Результат эволюции по дарвину: Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

Содержание

Ответы | Тема 23. Движущие силы и основные результаты эволюции по Ч. Дарвину — Биология, 11 класс

1.

Ответ: естественный отбор (нужное подчеркните)

2.

Пропущенное слово: естественный отбор.

Основными результатами эволюции, по Ч. Дарвину, являются приспособленность организмов к среде обитания и многообразие видов в природе.

3.

  • а) Пропущенное слово: борьба за существование.
  • б) Пропущенное слово: естественный отбор.

4.

  • а) внутривидовая: между стаями волков за территорию.
  • б) межвидовая: лисицы и мыши-полеки.
  • в) борьба с неблагоприятными условиями: миграция журавлей.

5.

Результаты: приспособленность, многообразие видов. Творческая роль: его ненаправленность, т.е. нет конкретного метода и цели.

6.

Сравнительная характеристика искусственного и естественного отбора

Показатели для сравнения Искусственный отбор Естественный отбор
Отбирающий фактор человек природа
Исходный материал положительные признаки и свойства индивидуальные изменения
Скорость отбора быстрая медленная
Результаты отбора новые породы и сорта новые виды
Сделайте вывод об основных отличиях естественного отбора от искусственного.

Естественный отбор — это длительный ненаправленный процесс, результатом которого является появление нового, более продолжительного вида.

7.

Условия среды такие, что жирафы вынуждены добывать пищу на значительной высоте — появление изменчивости (длинная шея) — наследственное закрепление приспособления — новый вид.


Присоединяйтесь к Telegram-группе @superresheba_11, делитесь своими решениями и пользуйтесь материалами, которые присылают другие участники группы!

Проект «Наука — школе», часть 3 | Санкт-Петербургский научный центр РАН

Генетика, эволюция, человек

С.Г. Инге-Вечтомов, академик РАН, зав. кафедрой генетики и селекции СПБГУ

1. Теория эволюции: от Античности до ЕвросоюзаСовсем недавно (2009 г.) прошел год двойного юбилея Ч.Дарвина [Илл.2]. Исполнилось 200 лет со дня его рождения и 150 лет его труда «О происхождении видов путем естественного отбора или сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Значение этого труда не только в том, что он впервые обосновал естественно-научный принцип эволюционных преобразований. Идея эволюции принадлежит не Дарвину.

Вспомним, например, Тита Лукреция Кара («О природе вещей», I век до нашей эры). Поэма Тита Лукреция Кара (римского поэта и философа 1 в. до н.э.

, продолжателя линии Демокрита-Эпикура): «… И на деревьях плоды не имели бы стойкого вида, Но изменялись бы все произвольно на дереве каждом» говорит он, аргументируя материальную природу наследственности. Попутно отметим, что у Лукреция мы находим и первые представления об изменчивости и, если угодно, даже о естественном отборе:

«…Пробуя все сочетанья и всякие роды движенья,

Тельца первичные так напоследок сошлись, что нежданно

Сделались многих великих вещей постоянной причиной:

Моря, земли, небосвода и всякого рода животных…

… Много земля сотворила уродов, безногих, безруких,

Рта совершенно лишенных, подчас со слепой головою…

Много диковин и чудищ земля создала в этом роде.

Но понапрасну. Природа развитие им преградила,

Сил не хватало у них, чтобы зрелости полной достигнуть,

Чтобы достать себе корм и сходиться для дела Венеры…

…В ту пору многие виды животных должны были сгинуть

И не могли свою жизнь продолжать, размножая потомство.

Виды же те, что доныне вдыхают живительный воздух,

Испокон века от гибели племя свое сохраняют

Хитростью, или отвагой, или же ловким притворством.»

Вот вам и естественный отбор!

Споры о «значении Дарвина» не утихают до сих пор. В этих спорах – два аспекта:

I. Прежде всего, сторонники религиозной точки зрения на происхождение всего сущего, сторонники акта божественного творения, особенно в отношении человека, понимают, что просто не замечать или нацело отрицать Дарвинизм уже очень трудно. Именно здесь подвизаются т.н. креационисты (от creation – творение), пытающиеся подвести «научную» аргументацию под акт божественного творения как альтернативу эволюционной теории, а по сути возвращающие нас в до-дарвиновское состояние. Сам Дарвин получил вполне религиозное воспитание и нелегко пересмотрел свое мировоззрение под влиянием сделанных им наблюдений, которые и легли в основу теории эволюции на основе естественного отбора. Дарвин заменил понятие «Бога» как творца всего сущего и живых существ в том числе, на понятие «естественный отбор» как естественнонаучный принцип постепенного совершенствования живых систем.

Особенно происхождение человека как биологического объекта путем естественного отбора – нанесло сильнейший удар по религиозным предрассудкам о сотворении человека.

Недавно принята «Декларация» Европарламента о запрете преподавания креацианизма в школе — на 2009 г ее подписали 49 государств. Россия на тот момент была последней – 49-й.

II. Второй аспект – Устарел ли Дарвин? Ответ однозначный – нет!

А возникает этот тезис (об устарелости Дарвина), в связи с тем, что мы начинаем все лучше понимать, как происходит эволюция. Значение отбора обычно не подвергается сомнению. Ставится вопрос о механизмах отбора и о том, что отбирается. Споры эти долго еще не утихнут, поскольку эволюция основывается на всех особенностях биологической организации. А все особенности биологической организации мы до сих пор не знаем, хотя биология развивается стремительными темпами. Мы постоянно узнаем много нового. И сейчас мы знаем больше Дарвина, но его теория остается в силе, и, если нам трудно наблюдать ход эволюции (это процесс, идущий в течение миллионов лет), то следствия ее, предсказуемые теорией, вполне доступны экспериментальной проверке.

Подтверждений полно.

2. Чего не хватало Дарвину.

Историческая судьба Дарвинизма интересна сама по себе и весьма поучительна. Остается восхищаться, как Дарвин смог сформулировать свою эволюционную теорию, опираясь на представление о виде, которое до сих пор не сформировалось окончательно. Это лишний раз подчеркивает гениальность Дарвина. Решающую роль в «осовременивании» Дарвинизма, также как и вообще в превращении биологии в точную науку, сыграла генетика. Как удачно выразился профессор МГУ М.М.Асланян, справедливость теории Дарвина стала очевидной особенно с переносом акцента с «происхождения видов» на «происхождение генов».

Собственная судьба генетики полна драматизма. Я при этом не имею в виду судьбу генетики в нашей стране (СССР), поскольку это не столько драматизм, сколько идиотизм с трагическими последствиями. Об этом нужно говорить отдельно. Я имею в виду другое. Рождение генетики – пример драмы научных идей – первого рода. Это – драма преждевременного открытия. Когда в 1865 г Г.И.Мендель [Илл. 3] доложил о своих открытиях на заседании Брюннского общества испытателей природы, его не поняли, «не услышали», не были готовы. И не понимали его исследователи-биологи до 1900 г, когда менделевские законы были переоткрыты в трех разных странах. И не верно говорить, что работу Менделя не знали до 1900 г. Ее цитировала, даже Британская энциклопедия.

Дело — в другом. Должен был подойти фронт науки, что и произошло к 1900 г. Развилась цитология – наука о клетке. Развилась эмбриология – наука об индивидуальном развитии. Законы Менделя должны быть известны присутствующим из школьного курса биологии. [Илл.4] Тут суммированы все три закона Менделя, которые можно наблюдать в индивидуальных скрещиваниях.

3. Союз Дарвинизма и генетики – любовь не с первого взгляда.

Именно генетике суждено было послужить обоснованию и развитию Дарвинизма, приблизиться к механизмам, на которые опирается эволюция. Произошло это, однако, не сразу. И молодой менделизм (начала прошлого века) был активно анти-дарвинистическим. Дело было так.

Напомню, что Дарвин в своем труде рассматривал три важнейших фактора эволюции: наследственность, изменчивость, отбор. Отбор обосновал сам Дарвин. Механизмы наследования признаков дал Мендель. Хромосомную теорию наследственности и теорию гена дал Т.Х.Морган [Илл. 5]. (Нобелевский лауреат 1933). Представления о строении хромосом [Илл.6] продолжают уточнять и в наши дни. Трое исследователей [Илл. 7] удостоены Нобелевской премии в 2009 г. за изучение теломеров – структур, ограничивающих концы хромосом, что само по себе показательно. (Замечу в скобках – обидно, что при этом забыли нашего соотечественника – А.Оловникова [Илл. 8], идеи которого послужили обоснованием этого направления исследований еще в 1971 г.).

Дарвин, говоря об изменчивости, рассматривал два типа изменчивости – неопределенную, которая, в общем, соответствует нашим представлениям о наследственной изменчивости. Она по Дарвину и служит материалом, с которым работает естественный отбор. Он отбирает небольшие неопределенные изменения, которые постепенно, поколение за поколением улучшают приспособительные характеристики организмов.

Второй тип изменчивости по Дарвину – определенная, или адаптивная изменчивость. Она по нашим представлениям соответствует не наследственной, или модификационной изменчивости, которая играет второстепенную роль в ходе естественного отбора.

Вот в этой области и возникло исторически кратковременное противостояние Менделизма (генетики) и Дарвинизма. Дело в том, что в 1901 г. голландец Гуго Де Фриз [Илл. 9] (один из ученых переоткрывших законы Менделя) сформулировал мутационную теорию происхождения видов. Де Фриз настаивал, что виды возникают путем резких – скачкообразных, или мутационных изменений, которые, как он думал он открыл. По Де Фризу мутации сразу порождают новые виды, и естественный отбор при этом не нужен. На самом деле мутации действительно существуют, как вскоре показал Морган и др., но то с чем имел дело Де Фриз вовсе не было мутациями. Довольно скоро – в районе 1910 – 1915 гг. противостояние генетики и Дарвинизма прекратилось. В значительной степени благодаря развитию генетики популяций, которая обосновала математически строгое представление о том, как наследуются признаки (те же мутации) в больших массивах изолированных сообществ организмов.

Оказалось. Что законы наследования Менделя применимы не только к индивидуальным, но и к массовым скрещиваниям в природных популяциях. В итоге, ближе к середине ХХ века, родилась т.н. синтетическая теория эволюции, которая объединила генетику и Дарвинизм. Согласно этой теории популяция – единица эволюционного процесса. И, по мнению многих современных биологов — эволюционистов, закономерности микроэволюции (термин Ю.А.Филипченко, 1927, основавшего в 1919 г. первую в нашей стране кафедру генетики, которую я имею честь здесь представлять), или популяционно-генетические закономерности лежат в основе макроэволюции (его же термин), т.е. в основе возникновения новых видов и таксонов более высокого ранга. По этому вопросу, правда, также идут споры до сих пор. Итак, к 50-м гг. ХХ в. возникла СТЭ, одним из творцов которой был Ф.Г.Добржанский – сотрудник Ю.А.Филипченко, которого последний отправил в США к Моргану в 1927 г. Добржанский не вернулся, и унаследовал школу Моргана, превратив ее в школу эволюционной генетики.

4. ДНК и молекулярная генетика.

Огромное значение для развития и биологии в целом и теории эволюции как ее квинтэссенции имело возникновение и быстрый прогресс молекулярной генетики. 1953 г. – публикация величайшего открытия ХХ в. – структуры ДНК Уотсоном и Криком [Илл.10] (Нобелевская премия 1962). Читайте книжку Дж. Уотсона 1968 г «Двойная спираль». Это открытие решило сразу три проблемы [Илл. 11]: что такое ген – это участок молекулы ДНК со специфическим чередованием нуклеотидов; что такое мутация – изменение этого чередования нуклеотидов; что такое воспроизведение генов – это репликация (воспроизведение) молекул ДНК. К концу ХХ в. ученые научились читать эти самые последовательности нуклеотидов и тем самым смотреть непосредственно, как изменяется генетический материал (гены, геномы) в ходе эволюции [Илл.12].

Результатом этих исследований стали современные представления о блочной эволюции генов, о возникновении новых генов на молекулярном уровне. Один из молекулярных эволюционистов – Сусумо Оно предположил, что новые гены возникают из блоков (из кусков) ранее существовавших генов. Сначала происходит удвоение – дупликация, или повторение генетического материала, а затем уже одна из дуплицированных копий продолжает выполнять свои функции, а другая мутирует и служит источником запасных частей, из которых собираются новые гены в ходе эволюции. Из этой теории следовало, что наряду с нормально работающими генами в генетическом материале любого вида живых существ должны быть и т.н. псевдогены, «засоренные» мутациями и потому не работающие. Действительно, многочисленные теперь, т.н. геномные проекты, занимающиеся изучением чередования нуклеотидов полных геномов, вскрыли наличие в них большого числа псевдогенов. Это хороший пример проверяемых следствий из теории эволюции.

5. Эколого-генетический синтез.

Следующим важным событием в развитии эволюционной теории будет новый синтез – эколого-генетический синтез. Дело в том, что эволюционируют не отдельные виды, а их сообщества – экосистемы, в которых организмы разных видов взаимодействуют между собой и с окружающей средой. Эволюционируют пищевые цепи и пищевые сети. Кто кого ест, кто на ком паразитирует и кто с кем находится в симбиотических отношениях. На самом деле эволюционирует биосфера в целом. Этот новый синтез происходит на наших глазах. Простой пример – человек тоже экологическая ниша. Каждый из нас носит около 2 кг бактерий, принадлежащих к сотням видов, часть из которых науке еще неизвестны. Некоторые из них нам просто необходимы. Так, например, некоторые люди не могут усваивать молочный сахар. Это наследственный признак. Наличие в нашем кишечнике бактерий Lactobacillus компенсирует этот дефект.

