Darwinova teória evolúcie prirodzeným výberom je neúplná bez prínosu antihero Lamarcka
Väčšina modernej biológie je založená na teórii evolúcie Charlesa Darwina ako procesu prirodzeného výberu, keď si príroda vyberie pre reprodukciu, rast populácie a prežitie najsilnejšie a najviac adaptabilné organizmy. Tento proces sa tiež nazýva adaptácia a sú adaptívne tie vlastnosti, ktoré pomáhajú telu prežiť lepšie ako ostatné. Ako sa nové modifikácie organizmov menia a zakorenujú, objavujú sa a vyvíjajú sa druhy. V 50-tych rokoch 20. storočia, keď Darwin opísal mechanizmus prirodzeného výberu, základné molekulárne mechanizmy ešte neboli známe. Pokrok v genetike a molekulárnej biológii v minulom storočí však načrtol základné princípy modernej neararvinskej teórie o tom, ako evolúcia funguje: sekvencie DNA náhodne mutujú,a tie organizmy, ktorých DNA je najlepšie prispôsobená prostrediu, sa množia a dominujú. Tieto druhy prevládajú dovtedy, kým sa nezačnú meniť podmienky prostredia a znovu sa neobnoví motor vývoja.
Ak však predpokladáme, že pri vývoji druhov zohrávajú úlohu aj iné molekulárne mechanizmy, potom sa toto vysvetlenie vývoja javí ako neúplné. Problém s Darwinovou teóriou spočíva v tom, že zatiaľ čo druhy vyvíjajú adaptívnejšie vlastnosti (v biológii nazývané fenotypy), miera výskytu náhodných mutácií v sekvenciách DNA je príliš pomalá na to, aby zodpovedala za mnohé pozorované zmeny. Vedci, ktorí sú si dobre vedomí tohto problému, navrhujú množstvo kompenzačných genetických mechanizmov: posun génov, keď sa vyskytnú vážne genetické zmeny v malej skupine organizmov, alebo epistáza, keď jedna skupina génov potláča inú. A to sú len dva z mnohých príkladov.
Ale aj s ohľadom na tieto mechanizmy je miera genetickej mutácie medzi komplexnými organizmami, ako sú ľudia, výrazne nižšia ako miera zmeny v rozsahu znakov od metabolickej regulácie po rezistenciu na choroby. Rýchly prejav rôznych znakov je ťažké vysvetliť iba metódami klasickej genetiky a nearwinistickej teórie. Aby som citoval významného evolučného biologa Jonathana BL Barda, parafrázujúci TS Eliot: „Medzi fenotypom a genotypom padol tieň.“
Problematické body Darwinovej teórie presahujú teóriu evolúcie a zasahujú do ďalších oblastí biológie a biomedicíny. Napríklad, ak sú naše črty determinované dedičnosťou, tak prečo majú dvojčatá s rovnakým súborom génov tendenciu mať rôzne choroby? A prečo je to tak, že iba malé množstvo (často menej ako 1%) ľudí trpiacich špecifickými chorobami má spoločné genetické mutácie? Ak je miera mutácií náhodná a jednotná, prečo sa podiel mnohých chorôb zvýšil iba za pár desaťročí? Prečo stovky druhov znečistenia životného prostredia menia okolnosti vzniku chorôb, ale nie sekvenciu DNA chorých? V evolúcii a biomedicíne je rýchlosť tvorby odchýlok od fenotypových znakov oveľa vyššia ako miera genetických zmien a mutácií, ale prečo?
Niektoré odpovede možno nájsť v myšlienkach Jean-Baptiste Lamarck, uverejnených 50 rokov pred uverejnením práce Darwina. Lamarckova teória, dávno prechádzajúca do smetiska dejín, okrem iného tvrdila, že „prostredie modifikuje vlastnosti, ktoré potom zdedili nové generácie“. Lamarck bol profesorom zoológie bezstavovcov v Národnom prírodovednom múzeu v Paríži a koncom 18. a začiatkom 19. storočia študoval rôzne organizmy vrátane hmyzu a červov. Bol to on, kto do vedeckého lexikónu uviedol slová „biológia“a „bezstavovce“a bol tiež autorom niekoľkých kníh o biológii, bezstavovcoch a evolúcii. Napriek svojej vynikajúcej vedeckej kariére bol Lamarck so svojimi rúhajúcimi sa evolučnými myšlienkami po dobu nasledujúcich 200 rokov popieraný mnohými súčasníkmi, ako aj vedcami.
