritiske og spiller en viktig rolle i molekylær regulering av DNA-funksjoner. Det følger av dette at biologiens normer aldri bare er bygget på genetiske eller bare på epigenetiske prosesser. Tvert imot, prosessene med genetikk og epigenetikk er sammenflettet. Den ene fungerer ikke uten den andre.
I henhold til lovene om epigenetikk, for at en endring skal ha betydning for evolusjonen, må den arves av påfølgende generasjoner i form av DNA-sekvenser eller genmutasjoner. Men epigenetisk arv henger ikke sammen med mange av Mendels lover som gjelder klassisk genetikk eller neo-darwinsk evolusjonsteori. I henhold til disse reglene fungerer DNA-sekvenser og gener hver for seg, som partikler: under reproduksjon blir "partikler" fra den ene forelderen tilfeldig kombinert med et par fra den andre forelderen, noe som fører til fremveksten av en ny DNA-sekvens og en ny manifestasjon av arvelige egenskaper.
I motsetning til dette oppstår epigenetisk arv når kimlinjen (sædceller eller egg) overfører epigenetisk informasjon fra en generasjon til den neste, selv i fravær av direkte miljøfaktorer på lang sikt. Disse faktorene, som miljøbelastning, er spesielt sterke under embryonal utvikling, for eksempel i den perioden hvor fosterets reproduktive organer blir omdannet til testikler hos menn og eggstokker hos kvinner for å produsere sæd og egg i en senere alder. Faktisk kan miljøfaktorer i dette kritiske øyeblikket indusere permanente epigenetiske forandringer gjennom DNA-metylering, histonmodifiseringer og omorganisering av ikke-kodende RNA.
I 2000 fikk teamet mitt ved University of Washington bevis for denne nongenetiske arveformen, og det er ganske overbevisende. Funnene, som min gruppe publiserte i Science i 2005, viste at kjemikalier i miljøet kan fremme overføring av visse sykdommer i tre generasjoner rotter og utover, selv uten langvarig eksponering. Senere, det vil si de siste ti årene, ble dette fenomenet dokumentert av mange laboratorier for forskjellige arter. Et eksempel er en rapport fra Graham Burdge og hans team ved University of Southampton, Storbritannia, om hvordan overfôring av rotter forårsaket epigenetiske metabolske forstyrrelser i tre generasjoner fremover.
I et annet arbeid fant Sibum Sung og kolleger ved University of Texas i Austin at tørke og temperatursvingninger forårsaker epigenetisk evolusjon av planter, noe som fører til generasjoner av endringer i vekst og blomstring. I følge en rekke studier kan miljøstress bidra til epigenetiske forandringer som blir gitt videre til påfølgende generasjoner og forårsake patologier i dem. En fersk undersøkelse av Gerlinde Metz og hennes kolleger ved University of Lethbridge i Canada viste at når gravide rotter ble fengslet eller tvunget til å svømme, skjedde det epigenetisk skade som truet nyfødte babyer. Dette generiske stresset utløste en kjede med epigenetisk arv av abnormiteter over flere generasjoner langs den stressede hunnen. Miljøstressens rolle i epigenetisk arv av sykdommer gjennom flere generasjoner støttes nå av flere andre studier.
Epigenetisk arv under påvirkning av miljøfaktorer observeres hos planter, insekter, fisk, fugler, gnagere, griser og mennesker. Derfor er det et veldig vedvarende fenomen. Det ble vist at epigenetisk transgenerasjonsarv av forskjellige fenotypiske egenskaper og sykdommer forekommer i de fleste organismer i minst ti generasjoner, og de mest omfattende studiene har studert hundrevis av plantegenerasjoner. For eksempel merket selv Carl Linné på 1700-tallet at blomstring i planter kan være forårsaket av en økning i temperatur, og senere viste det seg at dette skyldes endringer av DNA-metylering i den første planten i kjeden, og egenskapen vedvarer i hundre generasjoner. I ormer strekker tegnene som er forårsaket av endringer i ernæring over 50 generasjoner. Hos pattedyr,hver generasjon som lever lenger, har vi oppdaget avvik fra normen forårsaket av påvirkning av giftstoffer, og spredte seg til de neste ti generasjonene. De fleste av disse studiene viser at transgenerasjonstrekk fortsetter snarere enn degenererte. Selv i Waddingtons eksperiment med fluer var det et spørsmål om 16 generasjoner, og alle hadde endret egenskaper som fortsetter å bli overført fra en generasjon til en annen til i dag.som fortsetter å bli overført fra en generasjon til en annen til i dag.som fortsetter å bli overført fra en generasjon til en annen til i dag.
Endringer i miljøet er bokstavelig talt i endring av biologi, og dette er i stor grad i tråd med Lamarcks antakelse. Selv om eksponeringen er kortvarig, overføres biologiske modifikasjoner som manifesterer seg i visse egenskaper eller sykdommer mellom generasjoner.
