Darwinova teorija evolucije z naravno selekcijo je nepopolna brez prispevka antiheroja Lamarcka
Veliko sodobne biologije temelji na teoriji Charlesa Darwina o evoluciji kot procesu naravne selekcije, ko narava izbere najmočnejše in najbolj prilagojene organizme za razmnoževanje, povečanje populacije in preživetje. Ta proces imenujemo tudi prilagajanje, prilagodljive pa so tiste lastnosti, ki telesu pomagajo, da preživi bolje kot drugi. Ko se nove modifikacije organizmov spreminjajo in koreninijo, se pojavljajo in razvijajo vrste. V 1850-ih, ko je Darwin opisal motor naravne selekcije, osnovni molekularni mehanizmi še niso bili znani. Toda napredek genetike in molekularne biologije prejšnjega stoletja je orisal osnovna načela sodobne novo-darvinistične teorije o tem, kako deluje evolucija: zaporedja DNK mutirajo naključno,in organizmi, katerih DNK je najbolje prilagojen okolju, se množijo in prevladujejo. Te vrste prevladujejo, dokler se okoljski pogoji ne začnejo spreminjati in se motor evolucije znova zažene.
Če pa predpostavimo, da pri razvoju vrst igrajo vlogo tudi drugi molekularni mehanizmi, potem se ta razlaga evolucije izkaže za nepopolno. Težava Darwinove teorije je, da čeprav vrste razvijajo bolj prilagodljive lastnosti (v biologiji jih imenujemo fenotipi), je hitrost, v kateri se naključne mutacije pojavljajo v zaporedjih DNK, prenizka, da bi pojasnila številne opažene spremembe. Znanstveniki, ki dobro poznajo to težavo, predlagajo številne kompenzacijske genetske mehanizme: gensko raznašanje, kadar pride do resnih genetskih sprememb znotraj majhne skupine organizmov, ali epistazo, ko en niz genov zavira drugega. In to sta le dva od mnogih primerov.
Toda tudi če imamo v mislih te mehanizme, je stopnja genske mutacije med zapletenimi organizmi, kot je človek, znatno nižja od stopnje spremembe v različnih lastnostih, od presnovne regulacije do odpornosti na bolezni. Hitro manifestacijo najrazličnejših lastnosti je težko razložiti le z metodami klasične genetike in neo-darvinistične teorije. Če citiram uglednega evolucijskega biologa Jonathana BL Barda, če parafraziram TS Eliota: "Senca je padla med fenotip in genotip."
Problematične točke Darwinove teorije presegajo teorijo evolucije in segajo na druga področja biologije in biomedicine. Na primer, če naše lastnosti določa dednost, zakaj imajo istovetni dvojčki z istim naborom genov navadno različne bolezni? In zakaj je le malo število (pogosto manj kot 1%) obolelih zaradi specifičnih bolezni skupne genetske mutacije? Če je stopnja mutacij naključna in enotna, zakaj se je delež številnih bolezni v nekaj desetletjih desetkrat povečal? Zakaj stotine vrst onesnaževanja okolja spreminjajo okoliščine nastanka bolezni, ne pa zaporedja DNK obolelih? V evoluciji in biomedicini je stopnja tvorbe odstopanj od fenotipskih lastnosti veliko višja od hitrosti genetskih sprememb in mutacij, toda zakaj?
Nekaj odgovorov je mogoče najti v idejah Jean-Baptiste Lamarcka, objavljenih 50 let pred objavo Darwinovega dela. Lamarckova teorija, ki je že zdavnaj zašla v smetnjak zgodovine, je med drugim trdila, da "okolje spreminja lastnosti, ki jih nato podedujejo nove generacije." Lamarck je bil profesor zoologije nevretenčarjev v Nacionalnem prirodoslovnem muzeju v Parizu, v poznem 18. in začetku 19. stoletja pa je raziskoval številne organizme, vključno z žuželkami in črvi. Prav on je v znanstveni leksikon vnesel besedi "biologija" in "nevretenčarji", bil pa je tudi avtor več knjig o biologiji, nevretenčarjih in evoluciji. Kljub svoji ugledni znanstveni karieri je Lamarck s svojimi bogokletnimi evolucijskimi idejami mnoge sodobnike in znanstvenike v naslednjih 200 letih zanikal.