Na začiatku bol Lamarck odsúdený ako náboženský kacír a dnes sa jeho meno spomína iba ako vtip, kvôli konzervativizmu vedy a najmä Darwinovej nedotknuteľnej teórii evolúcie. Na konci svojej vedeckej cesty sám Lamarck zmenil svoje presvedčenie: aj bez potvrdenia z oblasti molekulárnej biológie videl, že náhodné zmeny sa nemôžu stať úplným dôkazom jeho teórie.
Otázka znie: ak genetické mutácie nie sú ovplyvnené iba prirodzenou selekciou, aké molekulárne sily formujú celý súbor zmien v znakoch potrebných na dokončenie práce prirodzenej selekcie? Jedno zo záchytných bodov bolo nájdené takmer storočie po tom, čo Darwin predstavil svoju teóriu. V roku 1953, keď James Watson a Francis Crick odhalili záhady DNA a dvojitej špirály, evolučný biológ Conrad Waddington z University of Edinburgh informoval, že vonkajšie chemické podnety alebo zmeny teploty počas embryonálneho vývoja by mohli spôsobiť výskyt rôznych variantov štruktúry krídla v Drosophile. Zmeny, ktoré vedecké činy vyvolali v organizmoch jednej generácie, sa následne preniesli na potomstvo. Aby vysvetlil tento mechanizmus rýchlej zmeny, vytvoril Waddington moderný termín epigenetika. Je potrebné poznamenať, že Waddington si bol vedomý významu svojho objavu pre teóriu evolúcie ešte predtým, ako Watson a Crick odvodili údaje o štruktúre DNA. Zmeny v štruktúre krídel jednej generácie Drosophily potvrdili pôvodné myšlienky heretika Lamarcka. Ukázalo sa, že prostredie je schopné priamo ovplyvniť vlastnosti organizmu.že prostredie môže priamo ovplyvniť vlastnosti organizmu.že prostredie môže priamo ovplyvniť vlastnosti organizmu.
Propagačné video:
Hoci Waddington opísal všeobecnú úlohu epigenetiky, nevedel nič viac o molekulárnych prvkoch a mechanizmoch ako Darwin alebo Lamarck. Ale čím hlbšia molekulárna biológia dekóduje spôsob života, tým zmysluplnejšie sú Waddingtonove a Lamarckove koncepcie. V skutočnosti veľká väčšina environmentálnych faktorov nemôže priamo ovplyvniť molekulárnu sekvenciu DNA, ale reguluje mnoho epigenetických mechanizmov, ktoré kontrolujú funkcie DNA: spúšťajú alebo tlmia expresiu génov, diktujú spôsoby expresie proteínov v bunkách - produkt našich génov.
Dnes existuje presná definícia epigenetiky - je to súbor molekulárnych faktorov, ktoré určujú, ako funguje DNA a ktoré gény sa prejavujú, bez ohľadu na samotnú sekvenciu DNA. Epigenetika zahŕňa množstvo molekulárnych procesov, ktoré významne ovplyvňujú aktivitu genómu bez zmeny DNA sekvencie v samotných génoch.
Jedným z najbežnejších procesov tohto typu je metylácia DNA, keď sú k DNA pripojené molekulárne zložky nazývané metylové skupiny (tvorené metánom), ktoré zapínajú a vypínajú gény a regulujú génovú expresiu. Ukázalo sa, že environmentálne faktory, ako je teplota a emocionálny stres, môžu zmeniť priebeh metylácie DNA a zmeny sa môžu stať súčasťou stáleho programu a môžu sa zdediť nasledujúcimi generáciami. Tento proces je známy ako epigenetická dedičnosť.
Ďalším dôležitým epigenetickým procesom objaveným v posledných rokoch je modifikácia histónu. Históny sú proteíny, ktoré sa viažu na DNA a menia jej štruktúru, a DNA sa zase ovinie okolo histónov, napríklad guľôčky na šnúre. Kombinácia DNA a histónov sa nazýva chromatínové štruktúry a cievky, slučky a laná v chromatíne sú odpoveďou na stres v prostredí, ktorý môže trvalo zmeniť génovú expresiu.
