Эволюционное мастерство
Эволюционные хитрости — это объяснение того, как эволюция происходит в природе. В нем объясняется, что эволюция работает как мастер, который экспериментирует с разными предметами, не будучи уверен в результате, и использует все, что доступно, для создания функциональных объектов, полезность которых может стать очевидной только позже. Ни один из материалов изначально не служит определенной цели, и каждый из них можно использовать по-разному. Согласно концепции мастерства, «эволюция не производит новинки на пустом месте». [1] Он возникает из ранее невиданных ассоциаций старых материалов, которые позволяют модифицировать существующую систему, чтобы придать ей новую функцию, или объединить системы вместе для улучшения функций. [2] Превращение одноклеточных в многоклеточные в ходе эволюции является таким событием, которое выработало существующую функцию.
Процесс эволюционного мастерства занимает довольно много времени. Для дотошного ремесленника, который постоянно совершенствует свои творения, внося коррективы, обрезая и расширяя то тут, то там, используя любую возможность, чтобы постепенно адаптировать их к своим развивающимся целям, этот процесс длится бесчисленные эоны. [1]
В большинстве случаев черты природы едва ли достаточно благоприятны для организмов выживания . Например, RuBisCO крайне неэффективен, несмотря на то, что он катализирует одну из самых важных реакций на планете: фиксацию углерода . Вероятно, это связано с тем, что фермент возник у общего предка всех пластид , когда атмосферные условия резко отличались от сегодняшних. [3]
Франсуа Жакоб
[ редактировать ]В своей основополагающей статье «Эволюция и мастерство» [1] Франсуа Жакоб впервые представил идею мастерства широкой аудитории ученых, опираясь на различные области, такие как молекулярная биология, эволюционная биология и культурная антропология. Концепция мастерства, или, точнее, понятие бриколажа , служит теоретической основой для анализа различных явлений, характеризующихся общим основным процессом: оппортунистической перестановкой и рекомбинацией существующих элементов. Джейкоб и Монада также получили Нобелевскую премию в 1965 году за работу над лаковым опероном . [4]
Инженерия против мастерства
[ редактировать ]Естественный отбор часто сравнивают с работой инженера, однако эта аналогия не соответствует действительности. [5] В отличие от инженера, который действует на основе тщательного планирования и ясного видения конечного продукта, у эволюции нет такого целенаправленного намерения. [6] Кроме того, хотя инженер имеет доступ к тщательно отобранным материалам и специализированному оборудованию, предназначенному для его задач, эволюция полагается на ресурсы, доступные в его окружении.
Более того, творения инженеров имеют тенденцию приближаться к уровню совершенства, достижимому при нынешних технологиях, тогда как эволюция не стремится к совершенству, а скорее напоминает ремесленника. Этот изобретатель, как и эволюция, не имеет точного представления о результате и вместо этого использует любые подручные материалы, чтобы создать что-то функциональное. В то время как инженер зависит от конкретных материалов и инструментов, точно подходящих для его проекта, ремесленник обходится разными отходами и остатками. Получающиеся в результате творения мастера возникают в результате серии оппортунистических событий, обогащая свой репертуар с каждой встречей.