6. Человек — странный плод на древе эволюции.

Возвращаясь к специфике человека как биологического объекта, следует отметить, прежде всего, две его особенности по сравнению с другими организмами: (1) по отношению к эволюционному процессу и (2) взаимоотношения с окружающей средой.

Одним из важнейших выводов современной теории эволюции является положение о том, что человек как биологический вид, будучи продуктом естественного отбора, относится к классу позвоночных (как и все животные), семейству гоминид (как и человекообразные обезьяны). От остальных живых существ человека отличает то, что он практически закончил свою биологическую эволюцию (около 300-100 000 лет назад), поскольку отбор в человеческом обществе утратил роль основного фактора, ответственного за образование новых форм. Работает только одна форма отбора – стабилизирующий отбор, который производит выбраковку особенно вредных мутаций, несовместимых с жизнеспособностью организма. Тем не менее, относительно слабые мутации, которые снижают жизнеспособность, сохраняются в человеческих популяциях. Вспомним болезнь Дауна – наличие лишней 21-й хромосомы. Это еще цветочки.

В то же время неверно говорить, что эволюция человека прекратилась. Эволюция человека перешла в иную — социальную сферу, в которой определяющую роль играют мораль, этика и др. гуманитарные факторы. Отсюда – развитие медицины и – сохранение многих наследственных болезней в человеческом обществе.

Два примера, на мой взгляд, убедительно иллюстрирующие утверждение о небиологической, а социальной форме эволюции человека.

Первое. Всем известна судьба «детей-маугли», похищенных и воспитанных животными. Эти дети не могут вернуться к нормальной жизни среди людей. Огромна роль социального опыта, приобретаемого на ранних стадиях развития, именно в обществе себе подобных.

Второе. Согласно эволюционной теории, для того чтобы позвоночные, выйдя на сушу, смогли подняться в воздух и полететь потребовались миллионы лет. При этом менялась морфология, обмен веществ и пр. Само собой менялся генетический материал. Человек вышел в космос в течение двух поколений. Это – чисто культурное, технологическое достижение, не сопровождавшееся никакими морфологическими изменениями, никакими генетическими сдвигами.

Тем не менее, человек остается вполне биологическим существом, подчиняющимся подавляющему числу биологических закономерностей. В том числе и генетическим закономерностям наследования (в соответствии в менделевской схемой) отдельных, элементарных признаков, различий по этим признакам: цвет глаз, волос, форма ушей, характер обмена веществ, тип нервной деятельности – темперамент и т. д. Отбор прекратил, или практически прекратил действовать на человека, разве что погибают носители очень грубых наследственных аномалий, в чем легко убедиться исследовав спонтанных абортусов. Среди них очень высока частота хромосомных нарушений.

При этом мутационный процесс продолжается и возникает то, что мы называем генетическим грузом. Возникающие мутации чаще всего рецессивны, т.е. они не проявляются в гетерозиготе – при наличии второй, нормальной хромосомы (копии гена). Далее по законам популяционной генетики эти мутации выходят в гомозиготу и проявляют свое неблагоприятное действие. Известно несколько тысяч наследственных болезней, не поддающихся излечению, среди которых синдром Дауна (лишняя 21-я хромосома) – один из самых безобидных. Благодаря успехам медицины Дауны теперь живут дольше (что хорошо?) доживают до половой зрелости и могут оставлять потомство (что, несомненно, плохо!).

Другой пример нашей недальновидности. Наука борется за продление человеческой жизни. При этом известно, что по статистике после 85 лет каждый третий болен болезнью Альцгеймера (старческое слабоумие), которая неизлечима. Это независимо от наличия наследственной предрасположенности к болезни Альцгеймера. Если такая предрасположенность есть, то болезнь развивается значительно раньше – годам к 50-60.

Еще одна важная особенность, характерная для человека и отличающая его от животных это – умение (не всегда разумное) создавать свою собственную среду обитания, а не пассивно к ней приспосабливаться, в крайнем случае, выбирать подходящую среду обитания. Умение активно взаимодействовать с окружающей средой, воздействовать на нее, вообще характерны для животных, особенно млекопитающих, но человек в этом отношении достиг подлинного совершенства. Он сам создает среду обитания для себя.

Именно упомянутые две отличительные особенности, определяющие специфику человека как биологического объекта и определили появление во второй половине прошлого века генетической токсикологии. Предмет генетической токсикологии – изучение любых воздействий на генетический материал человека, потенциально способных вызвать повышение частоты мутаций и тем самым увеличить генетический груз — груз наследственных заболеваний в человеческом обществе. Это особенно актуально в связи с тем, что человек постоянно ищет и изобретает новые источники энергии, новые химические вещества: лекарства, пищевые добавки, химикаты для сельского хозяйства и т.д. Уже давно в международной практике условием для производства и выхода на рынок новых химических соединений является доказательство их генетической безопасности, т.е. отсутствие у них генетической (мутагенной) активности.

Это непростая задача, о чем говорят данные Европарламента, обсуждающего сейчас новое химическое законодательство: примерно из 100 000 химических соединений, появившихся на рынке до 1981 г недостаточно охарактеризованы 99%. Примерно 3000 новых веществ, появившихся после 1981 г должны пройти тестирование на генетическую активность.

Не нужно думать, что возникновение заболеваний, обусловленных повреждением генетического материала – удел следующих поколений. Хорошо известно, что генетическая активность тех или иных воздействий более, чем на 90% коррелирует с их канцерогенной активностью. Поэтому выявление и изъятие факторов окружающей среды, имеющих генетическую активность, это одновременно и снижение риска онкологических заболеваний, которые как причина смертности у человека находятся на втором месте после сердечно-сосудистых заболеваний.]

7. Что делать? Что такое евгеника? Есть ли повод для оптимизма?

Достаточно ли такого подхода для полного избавления человечества от генетического груза? Ответ, к сожалению – отрицательный. Если мы уменьшим до минимума содержание генетически активных факторов в окружающей среде или, даже полностью от них избавимся, спонтанный мутационный процесс и другие типы спонтанной генетической изменчивости будут медленно, но неуклонно пополнять генетический груз человечества. Еще важнее то, что на долю вновь возникающего в каждом поколении генетического груза приходится лишь ничтожная его часть. Основной вклад в общую сумму генетического груза вносят рецессивные аномалии, сохраняющиеся в гетерозиготе и вновь выщепляющиеся в каждом поколении. Реальное уменьшение генетического груза связано с процедурами медико-генетического консультирования, которые восходят к евгенике – науке, изобретенной Ф.Гальтоном (полукузеном Ч.Дарвина) [Илл.13] в конце XIX в. Это пример драмы идей второго рода, когда пытались применять на практике то, что еще не созрело, даже в теории. Не говоря о том, что в Германии тридцатых-сороковых, все это было густо приправлено расизмом. Итог – дискредитация здорового начала.

Если говорить о медико-генетическом консультировании, то врач-генетик может определить на ранних стадиях беременности наличие наследственных аномалий у плода. Существуют методы оценки вероятности рождения детей с наследственными аномалиями на основании знания родословных вступающих в брак людей. Правда, мало кто из нас может похвастать доскональным знанием собственной родословной. Наконец, разработаны методы определения гетерозиготного носительства наследственных аномалий. На основании всех этих подходов и получаемых сведений возможно планирование семьи, а в сочетании с данными генетической токсикологии можно достигнуть минимизации генетического груза. По настоящему оценить значение этих тенденций могу только те, кто испытывал тяжелейшие моральные страдания, связанные с уходом за неизлечимыми наследственными больными в семье или с необходимостью расставания с ними, при помещении их в специальные медицинские учреждения.

8. Заключение. Человек как фактор эволюции.

Итак, развивая «эволюционные достижения» своих предков — млекопитающих животных, человек не только преуспел в выборе более благоприятной для себя среды обитания, но (!) и научился воздействовать на эту самую среду, создавая искусственные ниши для собственного существования. Ярким примером искусственных экосистем служат агроэкосистемы с доминирующими в них отдельными культурами – зерновыми, овощными и т. д. Огромные пространства, засеянные монокультурой, будь то рожь, пшеница, кукуруза, картофель и т.п., — яркий пример уменьшения биологического разнообразия экосистем. Это и пример уменьшения генетического разнообразия растений, введенных в культуру, поскольку селекция обедняет генофонд, отбирая формы более продуктивные в искусственных или контролируемых человеком экосистемах, но отнюдь не в естественных условиях дикой природы. Воздействуя на окружающую среду, человек создает новые условия существования и для диких видов растений, животных и микроорганизмов. Большое влияние оказывает человек и на естественные экосистемы путем переселения видов в новые для них условия. Это происходит не только в результате сознательной интродукции растений и животных с целью развития сельского хозяйства, но и вследствие т. н. биологического загрязнения, когда такое переселение видов происходит неконтролируемо в результате перемещения их с транспортными потоками. Все это свидетельствует о том, что человек сам стал фактором эволюции, меняющим направления отбора и, что еще хуже – элиминирующим многие виды животных и растений, порой мало изученные или вовсе неизвестные науке. Отсюда очевидно, что человек сам, будучи продуктом биологической эволюции, несет ответственность за ее дальнейшее направление на нашей планете.

 

 

Вводные замечания

1. В настоящее время наше образование и, в первую очередь, школьное образование переживает не лучшие времена. Это связано, прежде всего, с периодом увлечения всевозможными реформами. Учитывая это обстоятельство, как вы знаете, существует целый ряд внешкольных курсов и циклов лекций, которые стремятся предоставить возможность для повышения квалификации и расширения возможности для совершенствования работы учителей и старших школьников. На этом фоне логичен вопрос: для чего мы вас собрали здесь в СПбНЦ?

Основная наша задача показать некоторые проблемы современной науки, которые помогут сориентироваться в том, каковы требования академической науки и науки в высшей школе, а значит каковы требования к тем выпускникам средней школы, которые намерены связать свою судьбу с Наукой, с высшим образованием. Беда в том, что нарастает разрыв между школьным и университетским образованием. Выпускники школы все меньше получают основы рационального мировоззрения, которое и есть научное знание. Школьники все слабее ориентированы на умение организовать свое мышление. Об этом можно судить по структуре ответов не только на вступительных экзаменах в ВУЗ, но и по структуре ответов уже студентов, сдающих свои зачеты и экзамены по выбранным специальностям. Я обычно прошу студентов составить план ответа, с чем справляются далеко не все студенты. Это значит, что молодые люди не умеют выделить главное и отделить существенное от второстепенного.

В наших лекциях по актуальным проблемам современной науки мы познакомим вас с действующими учеными: академиками, профессорами, преподавателями Высшей школы. Постараемся показать, что известно и что не известно в обсуждаемых проблемах. Пожалуйста, спрашивайте, не стесняйтесь, предлагайте проблемы, которые стоит обсудить. Это послужит необходимой обратной связью при организации наших встреч.

Мы планируем разнообразную тематику: биология, физика, химия, гуманитарные науки. Хотим представить, как широкие – базовые проблемы, так и конкретные проблемы, которые могут предстать пред вами в новом, неожиданном ракурсе.

Начать мы решили с биологии, обязательно обратимся к проблемам окружающей среды – это то, что принято в наше время, увы, весьма нестрого называть проблемами экологии.

2. Еще несколько предварительных замечаний по существу того, чем мы займемся. Несколько слов о самой структуре научного метода. Есть такая наука о науке (эпистемология), которая занимается изучением самого научного творчества – изучает структуру научного метода познания мира. Об этом нужно было бы читать отдельную лекцию, чего я делать не буду. Отмечу только, что всякая научная работа состоит из:

(1) формулирования гипотезы, объясняющей наши наблюдения или наблюдения наших предшественников;

(2) постановки эксперимента, который дает те или иные результаты, лучше оформленные математически, т. е. числа – результаты всевозможных измерений; (3) доказательства достоверности результатов с применением математической статистики, т.е. нужно убедиться в воспроизводимости (повторяемости) результатов. В принципе это почти всё! Почему «почти»? Потому что результат нужно еще и опубликовать, донести его до «широкой научной общественности», т.е. писать тоже нужно уметь – грамотно, убедительно, доступно…. . А это базируется на общей культуре (прежде всего – гуманитарной), основы которой закладывает именно средняя школа и семья.

3. Почему это важно? Почему важно знакомство с наукой из первых рук? Потому что уровень науки в государстве отражает его конкурентно способность в современном мире. Потому что в современном мире сокращается путь между фундаментальной наукой и прикладной наукой, т.е. ее приложением к решению конкретных проблем населения страны. Именно так. И сколько не произноси заклинания: инновации, модернизация и т.п. слаще не станет. Необходимо развитие науки, подготовка кадров для науки. Это должно быть престижно, или попросту – интересно.

Так, что – попробуем.

4. Почему мы начинаем с биологии, более того – с эволюции и генетики?