Nedávno vedci zdokumentovali proces metylácie RNA, pri ktorom sú metylové skupiny naviazané na pomocné molekuly, čím sa v nasledujúcich generáciách mení génová expresia a produkcia proteínu. Okrem toho pôsobenie tzv. Nekódujúcich RNA, malých molekúl RNA, ktoré sa viažu na DNA, RNA a proteíny, tiež mení génovú expresiu bez ohľadu na sekvenciu DNA.
Všetky tieto mechanizmy epigenetiky sú kritické a hrajú dôležitú úlohu pri molekulárnej regulácii funkcií DNA. Z toho vyplýva, že biologické normy nikdy nie sú postavené iba na genetických alebo epigenetických procesoch. Naopak, procesy genetiky a epigenetiky sú vzájomne prepojené. Jeden nefunguje bez druhého.
Podľa zákonov epigenetiky, aby zmena mala vplyv na vývoj, musí byť zdedená nasledujúcimi generáciami vo forme sekvencií DNA alebo génových mutácií. Epigenetické dedičstvo však nekoreluje s mnohými Mendelovými zákonmi, ktoré sa vzťahujú na klasickú genetiku alebo nearwinistickú evolučnú teóriu. Podľa týchto pravidiel fungujú DNA sekvencie a gény oddelene, podobne ako častice: počas reprodukcie sú „častice“od jedného rodiča náhodne kombinované s párom od druhého rodiča, čo vedie k vzniku novej sekvencie DNA a novému prejavu dedičných vlastností.
Na rozdiel od toho epigenetická dedičnosť sa vyskytuje, keď zárodočná línia (spermie alebo vajíčko) prenáša epigenetické informácie z jednej generácie na nasledujúcu, a to aj v prípade, že neexistujú priame dlhodobé environmentálne faktory. Tieto faktory, ako je stres v životnom prostredí, sú obzvlášť silné počas embryonálneho vývoja, napríklad v období, keď sa reprodukčné orgány plodu transformujú na semenníky u samcov a vaječníkov u žien, aby sa produkovalo spermie a vajíčka v neskoršom veku. Faktory prostredia v tomto kritickom okamihu môžu skutočne vyvolať trvalé epigenetické zmeny prostredníctvom metylácie DNA, modifikácie histónu a preskupenia nekódujúcich RNA.
V roku 2000 môj tím z University of Washington dostal dôkazy o tejto nengenetickej forme dedičstva a je to celkom presvedčivé. Zistenia, ktoré moja skupina uverejnila vo vede v roku 2005, ukázali, že chemické látky v životnom prostredí môžu podporovať prenos určitých chorôb u troch generácií potkanov a ďalej, a to aj bez dlhodobej expozície. Neskôr, to znamená, že v posledných desiatich rokoch bol tento jav dokumentovaný mnohými laboratóriami pre rôzne druhy. Jedným z príkladov je správa Grahama Burdgeho a jeho tímu na University of Southampton vo Veľkej Británii o tom, ako nadmerné kŕmenie potkanov spôsobilo príchod epigenetických metabolických porúch pre tri generácie.
V ďalšej práci Sibum Sung a jeho kolegovia z University of Texas v Austine zistili, že sucho a kolísanie teploty spôsobujú epigenetický vývoj rastlín, čo vedie k generáciám zmien v ich raste a kvitnutí. Podľa viacerých štúdií môže environmentálny stres prispieť k epigenetickým zmenám, ktoré sa prenášajú na ďalšie generácie a spôsobiť u nich patológie. Nedávna štúdia Gerlinde Metza a jej kolegov z University of Lethbridge v Kanade ukázala, že keď boli tehotné potkany uväznené alebo nútené plávať, došlo k epigenetickým škodám, ktoré ohrozovali novorodencov. Tento generický stres spustil reťaz epigenetického dedičstva abnormalít v priebehu niekoľkých generácií pozdĺž línie stresovanej ženy. Úloha environmentálneho stresu pri epigenetickom dedičstve chorôb počas niekoľkých generácií je v súčasnosti podporená niekoľkými ďalšími štúdiami.