Развитие легких у наземных позвоночных иллюстрирует процесс, похожий скорее на мастерство, чем на целенаправленное проектирование. Он возник у некоторых пресноводных рыб, живущих в среде с дефицитом кислорода, что заставляет их заглатывать воздух и поглощать кислород через стенки пищевода. Со временем такое поведение способствовало увеличению площади поверхности пищевода, что в конечном итоге привело к образованию легочных структур за счет появления и увеличения дивертикулов пищевода. [7]
Мозг . — ключевая адаптивная особенность человека, но его точное предназначение до сих пор остается загадкой Мозг, как и другие части тела, также развивался в результате естественного отбора на протяжении миллионов лет, в первую очередь для удовлетворения наших репродуктивных потребностей. Однако развитие человеческого мозга было более сложным, в отличие от простых эволюционных изменений, таких как превращение ноги в крыло. Это включало добавление новых структур, особенно неокортекса , к старым. Эта быстрая эволюция привела к разделению неокортекса, отвечающего за интеллектуальные функции, и более старых структур, контролирующих эмоциональную и висцеральную деятельность. Этим старым структурам не хватает дискриминационных и символических способностей неокортекса, и они в первую очередь связаны с эмоциями. Несмотря на доминирование неокортекса в интеллектуальных процессах, более старые структуры поддерживают прочные связи с автоматическими центрами, обеспечивая жизненно важные функции, такие как получение пищи и реагирование на угрозы. Этот эволюционный процесс, характеризующийся появлением доминирующей неокортекса наряду с сохранением старых систем, напоминает процесс переделки, когда новые элементы добавляются к существующим, не заменяя их полностью. [8]
Эволюция путем молекулярных манипуляций
[ редактировать ]Джейкоб был убежден, что, хотя морфологический анализ подтверждает его идею бриколажа , можно найти больше свидетельств изменений на молекулярном уровне. [1] [9] Модель «мастерства» предполагает, что гены самых ранних организмов были очень короткими, а все последующие гены образовались путем дупликации , комбинации и реассортации этих исходных последовательностей. [9] [10] Хорошо известно, что дупликация генов на протяжении всей эволюционной истории привела к значительному разнообразию. [11] Один из примеров молекулярных изменений можно найти в митохондриальных нуклеопротеинах , некоторые из которых происходят от эукариот ; в данном случае мастерица использовала все инструменты, которые были в ее распоряжении, включая материалы из совершенно другой таксономической области . [12]
Чтобы понять молекулярные изменения, важно усвоить концепцию белкового домена , который представляет собой отдельную область белка , имеющую определенную форму, которая определяет функцию белка. [3] Некоторые использовали аналогию с блоками Lego , чтобы объяснить: домены можно разбирать и снова соединять уникальными способами, изменяя тем самым форму и функцию белка. [13] Существует множество различных способов, с помощью которых изменения могут привести к молекулярным и фенотипическим новинкам, в первую очередь путем разделения белковых блоков Lego и их повторного соединения в уникальные узоры. Как правило, эти процессы усложняют организационную сложность генома , протеома или того и другого. [3]
Внутреннее дупликация генов
[ редактировать ]Существует несколько форм дупликации генов. Продуктом дупликации целого гена являются две копии гена, тогда как продуктом дупликации гена диплоидного типа является один ген, длина которого удвоилась. Внутренняя дупликация гена приводит к повторению нуклеотидных последовательностей внутри гена, при этом реплицируется менее 100% гена. [3] Поскольку добавление нуклеотидов в последовательность может повлиять на сплайсинг, этот процесс может привести к изменению идентичности интронов и экзонов ; альтернативно, последовательность может сохранять свою первоначальную идентичность как экзон или интрон соответственно. [3] Если дублируется экзон, кодирующий один или несколько доменов, это может напрямую привести к образованию более сложного белка за счет увеличения домена. [3] [14] [15] Эукариотические гены на протяжении всей эволюционной истории часто подвергались внутренней дупликации. [16] Один из примеров можно наблюдать в динуклеотидсвязывающих областях глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы и алкогольдегидрогеназы: дублированный домен способен связываться с большим количеством молекул, чем недуплицированный. [3] Другой — ген овомукоида, который является продуктом двух внутренних дупликаций. [3]
Мозаичные белки
[ редактировать ]Мозаичные белки кодируются химерными генами (или мозаичными генами). Эти гены возникают в результате перетасовки доменов, которая осуществляется посредством перетасовки экзонов , слияния или деления генов. [3] Было обнаружено, что перетасовка доменов, по крайней мере частично, ответственна за некоторые черты современных позвоночных. [17] Большинство доменов имеют лишь небольшое количество применений, в то время как очень немногие домены используются в качестве блоков Lego снова и снова в многодоменных белках. [3] Фенотипические инновации возникают не только в результате создания новых белков, но и в результате изменения экспрессии генов и белок-белковых взаимодействий . [3] Одним из примеров новизны, связанной с перетасовкой доменов, является многоклеточность. [3]
Слияние генов (создание слитого гена путем соединения двух генов) и деление или фрагментация генов, приводящая к разделению одного гена со многими доменами на множество более мелких генов, являются двумя другими молекулярными механизмами, с помощью которых могут образовываться мозаичные белки. [3]
Альтернативный сплайсинг
[ редактировать ]Альтернативный сплайсинг — еще один механизм молекулярных изменений, который может быть ответственен за увеличение разнообразия протеома. [3] Одним из особых видов альтернативного сплайсинга являются вложенные гены , которые производят белки, кодируемые интронами. [3] Было высказано предположение, что вложенные генные структуры могут поддерживаться посредством нейтральных процессов. [3] согласно нейтральной теории эволюции .