Sprva je bil Lamarck obsojen kot religiozni heretik, danes pa se njegovo ime spominja le kot šala, zaradi konservativnosti znanosti in zlasti Darwinove nedotakljive teorije evolucije. Na koncu svojega znanstvenega potovanja je sam Lamarck spremenil svoja prepričanja: tudi brez potrditve s področja molekularne biologije je videl, da naključne spremembe ne morejo postati popoln dokaz njegove teorije.
Vprašanje je naslednje: če na genske mutacije ne vpliva samo naravna selekcija, kakšne so molekularne sile, ki oblikujejo celoten nabor sprememb lastnosti, potrebnih za dokončanje dela naravne selekcije? Eden od namigov je bil najden skoraj stoletje po tem, ko je Darwin predstavil svojo teorijo. Leta 1953, ko sta James Watson in Francis Crick razkrivala skrivnosti DNK in dvojne vijačnice, je evolucijski biolog Conrad Waddington z univerze v Edinburghu poročal, da lahko zunanji kemični dražljaji ali temperaturne spremembe med embrionalnim razvojem lahko povzročajo pojav različnih različic strukture kril v Drosophili. Spremembe, ki jih je znanstvenik povzročil v organizmih ene generacije, so se nato prenesle na potomce. Za razlago tega mehanizma hitrih sprememb je Waddington skoval sodobni izraz epigenetika. Treba je opozoriti, da se je Waddington zavedal pomena svojega odkritja za teorijo evolucije, še preden sta Watson in Crick podala podatke o strukturi DNK. Spremembe strukture kril ene generacije Drosophile so potrdile prvotne ideje heretičnega Lamarcka. Izkazalo se je, da je okolje sposobno neposredno vplivati na lastnosti organizma.da okolje lahko neposredno vpliva na lastnosti organizma.da okolje lahko neposredno vpliva na lastnosti organizma.
Promocijski video:
Čeprav je Waddington opisal splošno vlogo epigenetike, o molekularnih elementih in mehanizmih ni vedel več kot Darwin ali Lamarck. Toda globlje molekularna biologija dekodira način delovanja življenja, bolj smiselni postanejo Waddingtonovi - in Lamarckovi pojmi. Resda velika večina okoljskih dejavnikov ne more neposredno vplivati na molekularno zaporedje DNK, vendar urejajo številne epigenetske mehanizme, ki nadzorujejo funkcije DNK: sprožijo ali prekinejo izražanje genov, narekujejo načine izražanja v celicah beljakovin - produkta naših genov.
Danes obstaja natančna definicija epigenetike - gre za skupek molekulskih faktorjev, ki določajo, kako deluje DNK in kateri geni se pojavljajo, ne glede na samo zaporedje DNK. Epigenetika vključuje številne molekularne procese, ki pomembno vplivajo na aktivnost genoma brez spreminjanja zaporedja DNK v samih genih.
Eden najpogostejših tovrstnih postopkov je metilacija DNA, pri kateri se na DNK pritrdijo molekularne komponente, imenovane metilne skupine (sestavljene iz metana), ki vklopijo in izklopijo gene in uravnavajo ekspresijo genov. Pokazalo se je, da okoljski dejavniki, kot so temperatura in čustveni stres, lahko spremenijo potek metilacije DNK, spremembe pa lahko postanejo del stalnega programa in začnejo podedovati naslednje generacije. Ta postopek je znan kot epigenetsko dedovanje.
Drug pomemben epigenetski postopek, odkrit v zadnjih letih, je spreminjanje histona. Histoni so beljakovine, ki se pritrdijo na DNK in spremenijo njegovo strukturo, DNK pa se okoli histonov ovije kot kroglice na vrvici. Kombinacija DNK in histonov se imenuje kromatinske strukture, tuljave, zanke in vrvi v kromatinu pa so odziv na stres v okolju, ki lahko trajno spremeni gensko izražanje.