Зачем нужна физика, химия, математика более или менее понятно – сядете за руль автомобиля. Да еще не дай бог застрянете…. А биология? Это наука о нас с вами. Законы биологии универсальны. И знакомясь с тем, как функционируют клетки растений, животных, микробов, мы многое узнаем о себе. Да-да, даже микробиология здесь полезна. В каждом из вас живет 2-3 кг микроорганизмов. Это сотни видов! От их сбалансированного взаимодействия и взаимодействия с нашим организмом зависит наше благополучие. Кроме того, принимая какое-то лекарство нужно понимать, что в сопроводиловке-то написано…

А центральной теорией биологии является именно теория эволюции. Не случайно Ф.Г.Добржанский говорил: «Ничто в биологии не имеет смысла вне связи с теорией эволюции». А сам Добржанский был генетик и один из (№1) создателей СТЭ. Так что он знал, что говорил. Поэтому поговорим и о генетике в связи с теорией эволюции. Ну а человек? Нам же интересно, какое все это имеет отношение к человеку, т.е. к нам с вами.  Так пожелаем друг-другу успехов!

Хейт теории эволюции (Кельвин vs Дарвин) / Хабр

В 1859 году вышла одна из самых влиятельных книг в истории человечества – «Происхождение видов» Чарльза Дарвина. И хотя не все положения теории Дарвина, высказанные в книге, в дальнейшем будут подтверждены (что и не удивительно), в основном дядюшка Дарвин был прав, а теория эволюции сегодня доминирует в науке. Однако в момент выхода книги на Дарвина обрушилась массированная критика. Идея, что виды могут изменяться из-за случайных мутаций, которые накапливаются миллионами лет, казалась многим биологам дичью. Набросились на Дарвина и сторонники Библии, так как его теория отрицала роль «божественного творца». Всё это была критика понятная и даже ожидаемая. Но вот чего уж Дарвин не ожидал, так это того, что на него накинутся физики, среди которых был уважаемый профессор Кельвин (тот самый в честь которого каноничная шкала температур). Что же не поделили физики и Дарвин?

Начать стоит немного издалека — с научного метода, чтобы лучше понимать цимес всей истории. В попытке объяснить набор наблюдаемых явлений учёные выдвигают гипотезы и теории их описывающие. Подтверждением верности теории должны выступать некие предсказываемые ею результаты, которые мы можем проверить в ходе эксперимента. В идеале экспериментов должно быть несколько независимых, чтобы минимизировать шанс ошибки. Если всё сходится и большинство учёных принимает теорию, она становится преобладающей в научном сообществе и при достаточном числе подтверждений может стать законом. Но законы не являются навсегда зафиксированными и «отлитыми в граните». Любая теория или закон имеют слабые места, которые они плохо описывают или предсказывают, а потому, если появится новая теория, которая делает всё это лучше, то она станет новым мейнстримом. Поэтому в науке постоянно ведутся попытки найти более удачные теории, лучше описывающие все наблюдаемые эффекты, связанные с ними. А уж в 19 веке, когда что ни десятилетие, то открывали новую область знаний, шла настоящая война теорий. И далеко не всегда велась она честно.

Ничто человеческое ведь учёным не чуждо. Например, чувство собственного величия. А Уильям Томсон, барон Кельвин, был, несомненно, гением и имел все основания задирать нос. В 22 года (в 1846 году) он уже занял профессорскую кафедру теоретической физики в университете Глазго. Увлекаясь термодинамикой, он в столь молодом возрасте прославил себя на весь мир, сформулировав Второе начало термодинамики, немало работал вместе с другим светилом термодинамики – Джоулем над совершенствованием теории. Одной из головоломок, которая не давала Кельвину покоя было Солнце. Благодаря работе астрономов и применению принципов механики и теории гравитации к небесным телам уже было известно о колоссальных размерах пылающего шара в небе. Но что же настолько разогрело его и что не даёт остыть, ведь согласно термодинамике ничто не может быть горячим вечно без внешнего источника энергии?

Молодой лорд Кельвин

Одной из первых теорий было, естественно, что внутри солнца постоянно сгорает что-то наподобие угля, но подсчёты показывали, что в этом случае Солнце уже давно должно было выгореть. Кельвин сосредоточился на другой гипотезе. Джоуль в 1843 году доказал, что при соударении двух тел энергия этого соударения может трансформироваться в тепло. А что, если на Солнце ежедневно падают метеориты, разогревая её оболочку? Кельвину идея понравилась и он выполнил расчёты, по которым чтобы Солнце излучало столько тепла, сколько фиксируется на Земле с учётом рассеяния в эфире (ага, бездна космической пустоты ещё не изобретена), требуется чтобы на его поверхность падало 45 тонн камней в час. Тут правда сходу вылезает сразу несколько проблем:
1) откуда в солнечной системе столько метеоритов, чтобы стабильно падать на Солнце?
2) если просуммировать число камней, падающих в год на Солнце, то они своей массой должны были изменить гравитацию.

Примерно так в представлении сторонников метеоритной гипотезы выглядело пространство вокруг Солнца

Всё это объясняли неким поясом астероидов между Меркурием и Солнцем, который астрономы почему-то не видят. Такое себе объяснение, поэтому к этой теории Кельвин быстро охладел. Но новую идею подкинул другой физик с знакомой многим по школьным урокам смешной фамилией – Гельмгольц. В 1856 году он предположил, что Солнце светится вовсе не из-за сжигания своей материи или падения метеоритов, а из-за того, что оно под действием собственной гравитации постоянно сжимается, за счёт чего происходит его нагрев. Эта идея была очень красивой. А главное, зная примерные размеры Солнца можно было вычислить, когда оно таки сожмётся настолько, что перестанет светить. В 1862 году Кельвин провёл расчёты, которые давали, что Солнце может существовать максимум от 20 до 100 миллионов лет. С учётом тогдашних знаний физики данные результаты были вполне адекватны.

Внутреннее давление раскалённых газов в реальности уравновешивает гравитационное сжатие. Но об этом до появления теории о термоядерном синтезе никто не догадывался

Другой проблемой, которая была напрямую связана с возрастом Солнца – был возраст Земли. Уже тогда учёные считали, что в древности Земля была горячей планетой из расплавленной породы. Кельвин, предполагал, что изначально она имела некое конечное количество энергии, которое позже было растрачено из-за остывания коры. По мнению Кельвина после застывания Земля представляла собой твёрдый однородный шар с холодной оболочкой и горячим центром. За счёт теплопроводности горячее ядро не даёт окончательно остынуть поверхности, растрачивая на это остатки того изначального тепла. Соответственно, если измерить изменение температуры в зависимости от глубины, то можно с определённой точностью оценить температуру ядра и скорость остывания планеты. Проведённые геологические измерения, в разных местах показали, что температура недр изменяется на 35 °С на километр. С учётом предположения об однородности внутренней структуры Земли температура ядра лежала в диапазон от 4000 до 5000 °С. А значит, с учётом предположения, что в начале времён поверхность планеты имела ту же температуру, то выходило, что возраст Земли находится в пределах от 20 до 400 миллионов лет. Все эти выводы были опубликованы в 1864 году в работе «О вековом охлаждении Земли».

Как несложно заметить, Кельвин не сильно ошибся в своих оценках температуры земного ядра

Опять же, начальные гипотезы и подтверждающие расчёты полностью соответствовали тогдашним представлениям физиков. А авторитет Кельвина был столь высок, что мало кто из физиков смел предположить, что он вообще мог ошибаться. Сам Кельвин, например, такой мысли не допускал. Тем более, что его расчёты максимального возраста Солнца и Земли так хорошо сходились. Было только два маленьких нюанса. Первый – это мерзкие геологи, с которыми Кельвин воевал ещё с 40-х годов. Эти чудики, отрицали мощь физики и утверждали, что внутренние процессы в коре Земли им лучше известны, и, мол, эти процессы имеют длительность гораздо больше нескольких сотен столетий. А раз геологии нужны миллиарды лет, то значит физики просто чего-то не знают и делают ошибочные расчёты. Кельвин, при поддержке прочих физиков, громил геологов и вообще выписывал из учёных за упорство «в своих фантазиях». Геологи не могли толком объяснить как при условии длительности существования Земли в миллиарды лет мог выполняться закон сохранения энергии, с учётом постоянных потерь из-за охлаждения, а потому вынуждены были терпеть.

Просто оцените уровень дискуссии:
«В течение 18 лет меня беспокоила мысль о том, что основные принципы термодинамики игнорируются этими геологами, которым они упорно противопоставляют всяческие безумные гипотезы. Они утверждают не только то, что сейчас перед нами на Земле происходят примеры всевозможных действий, из-за которых ее оболочка менялась на протяжении геологической истории, но и что эти действия в целом никогда не были более интенсивными, чем сейчас».

Геохронологическая шкала на момент средины 19 века ещё не была окончательно определена, но общая её длительность уже выходила далеко за 100 миллионов лет

Когда же в руки Кельвина попала книга Дарвина, где прямо утверждалось, что процессы эволюции занимали сотни миллионов, если не миллиарды лет, то маститый учёный хищно набросился на ещё одного дилетанта от науки. Критика со стороны Кельвина была для Дарвина тяжёлым ударом. Доводов для опровержения точки зрения «гения от физики» у него не было, а немногочисленные его друзья среди геологов и физиков (в те времена научный мир был довольно тесен) сами шельмовались Кельвином. Из-за столь значимой дыры в своей теории, в новых переизданиях «Происхождения видов» Дарвин вынужден был сжимать время, ускоряя эволюцию видов, но даже при таких допущениях предельный возраст в 100 миллионов лет никак не бился с оценками Дарвина.

К 1870-м сложилась парадоксальная ситуация, когда две научные теории – геологов и биологов, предсказывали один возраст Земли, а физиков – совершенно другой. Причём все три теории полностью соответствовали уровню знаний для своей области наук. Однако было очевидно, что кто-то из них всё же неправ, но авторитет Кельвина не позволял слишком многим усомниться в правоте теории физиков. Единственным отступлением, которое мог допустить Кельвин было увеличение возраста Земли и Солнца до 400 миллионов лет из-за возможных неучтённых погрешностей, но ни геологам, ни биологам такого времени всё равно не хватало для адекватной работы их теорий.

Чарльз Дарвин и его оппоненты

Тогда Кельвин взялся за то, чтобы раз и навсегда доказать альтернативным методом неправоту дешёвок от науки. И ему пришла в голову гениальная идея: из-за вращения Земли во время её первоначальной жидкой фазы та должна была принять приплюснутую с полюсов форму, во время затвердевания эта форма должна была зафиксироваться и не меняться. По разнице между формой шара и реальной формой Земли можно оценить первоначальную скорость вращения Земли. Из-за влияния Луны, которая своим гравитационным воздействием подтормаживает Землю, нынешняя скорость вращения будет отличаться от первоначальной. Сравнив эти скорости с оценкой степени влияния гравитации Луны на Землю, можно было очень приблизительно вычислить возраст Земли.

Влияние приливов, вызванных Луной, на скорость вращения Земли

Идея была чертовски красивая, базовые гипотезы полностью согласовывались с актуальным уровнем знаний. Хотя Кельвин и признавал, что из-за несовершенств наших знаний финальный результат будет очень неточным, но был уверен, что он даст +- тот же результат, что и прочие его расчёты. Кельвин только не учёл одного нюанса – далеко не все учёные благоговели перед великим и ужасным. Сын Чарльза Дарвина – Джордж – был неплохим математиком, а ещё не очень уважал Кельвина за нападки на отца. Он взялся доказать, что в вопросе изменения скорости вращения Земли великий Кельвин неправ. И он это сделал в серии работ 1877-1879 годов, где убедительно доказал, что Земля будет менять форму даже при затвердевании, так как она не бесконечно твёрдая. Более того, так как точное строение Земли было неизвестно, то и провести численные оценки возраста по такому методу будет совершенно невозможно. Кельвину эту критику крыть было нечем, старший Дарвин всячески хвалил сына, но проблема была в том, что ключевых претензий Кельвина всё это не снимало.

Дарвин умрёт так и не узнав, что его самый серьёзный оппонент ошибался, причём очень сильно. Рост сомнений в выводах Кельвина начался именно после его громкого провала с вращением Земли. Часть коллег-физиков стали всё чаще обращать внимание, что учёным следует не отметать неудобные факты из смежных областей, а пытаться найти удовлетворительные для всех их объяснения. Кельвин на это лишь продолжал твердить про то, что его расчёты верны, так как верна термодинамика. Иронично, но первый удар по Кельвину нанёс его же собственный ассистент Джон Перри. Он выдвинул гипотезу, что идея о равномерно твёрдой Земле неверна. Перри на основании данных геологов предположил, что под действием температуры внутри Земли её ядро может быть жидким, а значит тепло может передаваться не только за счёт теплопроводности, но и конвекции (когда более тёплые слои жидкости создают течения переносящие тепло)!

Современные представления о процессах теплообмена внутри Земли

Кельвин такого удара не ожидал, а потому пошёл в сокрушительную атаку. В своих выступлениях в 1896-1897 годах он не только обрушился с массированной критикой на Перри, но и снова начал шельмовать геологов и эволюционистов, а также выдвинул новые оценки возраста Земли – всего в 24 миллиона лет. Но магии авторитета уже не хватало – многие старые сторонники Кельвина тоже стали сомневаться в его выкладках, так как геологи и эволюционисты год от года получали всё больше доказательств собственной правоты. Гипотезу Перри Кельвин тоже толком не мог опровергнуть, но и Перри свою гипотезу подтвердить не мог, так как убедительные её доказательства появятся лишь спустя более полувека.

