Теорията на Дарвин за еволюцията чрез естествен подбор е непълна без приноса на антигероя Ламарк
Голяма част от съвременната биология се основава на теорията на Чарлз Дарвин за еволюцията като процес на естествен подбор, когато природата избира най-силните и адаптивни организми за възпроизводство, растеж на населението и оцеляване. Този процес се нарича още адаптация, а адаптивните са тези черти, които помагат на тялото да оцелее по-добре от другите. Тъй като новите модификации на организмите се променят и вкореняват, видове се появяват и развиват. През 1850-те, когато Дарвин описа двигателя на естествения подбор, основните молекулни механизми все още не са били известни. Но напредъкът в генетиката и молекулярната биология от миналия век очертаха основните положения на съвременната неодарвинова теория за това как работи еволюцията: ДНК последователностите мутират произволно, т.е.и онези организми, чиято ДНК е най-добре адаптирана към околната среда, се размножават и доминират. Тези видове преобладават, докато условията на околната среда не започнат да се променят и двигателят на еволюцията отново стартира.
Но ако приемем, че и други молекулярни механизми също играят роля в развитието на видовете, тогава това обяснение на еволюцията се оказва непълно. Проблемът с теорията на Дарвин е, че докато видовете развиват по-адаптивни свойства (наречени фенотипове в биологията), скоростта, с която се появяват случайни мутации в последователностите на ДНК, е твърде бавна, за да отчете много от наблюдаваните промени. Учените, добре запознати с този проблем, предполагат редица компенсаторни генетични механизми: дрейф на гените, когато настъпват сериозни генетични промени в малка група организми, или епистаза, когато един набор от гени потиска други. И това са само два от много примери.
Но дори и предвид тези механизми, скоростта на генетична мутация сред сложни организми като хората е значително по-ниска от степента на промяна в редица черти от метаболитна регулация до резистентност към болести. Бързото проявление на различни черти е трудно да се обясни само с методите на класическата генетика и неодарвинистката теория. За да цитирам именития еволюционен биолог Джонатан БЛ Бард, перифразирайки TS Eliot: "Сянка падна между фенотип и генотип."
Проблемните точки на теорията на Дарвин надхвърлят теорията на еволюцията и се простират в други области на биологията и биомедицината. Например, ако нашите черти се определят от наследствеността, тогава защо еднакви близнаци с един и същ набор от гени са склонни да имат различни заболявания? И защо е така, че само малък брой (често по-малко от 1%) от страдащите от специфични заболявания имат общи генетични мутации? Ако процентът на мутациите е случаен и еднакъв, тогава защо делът на много заболявания се е увеличил десетократно само за няколко десетилетия? Защо стотици видове замърсяване на околната среда променят обстоятелствата на появата на болести, но не и последователността на ДНК на болните? В еволюцията и биомедицината скоростта на формиране на отклонения от фенотипни черти е много по-висока от скоростта на генетични промени и мутации, но защо?
Някои отговори могат да бъдат намерени в идеите на Жан-Батист Ламарк, публикувани 50 години преди публикуването на творбата на Дарвин. Теорията на Ламарк, отдавна отишла на прахообразното пространство на историята, твърди, наред с други неща, че „средата променя свойства, които след това се наследяват от нови поколения“. Ламарк е професор по зоология на безгръбначни в Националния природонаучен музей в Париж, а в края на 18 и началото на 19 век изучава различни организми, включително насекоми и червеи. Именно той въведе думите "биология" и "безгръбначни" в научния лексикон, а също така беше и автор на няколко книги за биологията, безгръбначните и еволюцията. Въпреки изтъкнатата си научна кариера, Ламарк с богохулните си еволюционни идеи беше отречен от много съвременници, както и от учени през следващите 200 години.
Първоначално Ламарк е бил осъден като религиозен еретик, а в наше време името му се помни само като шега, поради консерватизма на науката и особено на неприкосновената теория на еволюцията на Дарвин. В края на научното си пътуване самият Ламарк промени своите убеждения: дори и без потвърждение от областта на молекулярната биология, той видя, че случайните промени не могат да станат пълно доказателство за неговата теория.