Эволюция de novo генов, кодирующих белок, из некодирующей ДНК
[ редактировать ]Генное рождение de novo встречается очень редко. Наиболее вероятный путь от некодирующей ДНК к гену, кодирующему белок, — сначала стать протогеном , подобно тому, как функциональные гены сначала становятся псевдогенами, а затем становятся полностью негенными . [3] Хотя они слишком редки, чтобы заметно увеличить количество белков в данной линии, модель экспериментирования утверждает, что добавление всего лишь нескольких блоков Lego в коллекцию позволяет создать множество новых возможных комбинаций доменов, то есть белков с новыми формами и функциями. [3]
Экзонизация интронов и псевдоэкзонизация экзонов
[ редактировать ]Экзонизация — очень редкое явление, при котором интрон становится экзоном. [3] При псевдоэкзонизации экзон становится нефункциональным; это, в свою очередь, меняет форму и функцию белка. [3]
Потеря генов и унитарные псевдогены
[ редактировать ]Когда селективные ограничения исчезают, гены могут быть потеряны по одному из двух механизмов. Первый – это удаление единственной копии гена. [3] Второй — нефункционализация однокопийного гена; это приводит к образованию унитарного псевдогена , который не имеет функциональных паралогов, сравним с рудиментарными анатомическими структурами и встречается редко из-за своей часто вредоносной природы. [3] В тех редких случаях, когда потеря генов фиксируется в популяции , трудно однозначно сказать, что послужило причиной.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Джейкоб, Франсуа (1977). «Эволюция и мастерство» . Наука . 196 (4295): 1161–1166. Бибкод : 1977Sci...196.1161J . дои : 10.1126/science.860134 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 1744610 . ПМИД 860134 .
- ^ Сэнгер, Мэри Брина; Левин, Мартин А. (1992). «Использование старых вещей по-новому: инновации как пример эволюционного мастерства» . Журнал политического анализа и управления . 11 (1): 88–115. дои : 10.2307/3325134 . ISSN 0276-8739 . JSTOR 3325134 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v Граур, Дэн (2016). «Глава 8: Эволюция путем молекулярных манипуляций». Молекулярная и геномная эволюция . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc., стр. 339–390. ISBN 9781605354699 .
- ^ Моранж, Мишель (23 мая 2013 г.). «Франсуа Жакоб (1920–2013)» . Природа . 497 (7450): 440. Бибкод : 2013Natur.497..440M . дои : 10.1038/497440a . ISSN 0028-0836 . ПМИД 23698437 .
- ^ Дарвин, Чарльз (1900). Происхождение видов / Чарльз Дарвин . Нью-Йорк, Бостон: HM Caldwell Co. doi : 10.5962/bhl.title.959 .
- ^ де Лоренцо, Виктор (декабрь 2018 г.). «Эволюционное мастерство против рациональной инженерии во времена синтетической биологии» . Науки о жизни, общество и политика . 14 (1): 18. дои : 10.1186/s40504-018-0086-x . ISSN 2195-7819 . ПМК 6087506 . ПМИД 30099657 .