Но тут по Кельвину был нанесён второй удар, ещё более мощный и с совершенно неожиданной им стороны – открытие в 1903 году Пьером Кюри, что радиоактивные вещества в процессе распада выделяют тепло, ставило жирный крест на законе сохранения энергии в понимании Кельвина. Радиоактивные вещества могли длительное время подпитывать недра Земли теплом, мешая её остыванию и руша все расчёты Кельвина и прочих термодинамиков. Появление метода радиоизотопного датирования пород в 1907 году ещё больше расшатало основание теории Кельвина. Тем не менее великий учёный всё ещё был непреклонен, ведь у него был второй железный аргумент – возраст Солнца. В 1907 году, когда он умер, вопрос так и не был закрыт и после сторонники Кельвина всё продолжали бороться с увеличением возраста Земли. Финальную точку в дискуссии поставит развитие науки о радиоактивности и появление теории термоядерного синтеза, которая отлично объяснит природу Солнца с минимумом допущений, согласуясь при этом с оценками возраста Земли по геологическим и радиоуглеродным методам.

Пьер и Мария Кюри шатают устои термодинамики

Кельвин был без сомнения велик, а его вклад в термодинамику неоценим, но его упёртость, нежелание слушать критику, а также какой-то физикофашизм по отношению к прочим наукам нанесли ничуть не меньше вреда, чем он принёс пользы. Требуя от своих противников следовать научным методам, он в то же время сам им не всегда следовал, отвергая всё то, что не вяжется с его теориями. В итоге великий учёный сел в великую лужу, но до этого немало карьер он успел попортить своим крестовым походом за истину в науке.

Автор: Владимир Герасименко

Оригинал

Дарвин – Газета Коммерсантъ № 202 (1384) от 22.11.1997

&nbspДарвин

Дарвин всегда живой
       Большинство неспециалистов думают, что Чарльз Дарвин создал первую теорию эволюции и доказал, что человек произошел от обезьяны. Строго говоря, это не так. И тем не менее его идеи были столь плодотворны, что без них не сможет обойтись и биология ХХI века.
       
Лысенко был правоверней Дарвина
       Дарвин не был первым эволюционистом. Мысли об изменяемости органического мира, о его эволюции высказывались еще в античный период. А первое четко сформулированное эволюционное учение создал за 50 лет до Дарвина, в 1809 году, французский биолог Жан Батист Ламарк.
       Ламарк считал, что эволюция животных и растений происходит под действием изначально присущего всем живым существам стремления к совершенствованию. Более тонкая «подгонка» организмов к среде обитания осуществляется с помощью наследования приобретенных под воздействием внешней среды признаков, а также путем упражнения и неупражнения органов. При жизни Ламарка его учение успеха не имело, и он умер забытым и полунищим. Вспомнили о нем лишь спустя несколько десятилетий, а в начале ХХ века даже поставили памятник, на котором выбили слова дочери Ламарка: «Потомство будет восхищаться вами, оно отомстит за вас, отец».
       Пророчество это страшно аукнулось через несколько десятилетий в России, когда так называемые творческие дарвинисты во главе с Трофимом Лысенко, исповедовавшие ламарковский принцип наследования благоприобретенных признаков, разгромили в нашей стране генетику, экологию и эволюционное учение.
       Не доказал на самом деле Дарвин и происхождение человека от обезьяны. В своей главной книге «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение избранных пород в борьбе за существование», вышедшей в 1859 году, он вообще не касался вопросов эволюции человека, бросив лишь фразу, что его теория может пролить новый свет на происхождение человека и его историю. Специальный труд Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» вышел лишь в 1871 году. В этой книге Дарвин подробно рассмотрел черты сходства человека и животных (особенно человека и высших обезьян) и объяснил это сходство происхождением человека из мира животных. Именно объяснил, а не доказал — ископаемые остатки антропоидов, которых можно было бы считать промежуточным звеном между человеком и обезьяной, тогда практически еще не были известны.
       Тогда в чем же главная научная заслуга Дарвина? В создании логически непротиворечивой эволюционной теории, объясняющей развитие органического мира на Земле с естественнонаучных позиций. Исходные предпосылки теории были достаточно просты. Огромное количество фактов говорило о том, что животные и растения стремятся размножаться в геометрической прогрессии, и на свет производится гораздо больше потомства, чем впоследствии выживает до взрослого состояния. Столь же гигантское количество фактов указывало на колоссальную изменчивость признаков и свойств всех видов животных и растений, многие из которых наследственно закреплены и передаются в череде поколений. На этой основе Дарвин и сформулировал знаменитый принцип естественного отбора. Согласно ему, в природе идет жесткая борьба за существование, и выживают те особи, которые в результате всеобщей изменчивости имеют хотя бы минимальные преимущества перед другими.
       Историки науки делят биологию на два периода — до Дарвина и после Дарвина. Однако со времени выхода в свет главного труда Дарвина прошло уже почти 140 лет. Современное эволюционное учение, нередко по старинке называемое дарвинизмом, далеко ушло от классического дарвинизма 50-60-х годов XIX века. Оно носит название «Синтетическая теория эволюции» и сформировалось в первой половине ХХ века как синтез учения о естественном отборе и популяционной генетики. Именно эта теория пользуется сейчас наибольшим авторитетом — и в то же время чем дальше, тем больше она подвергается жесткой критике. Главный объект критики — универсальность и всеобщность естественного отбора как практически единственного движущего фактора эволюции.
       
«Кошмар Дженкинса»
       Надо сказать, что дарвинизм подвергался критике уже с момента своего возникновения. И одна из причин этого — отсутствие у Дарвина доказательств реального существования естественного отбора.
       Дело в том, что концепции развития органического мира в значительной мере опираются на данные палеонтологии. Однако «палеонтологическая летопись» по многим причинам крайне неполна. В подобной ситуации теория способна лишь интерпретировать известные факты, и о ее правильности можно судить только с позиций ее логической непротиворечивости. Именно такую объясняющую теорию и выдвинул Дарвин. Однако объяснить — не значит доказать. Ведь возможно непротиворечивое объяснение фактов с других позиций — например, с привлечением ссылок на волю Творца.
       Дарвинизм пережил во второй половине XIX века критику с теологических позиций, но она не составила для него серьезной угрозы: материализм в это время был на подъеме, и теория Дарвина пришлась «ко двору».
       Гораздо большую проблему для дарвинизма составили попытки оспорить саму логику его построений. Так, важнейшее логическое возражение против теории Дарвина было высказано Ф. Дженкинсом. Он исходил из того, что при скрещивании особи, имеющей наследственно закрепленные «положительные» задатки, с особью, таких задатков не имеющей, в потомстве произойдет «разбавление» полезных признаков в два раза, в следующем поколении — еще в два раза и т. д.,— т. е. вместо постулированного сохранения отбором полезного признака произойдет в конце концов его исчезновение. Нависший над теорией естественного отбора «кошмар Дженкинса» удалось развеять только через несколько десятилетий после смерти Дарвина. В ходе развития генетики было доказано, что никакого «разбавления» признаков в череде поколений не происходит — в силу дискретности наследственных задатков (генов).
       
Почему у нас две руки? Этого Дарвин не сказал
       Со времен выхода «Происхождения видов» были получены доказательства реального существования естественного отбора. Один из классических примеров — отбор меланистических (черных) форм бабочки березовой пяденицы в окрестностях промышленных центров Англии. Меланистическая форма в отличие от исходной светлой оказалась менее заметной на закопченных стволах деревьев вблизи задымленных городов (что подтвердили специальные наблюдения за охотящимися на бабочек птицами), и черные бабочки в течение ряда лет стали численно преобладать над светлыми. Ныне существует и много других доказательств происходящего в природе естественного отбора — взять хотя бы формирование рас насекомых, устойчивых к ядохимикатам.
       Тем не менее критики концепции естественного отбора находят в нем немало уязвимых мест.
       Например: никто и никогда не наблюдал, чтобы подобный отбор приводил к образованию новых видов. Более того, искусственный отбор, на аналогии с которым Дарвин построил свою теорию естественного отбора, проводится человеком тысячи лет. Выведено множество пород домашних животных и культурных растений, но именно пород, а не видов: все породы скрещиваются друг с другом и имеют плодовитое потомство, тогда как один из главнейших критериев вида — нескрещиваемость с другими видами.
       Критики подвергают сомнению одну из важнейших позиций синтетической теории эволюции, согласно которой отбор действует путем накопления наследуемых незначительных положительных изменений. Трудно представить, говорят они, как путем таких незначительных изменений мог сформироваться совершенный орган, например, человеческий глаз. В качестве примера попробуйте представить себе эволюцию «путем накопления множества мелких изменений», скажем, арифмометра (пусть даже микрокалькулятора!) в персональную ЭВМ. И чтобы на протяжении всего этого процесса «эволюционирующий арифмометр» работал, и не просто работал, а с каждым изменением все лучше и лучше — иначе такие изменения не будут подхвачены отбором.
       Кроме того, работами молекулярного генетика М. Кимуры было показано, что большинство происходящих в белках организма мутационных изменений нейтральны; они не проявляются и не могут служить материалом для отбора, поскольку отбор их просто «не замечает». Это означает, что в основе эволюционных изменений на молекулярном уровне, т. е. в самом генетическом материале, лежит накопление нейтральных мутаций, а вовсе не дарвиновский естественный отбор.
       Еще одна трудность современной эволюционной теории — объяснение фактов явной направленности (канализированности) эволюции. В самом деле, если отбор действует на основе случайно возникающих мутаций, то результат эволюции предсказать невозможно и, теоретически рассуждая, отбор может создать любые формы. Однако почему тогда у наземных позвоночных животных только две пары конечностей? Почему в ходе эволюции не возникли существа типа кентавров: две пары ног и пара рук? Или типа ангелов: пара крыльев, пара рук, пара ног? Ведь у беспозвоночных такое увеличение числа конечностей — обычное дело: у насекомых — три пары ног, у пауков — четыре, у раков — пять пар. ..
       Почему так часто наблюдаются параллелизмы развития в разных группах животных и растений (гомологические ряды изменчивости Н. И. Вавилова, сходство формы тела у далеких друг от друга рыб, дельфинов, вымерших ихтиозавров и многое другое)? Почему, например, на островах тропической Юго-Восточной Азии — и только там — изобилие животных, летающих планирующим полетом: «летающие» лягушки (планируют на перепонках между длинными растопыренными пальцами), «летающие» ящерицы и даже змеи (планируют на складках кожи, растягивающейся между ребрами или лапами), планирующий на растягивающихся складках кожи шерстокрыл из класса млекопитающих? А в сходной по климату Центральной Америке у животных почему-то отсутствует любовь к полету, зато они любят висеть на хвосте: именно здесь обитают разнообразные цепкохвостые рептилии и млекопитающие. Эти вопросы (на самом деле их гораздо больше) крайне трудны и неприятны для теории естественного отбора, и далеко не на все из них есть мало-мальски вразумительные ответы.
       Начиная с работ Л. С. Берга, А. А. Любищева, С. В. Мейена, среди ученых-эволюционистов все больше утверждается мнение, что на действие естественного отбора накладываются какие-то структурные ограничения, заставляющие эволюцию идти в определенном направлении. Что форму далеко не всегда можно объяснить функцией, а морфологические особенности организмов отражают не только результат предшествующего отбора, но и воздействие специфических законов развития формы, которые сходно действуют в органическом и в неорганическом мире,— достаточно вспомнить поразительное сходство морозных узоров на стекле с листьями растений. Что роль случайности в эволюции, видимо, сильно преувеличена и развитие органического мира идет по собственным законам, многие из которых еще предстоит осмыслить.
       
Теория естественного отбора и естественный отбор теорий
       Сегодня, наверное, можно даже говорить об очередном кризисе дарвиновской идеи. Все чаще высказываются мнения о необходимости отказа от нее в пользу иных представлений. Однако при всех своих минусах синтетическая теория эволюции пока лучше других альтернативных теорий справляется с объяснением гигантского объема данных, накопленных к сегодняшнему дню биологической наукой.
       Некоторые радикально настроенные исследователи (например, шведский биолог А. Лима-де-Фариа, чья книга «Эволюция без отбора» была, кстати, в начале 1990-х годов переведена на русский язык) считают, что естественный отбор скоро разделит участь таких «мифов науки», как флогистон и эфир, и будет отброшен биологией XXI века за ненадобностью. Однако вряд ли это случится. Скорее всего, как когда-то в кризисный для дарвинизма период начала XX века, произойдет очередной синтез ранее, казалось бы, несовместимых представлений, и в новую эволюционную теорию на правах ее важного компонента войдет и дарвиновский естественный отбор. Вероятно, он потеряет свою исключительность и уникальность, став из наиглавнейшего и практически единственного только одним из движущих факторов эволюции. Но он останется, передав эстафету XIX века через наше столетие грядущему тысячелетию.
       
       ВИКТОР Ъ-ЗУБАКИН
       

Удивительные истоки эволюционной сложности

Чарльзу Дарвину не было еще и 30 лет, когда он придумал основную идею теории эволюции. Но только когда ему исполнилось 50 лет, он представил свой аргумент миру. Он провел эти два десятилетия, методично собирая доказательства своей теории и придумывая ответы на все скептические контраргументы, которые только мог придумать. И контраргумент, который он ожидал больше всего, заключался в том, что постепенный эволюционный процесс, который он представлял, не мог произвести определенные сложные структуры.

