Darwinova teorija evolucije prirodnim odabirom je nepotpuna bez doprinosa antiheroja Lamarcka
Velik dio suvremene biologije temelji se na teoriji Charlesa Darwina o evoluciji kao procesu prirodne selekcije, kada priroda odabire najjače i najprikladnije organizme za reprodukciju, povećanje populacije i opstanak. Taj se proces naziva i prilagodbom, a adaptivni su one osobine koje pomažu tijelu da preživi bolje od ostalih. Kako se nove modifikacije organizama mijenjaju i ukorijenjuju, vrste se pojavljuju i razvijaju. U 1850-im, kada je Darwin opisao motor prirodne selekcije, temeljni molekularni mehanizmi još nisu bili poznati. Ali napredak genetike i molekularne biologije prošlog stoljeća nagovijestio je osnovna načela moderne ne-darvinističke teorije o tome kako evolucija funkcionira: DNK sekvence mutiraju nasumično,i oni organizmi čiji je DNK najbolje prilagođen okolišu množe se i dominiraju. Ove vrste prevladavaju dok se okolišni uvjeti ne počnu mijenjati i motor evolucije ne pokrene ponovno.
Ali ako pretpostavimo da i drugi molekularni mehanizmi igraju ulogu u razvoju vrsta, tada se ovo objašnjenje evolucije čini nepotpunim. Problem s Darwinovom teorijom je taj da vrste razvijaju prilagodljivija svojstva (koja se u biologiji nazivaju fenotipovima), brzina kojom se događaju slučajne mutacije u nizovima DNK je prespora da bi se objasnila mnoge promatrane promjene. Znanstvenici koji dobro poznaju ovaj problem sugeriraju niz kompenzacijskih genetskih mehanizama: nanošenje gena, kada se dogodi ozbiljna genetska promjena unutar male skupine organizama, ili epistaza, kada jedan skup gena potiskuje drugi. A to su samo dva od mnogih primjera.
Ali čak i ako se imaju u vidu ovi mehanizmi, stopa genetske mutacije među složenim organizmima kao što su ljudi znatno je niža od stope promjene niza svojstava, od metaboličke regulacije do otpornosti na bolest. Brzo očitovanje raznih osobina teško je objasniti samo metodama klasične genetike i ne-darvinističke teorije. Citiram eminentnog evolucijskog biologa Jonathana BL Barda, parafrazirajući TS Eliota: "Sjena je pala između fenotipa i genotipa."
Problematične točke Darwinove teorije nadilaze teoriju evolucije i šire se na druga područja biologije i biomedicine. Na primjer, ako su naše osobine određene nasljednošću, zašto onda identični blizanci s istim setom gena imaju različite bolesti? I zašto je samo mali broj (često manje od 1%) oboljelih od specifičnih bolesti zajedničke genetske mutacije? Ako je stopa mutacija slučajna i ujednačena, zašto se onda udio mnogih bolesti povećao deset puta u samo nekoliko desetljeća? Zašto stotine vrsta onečišćenja iz okoliša mijenjaju okolnosti nastanka bolesti, ali ne i slijed DNK oboljelih? U evoluciji i biomedicini stopa stvaranja odstupanja od fenotipskih osobina mnogo je veća od stope genetskih promjena i mutacija, ali zašto?
Neke odgovore možete pronaći u idejama Jean-Baptiste Lamarcka, objavljenim 50 godina prije objave Darwinova djela. Lamarckova teorija, odavno otišla na otpadni dio povijesti, tvrdila je, između ostalog, da "okoliš mijenja svojstva koja su potom naslijedile nove generacije". Lamarck je bio profesor zoologije beskralježnjaka u Nacionalnom prirodoslovnom muzeju u Parizu, a krajem 18. i početkom 19. stoljeća proučavao je razne organizme, uključujući insekte i crve. Upravo je on uveo riječi "biologija" i "beskralježnjaci" u znanstveni leksikon, a bio je i autor nekoliko knjiga o biologiji, beskralježnjacima i evoluciji. Unatoč uglednoj znanstvenoj karijeri, Lamarck je svojim bogohulnim evolucijskim idejama demantirao mnoge suvremenike, ali i znanstvenike sljedećih 200 godina.