Miljøet spiller en viktig rolle i evolusjonen. I darwinistisk forstand bestemmer det hvilke individer og arter som skal overleve i den utilgivelige maskinen med naturlig utvalg. Men et stort antall miljøfaktorer kan også påvirke evolusjonen og biologien direkte, det vil si ved hjelp av epigenetikk: kroppens egenskaper kan endre seg under påvirkning av temperatur eller lys, eller som svar på ernæringsparametere som et fettfattig kosthold eller kaloriinnskrenkning. En rekke kjemikalier og giftstoffer fra planter og miljø generelt kan påvirke fenotypiske forandringer og helse.
Et av eksemplene vi studerte i laboratoriet vårt inkluderte kjemiske effekter på variasjon av tegn og sykdom. Vi undersøkte giftstoffet vinclozolin, det mest brukte soppmiddelet i landbruket, til å påvirke egenskaper gjennom epigenetiske forandringer. Først utsatte vi en gravid hunnrotte for dette soppdrepet, hvoretter vi ventet tre generasjoner på avkommet hennes, og ikke lenger brukte giftstoffet. Nesten alle menn viste en nedgang i antall og levedyktighet av spermatozoa, og med alderen tilfeller av infertilitet. Vi har også observert en rekke andre sykdomstilstander hos både menn og kvinner, tre generasjoner atskilt fra direkte eksponering for toksinet. Blant disse forholdene var avvik i testiklene, eggstokkene, nyrene, prostata, brystkjertlene og hjernen. Tilsvarende epigenetiske forandringer i spermatozoa medfører endringer i DNA-metylering og uttrykk for ikke-kodende RNA.
Studien vår viste at eksponering for toksinet vinclozolin førte til seksuell seleksjon tre generasjoner fremover. For å observere seksuell seleksjon, eller kameratens preferanse, som har blitt ansett som den viktigste drivkraften i evolusjonen siden Darwin presenterte sin teori, fikk kvinner fra andre kull muligheten til å velge mellom mannlige avkom til det utsatte individet og andre hanner. I det overveldende flertallet av tilfeller valgte kvinner de som ikke hadde epigenetiske transgenerasjonsendringer, det vil si hanner hvis forfedre ikke var påvirket av toksinet. Med andre ord, påvirkningen av soppmidlet for alltid endret epigenetikken til avkomens sæd, noe som igjen indikerer den arvelige karakteren av kjennetegnene ved seksuell seleksjon, som, som kjent,søker å redusere spredningen av gener i en populasjon og påvirker evolusjonen direkte på en mikroevolusjonær skala.
I en annen nyere studie berørte vi den makroevolusjonære skalaen til evolusjon - spesiasjon. Et av de klassiske eksemplene på spesiasjon er Darwins finker på Galapagosøyene. En gruppe finker av samme art produserte seksten nye arter, som var forskjellige i størrelse og hadde variasjon i andre egenskaper, for eksempel strukturen til nebbet. Teamet vårt bestemte oss for å utforske fem forskjellige arter. Vi fulgte DNA-sekvensmutasjoner fra en art til en annen, men antall epigenetiske endringer i DNA-metylering (epimutasjoner) var høyere og mer korrelert med fylogenetisk avstand mellom arter (stamtavle). Selv om det foreløpig er mer vekt på ny-Darwin-genetiske konsepter, antyder funnene våre at epigenetikk spiller en rolle i spesiasjonen og utviklingen av Darwins finker.
Anerkjennelsen av epigenetikkens rolle i evolusjonen fortsetter å vokse. En interessant studie sammenligner neandertaler og humant DNA, og viser tydelig at genetiske forskjeller er markant mindre uttalt enn epigenetiske angående endringer i DNA-metylering i genom. Kort sagt, å kombinere nylamarkiske og nyrdarwinistiske konsepter i en teori gir et mye mer effektivt molekylært grunnlag for evolusjon.
Evolusjonen er påvirket av både nyrdarwinistiske og nylamarkiske mekanismer, og de ser ut til å være nært beslektet. Siden miljøepigenetikk kan øke variasjonen av egenskaper i en populasjon, utvider den faktisk mulighetene for naturlig seleksjon, der adaptive egenskaper dominerer alle andre. Klassisk nyr Darwinsk evolusjon bygger på genetisk mutasjon og genvariasjon som den primære molekylære mekanismen som skaper mangfold. Til disse mekanismene tillegges fenomenet epigenetikk, som direkte øker antall variasjoner i egenskaper, noe som øker sjansene for at miljøet blir en mekler i prosessen med evolusjon og naturlig seleksjon.
En kritisk tilleggsbetraktning for oss er epigenetikkens evne til å endre stabiliteten i genomet, og dermed direkte indusere de genetiske mutasjonene som er observert i kreftbiologien. Slike genetiske mutasjoner inkluderer kopienummervariasjoner (antall repetisjoner av en kort DNA-sekvens) og punktmutasjoner (endringer i individuelle nukleotider utenfor DNA-sekvensen) i påfølgende generasjoner. Det er kjent at nesten alle genetiske mutasjoner har epigenetiske forstadier - endringer som øker graden av mottakelighet for mutasjoner. Vi observerte hvordan den direkte påvirkningen av miljøet i den første generasjonen ikke forårsaket genetiske mutasjoner, men førte til epigenetiske forandringer, og i påfølgende generasjoner ble det funnet en økning i antall genetiske mutasjoner. Siden epigenetikk er assosiert med begge trekkvariabiliteten,så også med mutasjoner akselererer den evolusjonsmotoren, som ikke kan gjøres av darwinistiske mekanismer på egen hånd.