Въпросът е следният: ако генетичните мутации не се влияят само от естествения подбор, тогава кои са молекулните сили, които оформят пълния набор от промени в черти, необходими за завършване на работата на естествения подбор? Една от уликите е открита почти век след като Дарвин представи своята теория. През 1953 г., когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик разгадават мистериите на ДНК и двойната спирала, еволюционният биолог Конрад Уадингтън от Университета в Единбург отчита, че външните химически стимули или температурни промени по време на ембрионалното развитие могат да предизвикват появата на различни варианти на структурата на крилата в Drosophila. Промените, които действията на учения причиняват в организмите от едно поколение, впоследствие се предават на потомството. За да обясни този механизъм за бърза промяна, Уодингтън изложи съвременния термин епигенетика. Трябва да се отбележи, че Уодингтън осъзнава значението на своето откритие за теорията на еволюцията, още преди Уотсън и Крик да извадят данни за структурата на ДНК. Промените в структурата на крилата на едно поколение Drosophila потвърдиха първоначалните идеи на еретика Ламарк. Оказа се, че средата е в състояние да влияе пряко върху характеристиките на организма.че околната среда може да влияе пряко върху характеристиките на организма.че околната среда може да влияе пряко върху характеристиките на организма.
Промоционално видео:
Въпреки че Уодингтън описа общата роля на епигенетиката, той не знаеше повече за молекулните елементи и механизми от Дарвин или Ламарк. Но колкото по-дълбока молекулярна биология декодира начина, по който функционира животът, толкова по-смислени стават концепциите на Уодингтън - и Ламарк. Всъщност огромното мнозинство от факторите на околната среда не могат да влияят пряко върху молекулната последователност на ДНК, но те регулират много епигенетични механизми, които контролират функциите на ДНК: те задействат или угасват генната експресия, диктуват начините на експресия в клетките на протеини - продукт на нашите гени.
Днес има точно определение на епигенетиката - това е набор от молекулни фактори, които определят как функционират ДНК и кои гени се проявяват, независимо от самата последователност на ДНК. Епигенетиката включва редица молекулярни процеси, които значително влияят върху активността на генома, без да променят последователността на ДНК в самите гени.
Един от най-често срещаните процеси от този тип е метилирането на ДНК, при което молекулни компоненти, наречени метилови групи (съставени от метан), са прикрепени към ДНК, които включват генерирането и изключването на гените и регулират генната експресия. Доказано е, че факторите на околната среда, като температура и емоционален стрес, могат да променят хода на метилирането на ДНК и промените могат да станат част от постоянна програма и да започнат да се наследяват от следващите поколения. Този процес е известен като епигенетично наследяване.
Друг важен епигенетичен процес, открит през последните години, е модификация на хистон. Хистоните са протеини, които се прикрепят към ДНК и променят структурата му, а ДНК от своя страна се увива около хистоните като мъниста на струна. Комбинацията от ДНК и хистони се нарича хроматинови структури, а намотките, контурите и въжетата в хроматин са отговор на стреса в околната среда, който може да промени трайно генната експресия.
Съвсем наскоро учените документират процеса на метилиране на РНК, при който метиловите групи се прикрепят към помощни молекули, променяйки генната експресия и производството на протеини в следващите поколения. В допълнение, действието на така наречените некодиращи РНК - малки РНК молекули, които се свързват с ДНК, РНК и протеини - също променят генната експресия независимо от последователността на ДНК.
Всички тези механизми на епигенетиката са критични и играят важна роля в молекулярната регулация на ДНК функциите. От това следва, че нормите на биологията никога не се изграждат само върху генетични или само върху епигенетични процеси. Напротив, процесите на генетика и епигенетика са преплетени. Едното не работи без другото.
Според законите на епигенетиката, за да има промяна, която да окаже влияние върху еволюцията, тя трябва да бъде наследена от следващите поколения под формата на ДНК последователности или генни мутации. Но епигенетичното наследяване не корелира с много от законите на Мендел, които се прилагат за класическата генетика или неодарвинистката еволюционна теория. Според тези правила ДНК последователностите и гените функционират отделно, като частици: по време на възпроизвеждането „частиците“от единия родител се произволно комбинират с двойка от другия родител, което води до появата на нова ДНК последователност и нова проява на наследствени черти.