Рассмотрим человеческий глаз. Он состоит из многих частей — сетчатки, хрусталика, мышц, желе и т. д. — все они должны взаимодействовать, чтобы возникло зрение. Повредите одну часть — например, отсоедините сетчатку — и может последовать слепота. На самом деле глаз функционирует только в том случае, если его части имеют правильный размер и форму, чтобы работать друг с другом. Если Дарвин был прав, то сложный глаз развился из простых предшественников. В работе «О происхождении видов » Дарвин писал, что эта идея «кажется, честно признаюсь, в высшей степени абсурдной.

Но тем не менее Дарвин мог видеть путь к эволюции сложности. В каждом поколении люди различались по своим чертам. Некоторые вариации увеличили их выживаемость и позволили им иметь больше потомства. С течением поколений эти выгодные вариации станут более распространенными — одним словом, будут «отобраны». По мере появления и распространения новых вариаций они могли постепенно изменять анатомию, создавая сложные структуры.

Человеческий глаз, утверждал Дарвин, мог развиться из простого светоулавливающего участка ткани, который сегодня выращивают такие животные, как плоские черви.Естественный отбор мог превратить пятно в чашу, способную определять направление света. Затем какая-то дополнительная функция будет работать с чашей для дальнейшего улучшения зрения, лучшей адаптации организма к окружающей среде, и, таким образом, этот промежуточный предшественник глаза будет передаваться будущим поколениям. И, шаг за шагом, естественный отбор мог довести эту трансформацию до возрастающей сложности, потому что каждая промежуточная форма давала бы преимущество по сравнению с тем, что было раньше.

Размышления Дарвина о происхождении сложности нашли поддержку в современной биологии.Сегодня биологи могут детально исследовать глаз и другие органы на молекулярном уровне, где они находят чрезвычайно сложные белки, соединяющиеся вместе, чтобы создать структуры, поразительно напоминающие порталы, конвейерные ленты и моторы. Такие сложные системы белков могут развиваться из более простых, при этом естественный отбор отдает предпочтение промежуточным продуктам.

Но недавно некоторые ученые и философы предположили, что сложность может возникать и другими путями. Некоторые утверждают, что жизнь имеет встроенную тенденцию становиться более сложной с течением времени.Другие утверждают, что по мере возникновения случайных мутаций сложность возникает как побочный эффект, даже без помощи естественного отбора. Они говорят, что сложность — это не только результат миллионов лет тонкой настройки посредством естественного отбора — процесса, который Ричард Докинз назвал «слепым часовщиком». В какой-то степени это просто происходит.

Сумма различных частей

Биологи и философы десятилетиями размышляли над эволюцией сложности, но, по словам Дэниела У.МакШи, палеобиолога из Университета Дьюка, они были сбиты с толку расплывчатыми определениями. «Дело не только в том, что они не знают, как поставить на нем номер. Они не знают, что подразумевают под этим словом», — говорит МакШи.

МакШи обдумывал этот вопрос в течение многих лет, тесно сотрудничая с Робертом Н. Брэндоном, также работавшим в Duke. МакШи и Брэндон предполагают, что мы должны смотреть не только на количество частей, из которых состоят живые существа, но и на типы частей. Наши тела состоят из 10 триллионов клеток.Если бы все они были одного типа, мы были бы безликими грудами протоплазмы. Вместо этого у нас есть мышечные клетки, эритроциты, клетки кожи и так далее. Даже в одном органе может быть много разных типов клеток. Сетчатка, например, имеет около 60 различных типов нейронов, каждый из которых выполняет свою задачу. По этому показателю мы можем сказать, что мы, люди, действительно более сложны, чем животное, такое как губка, у которой всего шесть типов клеток.

Одним из преимуществ этого определения является то, что вы можете измерять сложность разными способами.Наши скелеты состоят из разных типов костей, например, каждая из которых имеет отличительную форму. Даже позвоночник состоит из различных типов частей, от позвонков в шее, которые держат нашу голову, до тех, которые поддерживают нашу грудную клетку.

В своей книге 2010 года «Первый закон биологии » МакШи и Брэндон описали способ возникновения сложности, определенной таким образом. Они утверждали, что набор частей, которые начинаются более или менее одинаково, должен со временем различаться. Всякий раз, когда организмы размножаются, один или несколько их генов могут мутировать. И иногда эти мутации приводят к большему количеству типов частей. Как только в организме появляется больше частей, у этих единиц появляется возможность стать другими. После того, как ген был случайно скопирован, дубликат может получить мутации, которых нет у оригинала. Таким образом, если вы начнете с набора одинаковых частей, по словам МакШи и Брэндона, они будут все больше отличаться друг от друга. Другими словами, усложнится организм.

По мере возникновения сложности это может помочь организму лучше выжить или иметь больше потомства.Если это так, то естественный отбор будет способствовать его распространению в популяции. Млекопитающие, например, чувствуют запах, связывая молекулы запаха с рецепторами нервных окончаний в носу. Эти рецепторные гены неоднократно дублировались на протяжении миллионов лет. Новые копии мутируют, позволяя млекопитающим ощущать более широкий спектр ароматов. Животные, которые в значительной степени полагаются на свой нос, такие как мыши и собаки, имеют более 1000 таких генов рецепторов. С другой стороны, сложность может быть бременем. Мутации могут изменить форму шейного позвонка, например, затрудняя поворот головы.Естественный отбор будет препятствовать распространению этих мутаций в популяциях. То есть организмы, рожденные с такими чертами, будут иметь тенденцию умирать до размножения, таким образом выводя вредные черты из обращения, когда они уходят. В этих случаях естественный отбор работает против сложности.

В отличие от стандартной эволюционной теории, МакШи и Брэндон считают, что сложность возрастает даже в отсутствие естественного отбора. Они утверждают, что это утверждение является фундаментальным законом биологии — возможно, единственным.Они назвали это эволюционным законом нулевой силы.

Тест на плодовых мух

Недавно МакШи и Леонор Флеминг, аспирант Университета Дьюка, проверили закон эволюции с нулевой силой. Испытуемыми были дрозофил и мух. Более века ученые выращивали мух для использования в экспериментах. В своих домах-лабораториях мухи вели изнеженную жизнь, обеспеченные постоянным запасом пищи и стабильным теплым климатом.Тем временем их диким родственникам приходится бороться с голодом, хищниками, холодом и жарой. Естественный отбор силен среди диких мух, устраняя мутации, из-за которых мухи не могут справиться со своими многочисленными проблемами. Напротив, в защищенной среде лабораторий естественный отбор слаб.

Эволюционный закон нулевой силы делает ясное предсказание: за последнее столетие лабораторные мухи должны были меньше подвергаться устранению невыгодных мутаций и, таким образом, должны были стать более сложными, чем дикие.

Флеминг и МакШи изучили научную литературу по 916 лабораторным линиям мух. Они сделали много различных мер сложности в каждой популяции. В журнале Evolution & Development они недавно сообщили, что лабораторные мухи действительно были более сложными, чем дикие. У некоторых насекомых были неправильные ноги. Другие приобрели сложные цветовые узоры на крыльях. Сегменты их усиков приобрели разную форму. Освободившись от естественного отбора, мухи упивались сложностью, как и предсказывает закон.

Хотя некоторые биологи поддержали эволюционный закон нулевой силы, Дуглас Эрвин, ведущий палеонтолог Смитсоновского национального музея естественной истории, считает, что у него есть серьезные недостатки. «Одно из его основных предположений не соответствует действительности, — утверждает он. По закону сложность может увеличиваться при отсутствии отбора. Но это было бы верно только в том случае, если бы организмы действительно могли существовать вне влияния отбора. Эрвин утверждает, что в реальном мире, даже когда их балуют самые преданные ученые, отбор все равно оказывает влияние.Чтобы такое животное, как муха, развивалось должным образом, сотни генов должны взаимодействовать в сложной хореографии, превращая одну клетку во множество, давая начало различным органам и так далее. Мутации могут нарушить эту хореографию, не давая мухам стать жизнеспособными взрослыми особями.

Организм может существовать без внешнего отбора — без того, чтобы окружающая среда определяла, кто выиграет, а кто проиграет в эволюционной гонке, — но он все равно будет подвергаться внутреннему отбору, происходящему внутри организмов.По словам Эрвина, в своем новом исследовании МакШи и Флеминг не предоставляют доказательств эволюционного закона нулевой силы, «потому что они рассматривают только взрослые варианты». Исследователи не смотрели на мутантов, умерших от нарушений развития до достижения зрелости, несмотря на заботу ученых.

Еще одно возражение, выдвинутое Эрвином и другими критиками, заключается в том, что версия сложности МакШи и Брэндона не согласуется с тем, как большинство людей определяют этот термин. Ведь глаз не просто состоит из множества разных частей.Эти части также выполняют задачу вместе, и каждая из них выполняет определенную работу. Но МакШи и Брэндон утверждают, что сложность, которую они исследуют, может привести к сложности других видов. «Та сложность, которую мы наблюдаем в этой популяции дрозофилы , является основой для действительно интересных вещей, которыми может овладеть отбор» для создания сложных структур, которые функционируют, чтобы помочь выживанию, говорит МакШи.

Молекулярная сложность

Как палеобиолог, МакШи привык думать о той сложности, которую он может видеть в окаменелостях — например, кости, соединяющиеся вместе в скелет.Но в последние годы ряд молекулярных биологов независимо друг от друга начали думать так же, как и он, о том, как возникает сложность.

В 1990-х годах группа канадских биологов задумалась над тем, что мутации часто вообще не влияют на организм. Эти мутации, на жаргоне эволюционной биологии, нейтральны. Ученые, включая Майкла Грея из Университета Далхаузи в Галифаксе, предположили, что мутации могут привести к возникновению сложных структур, минуя серию промежуточных звеньев, каждый из которых отбирается за помощь в адаптации организма к окружающей среде. Они назвали этот процесс «конструктивной нейтральной эволюцией».

Грея воодушевили некоторые недавние исследования, которые предоставили убедительные доказательства конструктивной нейтральной эволюции. Одним из лидеров этого исследования является Джо Торнтон из Орегонского университета. Он и его коллеги нашли то, что кажется примером в клетках грибов. У грибов, таких как гриб портобелло, клетки должны перемещать атомы из одного места в другое, чтобы остаться в живых. Один из способов, которыми они это делают, — это молекулярные насосы, называемые вакуолярными АТФазными комплексами.Вращающееся кольцо белков перемещает атомы с одной стороны мембраны гриба на другую. Это кольцо явно имеет сложную структуру. Он содержит шесть белковых молекул. Четыре молекулы состоят из белка, известного как Vma3. Пятая — Vma11, шестая — Vma16. Все три типа белка необходимы для вращения кольца.

Чтобы выяснить, как развивалась эта сложная структура, Торнтон и его коллеги сравнили белки с родственными версиями в других организмах, таких как животные. (У грибов и животных есть общий предок, живший около миллиарда лет назад.)

У животных вакуолярные АТФазные комплексы также имеют вращающиеся кольца, состоящие из шести белков. Но эти кольца отличаются одним существенным отличием: вместо трех типов белков в их кольцах их всего два. Каждое кольцо животных состоит из пяти копий Vma3 и одной копии Vma16. У них нет Vma11. Согласно определению сложности Макши и Брэндона, грибы более сложны, чем животные, по крайней мере, когда речь идет об их вакуолярных АТФазных комплексах.

Ученые внимательно изучили гены, кодирующие кольцевые белки. Vma11, кольцевой белок, уникальный для грибов, оказывается близким родственником Vma3 как у животных, так и у грибов. Следовательно, гены Vma3 и Vma11 должны иметь общее происхождение. Торнтон и его коллеги пришли к выводу, что в начале эволюции грибов случайно продублировался предковый ген кольцевых белков. Эти две копии затем превратились в Vma3 и Vma11.

Сравнив различия в генах Vma3 и Vma11, Торнтон и его коллеги реконструировали наследственный ген, из которого они оба произошли. Затем они использовали эту последовательность ДНК для создания соответствующего белка, фактически воскресив белок возрастом 800 миллионов лет. Ученые назвали этот белок Anc.3-11 — сокращение от и estor Vma 3 и Vma 11 . Им было интересно, как белковое кольцо функционировало с этим наследственным белком. Чтобы выяснить это, они вставили ген Anc.3-11 в ДНК дрожжей. Они также отключили его гены-потомки, Vma3 и Vma11. Обычно отключение генов белков Vma3 и Vma11 было бы фатальным, потому что дрожжи больше не могли образовывать свои кольца.Но Торнтон и его коллеги обнаружили, что вместо этого дрожжи могут выжить с Anc.3-11. Он объединил Anc.3-11 с Vma16, чтобы получить полностью функциональные кольца.

Эксперименты, подобные этому, позволили ученым сформулировать гипотезу о том, как грибковое кольцо стало более сложным. Грибы начинали с колец, состоящих всего из двух белков — таких же, как у животных, таких как мы. Белки были универсальными, способными связываться сами с собой или со своими партнерами, присоединяясь к белкам справа или слева от них. Позже ген Anc.3-11 продублировался в Vma3 и Vma11. Эти новые белки продолжали делать то, что делали старые: они собирались в кольца для насосов. Но на протяжении миллионов поколений грибы начали мутировать. Некоторые из этих мутаций лишили их универсальности. Vma11, например, потерял возможность связываться с Vma3 по часовой стрелке. Vma3 потерял способность привязываться к Vma16 по часовой стрелке. Эти мутации не убивали дрожжи, потому что белки все еще могли соединяться в кольцо.Другими словами, это были нейтральные мутации. Но теперь кольцо должно было быть более сложным, потому что оно могло успешно сформироваться только в том случае, если присутствовали все три белка и только если они выстраивались в один паттерн.

