8.1: Що таке еволюційна новизна?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3385

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Для дискретних об'єктів і персонажів легко побачити, що є новим або новим. Наприклад, якщо я пішов стрибки з парашутом, це був би новий досвід для мене, так як я ніколи не був стрибки з парашутом раніше. Якщо ми поставимо людину на Марс, це було б новим науковим починанням для людського роду. Однак еволюція часто не працює з дискретними символами, замість цього рядки розмиті і нечіткі. Наприклад, ми можемо вважати крила кажанів новинкою у хребетних, оскільки вони є синопоморфією (спільною, похідною, визначальною характером) у лінії кажанів. Кажани винайшли щось нове - перетинчасті крила. Однак можна також стверджувати, що це просто «функціональне нововведення», тобто розробка існуючої структури для виконання нової функції. У цьому сенсі крила кажана - це просто подовжені передні кінцівки з деякою додатковою шкірою. Так що ж вважається новинкою, саме? Щоб бути прямим щодо цього, насправді немає єдиного визначення, яке можна захистити. Здається, плутанина випливає з наших власних упереджень щодо персонажів, яких ми знаходимо цікавими та «новими», як пір'я, руки та обличчя, які мали різне еволюційне походження та траєкторії.

Враховуючи, що немає жодного узгодженого визначення новизни, можливо, через те, що еволюція не дотримується строгих закономірностей, як взагалі думати про цю тему? У 1963 році Ернст Майр, один із засновників сучасної еволюційної біології, визначив новинку як нову структуру або властивість організму, що дозволяє йому виконувати нову функцію, відкриваючи тим самим нову «адаптивну зону». При цьому новизна дозволяє організму експлуатувати новий екологічний ресурс і повинна привести до адаптивного випромінювання ¹. На головний недолік цього визначення, однак, вказав у 2008 році Массімо Пігліуччі. Він відмітив, що деякі «новинки», як внутрішнє вухо ссавця, не привели до адаптивних випромінювань і при цьому не підпадали б під це визначення ². Ми можемо розширити визначення, включивши будь-який символ, який є унікальним для таксону ³, однак він кидає виклик довірливості розглядати персонажа, як додаткову щетину на антени ракоподібних, як еволюційну новинку. Пігліуччі поєднує ці два визначення, щоб сказати, що новинки - це унікальні персонажі, які визначають таксон, який також має нову функцію у своїй екосистемі. Це означає, що вони не обов'язково призводять до адаптивного випромінювання, але вони все ще збільшують придатність порівняно з родовим станом ². Мені особисто подобається це визначення тим, що воно дає нам дві чіткі речі, які потрібно шукати в новинці: 1) Це насправді нове і 2) Це робить щось для організму. Однак це визначення досить широке і нечітке. Під ним махові пір'я у птахів, новинка, яка дозволила їм піднятися на небо та населяти найвіддаленіші місця на землі, розміщуються на тому ж рівні, що і функціональна мутація білка у бактерії, яка дає їй на 10% більшу здатність перетравлювати пестициди.

Що таке адаптивне випромінювання?

Адаптивне випромінювання - це швидка еволюція лінії для заповнення декількох відкритих екологічних ніш. Одним з найвідоміших адаптивних випромінювань є еволюція галапагоських в'юрків (також званих «Взябликами Дарвіна»). Коли родова популяція в'юрків досягла Галапагоських островів, на островах не було інших подібних видів, з якими можна було б конкурувати. Багаторазові відкриті ніші, як харчування квітучими кактусами, твердими насінням, дрібним насінням та комахами, накладають на птахів руйнівний відбір. Тобто відбирали в'юрків з дзьобами, краще пристосованими до поїдання комах, оскільки в'юрків з дзьобом краще пристосовані до поїдання твердих насіння. В'юрків з проміжними фенотипами (посередніми при поїданні будь-якого джерела їжі) були відібрані проти. Протягом тривалих періодів часу це призвело до видоутворення в'юрків щонайменше на 12 різних видів, кожен з яких експлуатує дещо інший харчовий ресурс.