U početku je Lamarck bio osuđen kao religiozni heretik, a u naše se vrijeme njegovo ime pamti samo kao šala, zbog konzervativizma znanosti, a posebno Darwinove nepovredive teorije evolucije. Na kraju svog znanstvenog puta sam Lamarck promijenio je svoja uvjerenja: čak i bez potvrde iz područja molekularne biologije, vidio je da nasumične promjene ne mogu postati potpun dokaz njegove teorije.
Pitanje je ovo: ako na genetske mutacije ne utječe samo prirodna selekcija, koje su onda molekularne sile koje oblikuju čitav niz promjena svojstava potrebnih za dovršavanje prirodne selekcije? Jedan od tragova pronađen je gotovo stoljeće nakon što je Darwin predstavio svoju teoriju. 1953. godine, kad su James Watson i Francis Crick otkrivali misterije DNK i dvostruke spirale, evolucijski biolog Conrad Waddington sa Sveučilišta u Edinburghu izvijestio je da vanjski kemijski podražaji ili promjene temperature tijekom embrionalnog razvoja mogu uzrokuju pojavu raznih varijanti strukture krila u Drosophili. Promjene koje su znanstvenikovi postupci uzrokovali u organizmima jedne generacije naknadno su preneseni na potomstvo. Kako bi objasnio ovaj mehanizam brzih promjena, Waddington je skovao moderni termin epigenetika. Treba napomenuti da je Waddington bio svjestan važnosti svog otkrića za teoriju evolucije, čak i prije nego što su Watson i Crick izvukli podatke o strukturi DNK. Promjene u strukturi krila jedne generacije Drosophila potvrdile su izvorne ideje heretika Lamarcka. Pokazalo se da je okoliš u stanju izravno utjecati na karakteristike organizma.da okolina može izravno utjecati na karakteristike organizma.da okolina može izravno utjecati na karakteristike organizma.
Promotivni video:
Iako je Waddington opisao opću ulogu epigenetike, o molekularnim elementima i mehanizmima nije znao više od Darwina ili Lamarcka. Ali što dublja molekularna biologija dekodira način na koji funkcionira život, Waddingtonovi i Lamarckovi koncepti postaju smisleniji. Zaista, velika većina okolišnih čimbenika ne može izravno utjecati na molekularni slijed DNA, ali oni reguliraju mnoge epigenetske mehanizme koji kontroliraju funkcije DNA: pokreću ili ugašaju ekspresiju gena, diktiraju načine ekspresije u proteinima u stanicama - proizvod naših gena.
Danas postoji precizna definicija epigenetike - to je skup molekularnih faktora koji određuju kako se DNA funkcionira i koji se geni manifestiraju, bez obzira na sam DNK slijed. Epigenetika uključuje brojne molekularne procese koji značajno utječu na aktivnost genoma bez promjene DNK sekvence u samim genima.
Jedan od najčešćih procesa ove vrste je metilacija DNA, gdje se molekularne komponente koje se nazivaju metilne skupine (sastavljene od metana) vežu na DNA, čime se geni uključuju i isključuju i reguliraju ekspresiju gena. Pokazano je da okolišni čimbenici, poput temperature i emocionalnog stresa, mogu promijeniti tijek metilacije DNA, a promjene mogu postati dio trajnog programa i početi nasljeđivati sljedeće generacije. Taj je postupak poznat kao epigenetsko nasljeđivanje.
Drugi važan epigenetski proces otkriven posljednjih godina je modifikacija histona. Histoni su bjelančevine koje se vežu za DNK i mijenjaju njegovu strukturu, a DNA se, pak, omota oko histona poput kuglica na struni. Kombinacija DNK i histona naziva se kromatinska struktura, a zavojnice, petlje i užad u kromatinu odgovor su na stres u okolišu koji može trajno promijeniti ekspresiju gena.