Pred kratkim so znanstveniki dokumentirali postopek metilacije RNA, v katerem so metilne skupine pritrjene na pomožne molekule, ki spreminjajo gensko ekspresijo in proizvodnjo beljakovin v naslednjih generacijah. Poleg tega delovanje tako imenovanih nekodirajočih RNK, majhnih molekul RNA, ki se vežejo na DNK, RNA in beljakovine, tudi spremeni gensko izražanje, ne glede na zaporedje DNK.
Vsi ti mehanizmi epigenetike so kritični in igrajo pomembno vlogo pri molekularni regulaciji funkcij DNK. Iz tega izhaja, da se biološke norme nikoli ne gradijo samo na genetskih ali samo na epigenetskih procesih. Nasprotno, procesi genetike in epigenetike se prepletajo. Eno ne deluje brez drugega.
Da bi sprememba vplivala na evolucijo, jo morajo po zakonih epigenetike podedovati naslednje generacije v obliki sekvenc DNA ali genskih mutacij. Toda epigenetsko dedovanje ni v korelaciji z mnogimi Mendeljevimi zakoni, ki veljajo za klasično genetiko ali novoarvinsko evolucijsko teorijo. Po teh pravilih zaporedja in geni DNK delujejo ločeno, podobno kot delci: med reprodukcijo se "delci" enega starša naključno kombinirajo s parom od drugega starša, kar vodi v nastanek novega zaporedja DNK in novo manifestacijo dednih lastnosti.
Nasprotno pa se epigenetsko dedovanje pojavi, ko zarodna linija (sperma ali jajčece) prenaša epigenetske informacije iz generacije v generacijo, tudi če neposrednih dolgoročnih okoljskih dejavnikov ni. Ti dejavniki, kot so okoljski stres, so še posebej močni med embrionalnim razvojem, na primer v obdobju, ko se reproduktivni organi ploda pri samcih preoblikujejo v testise, pri moških in jajčnikih, da bi lahko kasneje proizvajali semenčice in jajčeca. Dejansko lahko okoljski dejavniki v tem kritičnem trenutku povzročijo trajne epigenetske spremembe z metilacijo DNA, modifikacijo histona in preurejanjem nekodiranih RNK.
Leta 2000 je moja ekipa na Washingtonski univerzi prejela dokaze za to negenetsko obliko dedovanja in to je precej prepričljivo. Ugotovitve, ki jih je leta 2005 objavila moja skupina v Science, so pokazale, da kemikalije v okolju lahko spodbujajo prenos nekaterih bolezni pri treh generacijah podgan in tudi podaljšajo, tudi brez daljše izpostavljenosti. Pozneje, torej v zadnjih desetih letih, so ta pojav dokumentirali številni laboratoriji za različne vrste. En primer je poročilo Grahama Burdgeja in njegove ekipe z univerze v Southamptonu v Veliki Britaniji o tem, kako so čezmerne hranjene podgane povzročile epigenetske presnovne motnje v prihodnjih treh generacijah.
V drugem delu so Sibum Sung in kolegi z univerze v Teksasu v Austinu ugotovili, da suša in temperaturna nihanja povzročajo epigenetsko evolucijo rastlin, kar vodi v generacije do sprememb v rasti in cvetenju. Glede na številne študije lahko okoljski stres prispeva k epigenetskim spremembam, ki se prenašajo na naslednje generacije in povzročajo patologije v njih. Nedavna študija Gerlinde Metz in njenih kolegov z univerze v Lethbridgeu v Kanadi je pokazala, da se je pri zaporih ali prisilitvi plavati noseče podgane do epigenetske škode, ki ogroža novorojene otroke. Ta generični stres je sprožil verigo epigenetskega dedovanja nepravilnosti v več generacijah po liniji stresne samice. Vlogo okoljskega stresa pri epigenetskem dedovanju bolezni v več generacijah zdaj podpira več drugih študij.