Epigenetická dedičnosť pod vplyvom faktorov prostredia sa pozoruje u rastlín, hmyzu, rýb, vtákov, hlodavcov, ošípaných a ľudí. Ide teda o veľmi pretrvávajúci jav. Ukázalo sa, že epigenetická transgeneračná dedičnosť rôznych fenotypových znakov a chorôb sa vyskytuje vo väčšine organizmov najmenej v desiatich generáciách a najrozsiahlejšie štúdie študovali stovky generácií rastlín. Napríklad aj Carl Linnaeus v 18. storočí si všimol, že kvitnutie v rastlinách môže byť spôsobené zvýšením teploty, a neskôr sa ukázalo, že je to kvôli modifikáciám metylácie DNA v prvej rastline v reťazci a znak pretrváva stovky generácií. U červov sa príznaky spôsobené zmenami vo výžive vyskytujú už viac ako 50 generácií. U cicavcovkaždá generácia, ktorá žije dlhšie, sme zistili odchýlky od normy spôsobené vplyvom toxínov, ktoré sa šíria do nasledujúcich desiatich generácií. Väčšina týchto štúdií ukazuje, že transgeneračné vlastnosti pokračujú skôr ako degenerujú. Aj pri Waddingtonovom experimente s muchy to bola otázka 16 generácií a všetky mali zmenené vlastnosti, ktoré sa naďalej prenášajú z jednej generácie na druhú do dnešného dňa.ktoré sa naďalej prenášajú z jednej generácie na druhú dodnes.ktoré sa naďalej prenášajú z jednej generácie na druhú dodnes.
Zmeny životného prostredia doslova menia biológiu, čo je do značnej miery v súlade s Lamarckovým predpokladom. Aj keď je expozícia krátkodobá, medzi generáciami sa prenášajú biologické modifikácie, ktoré sa prejavujú v určitých vlastnostiach alebo chorobách.
Životné prostredie hrá v evolúcii zásadnú úlohu. V darwinovskom zmysle určuje, ktorí jednotlivci a druhy prežijú v neodpustiteľnom stroji prirodzeného výberu. Priamy vývoj a biológia však môže mať priamy vplyv aj veľké množstvo faktorov životného prostredia, tj prostredníctvom epigenetiky: vlastnosti tela sa môžu meniť pod vplyvom teploty alebo svetla alebo v závislosti od výživových parametrov, ako je diéta s vysokým obsahom tukov alebo obmedzenie kalórií. Fenotypové zmeny a zdravie môžu ovplyvniť rôzne chemikálie a toxíny z rastlín a životného prostredia všeobecne.
Jeden príklad, ktorý sme študovali v našom laboratóriu, zahŕňal chemické účinky na variabilitu príznakov a chorôb. Skúmali sme schopnosť toxínu vinclozolínu, najbežnejšie používaného fungicídu v poľnohospodárstve, ovplyvňovať vlastnosti epigenetickými zmenami. Najprv sme týmto fungicídom vystavili gravidnú samicu potkana, potom sme čakali tri generácie na potomstvo, ktoré už toxín nepoužívali. Takmer všetci muži vykazovali pokles počtu a životaschopnosti spermií as vekom prípady neplodnosti. Pozorovali sme tiež celý rad ďalších chorobných stavov u mužov aj žien, tri generácie oddelené od priameho vystavenia toxínu. Medzi tieto stavy patrili abnormality vo fungovaní semenníkov, vaječníkov, obličiek, prostaty, prsných žliaz a mozgu. Zodpovedajúce epigenetické zmeny v spermiách znamenajú zmeny v metylácii DNA a expresii nekódujúcich RNA.
Naša štúdia ukázala, že vystavenie toxínu vinclozolínu viedlo k sexuálnemu výberu o tri generácie dopredu. Na pozorovanie sexuálneho výberu alebo preferencie kamarátov, ktorá sa považuje za hlavnú hnaciu silu evolúcie od predloženia teórie Darwin, dostali ženy z iných vrhu možnosť vybrať si medzi potomkami vystaveného jednotlivca a ostatnými mužmi. V drvivej väčšine prípadov si ženy vybrali tých, ktorým chýbali epigenetické transgeneračné zmeny, to znamená muži, ktorých predkovia neboli toxínom ovplyvnení. Inými slovami, vplyv fungicídu navždy zmenil epigenetiku spermií potomstva, čo zase naznačuje dedičnú povahu charakteristík sexuálneho výberu, ktorá, ako viete,usiluje sa o zníženie šírenia génov v populácii a priamo ovplyvňuje vývoj v mikroevolučnom meradle.