Торнтон и его коллеги открыли именно тот эволюционный эпизод, который предсказывается эволюционным законом нулевой силы. Со временем жизнь произвела больше частей, то есть больше кольцевых белков. А потом эти лишние части стали расходиться одна от другой. В итоге грибы имели более сложную структуру, чем их предки. Но все произошло не так, как представлял себе Дарвин, когда естественный отбор благоприятствовал ряду промежуточных форм. Вместо этого грибковое кольцо превратилось в сложное.

Исправление ошибок

Грей нашел еще один пример конструктивной нейтральной эволюции в том, как многие виды редактируют свои гены. Когда клеткам нужно произвести определенный белок, они транскрибируют ДНК его гена в РНК, одноцепочечный аналог ДНК, а затем используют специальные ферменты для замены одних строительных блоков РНК (называемых нуклеотидами) на другие.Редактирование РНК важно для многих видов, в том числе и для нас: неотредактированные молекулы РНК производят белки, которые не работают. Но есть в этом и что-то явно странное. Почему бы нам просто не иметь гены с правильной исходной последовательностью, что делает ненужным редактирование РНК?

Сценарий эволюции редактирования РНК, который предлагает Грей, выглядит следующим образом: фермент мутирует, чтобы он мог зацепиться за РНК и изменить определенные нуклеотиды. Этот фермент не вредит клетке и не помогает ей — по крайней мере, сначала.Не причиняя вреда, он сохраняется. Позже в гене происходит вредная мутация. К счастью, в клетке уже есть РНК-связывающий фермент, который может компенсировать эту мутацию путем редактирования РНК. Он защищает клетку от вреда мутации, позволяя мутации передаваться следующему поколению и распространяться по популяции. Грей утверждает, что эволюция этого фермента, редактирующего РНК, и зафиксированная им мутация не были обусловлены естественным отбором. Вместо этого этот дополнительный уровень сложности развивался сам по себе — «нейтрально».Затем, как только она стала широко распространенной, от нее уже не было никакой возможности избавиться.

Дэвид Спейер, биохимик из Амстердамского университета, считает, что Грей и его коллеги сослужили биологии идею конструктивной нейтральной эволюции, в частности, бросив вызов представлению о том, что вся сложность должна быть адаптивной. аргумент слишком жесткий в некоторых случаях. С одной стороны, он считает, что грибковые насосы — хороший пример конструктивной нейтральной эволюции.«Все в здравом уме полностью с этим согласятся», — говорит он. В других случаях, таких как редактирование РНК, ученые, по его мнению, не должны отбрасывать возможность естественного отбора, даже если сложность кажется бесполезной.

Грей, МакШи и Брэндон признают важную роль естественного отбора в усложнении того, что нас окружает, от биохимии, из которой строятся перья, до фотосинтетических фабрик внутри листьев деревьев. Тем не менее, они надеются, что их исследование побудит других биологов выйти за рамки естественного отбора и увидеть возможность того, что случайная мутация может сама по себе способствовать эволюции сложности.«Мы вовсе не отвергаем адаптацию как ее часть, — говорит Грей. «Мы просто не думаем, что это объясняет все».

Эта статья была подготовлена ​​в сотрудничестве с Quanta Magazine, редакционно независимым подразделением SimonsFoundation. org .

Исследование объясняет явление эволюции, которое озадачило Дарвина


Почему некоторые животные имеют экстравагантные, эффектные украшения — например, рога лося и оленя, павлиньи перья и рога навозных жуков — которые могут мешать выживанию? Чарльз Дарвин не мог этого понять, но теперь у исследовательской группы Северо-Западного университета есть возможное объяснение этого загадочного феномена эволюции.

Исследователи разработали математическую модель, которая сделала неожиданное предсказание: у животных с украшениями самцы эволюционируют из-за напряжения между естественным отбором и половым отбором в два различных подвида, один с яркими «дорогостоящими» украшениями для привлечения самок, а другой с приглушенными, «недорогими» орнаментами.

«Орнаментация сохраняется в природе, и наша количественная модель показывает, что вид может разделиться на два подвида в результате битвы орнаментов, которая происходит с течением времени», — сказал Дэниел М. Абрамс, адъюнкт-профессор инженерных наук и прикладной математики в Инженерной школе Маккормика.

Свидетельства природы совпадают. Исследователи изучили имеющиеся данные об украшениях животных, таких как рога оленя, перья павлина, яркость определенных рыб и длину хвоста некоторых птиц, от 15 видов. Они обнаружили одинаковую картину распределения размеров украшений у многих видов: животные часто разделялись на две подгруппы, предсказанные моделью, одну эффектную и одну приглушенную, с очень немногими в середине.

Рога оленя впервые заставили Абрамса, математика-прикладника, задуматься, почему некоторые животные тратят драгоценную энергию, чтобы вырастить и носить с собой что-то, что может поставить под угрозу жизнь. Нет ничего необычного в том, что самцы оленей и их рога застревают в деревьях или заборах — или друг в друге в драке — и умирают.

Исследователи Северо-Запада сделали эволюционное открытие, которое поставило в тупик даже крестного отца науки, Чарльза Дарвина.

«Животные с экстравагантными украшениями показывают, насколько они крепки и сильны — что они могут преодолеть затраты на эти украшения — и это привлекает противоположный пол», — сказал Абрамс, который руководил исследованием.

На самом деле, существование подчиненной подгруппы является фактором способности особей яркой подгруппы передавать свои гены. Контраст придает более показным особям физическое отличие и авторитет, помогая ухаживать за партнерами и размножаться.

Исследование, которое помогает нам понять, как развивалась жизнь на Земле, было опубликовано сегодня (30 ноября в Великобритании) журналом биологических наук Royal Society Proceedings B.

Другими авторами исследования являются Сара М.Клифтон, аспирант группы Абрамса, и Розмари И. Браун, вычислительный биолог и доцент профилактической медицины в Школе медицины им. Файнберга Северо-Западного университета.

«Это исследование эволюции с использованием математической биологии — как половой отбор и естественный отбор взаимодействуют друг с другом и порождают некоторые из странных вещей, которые мы наблюдаем в мире животных», — сказал Клифтон, первый автор статьи. «Рогатый навозный жук из нашего исследования — хороший пример того, как большие рога действительно мешают животному, но они существуют.

Abrams, Braun и Clifton начали с принципа гандикапа Захави в 1975 году, который предлагает элегантное объяснение эволюции ярких украшений: украшения сигнализируют об индивидуальном качестве и способности преодолевать высокие затраты. Это обеспечивает «честную рекламу» противоположному полу, делая выбор партнера более эффективным.

Животные с экстравагантными украшениями показывают, насколько они крепки и сильны, что они могут преодолеть затраты на эти украшения, и это привлекает противоположный пол.

Дэниел М. Абрамс
доцент

Исследователи включили в математическую модель предположения о принципе гандикапа и о том, как будут выглядеть эволюционирующие украшения в течение длительного периода времени. Результаты показали, что этих предположений достаточно, чтобы объяснить ранее загадочное наблюдение двух отдельных подгрупп ярких, дорогих украшений и приглушенных, недорогих украшений у множества видов, охватывающих животный мир.

После разработки своей модели исследователи изучили 23 набора данных о 15 различных видах животных из опубликованной научной литературы и обнаружили, что все они согласуются с их моделью.Исключений не было.

«Модель полностью независима от лежащего в основе генетического механизма, который заставляет эти украшения расти, что я нахожу захватывающим», — сказал Браун. «Это говорит нам о том, что если у вас есть эти две конкурирующие силы, естественный отбор и половой отбор, появятся две морфы или подгруппы. Эта модель настолько общая, что ее можно применять ко многим разным видам и при этом иметь такую ​​же объяснительную силу».

Какое место занимают люди?

«Я не хочу заходить слишком далеко, но естественная аналогия заключается в том, что люди также могут пытаться казаться более привлекательными, тратя ресурсы на вещи, которые стоят больших денег — дорогие дома, машины, одежду или украшения, например», — сказал Абрамс.

«Вы можете позволить себе тратить столько денег на эти вещи только в том случае, если у вас уже есть много денег. Это демонстрирует богатство, выбрасывая много денег на эти предметы, что похоже на оленей с эффектными, но дорогими рогами», — сказал он.

Фонд Джеймса С. Макдоннелла (грант № 220020230) и стипендия Национального научного фонда № DGE-1324585 поддержали исследование.

Заголовок доклада B Proceedings Королевского общества: «Принцип гандикапа предполагает появление диморфных орнаментов.”

ГЛАВА 3: Эволюция

ГЛАВА 3: Эволюция

ГЛАВА 3: Эволюция

 

Ранние теории

 

Эволюция Джорджа Бюффона (середина 1700-х)

1) Определено понятие вида

2) Предложил, чтобы каждый вид был отдельным объектом.

3) Многие признаки у животных были результатом приспособления к определенным условиям.

4) Все формы жизни произошли от меньшего числа форм

5) Потомство унаследовало признаки от обоих родителей.

 

Эразм Дарвин

1) Дедушка Чарльза Дарвина.

2) Очарованный тем, как гусеница превратилась в бабочку, головастик превратился в лягушку.

3) Признал, что разведение животных вносило тонкие изменения в потомство в течение нескольких поколений, но потомство оставалось тем же самым видом.

4) Признаки, приобретенные организмом для успешной адаптации к окружающей среде, передавались потомству.

 

 

 

Ламаркианская эволюция

 

Наследование приобретенных характеристик

 

1) Краеугольный камень теории эволюции

2) Изменения в окружающей среде приводят к изменению потребностей организмов

3) Поскольку окружающая среда изменилась, животные были вынуждены изменить свои привычки, чтобы приспособиться и выжить.

4) Эти новые привычки в конце концов породили у животного новые характеристики.

5) Эволюционная история организма, сохраняемая по наследству и передающаяся потомству

6) Пример изменения шеи жирафа в зависимости от окружающей среды

 

 

 

Дарвиновская эволюция

Естественный отбор

(1) Выживают только сильнейшие.

(2) По мере изменения окружающей среды природа будет выбирать только особей, наиболее приспособленных к этим изменениям.

3) Эволюция движется в направлении большей адаптации.

4) Виды, в которых со временем доминируют особи, обладающие особенностями, позволяющими им более эффективно функционировать в окружающей среде.

 

 

Ламарковская эволюция против дарвиновской эволюции

Ламарк

(а) Эволюция произошла в результате изменения привычек организма.

(b) Тело изменилось, чтобы приспособиться к новой привычке.

 

Дарвин

(а) телесные изменения в организмах, связанные со случайными природными явлениями.

(б) Некоторые изменения могут дать организму благоприятное преимущество для выживания.

(c) Эти благоприятные изменения передавались будущим поколениям.

 

 

Доказательства эволюции

Отделение организации жизни:

(а) Все живые существа организованы в разветвленную иерархию групп, вложенных в группы.

(b) Ветвящаяся структура, основанная как на анатомических, так и на молекулярных структурах.

 

Гомология:

Органы с совершенно разными функциями, обычно построенные из одних и тех же основных частей, что предполагает общего предка.

.

Рудиментарные структуры и другие дефекты:

(а) У многих животных есть крошечные остатки (рудименты) особенностей, которые они больше не используют.

(b) Примеры включают низкорослую копчиковую кость и аппендикс у людей, остатки бедер и задних ног у китов и змей и остатки боковых пальцев у лошадей.

(c) Рудиментарные структуры, унаследованные от предков, где структуры когда-то были функциональными.

 

Эмбриональная история:

(а) Все зародыши позвоночных начинаются очень похоже с жаберными щелями и длинным хвостом, унаследованными от древних предков.

(b) Эмбриональное развитие иногда повторяет историю эволюции.

(c) Жабры и хвосты сохраняются у некоторых взрослых позвоночных, но утрачиваются во время развития человека во взрослую жизнь.

 

Биогеография:

(a) На многих континентах неродственные животные в ходе эволюции заняли сходные экологические ниши.

(b) В результате у неродственных животных развились сходные физические черты.

(c) Пример: австралийские сумчатые (сумчатые животные), не связанные с плацентарными млекопитающими Европы и Северной Америки и географически отделенные от них. Сумчатые и плацентарные, однако, имеют очень похожих потомков.Сходство в чертах сумчатых и плацентарных, вероятно, является результатом того, что обе группы заполняют сходные экологические ниши на разных континентах.

 

 

Генетика и эволюционный синтез

 

Ранние ученые мало знали о том, как наследуются благоприятные вариации или как впервые появляются новые характеристики.

 

Грегор Мендель (середина 1800-х):

1) Австрийский монах, экспериментировавший со скрещиванием растений гороха.

2) Обнаружено, что некоторые признаки родительского поколения исчезли во втором поколении, но затем вновь появились в третьем поколении.

3) Почему?

 

Генетическая теория и эволюция

 

1) Генетика стала доминировать в эволюционной теории в начале двадцатого века.

2) К концу 1930-х годов ученым были известны мутаций (случайные изменения в генах) и макромутаций (изменения в масштабе эволюции).