Зображення з "Подорож Бігля «, суспільне надбання

Один із світил в області еволюційної новизни, Гюнтер Вагнер, створив визначення новизни, яке може допомогти направляти дослідницькі програми. Його визначення більш функціональне і специфічне, ніж інші визначення. За його розрахунком розрізняють два види новинок:

Тип I, нова частина тіла, яка не є строго гомологічною до інших частин тіла і
Тип II, новий варіант на частині тіла, який дозволяє нову функцію.

Новинка типу II включала б еволюцію плавників у морських ссавців - це лише реконфігурація існуючої частини тіла. У випадку новинок типу II гомологія родових частин тіла зрозуміла, у I типу це не повинно бути ⁴. За цим визначенням ми повинні вирішити, що ми вважаємо переконливою новизною, а що вважаємо переконливими доказами. Наприклад, ми можемо вирішити, що молочні залози - отримані від волосяних залоз - є новими, оскільки ми особисто відчуваємо, що вони мають достатньо відмінностей від волосяних залоз, щоб бути незалежними еволюційними одиницями, але вирішити, що блискучі луски гарфіш (ганоїдальні луски) занадто схожі на стандартну риб'ячу луску для підрахунку. В останньому випадку ми ігноруємо нові сполуки, які створюють блиск.

Вагнер вирішив проблему використання нашої власної точки зору, щоб вирішити, що вважається новинкою чи ні, визначивши новинки як пов'язані з новими основними ген-регуляторними мережами (GRN). Позиційна інформація може відрізнятися між видами (див. Приклад бікоїдів!) але ця еволюційно змінна позиційна інформація зчитується еволюційно стабільним ядром-GRN. Це ядро-GRN визначає тканину шляхом активації «генів-реалізаторів», іноді званих «структурними генами». Це гени, які роблять бізнес, надаючи органу його функціональні властивості. Цей ген-реалізатор-вихід, як і позиційна інформація, також мінливий. Реалізатор-гени можуть бути модифіковані шляхом адаптації до локальних середовищ ^4,5. Оскільки ядро-GRN є стабільним компонентом генетики, що лежить в основі розвитку нового органу, новий Core-GRN таким чином пов'язаний з дійсно новим органом.

Хоча мені справді подобається це визначення через його простоту - щоб зрозуміти, як виникає новизна, ми просто йдемо за тими новими Core-GRN, які визначають новинку - у нього є свої слабкі сторони. Технічна слабкість полягає в тому, що ми не можемо бути впевнені в генах, які складають GRN з нашою сучасною технологією. Наприклад, легко можна пропустити ген при секвенуванні транскриптом або для пластичних програм розвитку, щоб компенсувати ген, який ми CRISPR вийшли з генома. Більш філософська слабкість полягає в тому, що в нашій власній зарозумілості дуже легко змістити межі того, що ми вважаємо ядо-GRN, і однаково легко ігнорувати докази того ж або подібного ядра-GRNS в явно негомологічних тканині (наприклад, взаємодія Notch/Hes, будучи ядра-GRN в негомологічних сегментація у деяких аннелід, членистоногих та хребетних). Тим не менш, з'являється все більше доказів того, що, принаймні в деяких випадках, ми можемо пов'язати новий орган з романом Core-GRN ⁴.

Наразі ми спробуємо взяти найкраще з усіх цих визначень, щоб вивчити деяких цікавих персонажів, які еволюціонували в різних групах. Ми навіть можемо спробувати визначити їх як нові (чи ні) за цими визначеннями. Ми розглянемо порівняльну біологію розвитку та генетика декількох ключових «інновацій» (термін, який має відношення до функції, а не відмінності). У цьому розділі ми розглянемо одну ектодермальну новизну, крила комах.