U novije vrijeme, znanstvenici su dokumentirali postupak metilacije RNA u kojem se metilne skupine vežu na pomoćne molekule, mijenjajući ekspresiju gena i proizvodnju proteina u sljedećim generacijama. Uz to, djelovanje takozvanih nekodirajućih RNA, malih RNA molekula koje se vežu na DNA, RNA i proteine, također mijenja ekspresiju gena bez obzira na slijed DNK.
Svi su ovi mehanizmi epigenetike kritični i igraju važnu ulogu u molekularnoj regulaciji funkcija DNA. Iz toga proizlazi da se norme biologije nikada ne grade samo na genetskim ili samo na epigenetskim procesima. Naprotiv, procesi genetike i epigenetike isprepleteni su. Jedno ne funkcionira bez drugog.
Prema zakonima epigenetike, da bi promjena imala utjecaja na evoluciju, moraju je naslijediti sljedeće generacije u obliku DNA sekvence ili mutacije gena. Ali epigenetsko nasljeđivanje nije u korelaciji s mnogim Mendelovim zakonima koji se primjenjuju na klasičnu genetiku ili neo-darvinističku evolucijsku teoriju. Prema tim pravilima, DNK sekvence i geni funkcioniraju odvojeno, poput čestica: tijekom reprodukcije "čestice" jednog roditelja se nasumično kombiniraju s parom od drugog roditelja, što dovodi do pojave novog slijeda DNK i nove manifestacije nasljednih osobina.
Suprotno tome, epigenetsko nasljeđivanje nastaje kada klice (sperma ili jaje) prenose epigenetske informacije s jedne generacije na drugu, čak i bez izravnih dugoročnih čimbenika okoliša. Ovi čimbenici, poput stresa u okolišu, posebno su snažni tijekom embrionalnog razvoja, na primjer, u razdoblju kada se reproduktivni organi fetusa pretvore u testise u mužjaka i jajnika u ženki, kako bi u kasnijoj dobi mogli stvoriti spermu i jajašce. Zaista, okolišni čimbenici u ovom kritičnom trenutku mogu izazvati trajne epigenetske promjene pomoću metilacije DNA, modifikacija histona i preuređenja nekodirajućih RNA.
2000. godine moj tim sa Sveučilišta u Washingtonu dobio je dokaze za ovaj negenetski oblik nasljeđivanja, i to prilično uvjerljivo. Nalazi, koje je moja grupa objavila u časopisu Science 2005., pokazali su da kemikalije u okolišu mogu poticati prijenos određenih bolesti u tri generacije štakora i šire, čak i bez dužeg izlaganja. Kasnije, to jest u posljednjih deset godina, ovaj su fenomen dokumentirali mnogi laboratoriji za razne vrste. Jedan primjer je izvješće Grahama Burdgea i njegovog tima sa Sveučilišta u Southamptonu u Velikoj Britaniji o tome kako su prekomjerno hranjenje štakora uzrokovale epigenetske poremećaje metabolizma u tri naredne generacije.
U drugom su radu Sibum Sung i kolege sa Sveučilišta u Teksasu u Austinu otkrili da suša i fluktuacije temperature uzrokuju epigenetsku evoluciju biljaka, što dovodi do generacije promjena u rastu i cvatnji. Prema brojnim istraživanjima, stres u okolišu može pridonijeti epigenetskim promjenama koje se prenose na sljedeće generacije i uzrokovati patologije. Nedavno istraživanje Gerlinde Metz i njezinih kolega sa Sveučilišta u Lethbridgeu u Kanadi pokazalo je da se, kada su trudnički štakori zatvoreni ili prisiljeni na plivanje, dogodi epigenetska oštećenja koja prijete novorođenčadi. Ovaj generički stres pokrenuo je lanac epigenetskog nasljeđivanja abnormalnosti u nekoliko generacija duž linije stresne žene. Uloga ekološkog stresa u epigenetskom nasljeđivanju bolesti tijekom nekoliko generacija sada podržava nekoliko drugih studija.