V ďalšej nedávnej štúdii sme sa dotkli makroevolučnej stupnice evolúcie - špekulácie. Jedným z klasických príkladov špekulácie sú Darwinove peny na Galapágoch. Skupina lastúr rovnakého druhu vyprodukovala šestnásť nových druhov, ktoré sa líšili vo veľkosti a mali variabilitu v iných vlastnostiach, ako je napríklad štruktúra zobáka. Náš tím sa rozhodol preskúmať päť rôznych druhov. Sledovali sme mutácie sekvencie DNA od jedného druhu k druhému, ale počet epigenetických zmien v metylácii DNA (epimutácie) bol vyšší a viac korelovaný s fylogenetickou vzdialenosťou medzi druhmi (rodokmeň). Aj keď sa v súčasnosti kladie väčší dôraz na novararvinské genetické koncepcie, naše zistenia naznačujú, že epigenetika zohráva úlohu pri špekuláciách a vývoji darwinovských plesní.
Uznávanie úlohy epigenetiky v evolúcii stále rastie. Jedna zaujímavá štúdia porovnáva neandertálsku a ľudskú DNA a jasne ukazuje, že pokiaľ ide o zmeny v metylácii DNA v genómoch, genetické rozdiely sú výrazne menej výrazné ako epigenetické. Stručne povedané, spojenie ne Lamarckovských a neararvinských konceptov do jednej teórie poskytuje omnoho efektívnejší molekulárny základ pre vývoj.
Evolúcia je ovplyvňovaná neararwinskými aj ne Lamarckovskými mechanizmami a zdá sa, že sú úzko späté. Keďže environmentálna epigenetika môže zvýšiť variabilitu znakov v jednej populácii, rozširuje možnosti prírodného výberu, v ktorých všetky ostatné dominujú adaptívne vlastnosti. Klasická novodarvinská evolúcia vychádza z genetickej mutácie a variácie génov ako primárneho molekulárneho mechanizmu, ktorý vytvára diverzitu. K týmto mechanizmom sa pridáva fenomén epigenetiky, ktorý priamo zvyšuje počet variácií znakov, čo zvyšuje šance na to, aby sa prostredie stalo prostredníkom v procese vývoja a prirodzeného výberu.
Kritickým dodatočným faktorom pre nás je schopnosť epigenetík zmeniť stabilitu genómu, a teda priamo indukovať tie genetické mutácie, ktoré sa pozorujú v biológii rakoviny. Takéto genetické mutácie zahŕňajú variácie počtu kópií (počet opakovaní krátkej sekvencie DNA) a bodové mutácie (zmeny v jednotlivých nukleotidoch mimo sekvencie DNA) v nasledujúcich generáciách. Je známe, že takmer všetky genetické mutácie majú epigenetické prekurzory - zmeny, ktoré zvyšujú stupeň citlivosti na mutácie. Pozorovali sme, ako priamy vplyv životného prostredia v prvej generácii nespôsobil genetické mutácie, ale viedol k epigenetickým zmenám a v nasledujúcich generáciách sa zistil nárast počtu genetických mutácií. Keďže epigenetika je spojená s variabilitou oboch znakov,tak tiež s mutáciami zrýchľuje motor evolúcie, ktorý samy od seba nemôžu urobiť darwinovské mechanizmy.
Mnohé sú skeptické voči zjednotenej teórii evolúcie, najmä vo svetle paradigmy genetického determinizmu, ktorý ovplyvňuje biologické disciplíny už viac ako 100 rokov. Genetický determinizmus vníma DNA ako základný stavebný blok biológie a sekvenciu DNA ako konečnú kontrolu na molekulárnej úrovni.