За разлика от тях епигенетичното наследяване възниква, когато зародишната линия (сперма или яйцеклетка) предава епигенетична информация от едно поколение на друго, дори при липса на преки дългосрочни фактори на околната среда. Тези фактори, като екологичния стрес, са особено силни по време на ембрионалното развитие, например в периода, когато репродуктивните органи на плода се трансформират в тестиси при мъже и яйчници при жени, за да се произвеждат сперма и яйца в по-късна възраст. В действителност факторите на околната среда в този критичен момент могат да предизвикат постоянни епигенетични промени чрез метилиране на ДНК, модификации на хистон и пренареждане на некодиращи РНК.
През 2000 г. моят екип от Вашингтонския университет получи доказателства за тази негенетична форма на наследяване и това е доста убедително. Констатациите, които моята група публикува в Science през 2005 г., показаха, че химикалите в околната среда могат да насърчат предаването на определени заболявания при три поколения плъхове и след това, дори и без продължително излагане. По-късно, тоест през последните десет години, това явление е документирано от много лаборатории за различни видове. Един пример е доклад на Греъм Бърдж и неговия екип от Университета в Саутхемптън, Обединеното кралство, как прехранването на плъхове причинява епигенетични метаболитни нарушения за следващите три поколения.
В друга работа Сибум Сунг и колегите му от Тексаския университет в Остин откриха, че сушата и температурните колебания причиняват епигенетична еволюция на растенията, което води до промени в поколенията в техния растеж и цъфтеж. Според редица изследвания екологичният стрес може да допринесе за епигенетични промени, които се предават на следващите поколения и да причинят патологии в тях. Скорошно проучване на Герлинде Мец и нейните колеги от Университета в Летбридж в Канада показа, че когато бременните плъхове са лишени от свобода на движение или принудени да плуват, възникват епигенетични щети, които заплашват новородените. Този генеричен стрес предизвика верига от епигенетично наследяване на аномалии през няколко поколения по линията на стресираната женска. Ролята на екологичния стрес в епигенетичното наследяване на болести през няколко поколения сега се подкрепя от няколко други проучвания.
Епигенетичното наследяване под влияние на факторите на околната среда се наблюдава при растения, насекоми, риби, птици, гризачи, прасета и хора. Следователно, това е много упорито явление. Показано е, че епигенетичното трансгенерационно наследяване на различни фенотипични белези и заболявания се среща в повечето организми поне от десет поколения, а най-обширните изследвания са изследвали стотици растителни поколения. Например, дори Карл Линей през 18 век забеляза, че цъфтежът в растенията може да бъде причинен от повишаване на температурата, а по-късно се оказа, че това се дължи на модификации на метилирането на ДНК в първото растение във веригата, а чертата се запазва в продължение на сто поколения. При червеи признаците, причинени от промени в храненето, се простират над 50 поколения. При бозайницитевсяко поколение от които живее по-дълго, открихме отклонения от нормата, причинени от влиянието на токсините, разпространявайки се в следващите десет поколения. Повечето от тези проучвания показват, че трансгенерационните черти продължават, а не се израждат. Дори в експеримента на Уодингтън с мухи, това беше въпрос на 16 поколения и всички имат променени свойства, които продължават да се предават от едно поколение на друго до днес.които продължават да се предават от едно поколение на друго и до днес.които продължават да се предават от едно поколение на друго и до днес.
Промените в околната среда буквално променят биологията и това до голяма степен съответства на предположението на Ламарк. Дори ако експозицията е краткотрайна, биологичните модификации, които се проявяват в определени черти или заболявания, се предават между поколенията.
Околната среда играе съществена роля в еволюцията. В дарвинистки смисъл той определя кои индивиди и видове ще оцелеят в неумолимата машина на естествения подбор. Но голям брой фактори от околната среда също могат да повлияят директно върху еволюцията и биологията, тоест чрез епигенетиката: свойствата на тялото могат да се променят под влияние на температура или светлина или в отговор на хранителни параметри като диета с високо съдържание на мазнини или ограничаване на калории. Разнообразие от химикали и токсини от растенията и околната среда като цяло могат да повлияят на фенотипните промени и здравето.