Epigenetsko nasljeđivanje pod utjecajem čimbenika okoliša uočava se kod biljaka, insekata, riba, ptica, glodavaca, svinja i ljudi. Dakle, riječ je o vrlo postojanoj pojavi. Pokazano je da se epigenetsko transgeneracijsko nasljeđivanje različitih fenotipskih osobina i bolesti javlja kod većine organizama u najmanje deset generacija, a najopsežnije studije proučavale su stotine biljnih generacija. Primjerice, čak je i Carl Linnaeus u 18. stoljeću primijetio da cvjetanje u biljkama može biti uzrokovano porastom temperature, a kasnije se ispostavilo da je to posljedica modifikacija DNA metilacije u prvoj biljci u lancu, a osobina traje stotinu generacija. Znakovi uzrokovani promjenama u prehrani kod crva proširuju se na 50 generacija. U sisavacaod kojih svaka generacija živi dulje, otkrili smo odstupanja od norme uzrokovana utjecajem toksina, proširivši se na sljedećih deset generacija. Većina tih studija pokazuje da se transgeneracijske osobine nastavljaju, a ne degeneriraju. Čak je i u Waddingtonovom eksperimentu s muhama bilo riječ o 16 generacija, i svi su imali izmijenjena svojstva koja se i danas prenose s jedne generacije na drugu.koji se i danas prenose s jedne generacije na drugu.koji se i danas prenose s jedne generacije na drugu.
Promjene okoliša doslovno mijenjaju biologiju i to se uvelike podudara s Lamarckovom pretpostavkom. Čak i ako je izloženost kratkotrajna, biološke izmjene koje se očituju u određenim osobinama ili bolestima prenose se između generacija.
Okoliš igra esencijalnu ulogu u evoluciji. U darvinskom smislu određuje koji će pojedinci i vrste preživjeti u neumoljivom stroju prirodne selekcije. Ali velik broj okolišnih čimbenika također može izravno utjecati na evoluciju i biologiju, tj. Pomoću epigenetike: svojstva tijela mogu se mijenjati pod utjecajem temperature ili svjetlosti ili kao odgovor na prehrambene parametre poput dijeta s visokim udjelom masti ili ograničenja kalorija. Razne kemikalije i toksini iz biljaka i okoliša općenito mogu utjecati na fenotipske promjene i zdravlje.
Jedan primjer koji smo proučavali u našem laboratoriju uključivao je kemijske učinke na promjenjivost znakova i bolesti. Ispitali smo sposobnost toksina vinclozolin, najčešće korištenog fungicida u poljoprivredi, da utječe na svojstva epigenetskim promjenama. Prvo smo izložili trudnicu, pacovu, ovom fungicidu, nakon čega smo čekali tri generacije njezinog potomstva, koji više nije koristio toksin. Gotovo svi muškarci pokazali su smanjenje broja i održivosti spermatozoida, a s godinama su slučajevi neplodnosti. Također smo primijetili brojna druga bolesna stanja i kod muškaraca i kod žena, tri generacije odvojene od izravnog izlaganja toksinu. Među tim stanjima bile su abnormalnosti u funkcijama testisa, jajnika, bubrega, prostate, mliječnih žlijezda i mozga. Odgovarajuće epigenetske promjene spermatozoida podrazumijevaju promjene u metilaciji DNA i ekspresiji nekodirajućih RNA.
Naše istraživanje pokazalo je da izloženost toksinu vinklozolinu dovodi do seksualnog odabira tri generacije ispred. Da bi se promatrao seksualni odabir ili sklonost braka, što se smatra glavnom pokretačkom evolucijom otkad je Darwin predstavio svoju teoriju, ženkama iz drugih legla je data mogućnost izbora između muškog potomstva izložene jedinke i drugih mužjaka. Žene su u ogromnoj većini slučajeva izabrale one kojima nedostaju epigenetske transgeneracijske promjene, odnosno mužjake čiji preci nisu bili pogođeni toksinom. Drugim riječima, utjecaj fungicida zauvijek je promijenio epigenetiku sperme potomstva, što zauzvrat ukazuje na nasljednu karakteristiku spolnog odabira koja, kao što znate,nastoji smanjiti širenje gena u populaciji i izravno utječe na evoluciju na mikroevolucijskoj razini.