- ^ Колье, Камилла; Хирасава, Тацуя; Тацуми, Норифуми; Ябумото, Джошитака; Воин, Питер; Исогай, Сумио; Мацумото, Рёко; Саруватари, Тоширо; Король, Эндрю; Хосино, Масато; Уэсуги, Кентаро; Окабе, Массачусетс; Брито, Пауло М (26 июля 2022 г.). Мой старший, Сигэхиро; Броннер, Марианна Э; Грэм, Энтони; В, Джон А. (ред.). «Эволюция легких у позвоночных и переход из воды на сушу» . электронная жизнь . 11 : e77156. дои : 10.7554/eLife.77156 . ISSN 2050-084X . ПМК 9323002 . ПМИД 35880746 .
- ^ МАКЛИН, ПОЛ Д. (ноябрь 1949 г.). «Психосоматические заболевания и «висцеральный мозг» » . Психосоматическая медицина . 11 (6): 338–353. дои : 10.1097/00006842-194911000-00003 . ISSN 0033-3174 . ПМИД 15410445 .
- ^ Jump up to: а б Маркс, Джон (декабрь 2020 г.). «Франсуа Жакоб: Бриколаж и возможное» . Ноттингемские французские исследования . 59 (3): 333–349. дои : 10.3366/nfs.2020.0294 . ISSN 0029-4586 .
- ^ Грюнберг-Манаго, Марианна; Кларк, Брайан ФК; Захау, Ганс Г., ред. (1989). Эволюционные изменения в экспрессии генов . дои : 10.1007/978-1-4684-5664-6 . ISBN 978-1-4684-5666-0 .
- ^ Граур, Дэн (2016). «Глава 7: Эволюция путем дупликации ДНК». Молекулярная и геномная эволюция . Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, Inc., стр. 273–338. ISBN 9781605354699 .
- ^ Кучей, Мартин; Бутоу, Рональд А. (1 декабря 2007 г.). «Эволюционная работа с митохондриальными нуклеоидами» . Тенденции в клеточной биологии . 17 (12): 586–592. дои : 10.1016/j.tcb.2007.08.007 . ПМИД 17981466 .
- ^ Дас, Судешна; Смит, Темпл Ф (01 января 2000 г.), «Определение набора LEGO природных белков» , Достижения в химии белков , Анализ аминокислотных последовательностей, 54 , Academic Press: 159–183, doi : 10.1016/S0065-3233(00) 54006-6 , ISBN 978-0-12-034254-9 , PMID 10829228 , получено 8 мая 2024 г.
- ^ Кунин, Евгений В.; Аравинд, Л; Кондрашов, Алексей С (9 июня 2000 г.). «Влияние сравнительной геномики на наше понимание эволюции» . Клетка . 101 (6): 573–576. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80867-3 . ПМИД 10892642 .
- ^ Коэн-Гихон, Инбар; Шаран, Родед; Нусинов, Рут (01 июня 2011 г.). «Процессы эволюции и усиления функции грибкового протеома: дупликация генов и перестройка доменов» . Физическая биология . 8 (3): 035009. Бибкод : 2011PhBio...8c5009C . дои : 10.1088/1478-3975/8/3/035009 . ISSN 1478-3975 . ПМК 3140765 . ПМИД 21572172 .
- ^ Летунич, И. (15 июня 2002 г.). «Общая дупликация экзонов у животных и ее роль в альтернативном сплайсинге» . Молекулярная генетика человека . 11 (13): 1561–1567. дои : 10.1093/hmg/13.11.1561 . ПМИД 12045209 .
- ^ Кавасима, Такеши; Кавасима, Шуичи; Танака, Чисаки; Мурай, Михо; Йонеда, Масахико; Патнэм, Николас Х.; Рохсар, Дэниел С.; Канехиса, Минору; Сато, Нори; Вада, Хироши (14 мая 2009 г.). «Перетасовка доменов и эволюция позвоночных» . Геномные исследования . 19 (8): 1393–1403. дои : 10.1101/гр.087072.108 . ISSN 1088-9051 . ПМК 2720177 . ПМИД 19443856 .