Skrivnost izvora in razvoja življenja se razkrije po zaslugi računalniških modelov
Evolucija je zelo počasna, zato so laboratorijska opazovanja ali poskusi tukaj skoraj nemogoči. Evolucionisti z Univerze v Michiganu so se s pomočjo evolucijskega simulatorja odločili, da se bodo izognili tej težavi in ugotovili razloge za opaženo zapletenost videza in oblik živih bitij. O tej študiji govori "Lenta.ru".
Evolucijski biologi se še vedno sprašujejo o kompleksnosti bioloških organizmov in kakšno vlogo pri tem igrajo različni evolucijski mehanizmi. Eden od teh mehanizmov je naravna selekcija, zaradi katere se širijo nove različice (aleli) genov, ki prispevajo k preživetju posameznih nosilcev. To lahko pojasni zapletenost živih organizmov, čeprav ne vedno. Včasih naravna selekcija prepreči spremembe tako, da ohrani tisto, kar ima žival že. V tem primeru govorimo o stabilizaciji naravne selekcije.
Eksperimentalno je bilo dokazano, da je naravna selekcija res eden glavnih vzrokov evolucijskih sprememb, vključno s širjenjem novih prilagoditvenih lastnosti v populaciji. Ameriški biolog Richard Lenski je na primer postavil dolgoročni eksperiment o evoluciji Escherichia coli. Poskus se je začel leta 1988 in traja še danes. Znanstveniki so spremljali spremembo 60 tisoč generacij E. coli in ugotovili, da so bakterije, ki se prej niso mogle prehraniti z natrijevim citratom, to sposobnost pridobile zaradi mutacij več genov. To jim je dalo evolucijsko prednost med bakterijami, ki so rasle na medijih, bogatih s citrati.
Drugi evolucijski dejavnik je velikost populacije. Manjša je populacija, močnejši je učinek naključnih procesov. Naravna nesreča lahko na primer privede do smrti vseh posameznikov z novimi aleli in naravna selekcija z njimi ne bo mogla več sodelovati. To se imenuje genski zamik in z vsakim zmanjšanjem števila živali (manj kot 104 posamezniki) v populaciji se odmik poveča in oslabi vpliv selekcije.
V molekularni evoluciji, ki preučuje evolucijske mehanizme na ravni genov in njihovih alelov, je vloga genetskega avtostopa in odnašanja dobro znana. Številne mutacije, ki vodijo do pojava novih genskih alelov, ostajajo nevtralne. To pomeni, da nova lastnost bodisi ne nastane, žival pa se ne spremeni navzven ali pa nova lastnost na noben način ne vpliva na telesno pripravljenost posameznika. Širjenje gena z nevtralno mutacijo in s tem lastnosti je naključno (odmik gena). Možna je tudi druga možnost. Neprilagodljivi mehanizmi prispevajo k kopičenju nevtralnih mutacij v populaciji, kar lahko kasneje povzroči nastanek prilagodljivih lastnosti.
Prikaz genskega odnašanja: vsakič, ko naključno število rdečih in modrih kroglic prenesemo iz pločevinke v kozarec, posledično "zmagajo" kroglice iste barve
Promocijski video:
Slika: Wikipedia
Velikost populacije živali, v kateri se širijo novi aleli, je zelo pomembna za razvoj kompleksnosti. Odvisno od tega, koliko vpliva naravna selekcija ali odmik genov. Kompleksnost se lahko razvije zaradi dejstva, da se pri številni populaciji pojavijo številne koristne mutacije, ki jim je naklonjena naravna selekcija. Večja kot je populacija, več takšnih mutacij. Ali pa se v velikih populacijah oblikujejo številne kopične nevtralne mutacije, od katerih je le nekaj odgovornih za nekatere zunanje lastnosti. Te lastnosti prispevajo k kompleksnosti organizma.
Včasih evolucija pride do neke vrste slepe ulice. Paradoksalno je, da so včasih potrebne negativne mutacije. Predstavljajte si, da je bitje najbolj primerno za njegovo okolje. Recimo, da je to morska žival z racionaliziranim telesom in optimalno velikimi plavutmi. Vsaka sprememba grozi, da bo porušila ravnotežje in telo bo izgubilo svojo popolnost. Na primer, povečanje plavuti bo postalo breme, žival bo izgubila pred svojimi kolegi in naravna selekcija takšni spremembi ne bo dala zelene luči. Če pa se zgodi strašna nevihta in večina "popolnih" posameznikov umre, bo prišel v poštev genski zamik. Omogočili bodo ne le pomanjkljivim genom velikih plavuti, ampak tudi odprli prostor za nadaljnji razvoj. Posamezniki si lahko sčasoma povrnejo optimalne plavuti ali pa izgubo nadomestijo z nekaterimi drugimi koristnimi lastnostmi.
Prebivalstvo, ki se povzpne na "hrib" evolucijske pokrajine, postane bolj prilagodljivo, medtem ko vrh hriba ustreza evolucijski "slepi ulici"
Slika: Randy Olson / Wikipedia
Za opazovanje vsega tega so potrebna zelo dolga časovna obdobja. Biološke poskuse, ki podpirajo evolucijske teorije, je izredno težko izvesti. Tudi eksperiment Lenskega z E. coli, za katerega je značilna hitra generacija in majhna velikost genoma, je trajal skoraj 30 let. Da bi odpravili to omejitev, so evolucionisti v svojih raziskavah uporabili simulator umetnega življenja Avida, objavljen kot sporočilo za javnost na Arxiv.org. Cilj je bil raziskati, kako velikost populacije vpliva na velikost genoma in celoto vseh lastnosti (fenotipa) posameznika. Za poenostavitev so biologi vzeli populacijo nespolnih organizmov in opazovali "evolucijo v akciji".