3) Развитие математической популяционной генетики в 1930-х и 1940-х годах показало, что естественный отбор может привести к эволюционным изменениям. Хотя мутации редки и в основном вредны, они все же могут привести к достаточной эволюционной изменчивости, на которую мог бы воздействовать естественный отбор.

4) Структура ДНК открыта в начале 1950-х гг.

5) Современная синтетическая теория эволюции предполагает, что популяции различаются, потому что каждый член имеет немного отличающийся генетический код, содержащийся в молекулах ДНК.

6) Изменения в генетическом коде человека могут быть вызваны мутациями или изменением порядка нуклеотидов в ДНК.

7) Изменения в генетическом коде индивидуумов также могут быть результатом комбинирования различных генетических кодов от каждого родителя для получения потомства с новым генетическим кодом.

8) Изменения в генетическом коде разных особей внутри определенного вида зависят от окружающей среды, и естественный отбор обеспечивает передачу потомству только благоприятных характеристик.

 

Происхождение видов: (Как возникают новые виды )

 

Факторы, препятствующие развитию новых видов:

1) Большие популяции генетически заглушают новый вариант посредством межпородного скрещивания.

2) Популяции, которые живут вместе, постоянно скрещиваются и имеют мало шансов генетически дифференцироваться.

 

Факторы, способствующие появлению новых видов:

1) Новые виды возникают, когда большая популяция разделяется на субпопуляции, занимающие разные ареалы обитания (экологические ниши).

2) Небольшие популяции быстро эволюционируют, даже если лишь несколько членов обладают необычными характеристиками. Предпочтение отдается новым видам.

3) Новые виды также могут отличаться от небольших популяций в результате мутаций или других изменений в генетическом коде из-за меньшего межпородного скрещивания.

4) Физическая изоляция (географическое разделение) и генетическая изоляция (например, инбредные религиозные секты) одной группы от родительской популяции могут вести эту группу (периферийная изоляция) по другому эволюционному пути, отличному от пути эволюции родительской популяции.

5) Генетическое отклонение одной группы от родительской популяции может в конечном итоге привести к тому, что другой вид больше не сможет скрещиваться с предковой популяцией.

 

Эволюционные закономерности

 

Филетический градуализм:

Окаменелости, демонстрирующие переходные черты от одного вида к другому.

 

Прерывистое равновесие:

Большинство видов остаются неизменными в течение длительных периодов времени, лишь изредка прерываясь событиями видообразования.

 

Дивергенция

Во всей летописи окаменелостей, когда один вид претерпевает дивергенцию , разница между новыми и старыми видами незначительна. Летопись окаменелостей, однако, также содержит примеры крайней дивергенции. Например, ранние млекопитающие были маленькими и в основном жили в подлеске, но за несколько миллионов лет млекопитающие начали дивергировать до многих размеров и типов питания благодаря адаптивной радиации. К 40 млн лет назад возник широкий спектр различных млекопитающих, включая грызунов, китов, приматов и лошадей.

Конвергенция

Доступность экологических ниш может также привести к конвергенции , когда два неродственных вида могут эволюционировать в одну и ту же форму тела, чтобы использовать доступную нишу. Пример сумчатых и плацентарных.

Итеративный

Летопись окаменелостей также показывает свидетельства повторяющейся (итеративной) эволюции, когда определенная группа животных повторно эволюционировала в одну и ту же форму тела после массового вымирания (т.грамм. от простых до сложных швов у аммонитов).

 

Все ли генетические изменения произошли под влиянием естественного отбора?

Нейтрализм

1) Организмы обладают гораздо большей генетической изменчивостью, чем действует естественный отбор.

2) Части генетического кода кажутся адаптивно нейтральными.

3) Определенные генетические различия должны быть невидимы для естественного отбора.

4) Могут возникнуть некоторые характеристики, которые не имеют ничего общего с окружающей средой.

5) Естественный отбор действительно может воздействовать на эти генетические различия, но его последствия слишком незаметны, чтобы их можно было заметить.

Видообразование: происхождение новых видов

Батлин Р.К., Галиндо Дж. и Грэм Дж.В. Симпатрическое, парапатрическое или аллопатрическое: наиболее важный способ классификации видообразования? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 363 , 2997–3007 (2008).

Койн, Дж. А. и Орр, Х. А. Вид .Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates, 2004.

.

Дарвин, К. О происхождении видов путем естественного отбора, или Сохранение привилегированных рас в борьбе за жизнь . Лондон, Великобритания: Джон Мюррей, 1859 г. (ссылка)

.

Федер, Дж. Л., Чилкот, К. А. и Буш, Г. Л. Генетическая дифференциация между симпатрическими расами-хозяевами Rhagoletis pomonella . Природа 336 , 61–64 (1988).

Фанк, Д. Дж. Выделение роли естественного отбора в видообразовании: адаптация хозяина и половая изоляция у листоедов Neochlamisus bebbianae . Эволюция 52 , 1744–1759 (1998).

Маан, М. Э. и Зеехаузен, О. Механизмы дивергенции видов посредством визуальной адаптации и полового отбора: перспективы модельной системы цихлид. Текущая зоология 56 , 285–299 (2010).

Маллет, Дж. и др. . Пространство, симпатия и видообразование. Журнал эволюционной биологии 22 , 2332–2341 (2009).

Мани, Г. С. и Кларк, Б. К. Порядок мутаций — основной стохастический процесс в эволюции. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 240 , 29–37 (1990).

Майр, Э. Систематика и происхождение видов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета, 1942.

.

Майр, Э. Виды животных и эволюция . Гарвард, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета, 1963.

.

Майр, Э. и Провайн, В. Б. Эволюционный синтез . Гарвард, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета, 1998.

.

Нимиллер, М. Р., Фитцпатрик, Б.М. и Миллер, Б. Т. Недавнее расхождение с потоком генов у пещерных саламандр Теннесси (Plethodontidae: Gyrinophilus ), выведенное из генеалогий генов. Молекулярная экология 17 , 2258–2275 (2008).

Nosil, P., Crespi, BJ & Sandoval, C.P. Адаптация растения-хозяина стимулирует параллельную эволюцию репродуктивной изоляции. Природа 417 , 440–443 (2002).

Носил П., Хармон Л. Дж. и Зеехаузен О. Экологическое объяснение (неполного) видообразования. Тенденции в экологии и эволюции 24 , 145–156 (2009).

Носиль, П., Функ, Д. Дж. и Ортис-Барриентос, Д. Дивергентный отбор и гетерогенная геномная дивергенция. Молекулярная экология 18 , 375–402 (2009).

Panhuis, Т. М. и др. . Половой отбор и видообразование. Тенденции в экологии и эволюции 16 , 364–371 (2001).

Цена, т. д. Видообразование у птиц . Вудбери, Нью-Йорк: Робертс и компания, 2007.

Ramsey, J. & Schemske, D.W. Пути, механизмы и скорость образования полиплоидов у цветковых растений. Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики 29 , 467–501 (1998).

Ричи, М. Г. Половой отбор и видообразование. Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики 38 , 79–102 (2007).

Рандл, Х. Д. и Носил, П. Экологическое видообразование. Ecology Letters 8 , 336–352 (2005).

Шлютер, Д. Экология и происхождение видов. Тенденции в экологии и эволюции 16 , 372–380 (2001).

Шлютер, Д. Доказательства экологического видообразования и его альтернативы. Наука 323 , 737–741 (2009).

Зеехаузен, О. и др. . Видообразование через сенсорный драйв у цихлид. Природа 455 , 620–626 (2008).

Тернер Т. Л., Хан М. В. и Нуждин С. В.Геномные острова видообразования у Anopheles gambiae. PLoS Biology 3 , e285 (2005). doi:10.1371/journal. pbio.0030285

ван Дорн, С., Эделаар, П. и Вайссинг, Ф. Дж. О происхождении видов путем естественного и полового отбора. Наука 326 , 1704–1707 (2009).

Виа, С. Симпатрическое видообразование у животных: Гадкий утенок вырастает. Тенденции в экологии и эволюции 16 , 381–390 (2001).

Молекулярные механизмы, движущие дарвиновской эволюцией

https://doi.org/10.1016/j.mcm.2007.06.003Получить права и содержание

Abstract

Согласно неодарвиновской теории, биологическая эволюция зависит (1) от наличия генетических вариантов, (2) от естественного отбора, воздействующего на все доступные формы жизни и (3) по географической и репродуктивной изоляции. Доступная сейчас методология молекулярной генетики позволяет нам исследовать молекулярную природу генетической изменчивости. Стало ясно, что многие различные молекулярные механизмы способствуют общему производству изменений в последовательностях ДНК.Эти механизмы можно разделить на три концептуально различных естественных стратегии генетической изменчивости. Эти стратегии различаются качеством своего вклада в биологическую эволюцию. Изменения в последовательностях геномной ДНК могут подразумевать либо (1) небольшое локальное изменение последовательности, либо (2) внутригеномную перестройку сегментов ДНК, либо (3) приобретение сегмента ДНК от другого вида организма путем горизонтального переноса генов. Комбинации этих стратегий также можно увидеть в отдельных процессах.

В принципе генетическая изменчивость возникает более или менее случайно, а не как целенаправленный ответ на выявленную потребность. Именно естественный отбор вместе с имеющимися формами жизни определяют направления биологической эволюции. Интересно, что генетическая изменчивость тем не менее зависит от продуктов так называемых эволюционных генов. Эти продукты действуют как генераторы генетических вариаций и/или как модуляторы частоты генетических вариаций. Продукты генов эволюции проявляют свою активность в тесном сотрудничестве с различными негенетическими факторами, такими как структурная гибкость биологически значимых молекул, химическая нестабильность нуклеотидов, случайное столкновение, химические и физические мутагены. В заключение, природная реальность активно заботится о биологической эволюции, которую больше не следует рассматривать как результат ошибок и случайностей. Будут обсуждаться некоторые философские, мировоззренческие последствия.

Ключевые слова

Ключевые слова

Ключевые слова

Молекулярная эволюция

Генетическая вариация

Горизонтальный генеризм

Гены эволюции

Генератор эволюции

Генератор вариации

Модуляция мутации частоты

Рекомендуемая статьи на изделии (0)

Copyright © 2007 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Фантастическая ошибка: что Дарвин на самом деле облажался в эволюции

Трудно переоценить, насколько блестящей и масштабной была и остается теория Чарльза Дарвина об эволюции путем естественного отбора. Это потрясло викторианскую Англию до такой степени, что душную старую викторианскую Англию можно было потрясти мимо людей, едва возвышающих голос в знак вежливого протеста. Но некоторые люди, особенно очень религиозные, были не слишком довольны идеей, что природа может прекрасно работать сама по себе, без направляющей руки высшей силы.Не доволен ничуть не .

Но, вопреки распространенному сегодня мнению, ученые обсуждали идею эволюции еще до Дарвина — даже дедушка Чарльза, Эразмус, намекал на нее в стихах, как настоящий OG. Вклад Чарльза заключался, в частности, в том, что естественный отбор заключался в том, что организмы различаются, и эти вариации могут лучше подходить людям к их среде, тем самым повышая их шансы передать эти черты будущим поколениям. (Как ни странно, друг Дарвина, блестящий натуралист Альфред Рассел Уоллес независимо пришел к той же идее примерно в то же время.Эти двое представили свои предварительные результаты Лондонскому Линнеевскому обществу, прежде чем Дарвин сорвал крышку со всей этой затеи с О происхождении видов . : Дарвин не знал, как это работает. Конечно, потомство имело смесь черт своих родителей. Но как? Что происходило в момент зачатия? Это была огромная дыра в теории эволюции Дарвина. Итак, в 1868 году, почти через десять лет после публикации « О происхождении видов », Дарвин попытался заткнуть эту дыру теорией «пангенезиса», крайне ошибочной идеей, которая звучит примерно так:

дедушка Чарльза, Эразмус, настоящий гангста.

Джозеф Райт из Дерби (1734–1797). Масло на холсте; через Corbis

Каждая клетка нашего тела выделяет мельчайшие частицы, называемые геммулами, «которые рассеяны по всей системе», писал Дарвин, и «они, будучи снабжены надлежащим питанием, размножаются путем самоделения и в конечном итоге превращаются в такие единицы, как те, от которых они были первоначально получены». Геммулы, по сути, являются семенами клеток. «Они собираются из всех частей системы, чтобы составить половые элементы, и их развитие в следующем поколении формирует новое существо.”

Поскольку оба родителя вносят эти семена клеток, потомство в конечном итоге смешивает черты мамы и папы. Но как насчет ребенка, демонстрирующего больше черт одного родителя, чем другого? Это происходит, когда «геммулы в оплодотворенном зародыше чрезмерно многочисленны», когда геммулы, «происходящие от одного родителя, могут иметь некоторое преимущество в количестве, сродстве или силе по сравнению с геммулами, происходящими от другого родителя». Другими словами, они как бы просто приложили больше усилий.

Геммулы должны развиваться в правильном порядке, чтобы построить здоровый организм.Однако когда что-то дает сбой, вы получаете врожденные дефекты. «Согласно учению о пангенезе, — писал Дарвин, — геммулы перемещенных органов развиваются не в том месте, в результате соединения с неправильными клетками или агрегатами клеток во время их зарождения».

Но самое главное, дарвиновская теория пангенезиса смогла наконец объяснить различия между организмами — сырое топливо эволюции. Это имеет две причины. Во-первых, «флуктуирующая изменчивость» возникает из-за «дефицита, избытка и перемещения геммул, а также из-за переразвития тех, которые долгое время бездействовали. Другими словами, они проявляются во внучатом потомстве после пропуска поколения, хотя сами геммулы не «претерпели никаких изменений».