Epigenetsko dedovanje pod vplivom okoljskih dejavnikov opazimo pri rastlinah, žuželkah, ribah, pticah, glodavcih, prašičih in ljudeh. Torej gre za zelo trden pojav. Pokazalo se je, da se epigenetsko transgeneracijsko dedovanje različnih fenotipskih lastnosti in bolezni pri večini organizmov pojavlja v vsaj desetih generacijah, najobsežnejše raziskave pa so preučile na stotine rastlinskih generacij. Na primer, celo Carl Linnaeus v 18. stoletju je opazil, da lahko cvetenje v rastlinah povzroči zvišanje temperature, kasneje pa se je izkazalo, da je to posledica sprememb metilacije DNK v prvi rastlini v verigi, lastnost pa vztraja že sto generacij. Pri črvih se znaki, ki jih povzročajo spremembe v prehrani, razširijo na 50 generacij. Pri sesalcih oz.vsaka generacija, ki živi dlje, smo odkrili odstopanja od norme, ki jih povzroča vpliv toksinov, in se razširila na naslednjih deset generacij. Večina teh raziskav kaže, da se transgeneracijske lastnosti nadaljujejo in ne degenerirajo. Tudi pri Waddingtonovem poskusu z muhami je šlo za 16 generacij in vse so imele spremenjene lastnosti, ki se še danes prenašajo iz ene generacije na drugo.ki se še danes prenašajo iz generacije v generacijo.ki se še danes prenašajo iz generacije v generacijo.
Spremembe okolja dobesedno spreminjajo biologijo in to je v veliki meri v skladu z Lamarckovo domnevo. Tudi če je izpostavljenost kratkotrajna, se biološke spremembe, ki se kažejo v nekaterih lastnostih ali boleznih, prenašajo med generacijami.
Okolje igra bistveno vlogo pri evoluciji. V darwinskem smislu določa, kateri posamezniki in vrste bodo preživeli v nepremagljivem stroju naravne selekcije. Toda veliko število okoljskih dejavnikov lahko neposredno vpliva tudi na evolucijo in biologijo, torej s pomočjo epigenetike: lastnosti telesa se lahko spremenijo pod vplivom temperature ali svetlobe ali kot odziv na prehranske parametre, kot je prehrana z veliko maščobami ali omejitev kalorij. Različne kemikalije in toksini iz rastlin in okolja na splošno lahko vplivajo na fenotipske spremembe in zdravje.
En primer, ki smo ga preučevali v našem laboratoriju, je vključeval kemične učinke na spremenljivost znakov in bolezni. Preučili smo sposobnost toksina vinklozolin, najpogosteje uporabljenega fungicida v kmetijstvu, da vpliva na lastnosti skozi epigenetske spremembe. Najprej smo nosečnemu samemu podganu izpostavili ta fungicid, po katerem smo tri generacije čakali na njeno potomstvo, ki strupa ni več uporabljal. Skoraj vsi moški so pokazali zmanjšanje števila in sposobnost preživetja semenčic, s starostjo pa primere neplodnosti. Opazili smo tudi številna druga bolezenska stanja pri moških in ženskah, tri generacije, ločene od neposredne izpostavljenosti toksinu. Med temi stanji so bile nepravilnosti v funkcijah testisov, jajčnikov, ledvic, prostate, mlečnih žlez in možganov. Ustrezne epigenetske spremembe spermatozoida povzročajo spremembe metilacije DNA in izražanja nekodiranih RNK.
Naša raziskava je pokazala, da je izpostavljenost toksinu vinklozolinu pripeljala do spolne selekcije tri generacije naprej. Če želite Darwina predstaviti svojo teorijo, so spolne selekcije ali preferenci mate, ki so od predstavitve teorije Darwina glavni gibalni razvoj evolucije, samice iz drugih leglov dobile možnost izbiranja med potomci izpostavljenega posameznika in drugimi samci. V veliki večini primerov so samice izbrale tiste, ki jim primanjkuje epigenetskih transgeneracijskih sprememb, torej samce, katerih predniki niso vplivali na toksin. Z drugimi besedami, vpliv fungicida je za vedno spremenil epigenetiko semenčic potomcev, kar posledično kaže na dedno naravo značilnosti spolne selekcije, ki, kot veste,poskuša zmanjšati širjenje genov v populaciji in neposredno vpliva na evolucijo v mikroevolucijskem obsegu.