Pravdepodobne magickou postavou genetického determinizmu bolo sekvenovanie ľudského genómu, ktorého účelom bolo poskytnúť presvedčivé dôkazy o nadradenosti génu. Podľa predpovedí mali štúdie zamerané na celý genóm identifikovať biologické markery normálnych a abnormálnych fenoménov života a zdôrazniť predpoklady chorôb. Po príchode sekvencovania sa však nepotvrdila hlavná hypotéza genetického determinizmu - tvrdenie, že väčšina ľudskej biológie a chorôb sa dá interpretovať pomocou hranolu genetiky.
Genetika bola študovaná mnohými generáciami vedcov a verejnosti, ale len málo z nich sa obrátilo na relatívne novú vedu epigenetiky: v praxi sa začlenenie epigenetiky do štúdia molekulárnych prvkov biológie a evolúcie stretlo s opozíciou. Watson, ktorý zohral úlohu pri objavovaní štruktúry DNA, a Francis Collins, ktorých práca pri sekvenovaní genómu DNA bola významná, spočiatku spochybňovali dôležitosť epigenetického faktora, ale dnes sú obe strany výhodnejšie. Francis Collins je teraz vedúcim amerických národných ústavov zdravia. Nie je však prekvapujúce, že po 100 rokoch genetického determinizmu mnohí odolávajú zmenám paradigmy.
Mesiac potom, čo som predložil zjednotenú teóriu evolúcie a ktorá bola uverejnená v Genómovej biológii a evolúcii v roku 2015, David Penny z Massey University New Zealand navrhol, že epigenetika je jednoducho genetická zložka o zdedených vlastnostiach. Ďalšie nedávne publikácie, ako napríklad článok Emmy Whitelaw z austrálskej La Trobe University, spochybňujú koncepciu Lamarckovskej epigenetickej dedičnosti u cicavcov.
Napriek opozícii som presvedčený, že sme dosiahli bod, v ktorom hrozí zmena paradigmy. Uznanie, že epigenetika zohrávala úlohu pri evolúcii, nespochybňuje význam genetiky. Ten, kto berie do úvahy neo-Lamarckovské myšlienky, vôbec nespochybňuje klasickú neo-darwinovskú teóriu. Uznané učenia sú dôležité a presné, ale sú to časti širšieho a podrobnejšieho materiálu, ktorý rozširuje naše porozumenie integráciou všetkých našich pozorovaní do súvislého celku. Zjednotená teória ukazuje, ako prostredie súčasne ovplyvňuje fenotypovú diverzitu a zjednodušuje prirodzený výber, ako je znázornené na obrázku vyššie.
Stále viac evolučných biológov prejavuje rastúci záujem o úlohu epigenetiky, už bolo vytvorených množstvo matematických modelov, ktoré kombinujú genetiku a epigenetiku do jedného systému, a táto práca sa vyplatila so záujmom. Pohľad na epigenetiku ako komplementárny molekulárny mechanizmus pomáha porozumieť javom, ako je napr. Génový drift, genetická asimilácia (keď je vlastnosť vyvinutá v reakcii na podmienky prostredia v génoch zakódovaná), a dokonca aj teória neutrálnej evolúcie, podľa ktorej sa vyskytuje väčšina zmien nie ako reakcia na prirodzený výber, ale náhodou. Zavedením rozšíreného molekulárneho mechanizmu pre pozorovanie biológmi nové modely vytvárajú hlbší, jemnejší a presnejší scenár celkového vývoja.
Dohromady tieto údaje od nás vyžadujú, aby sme prehodnotili starý štandard, genetický determinizmus, pri hľadaní medzier. V roku 1962 Thomas Kuhn navrhol, že keď sa v súčasnej paradigme objavia anomálie, je potrebné venovať pozornosť novým poznatkom: tak sa rodí vedecká revolúcia.
Zjednotená teória evolúcie by mala kombinovať neararvinské a ne Lamarckiánske aspekty, aby sme lepšie porozumeli tomu, ako prostredie ovplyvňuje vývojový proces. Pre Darwina nie je možné zľavu Lamarckovho príspevku spred 200 rokov. Naopak, musí sa to zohľadniť, aby sa vytvorila presvedčivejšia a komplexnejšia teória. Podobne nemožno na genetiku a epigenetiku pozerať ako na konfliktné oblasti, naopak, mali by sa kombinovať s cieľom získať širšiu škálu molekulárnych faktorov as ich pomocou vysvetliť, čo riadi náš život.