Mange er skeptiske til en enhetlig teori om evolusjon, spesielt i lys av paradigmen til genetisk determinisme, som har påvirket biologiske disipliner i over 100 år. Genetisk determinisme ser på DNA som den grunnleggende byggesteinen i biologien, og DNA-sekvensen som den ultimate kontrollen på molekylært nivå.
Sannsynligvis var den magiske figuren med genetisk determinisme sekvensering av det menneskelige genom, hvis formål var å gi avgjørende bevis på genets forrang. I følge prognoser skulle genomomfattende studier identifisere biologiske markører av normale og unormale livsfenomener og synliggjøre forutsetningene for sykdommer. Men etter fremkomsten av sekvensering, er hovedhypotesen om genetisk determinisme - uttalelsen om at det meste av menneskelig biologi og sykdommer kan tolkes gjennom prisme i genetikk - ikke bekreftet.
Genetikk har blitt studert av mange generasjoner forskere og publikum, men få har henvist til den relativt nye vitenskapen om epigenetikk: i praksis har inkluderingen av epigenetikk i studiet av molekylære elementer i biologi og evolusjon møtt motstand. Både Watson, som spilte en rolle i oppdagelsen av strukturen til DNA, og Francis Collins, hvis arbeid med sekvensering av DNA-genomet var betydelig, stilte først spørsmålstegn ved viktigheten av den epigenetiske faktoren, men i dag er begge mer fordelaktig disponert. Francis Collins er nå sjef for USAs nasjonale institutter for helse. Det er imidlertid ikke overraskende at mange etter 100 år med genetisk determinisme motstår paradigmeforandringer.
En måned etter at jeg la frem en samlet teori om evolusjon, og den ble publisert i Genome Biology and Evolution i 2015, antydet David Penny fra Massey University New Zealand at epigenetikk rett og slett er en genetisk komponent om arvede egenskaper. Andre nyere publikasjoner, for eksempel en artikkel av Emma Whitelaw fra Australias La Trobe University, har utfordret begrepet Lamarckian epigenetisk arv hos pattedyr.
Til tross for motstand, er jeg overbevist om at vi har nådd et punkt hvor et paradigmeskifte er nært forestående. Erkjennelsen av at epigenetikk spilte en rolle i evolusjonen, motbeviser ikke viktigheten av genetikk. Alle som tar hensyn til nylamarkiske ideer utfordrer overhode ikke klassisk nyr Darwinistisk teori. Anerkjente læresetninger er viktige og nøyaktige, men de er deler av bredere, mer detaljert materiale som utvider vår forståelse ved å integrere alle våre observasjoner i en sammenhengende helhet. Den enhetlige teorien viser hvordan miljøet samtidig påvirker fenotypisk mangfold og forenkler naturlig seleksjon, som vist i diagrammet over.
Flere og flere evolusjonsbiologer viser en økende interesse for rollen som epigenetikk, det er allerede laget en rekke matematiske modeller som kombinerer genetikk og epigenetikk i et enkelt system, og dette arbeidet har lønnet seg med interesse. Å se på epigenetikk som en komplementær molekylær mekanisme hjelper til med å forstå fenomener som gendrift, genetisk assimilering (når en egenskap som er utviklet som respons på miljøforhold ender opp med å bli kodet i genene), og til og med teorien om nøytral evolusjon, ifølge hvilken de fleste endringer skjer. ikke som svar på naturlig utvalg, men ved en tilfeldighet. Ved å introdusere en utvidet molekylær mekanisme for observasjon av biologer, skaper de nye modellene et dypere, finere og mer nøyaktig scenario for generell evolusjon.
Samlet sett krever disse dataene at vi vurderer den gamle standarden, genetisk determinisme, på jakt etter hull. I 1962 foreslo Thomas Kuhn at når det oppstår anomalier i det nåværende paradigmet, er det nødvendig å ta hensyn til ny kunnskap: det er slik den vitenskapelige revolusjonen blir født.
En samlet evolusjonsteori skal kombinere nyr Darwinistiske og nylamarkiske aspekter for å utvide vår forståelse av hvordan miljøet påvirker den evolusjonsprosessen. For Darwins skyld kan man ikke diskontere Lamarcks bidrag for over 200 år siden. Tvert imot, det må tas med i betraktningen for å skape en mer overbevisende og omfattende teori. På samme måte kan genetikk og epigenetikk ikke sees på som motstridende områder, tvert imot, de bør kombineres for å få et bredere spekter av molekylære faktorer og med deres hjelp forklare hva som driver livet vårt.