Един пример, който проучихме в нашата лаборатория, включваше химическо въздействие върху променливостта на признаците и заболяването. Разгледахме способността на токсина винклозолин, най-често използваният фунгицид в селското стопанство, да влияе на черти чрез епигенетични промени. Първо изложихме бременна женска плъх на този фунгицид, след което изчакахме три поколения нейното потомство, без да използваме токсина. Почти всички мъже показват намаляване на броя и жизнеспособността на сперматозоидите, а с възрастта и случаи на безплодие. Също така наблюдавахме редица други болестни състояния както при мъже, така и при жени, три поколения, отделени от пряко излагане на токсина. Сред тези състояния бяха нарушения във функциите на тестисите, яйчниците, бъбреците, простатата, млечните жлези и мозъка. Съответстващите епигенетични промени в сперматозоидите водят до промени в метилирането на ДНК и експресията на некодиращи РНК.
Нашето проучване показа, че излагането на токсина винклозолин води до сексуална селекция три поколения напред. За да наблюдават сексуалния подбор или предпочитанието на половинката, което се счита за основна движеща сила на еволюцията, откакто Дарвин представи теорията си, на жените от други носилки се дава възможност да избират между потомството на мъжете на открития индивид и други мъже. В преобладаващото мнозинство от случаите жените избират онези, на които им липсват епигенетични трансгенерационни промени, тоест мъже, чиито предци не са били засегнати от токсина. С други думи, влиянието на фунгицида завинаги промени епигенетиката на спермата на потомството, което от своя страна показва наследствеността на характеристиките на сексуалния подбор, която, както знаете,се стреми да намали разпространението на гени в популация и пряко влияе върху еволюцията в микроеволюционен мащаб.
В друго скорошно проучване засегнахме макроеволюционната скала на еволюцията - спецификация. Един от класическите примери за спецификация са перките на Дарвин в Галапагоските острови. Група перки от същия вид произвежда шестнадесет нови вида, които се различават по размер и имат променливост в други черти, като структурата на клюна. Екипът ни реши да изследва пет различни вида. Проследихме мутациите на ДНК последователности от един вид до друг, но броят на епигенетичните промени в метилирането на ДНК (епимутации) беше по-голям и по-корелиращ с филогенетичното разстояние между видовете (родословието). Въпреки че в момента има по-голям акцент върху неодарвиновите генетични концепции, нашите открития предполагат, че епигенетиката играе роля в спецификацията и еволюцията на перчинките на Дарвин.
Признанието за ролята на епигенетиката в еволюцията продължава да расте. Едно интересно проучване сравнява неандерталската и човешката ДНК и ясно показва, че генетичните различия са значително по-слабо изразени от епигенетичните по отношение на промените в метилирането на ДНК в геномите. Накратко, обединяването на нео-ламаркските и неодарвиновите концепции в една теория осигурява много по-ефективна молекулярна основа за еволюцията.
Еволюцията се влияе както от неодарвинския, така и от нео-ламаркския механизми и те изглежда са тясно свързани. Всъщност, тъй като екологичната епигенетика може да увеличи променливостта на чертите в една популация, тя разширява възможностите за естествен подбор, при който адаптивните черти доминират над всички останали. Класическата неодарвинова еволюция се основава на генетична мутация и вариация на гените като основен молекулен механизъм, който създава многообразие. Към тези механизми се прибавя и феноменът на епигенетиката, който пряко увеличава броя на вариациите в чертите, което увеличава шансовете средата да стане посредник в процеса на еволюция и естествен подбор.
Най-важното за нас е способността на епигенетиката да променя стабилността на генома и по този начин директно да индуцира онези генетични мутации, които се наблюдават в биологията на рака. Такива генетични мутации включват вариации на броя на копията (броя повторения на кратка последователност на ДНК) и точкови мутации (промени в отделните нуклеотиди извън ДНК последователността) в следващите поколения. Известно е, че почти всички генетични мутации имат епигенетични предшественици - промени, които увеличават степента на чувствителност към мутации. Наблюдавахме как прякото въздействие на околната среда в първото поколение не предизвиква генетични мутации, а води до епигенетични промени и в следващите поколения се установява увеличение на броя на генетичните мутации. Тъй като епигенетиката е свързана и с двете променливи черти,така също и с мутациите, той ускорява двигателя на еволюцията, което не може да се направи от дарвинистките механизми сами.
