50 idei, które powinieneś znać. GENETYKA. Mark Henderson
Читать онлайн книгу.
Selection
1942
Julian Huxley (1887–1975) publikuje pracę Evolution: The Modern Synthesis
Genetyka mendlowska jest obecnie akceptowana jako mechanizm, za pomocą którego zachodzi ewolucja darwinowska. Jednak w czasach ponownego odkrycia teorię Mendla niejednokrotnie uważano za niezgodną z darwinowską. Próby połączenia tych dwóch wielkich idei XIX-wiecznej biologii stały się głównym tematem badań genetycznych początku XX wieku, zarysowując zasady, których podstawy są akceptowane do dziś. Są one obecnie znane jako syntetyczna teoria ewolucji.
Wielu biologów, którzy zwalczali idee mendlowskie, myślało, że jego obraz oddzielnych genów zdaje się wykluczać stopniową ewolucją w drodze doboru naturalnego. Wydawało się, że dziedziczenie mendlowskie nie pozwala na wytworzenie wystarczająco dużej różnorodności dla powolnego procesu doboru potrzebnego do powstawania nowych gatunków. Za to „mutacjoniści” lub „saltationiści” sugerowali, że nagłe znaczne mutacje mogą popychać ewolucję skokowo do przodu.
Należący do konkurencyjnej szkoły biometrycy zgadzali się z Darwinem, że między osobnikami istniała stała różnorodność, ale wyciągali z tego wniosek, że Mendel się mylił. Sądzili, że cechy dziedziczne nie mogą wyjaśnić takiej różnorodności, jeśli informacja genetyczna jest zawarta w samodzielnych jednostkach, które ukryte przez wiele pokoleń mogą pojawić się w nienaruszonej postaci. Zdawało się, że między osobnikami tego samego gatunku jest zbyt wiele różnic, nie mówiąc już o różnych gatunkach, żeby oddzielne geny mogły je wszystkie wyjaśnić.
X-Men
Superbohaterowie komiksu i filmu X-Men mieli uzyskać swe niezwykłe zdolności, takie jak kontrola nad polem magnetycznym u Magneto czy zdolność Burzy do zmiany pogody, przez spontaniczne mutacje genetyczne. Jest to bardzo zabawne i zajmujące, ale naukowo niedorzeczne – i nie dlatego, że same zdolności są niewiarygodne. Opowieść popełnia grzech saltationizmu – wyobrażenia, że ewolucja czyni nagłe skoki, gdy osobniki przechodzą liczne mutacje umożliwiające im robienie nowych rzeczy. Genetycy populacji obalili tę błędną koncepcję na początku XX wieku: ewolucja w rzeczywistości zachodzi poprzez drobne mutacje, które mogą prowadzić do szybkiej zmiany, gdy zostaną poddane selekcji środowiskowej.
Odkrycia Thomasa H. Morgana dotyczące chromosomów zaczęły wyjaśniać, jak Darwin i Mendel mogli działać wspólnie. Jego muchy pokazywały, że same mutacje nie przyczyniają się do powstawania gatunków, ale raczej zwiększają różnorodność populacji, dostarczając puli osobników, o różnych genach, na którą może działać dobór naturalny. Uświadomiło to nowej generacji genetyków, że te dwie teorie mogą z powodzeniem zostać połączone. Aby zdobyć dowody, sięgnięto po nowe narzędzie, matematykę.
Genetyka populacyjna Dla zrozumienia, w jaki sposób dobór naturalny może działać w sposób mendlowski, zasadnicze było wzniesienie się ponad poziom pojedynczych osobników i genów. Udało się to dzięki dwóm istotnym spostrzeżeniom. Przede wszystkim angielski genetyk Ronald Fisher zauważył, że większość cech fenotypowych nie jest warunkowana przez pojedynczy gen w przejrzysty sposób obserwowany dla groszku Mendla, ale mają na nie wpływ kombinacje różnych genów.
Wykorzystał nowe narzędzia statystyczne, aby udowodnić, że taki sposób dziedziczenia może odpowiadać za ogromną różnorodność między osobnikami mierzoną przez biometryków, bez dyskwalifikacji praw Mendla.
Genetycy populacji stwierdzili także, że pojawienie się mutacji, które dają nowe warianty genetyczne, czyli allele, jest zaledwie początkiem procesu ewolucyjnego. Większe znaczenie ma to, w jaki sposób te allele rozprzestrzenią się w obrębie całych populacji. Bardzo duże mutacje, niezwykle ważne według saltationistów, mają niewielkie szanse na rozprzestrzenienie się: jeśli same nie są letalne, zwykle są tak istotne, że tworzą organizm nie pasujący do otaczającego go środowiska. Takie warianty mają mniejsze prawdopodobieństwo przetrwania i rozmnożenia się. Jednakże drobne mutacje, które okazują się korzystne, zaczną powoli dominować w puli genowej, gdyż ich posiadacze będą mieć więcej potomstwa.