V drugi nedavni študiji smo se dotaknili makroevolucijske lestvice evolucije - specifikacije. Eden od klasičnih primerov specifikacije so Darwinove plaze na Galapagoških otokih. Skupina škrapcev iste vrste je proizvedla šestnajst novih vrst, ki so se razlikovale po velikosti in imele variabilnost v drugih lastnostih, kot je struktura kljuna. Naša ekipa se je odločila raziskati pet različnih vrst. Sledili smo mutacijam zaporedja DNK od ene vrste do druge, vendar je bilo število epigenetskih sprememb metilacije DNA (epimutacij) večje in bolj povezano s filogenetsko razdaljo med vrstami (rodovnikom). Čeprav je trenutno več poudarka na ne-darwinovskih genetskih konceptih, naša izsledka kažejo, da ima epigenetika vlogo pri specifikaciji in evoluciji Darwinovih plazilcev.
Priznavanje vloge epigenetike v evoluciji še naprej raste. Ena zanimiva študija primerja neandertalsko in človekovo DNK in jasno kaže, da so genetske razlike izrazito manj izrazite kot epigenetske glede sprememb metilacije DNK v genomih. Skratka, združevanje neo-lamarških in neo-darvinskih konceptov v eno teorijo zagotavlja veliko bolj učinkovito molekularno podlago za evolucijo.
Na evolucijo vplivajo tako neo-darvinski kot neo-lamarški mehanizmi, ki so videti tesno povezani. Ker okoljska epigenetika lahko poveča spremenljivost lastnosti znotraj ene populacije, to širi možnosti naravne selekcije, v kateri prilagodljive lastnosti prevladujejo nad vsemi drugimi. Klasična ne-darvinistična evolucija temelji na genetski mutaciji in variaciji genov kot primarnega molekularnega mehanizma, ki ustvarja raznolikost. Tem mehanizmom je dodan pojav epigenetike, ki neposredno povečuje število variacij lastnosti, kar povečuje možnosti, da okolje postane mediator v procesu evolucije in naravne selekcije.
Ključnega pomena za nas je zmožnost epigenetike, da spremeni stabilnost genoma in s tem neposredno sproži tiste genetske mutacije, ki jih opazimo v biologiji raka. Takšne genetske mutacije vključujejo variacije števila kopij (število ponovitev kratkega zaporedja DNK) in točkovne mutacije (spremembe posameznih nukleotidov zunaj zaporedja DNK) v naslednjih generacijah. Znano je, da imajo skoraj vse genetske mutacije epigenetske prekurzorje - spremembe, ki povečajo stopnjo dovzetnosti za mutacije. Opazili smo, kako neposredni vplivi okolja pri prvi generaciji niso povzročili genetskih mutacij, ampak so privedli do epigenetskih sprememb, v naslednjih generacijah pa je bilo ugotovljeno povečanje števila genetskih mutacij. Ker je epigenetika povezana z obema spremenljivostima lastnosti,tako tudi z mutacijami pospešuje motor evolucije, česar darvinski mehanizmi ne zmorejo sami.
Mnogi so skeptični do enotne teorije evolucije, zlasti glede na paradigmo genetskega determinizma, ki že več kot 100 let vpliva na biološke discipline. Genetski determinizem obravnava DNK kot osnovni gradnik biologije, zaporedje DNK pa kot končni nadzor na molekularni ravni.