Мнозина са скептично настроени към единна теория на еволюцията, особено в светлината на парадигмата на генетичния детерминизъм, която влияе на биологичните дисциплини в продължение на повече от 100 години. Генетичният детерминизъм разглежда ДНК като основен градивен елемент на биологията, а ДНК последователността като краен контрол на молекулярно ниво.
Вероятно вълшебната фигура на генетичния детерминизъм е била последователността на човешкия геном, чиято цел е да предостави категорични доказателства за примата на гена. Според прогнозите проучванията, които обхващат геноми, са били за идентифициране на биологични маркери на нормални и ненормални жизнени явления и подчертаване на предпоставките за заболявания. Но след появата на последователността, основната хипотеза за генетичния детерминизъм - твърдението, че по-голямата част от човешката биология и болести могат да бъдат интерпретирани през призмата на генетиката - не е потвърдена.
Генетиката е изучавана от много поколения учени и обществеността, но малцина са се обърнали към сравнително новата наука за епигенетиката: на практика включването на епигенетиката в изследването на молекулните елементи на биологията и еволюцията срещна противопоставяне. И Уотсън, който изигра роля в откриването на структурата на ДНК, и Франсис Колинс, чиято работа в секвенирането на ДНК генома беше значителна, първоначално поставиха под въпрос значението на епигенетичния фактор, но днес и двамата са по-благоприятно разположени. Франсис Колинс сега е ръководител на Националните здравни институти на САЩ. Въпреки това не е изненадващо, че след 100 години генетичен детерминизъм мнозина се съпротивляват на промените в парадигмата.
Месец след като изложих единна теория за еволюцията и тя беше публикувана през 2015 г. в геномната биология и еволюция, Дейвид Пени от Университета на Маси Нова Зеландия предположи, че епигенетиката е просто генетичен компонент за наследствените черти. Други скорошни публикации, като например статия на Ема Уайтлау от австралийския университет Ла Тробе, оспорват концепцията за епигенетично наследяване на Ламарковски при бозайници.
Въпреки противопоставянето, убеден съм, че стигнахме до момент, в който промяна на парадигмата е предстояща. Признанието, че епигенетиката играе роля в еволюцията, не опровергава значението на генетиката. Всеки, който взема предвид нео-ламаркските идеи, изобщо не предизвиква класическата теория на нео-дарвинистите. Признатите учения са важни и точни, но те са парчета от по-широк, по-подробен материал, който разширява нашето разбиране, като интегрира всички наши наблюдения в едно цялостно цяло. Единната теория показва как средата едновременно влияе върху фенотипното разнообразие и опростява естествения подбор, както е показано на диаграмата по-горе.
Все повече и повече еволюционни биолози проявяват нарастващ интерес към ролята на епигенетиката, вече са създадени редица математически модели, които комбинират генетиката и епигенетиката в една система и тази работа се отплаща с интерес. Разглеждането на епигенетиката като на допълващ молекулен механизъм помага да се разберат явления като отклонение на ген, генетична асимилация (когато черта, развита в отговор на условията на околната среда, се кодира в гените) и дори теорията за неутралната еволюция, според която настъпват повечето промени. не в отговор на естествен подбор, а случайно. С въвеждането на разширен молекулярен механизъм за наблюдение от биолозите, новите модели създават по-дълбок, фин и по-точен сценарий за цялостна еволюция.
Взети заедно, тези данни ни изискват да преосмислим стария стандарт, генетичен детерминизъм, в търсене на пропуски. През 1962 г. Томас Кун предположи, че когато възникнат аномалии в сегашната парадигма, е необходимо да се обърне внимание на нови знания: така се ражда научната революция.
Единната теория на еволюцията трябва да комбинира нео-дарвинински и нео-ламаркски аспекти, за да разшири нашето разбиране за това как околната среда влияе на еволюционния процес. За Дарвин не може да се отхвърли приносът на Ламарк преди повече от 200 години. Напротив, трябва да се вземе предвид, за да се създаде по-убедителна и всеобхватна теория. По същия начин генетиката и епигенетиката не могат да се разглеждат като конфликтни области, напротив, те трябва да се комбинират, за да се получи по-широк спектър от молекулни фактори и с тяхна помощ да се обясни какво движи живота ни.