Ćma krępak nabrzozak Najsłynniejszym przykładem jest krępak nabrzozak. Przed rewolucją przemysłową w Anglii owady te miały białe, nakrapiane ciała, co stanowiło adaptacyjny kamuflaż pozwalający im się ukryć na tle porostów na pniach drzew. W XIX wieku jednak zanieczyszczenia z młynów Manchesteru i innych ośrodków przemysłowych spowodowały przyczernienie lokalnych drzew i wyginięcie porostów.
Wśród krępaków występują osobniki o ciemnym zabarwieniu, które jest wynikiem mutacji w genie odpowiedzialnym za wytwarzanie barwnika – melaniny. Były one bardzo rzadkie w początku XIX wieku, stanowiąc mniej więcej 0,01% populacji: był to piękny przykład dużej mutacji, która obniżała fitness, gdyż czarna ćma była wyraźnie widoczna, zatem szybko zjadana przez ptaki. Do roku 1848 jednak czarnych było już 2% ciem w okolicach Manchesteru, a do 1895 – 95%. Zmiana środowiska, w którym obecnie dominowały drzewa pokryte sadzą, dała ciemnemu allelowi przewagę adaptacyjną.
Angielski genetyk, J.B.S. Haldane obliczył, że niemal całkowite przejęcie populacji ciem przez ciemny allel wymagałoby, żeby ze względu na swój kolor czarne owady miały szanse przetrwania i rozmnożenia się 1,5 raza większe. Od tamtych czasów matematycy wykazali, że liczebność nosicieli bardzo niewielkich zmian genetycznych tego typu może bardzo szybko się zwiększać, nawet gdy mają one tylko niewielki wpływ adaptacyjny. Dobór naturalny jest potężną maszyną napędzaną przez genetykę.
Specjacja
Jednym z triumfów syntetycznej teorii ewolucji było zrozumienie, w jaki sposób tworzą się nowe gatunki. Istnieją cztery główne mechanizmy, za pomocą których może się to zdarzyć, ale wszystkie one opierają się na częściowej lub całkowitej izolacji dwóch grup populacyjnych. Taka izolacja często jest spowodowana barierą geograficzną taką jak rzeka czy pasmo górskie, i uniemożliwiającą krzyżowanie się między sobą osobników z oddzielonych populacji. Gdy nastąpi izolacja grup, dryf genetyczny spowoduje, że z czasem staną się one coraz mniej do siebie podobne, nawet jeśli nie będzie żadnej presji selekcyjnej. Jeśli populacje te ponownie się spotkają, często będą już tak odmienne, że nie będą mogły się ze sobą krzyżować – stały się oddzielnymi gatunkami.
Dryf genetyczny Dobór naturalny nie jest jedyną metodą, za pomocą której zachodzi ewolucja. Geny mogą także dryfować. Zgodnie z mendlowskim prawem segregacji osobniki mają dwie kopie każdego genu i losowo przekazują po jednej potomstwu. W dużej populacji każdy allel będzie przekazywany kolejnym pokoleniom z częstością, z którą pierwotnie występował, zakładając, że nie działa żadna presja selekcyjna. Jednakże przypadkowość tego procesu oznacza, że mogą dziać się dziwne rzeczy, gdy populacje są małe. Losowe wariacje przy dziedziczeniu mogą spowodować, że jeden wariant genetyczny stanie się częstszy niż inny całkowicie bez udziału doboru naturalnego.
Wyobraźmy sobie gatunek ptaków, który ma dwa allele odpowiedzialne za długość dzioba: długi i krótki, i że wszyscy rodzice w populacji mają po jednej kopii każdego z nich. W dużej populacji każdy allel będzie występował z częstością około 50% w kolejnym pokoleniu, gdyż zaangażowane są w to wielkie liczby. Najbardziej prawdopodobny wynik to rozdział 50–50, jednak mała liczba osobników nie może tego zagwarantować. Jeden allel może zdominować potomstwo tylko dzięki ślepemu szczęściu. Biolodzy nazywają to „efektem założyciela” – pula genowa każdej nowej kolonii kształtowana jest przez losowe genotypy, które zdarzyło się mieć jej założycielom.
Koncepcja dryfu genetycznego wyjaśnia, w jaki sposób dziedziczenie mendlowskie może odpowiadać za różnorodność wewnątrz i międzygatunkową, bez konieczności nagłych skoków mutacyjnych. Nawet w przypadkach, gdy nie zachodzi dobór naturalny, nauka ma inny sposób, w który genetycy mogą wytłumaczyć ewolucję. Dowody, że mendelizm i darwinizm są zgodne, zaczęły dominować.
MYŚL