Avida je umetni simulator življenja, ki se uporablja za raziskave evolucijske biologije. Ustvarja razvijajoči se sistem samopodvajanja (množenja) računalniških programov, ki so sposobni mutiranja in razvoja. Ti digitalni organizmi imajo analog genoma - cikel navodil, ki jim omogočajo kakršna koli dejanja, vključno z razmnoževanjem. Po upoštevanju določenih navodil se lahko program sam kopira. Organizmi tekmujejo med seboj za omejen vir: čas računalniškega procesorja.
Okolje, v katerem živijo in se razmnožujejo digitalni organizmi, ima omejeno število celic, v katerih so programi. Ko programi zavzamejo ves prostor, nove generacije nadomeščajo stare programe iz naključnih celic, ne glede na njihovo konkurenčnost. Na ta način se doseže digitalni analog genskega odnašanja. Poleg tega digitalni organizmi umrejo, če se po določenem številu ciklov navodil ne razmnožijo uspešno.
Podoba sveta Avida z digitalnimi organizmi, od katerih je vsak samopodvojljiv program
Slika: Elizabeth Ostrowsky / Ostrowsky laboratorij
Da lahko program izvaja navodila, potrebuje sredstva. Ta vir v Avidi je enota SIP (enota za obdelavo navodil), ki omogoča izvajanje samo enega ukaza. Skupaj ima lahko vsak organizem enako število enot SIP, vendar se v vsakem ciklu vir neenakomerno porazdeli med programe - odvisno od lastnosti (analog fenotipa) digitalnih organizmov. Če ima neki organizem boljše lastnosti od drugega, potem prejme več enot SIP in uspe v enem ciklusu izvesti več navodil kot njegov manj uspešen kolega. Skladno s tem se pomnoži hitreje.
Fenotip digitalnega organizma sestavljajo značilnosti njegove "digitalne presnove", ki mu omogočajo (ali ne) izvajanje določenih logičnih izračunov. Te lastnosti svoj obstoj dolgujejo "genom", ki zagotavljajo pravilno zaporedje navodil. Avida preveri, ali telo izvaja operacije pravilno, in mu daje vire glede na količino kode, ki jo je potreboval za izvajanje navodil. Pri kopiranju kode pa se lahko pojavijo napake - vstavljanje nepotrebnih fragmentov ali brisanje (brisanje) obstoječih. Te mutacije spremenijo zmožnost računanja na boljše ali slabše, z vstavki, ki povečajo genom in se delecije zmanjšajo.
Digitalne populacije so priročen predmet raziskovanja. Seveda ne bo mogoče preizkusiti hipotez, povezanih z vplivom genov, epigenetskih in drugih molekularnih in biokemičnih dejavnikov na evolucijo. So pa dobri pri modeliranju naravne selekcije, premikanja in širjenja mutacij.
Raziskovalci so opazovali razvoj digitalnih populacij različnih velikosti, od 10 do 10 tisoč posameznikov, ki so prešli skozi približno 250 tisoč generacij. Med poskusom niso preživele vse populacije, večina skupin 10 posameznikov je izumrla. Zato so znanstveniki simulirali razvoj dodatnih majhnih populacij 12–90 posameznikov, da bi ugotovili, kako je verjetnost izumrtja povezana z razvojem zapletenosti. Izumrlo se je izkazalo zaradi dejstva, da so majhne populacije kopičile škodljive mutacije, kar je privedlo do pojava neživih potomcev.
Znanstveniki so preučili, kako se je velikost genoma spreminjala med poskusom. Na začetku "življenja" vsake populacije je bil genom razmeroma majhen, vključno s 50 različnimi navodili. Najmanjše in največje skupine "organizmov" so do konca eksperimenta dobile največje genome, medtem ko so srednje velike populacije svoje genome skrčile.
Na splošno so rezultati pokazali, da so zelo majhne populacije nagnjene k izumrtju. Razlog za to je lahko "Möllerjeva raglja" - postopek nepovratnega kopičenja škodljivih mutacij v populacijah organizmov, ki niso sposobni spolnega razmnoževanja. Nekoliko večje populacije lahko nepričakovano povečajo velikost genoma zaradi blagih negativnih mutacij, ki organizme "odvrnejo" od optimalnih prilagoditev. Povečanje velikosti genoma pa je privedlo do pojava novih fenotipskih lastnosti in zapleta "videza" digitalnega organizma.
Velike populacije prav tako povečajo velikost genoma in fenotipsko kompleksnost, vendar je to posledica redkih koristnih mutacij. V tem primeru naravna selekcija spodbuja širjenje takšnih sprememb. Obstaja tudi drug način zapletanja: z dvojnimi mutacijami, od katerih je ena nevtralna in ne daje nobenih prednosti, druga pa zagotavlja funkcionalnost prvega. Srednje velike populacije morajo povečati velikost genoma, da razvijejo zapletenost, vendar koristne mutacije pri njih niso tako pogoste, medtem ko močna selekcija odstrani večino prilagoditvenih sprememb genov, premik pa ostaja prešibek. Posledično takšne populacije zaostajajo za majhnimi in velikimi.
Evolucijski simulator ponuja idealen populacijski model in ne opisuje v celoti dogajanja v resnici. Za popolnejše razumevanje vloge prilagodljivih in neadapacijskih mehanizmov pri razvoju kompleksnosti živih organizmov so potrebne nadaljnje raziskave.
Aleksander Enikeev