U drugom nedavnom istraživanju dotakli smo se makroevolucijske ljestvice evolucije - specifikacije. Jedan od klasičnih primjera specifikacije su Darwinove ličinke na Galapagoskim otocima. Skupina tipova iste vrste proizvela je šesnaest novih vrsta koje su se razlikovale po veličini i imale varijabilnost u drugim osobinama, poput strukture kljuna. Naš tim odlučio je istražiti pet različitih vrsta. Pratili smo mutacije DNK sekvenci od jedne do druge vrste, ali je broj epigenetskih promjena metilacije DNA (epimutacija) bio veći i koreliraniji s filogenetskom udaljenostom između vrsta (rodovnica). Iako je trenutačno veći naglasak na neo-darvinističkim genetskim konceptima, naša otkrića sugeriraju da epigenetika igra ulogu u specifikaciji i evoluciji Darwinovih ljudova.
Prepoznavanje uloge epigenetike u evoluciji i dalje raste. Jedno zanimljivo istraživanje uspoređuje neandertalsku i ljudsku DNK i jasno pokazuje da su genetske razlike izrazito manje izražene od onih epigenetskih u vezi s promjenama metilacije DNA u genima. Ukratko, kombiniranje neo-Lamarckianovih i neo-darvinskih koncepata u jednu teoriju daje mnogo učinkovitiju molekularnu osnovu za evoluciju.
Na evoluciju utječu i neo-darvinski i neo-lamarški mehanizmi, a čini se da su usko povezani. Doista, budući da epigenetika okoliša može povećati varijabilnost osobina unutar jedne populacije, to proširuje mogućnosti prirodne selekcije, u kojoj adaptivne osobine dominiraju nad svim ostalim. Klasična ne-darvinistička evolucija temelji se na genetskoj mutaciji i varijaciji gena kao primarnog molekularnog mehanizma koji stvara raznolikost. Ovim mehanizmima dodaje se fenomen epigenetike, koji izravno povećava broj varijacija osobina, što povećava šanse da okoliš postane posrednik u procesu evolucije i prirodne selekcije.
Kritično dodatno razmatranje za nas je sposobnost epigenetike da promijeni stabilnost genoma i na taj način izravno inducira one genetske mutacije koje su promatrane u biologiji raka. Takve genetske mutacije uključuju varijacije broja kopija (broj ponavljanja kratkog DNK sekvence) i točkaste mutacije (promjene pojedinačnih nukleotida izvan DNK sekvence) u sljedećim generacijama. Poznato je da gotovo sve genetske mutacije imaju epigenetske prekursore - promjene koje povećavaju stupanj osjetljivosti na mutacije. Promatrali smo kako izravni utjecaj okoliša u prvoj generaciji nije uzrokovao genetske mutacije, već je doveo do epigenetskih promjena, a u kasnijim generacijama nađeno je povećanje broja genetskih mutacija. Budući da je epigenetika povezana s obje varijabilnosti osobina,pa i sa mutacijama ubrzava motor evolucije, što darvinski mehanizmi ne mogu sami učiniti.
Mnogi su sumnjičavi prema jedinstvenoj teoriji evolucije, posebno u svjetlu paradigme genetskog determinizma, koja djeluje na biološke discipline više od 100 godina. Genetski determinizam DNK gleda kao temeljni blok biologije, a slijed DNK kao krajnju kontrolu na molekularnoj razini.
Vjerojatno je čarobna figura genetskog determinizma bila sekvenciranje ljudskog genoma, čija je svrha bila pružiti konačne dokaze o primatu gena. Prema predviđanjima, studije za čitav genom trebale su identificirati biološke markere normalnih i nenormalnih životnih pojava i istaknuti preduvjete za nastanak bolesti. Ali nakon pojave sekvenciranja, glavna hipoteza genetskog determinizma - tvrdnja da se većina ljudske biologije i bolesti može protumačiti kroz prizmu genetike - nije potvrđena.