Verjetno je bila čarobna figura genetskega determinizma zaporedje človeškega genoma, katerega namen je bil dokončno dokazati primat gena. Po napovedih naj bi raziskave na celotnem genomu identificirale biološke označevalce normalnih in nenormalnih življenjskih pojavov ter izpostavile predpogoje za bolezni. Toda po pojavu zaporedja glavna hipoteza genetskega determinizma - trditev, da je večino človeške biologije in bolezni mogoče razlagati skozi prizmo genetike - ni bila potrjena.
Genetiko so preučevale številne generacije znanstvenikov in javnosti, le redki pa so se obrnili na relativno novo znanost o epigenetiki: v praksi se je vključevanje epigenetike v proučevanje molekulskih elementov biologije in evolucije srečevalo z nasprotovanjem. Tako Watson, ki je igral vlogo pri odkritju strukture DNK, kot tudi Francis Collins, čigar delo pri sekvenciranju genoma DNK je bilo pomembno, sta sprva dvomila o pomembnosti epigenetskega faktorja, danes pa sta oba bolj naklonjena. Francis Collins je zdaj vodja ameriškega Nacionalnega inštituta za zdravje. Vendar ne preseneča, da se mnogi po 100 letih genetskega determinizma upirajo spremembam paradigme.
Mesec dni po tem, ko sem predstavil enotno teorijo evolucije in je bila leta 2015 objavljena v Biokemiji in evoluciji genomov, je David Penny z Univerze Massey na Novi Zelandiji predlagal, da je epigenetika preprosto genetska komponenta dednih lastnosti. Druge novejše publikacije, na primer članek Emme Whitelaw z avstralske univerze La Trobe, oporekajo konceptu Lamarckijevega epigenetskega dedovanja pri sesalcih.
Kljub nasprotovanju sem prepričan, da smo prišli do točke, ko je neizogiben premik paradigme. Priznanje, da je epigenetika igrala pomembno vlogo v evoluciji, ne oporeka pomenu genetike. Kdor upošteva neamarckijske ideje, sploh ne izziva klasične neoarvinistične teorije. Priznani nauki so pomembni in natančni, vendar so del širšega, podrobnejšega gradiva, ki širi naše razumevanje z vključitvijo vseh naših opazovanj v povezano celoto. Poenotena teorija prikazuje, kako okolje hkrati vpliva na fenotipsko raznolikost in poenostavlja naravno selekcijo, kot je prikazano na zgornjem diagramu.
Vse več evolucijskih biologov kaže na vse večje zanimanje za vlogo epigenetike, že so bili ustvarjeni številni matematični modeli, ki združujejo genetiko in epigenetiko v en sam sistem, in to delo se je obrestovalo. Gledanje epigenetike kot komplementarnega molekularnega mehanizma pomaga razumeti pojave, kot so nanos gena, genska asimilacija (ko se lastnost, razvita v odzivu na okoljske razmere, končno šifrira v genih), in celo teorijo nevtralne evolucije, po kateri se zgodi večina sprememb. ne kot odgovor na naravno selekcijo, ampak po naključju. Z uvedbo razširjenega molekularnega mehanizma za opazovanje s strani biologov novi modeli ustvarijo globlji, natančnejši in natančnejši scenarij za celotno evolucijo.
Skupaj od teh podatkov moramo v iskanju vrzeli preučiti stari standard, genetski determinizem. Thomas Kuhn je leta 1962 predlagal, da je treba pri sedanjih paradigmih opozoriti na nova znanja: tako se rodi znanstvena revolucija.
Enotna teorija evolucije bi morala kombinirati ne-darvinistične in neo-lamarške vidike, da bi razširili naše razumevanje, kako okolje vpliva na evolucijski proces. Zaradi Darwinovega mnenja Lamarckovega prispevka pred 200 leti ni mogoče popustiti. Nasprotno, upoštevati ga je treba za oblikovanje bolj prepričljive in celovite teorije. Prav tako na genetiko in epigenetiko ne moremo gledati kot na nasprotujoča si območja, nasprotno, združiti ju je treba, da dobimo širši spekter molekulskih dejavnikov in z njihovo pomočjo razložimo, kaj poganja naše življenje.