Genetiku su proučavale mnoge generacije znanstvenika i javnosti, ali malo se njih okrenulo relativno novoj znanosti o epigenetiki: u praksi se uključivanje epigenetike u proučavanje molekularnih elemenata biologije i evolucije susrelo s protivljenjem. I Watson, koji je igrao ulogu u otkriću strukture DNK, i Francis Collins, čiji je rad na sekvenciranju DNA genoma bio značajan, u početku su dovodili u pitanje važnost epigenetskog faktora, ali danas su obojica povoljnija. Francis Collins sada je šef Nacionalnog instituta za zdravstvo SAD-a. Međutim, nije iznenađujuće da se nakon 100 godina genetskog determinizma mnogi opiru promjenama paradigme.
Mjesec dana nakon što sam iznio jedinstvenu teoriju evolucije i ona je objavljena u časopisu Genome Biology and Evolution 2015., David Penny sa Sveučilišta Massey u Novom Zelandu sugerirao je da je epigenetika jednostavno genetska komponenta naslijeđenih osobina. Ostale nedavne publikacije, poput članka Emme Whitelaw sa australijskog sveučilišta La Trobe, osporavaju koncept Lamarckijevog epigenetskog nasljeđivanja kod sisavaca.
Unatoč protivljenju, uvjeren sam da smo došli do točke u kojoj je promjena paradigme neminovna. Priznanje da je epigenetika igrala ulogu u evoluciji ne opovrgava važnost genetike. Tko uzme u obzir neamarckijske ideje, uopće ne postavlja izazov klasičnoj ne-darvinističkoj teoriji. Prepoznata učenja važna su i točna, ali ona su dijelovi šireg i detaljnijeg materijala koji proširuju naše razumijevanje integrirajući sva naša zapažanja u koherentnu cjelinu. Objedinjena teorija pokazuje kako okoliš istovremeno utječe na fenotipsku raznolikost i pojednostavljuje prirodni odabir, kao što je prikazano na gornjem dijagramu.
Sve više i više evolucijskih biologa pokazuje sve veće zanimanje za ulogu epigenetike, već su stvoreni brojni matematički modeli koji spajaju genetiku i epigenetiku u jedinstveni sustav, a ovaj se rad isplatio sa zanimanjem. Gledanje epigenetike kao komplementarnog molekularnog mehanizma pomaže razumjeti pojave poput genskog odljeva, genetske asimilacije (kada se svojstvo razvijeno kao odgovor na okolinske uvjete završi kodirano u genima), pa čak i teoriju neutralne evolucije, prema kojoj se događa većina promjena. ne kao odgovor na prirodnu selekciju, nego slučajno. Uvođenjem proširenog molekularnog mehanizma promatranja od strane biologa, novi modeli stvaraju dublji, finiji i precizniji scenarij evolucije u cjelini.
Zajedno, ovi podaci zahtijevaju da ponovno razmotrimo stari standard, genetski determinizam, u potrazi za prazninama. Thomas Kuhn je 1962. godine sugerirao da kada se pojave anomalije u trenutnoj paradigmi, potrebno je obratiti pažnju na nova saznanja: tako se rađa znanstvena revolucija.
Jedinstvena teorija evolucije trebala bi kombinirati ne-darvinističke i neo-lamarkijske aspekte kako bi proširila naše razumijevanje utjecaja okoline na evolucijski proces. Poradi Darwina, Lamarckov doprinos prije više od 200 godina ne može se isključiti. Naprotiv, mora se uzeti u obzir kako bi se stvorila uvjerljivija i sveobuhvatnija teorija. Isto tako, genetika i epigenetika ne mogu se promatrati kao sukobljena područja, naprotiv, treba ih kombinirati kako bi se dobio širi spektar molekularnih faktora i uz njihovu pomoć objasniti što pokreće naš život.