Второй затрагивает ныне дискредитированную теорию ламаркизма, которая утверждала, что черты, которые организм приобретает в течение своей жизни, возможно, из-за факторов окружающей среды, затем могут быть унаследованы его потомством.Дарвин считал, что геммулы могут изменяться в течение жизни организма, и эти недавно измененные геммулы могли размножаться и вытеснять старые.(Ламаркизм мертв, но некоторые современные ученые утверждают, что, поскольку поведение, подобное вашему языку, приобретается, это представляет собой негенетическое наследование, которое может изменить ход эволюции организма. Но это все еще довольно спорный вопрос, и нам нет необходимости вдаваться в него здесь. заинтересованным следует прочитать этот хороший учебник по теме.)

Итак, подведем итог: геммулы — это семена клеток, которые вы получаете, когда ваши родители зачат вас. Они должны образовываться в правильном порядке, чтобы построить здоровый организм, и то, как они смешиваются, приводит к вариациям.Некоторые геммулы могут находиться в спящем состоянии, что приводит к тому, что черты передаются из поколения в поколение или изменяются в течение жизни организма, в результате чего потомство наследует черты, которые их родители развили из-за факторов окружающей среды.

Дарвиновская эволюция на чипе

Abstract

Компьютерный контроль дарвиновской эволюции был продемонстрирован путем размножения популяции ферментов РНК в микрожидкостном устройстве. Популяции РНК было предложено катализировать лигирование олигонуклеотидного субстрата в условиях постепенно снижающихся концентраций субстрата.Схема серийного разведения на основе микрочипа автоматизировала фазу экспоненциального роста, за которой следовало 10-кратное разведение, которое повторялось для 500 итераций логарифмического роста. Эволюция наблюдалась в режиме реального времени, поскольку популяция адаптировалась и со временем достигла все более высоких темпов роста. Окончательно эволюционировавший фермент содержал набор из 11 мутаций, которые приводили к 90-кратному улучшению использования субстрата, что совпадало с приложенным селективным давлением. Эта система сводит эволюцию к микрофлюидному алгоритму, позволяя экспериментатору наблюдать за адаптацией и управлять ею.

Резюме автора

Принципы дарвиновской эволюции имеют фундаментальное значение для понимания биологической организации и были применены к развитию функциональных молекул в пробирке. Лабораторная эволюция значительно ускорена по сравнению с естественной эволюцией, но обычно требует значительных манипуляций со стороны экспериментатора. Здесь мы описываем систему, которая опирается на компьютерное управление и технологию микрофлюидных чипов для автоматизации направленной эволюции функциональных молекул с точно определенными параметрами.Мы использовали популяцию из миллиардов РНК-ферментов с активностью соединения РНК, которым было предложено реагировать в присутствии все более низких концентраций субстрата. Ферменты, которые реагировали, были амплифицированы для получения потомства, которое подвергалось аналогичному заражению. Всякий раз, когда размер популяции достигал заданного порога, выполнялись операции на основе чипов, чтобы изолировать часть популяции и смешивать ее со свежими реагентами. Эти шаги автоматически повторялись для 500 итераций 10-кратного экспоненциального роста с последующим 10-кратным разбавлением.Мы наблюдали эволюцию в режиме реального времени по мере того, как популяция адаптировалась к наложенным ограничениям отбора и со временем достигала все более высоких темпов роста. Наша микрожидкостная система позволяет нам проводить дарвиновские эволюционные эксперименты почти так же, как можно было бы выполнять компьютерную программу.

Образец цитирования: Paegel BM, Joyce GF (2008) Дарвиновская эволюция на чипе. ПЛОС Биол 6(4): е85. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085

Академический редактор: Marv Wickens, University of Wisconsin Madison, United States of America

Получено: 12 декабря 2007 г. ; Принято: 26 февраля 2008 г .; Опубликовано: 8 апреля 2008 г.

Авторское право: © 2008 Paegel and Joyce.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана грантом НАСА NNX07AJ23G (GFJ), грантом Национального научного фонда MCB-0614614 (GFJ) и стипендией Национального института здравоохранения NRSA 1F32GM073438 (BMP).

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение. Принципы дарвиновской эволюции имеют фундаментальное значение для понимания биологической организации на уровне популяций организмов и для объяснения развития биологических геномов и функций макромолекул. Дарвиновская эволюция также стала химическим инструментом для обнаружения и оптимизации функциональных макромолекул в пробирке (последние обзоры см. в [2–5]). Лабораторная эволюция значительно ускоряется по сравнению с естественной эволюцией, но требует значительных манипуляций со стороны экспериментатора, что является неточным, трудоемким и обычно выполняется ситуативно.

Многие лабораторные процедуры были миниатюризированы с использованием микрофлюидной технологии, которая снижает стоимость и повышает точность по сравнению с ручными методами [6].В настоящем исследовании описывается система, основанная на компьютерном управлении и технологии микрофлюидных чипов для автоматизации направленной эволюции функциональных молекул — процесса, который подчиняется точно определенным параметрам. Популяция из миллиардов РНК-ферментов с активностью РНК-лигазы была создана для непрерывной эволюции с отслеживанием размера и приспособленности популяции в режиме реального времени. Всякий раз, когда размер популяции достигал заданного порога, выполнялись операции на основе чипов, чтобы изолировать часть популяции и смешивать ее со свежим запасом реагентов. Эти шаги повторялись автоматически по мере того, как популяция адаптировалась к наложенным ограничениям отбора в течение нескольких часов.

РНК-фермент, который был выбран для этого исследования, является потомком РНК-лигазы класса I, впервые описанной Бартелем и Шостаком [7]. Это один из двух РНК-ферментов, которые подвергались непрерывной эволюции in vitro [8, 9] — процессу, в котором все компоненты, необходимые для эволюции, содержатся в общем реакционном сосуде. Ферменту предлагается лигировать содержащий промотор олигонуклеотидный субстрат с самим собой путем катализа нуклеофильной атаки 3′-гидроксила субстрата на 5′-трифосфат фермента.Реакционная смесь также содержит два фермента-полимеразы (обратная транскриптаза и РНК-полимераза Т7), которые амплифицируют любые молекулы РНК, которые приобрели промоторную последовательность в результате лигирования, катализируемого РНК. Генерируются множественные копии дочерней РНК, которые затем могут вступить в другой цикл реакции и селективной амплификации. В популяции вариантов ферментов РНК те, которые реагируют наиболее эффективно, растут и доминируют в популяции в борьбе за ограниченные химические ресурсы. Протокол серийного переноса или серийного разведения используется для периодического обновления запаса реагентов, позволяя процессу эволюции продолжаться бесконечно.

Результаты

Система эволюции на основе чипа состоит из микрофлюидного устройства, установленного на столике с регулируемой температурой и контролируемого инвертированным конфокальным флуоресцентным микроскопом (рис. 1А и 1В). Портативный компьютер управляет срабатыванием клапанов на чипе, а сбор и обработка данных флуоресценции указывают на концентрацию РНК-ферментов в микрофлюидном контуре. Схема состоит из смесительного контура (диаметр 1 см, объем 400 нл) с тремя встроенными клапанами для смешивания и двумя шинными клапанами, которые контролируют ввод свежих реагентов и вывод отработанных реакционных материалов (рис. 1C).Это устройство может выполнять серийные разведения быстро и точно [10]. Каждая итерация событий на чипе включает этап инкубации с медленным перемешиванием, этап выделения, на котором одна десятая часть реакционной смеси остается в части контура, в то время как свежие реакционные материалы втягиваются в оставшуюся часть контура, и этап быстрого этап смешивания, на котором выделенную аликвоту объединяют со свежими реагентами (рис. 1D). Реакционная смесь содержит тиазол оранжевый, который интеркалирует в нуклеиновые кислоты и при лазерном возбуждении дает характерный флуоресцентный сигнал.Когда флуоресценция достигает заданного порога, коррелирующего с 10-кратным увеличением концентрации РНК, компьютер инициирует автоматическое 10-кратное разведение.

Рис. 1. Микрофлюидная система Evolution

(A) Чип Evolution установлен на предметном столике с контролируемой температурой. Растворы, содержащие ферменты полимеразы ( E ) и моно- и олигонуклеотидные компоненты ( S ), доставляются на чип через капиллярную трубку и выводятся в пробирку для сбора с регулируемым давлением ( O ). Объектив микроскопа используется для фокусировки лазерного возбуждения (λ ex = 490 нм) на микрофлюидном канале и для сбора флуоресценции (λ em = 535 нм), которая обнаруживается с помощью конфокальной ФЭУ. Приведение в действие клапана и поток жидкости контролируются шестью независимыми вакуумными линиями.

(B) Показано микрожидкостное устройство с активным контуром, заполненным синим красителем.

(C) Контур последовательного разбавления состоит из смесительного контура с каналами потока жидкости (красные), резервуарами доступа к жидкости (синие) и регулирующими клапанами (черные).Поток жидкости вокруг контура регулируется тремя двухходовыми клапанами ( a , b и c ). Доступ жидкости к контуру из входных резервуаров ( R E и R S ) и выходного резервуара ( R O ) контролируется шинными клапанами ( в и вых. ). Шинные клапаны обеспечивают доступ, когда они открыты, и предотвращают доступ, сохраняя при этом непрерывность потока жидкости в контуре, когда они закрыты.

(D) Во время работы схемы расширяющаяся популяция РНК инкубируется при медленном циклическом перемешивании до тех пор, пока флуоресценция не достигнет заранее определенного порога.Затем аликвоту популяции выделяют между клапанами в и из по мере того, как свежие растворы E и S втягиваются в петлю, а отработанные материалы доставляются во флакон для сбора. Наконец, петля герметизируется закрывающими клапанами в и на выходе из , и аликвота смешивается со свежими растворами путем быстрого последовательного срабатывания клапанов а , b и с . Открытые клапаны обозначены заштрихованными кружками; закрытые клапаны обозначены красным крестиком.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.g001

Непрерывная эволюция на чипе была инициирована рандомизированными вариантами формы «B16–19» РНК-фермента лигазы I класса [11]. Как и другие формы лигазы класса I, этот фермент имеет впечатляющую каталитическую скорость 20 ± 2 мин -1 , но несколько плохую константу Михаэлиса ( К м ) 35 ± 8 мкМ (измеренную в присутствии 10 мМ MgCl 2 и 50 мМ KCl при рН 7. 5 и 37 °С). Случайные мутации вводили по всей молекуле с частотой ~0,7% на положение нуклеотида с помощью мутагенной ПЦР [12] с последующей транскрипцией in vitro. Исходную популяцию из 2 × 10 9 ​​ вариантов вводили в чип и подвергали испытанию для катализа лигирования РНК в условиях постепенно снижающихся концентраций субстрата. Ожидалось, что это давление отбора будет благоприятствовать особям с улучшенным K m . Вначале концентрация субстрата составляла 1 мкМ, в результате чего исходный фермент B16–19 работал с наблюдаемой скоростью, равной только 0.6 мин −1 . Любые особи с улучшенным K m будут работать с большей скоростью и, следовательно, будут подвергаться более быстрой амплификации и расти, чтобы доминировать в популяции. По мере того, как эволюционирующая популяция адаптировалась к уменьшенной концентрации субстрата, концентрация снижалась еще больше, в конечном итоге достигнув всего 0,05 мкМ.

Ход эволюции непрерывно отслеживали на основе флуоресценции, отслеживая время, необходимое для достижения 10-кратной общей амплификации популяции РНК (рис. 2).Лог-линейная скорость роста исходной популяции в течение первых 40 минут использовалась для установки порога флуоресценции для схемы перед выполнением первого 10-кратного разведения. Было выполнено сто итераций логарифмического роста и разбавления в присутствии 1 мкМ субстрата. Мгновенная пригодность популяции отражалась интервалом между последовательными разведениями, который монотонно уменьшался в течение первых 100 итераций логарифмического роста.

Рис. 2. Эволюция на основе чипов

Ферменты РНК эволюционировали в ходе 500 log селективной амплификации.За популяцией следили в режиме реального времени по интенсивности флуоресценции (в центре). После каждого журнала роста выполняли 10-кратное разведение с помощью автоматических микрожидкостных манипуляций. Концентрацию субстрата периодически снижали, чтобы поддерживать избирательное давление на эволюционирующую популяцию (вверху). Перед каждым снижением концентрации субстрата образец удаляли из контура, подвергали мутагенезу и снова вводили в контур. Интервал между последовательными разведениями регистрировали как функцию времени (внизу).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.g002

Материалы, собранные на итерациях 95–100, были объединены, подвергнуты мутагенной ПЦР и повторно введены в чип, но теперь концентрация субстрата снижена до 0,5 мкМ. . Это привело к временному снижению приспособленности (увеличению интервала разбавления), но популяция быстро адаптировалась, достигнув 10-кратного роста каждые 10 минут на итерации 198. В этот момент и на итерациях 280, 363 и 428 снова был собран материал. , мутагенизированы и возвращены в чип.Концентрация субстрата была снижена до 0,3 мкМ на 280-й итерации, до 0,1 мкМ на 363-й итерации и, наконец, до 0,05 мкМ на 428-й итерации.

После 500 итераций логарифмического роста и разбавления (70 часов на чипе) процесс эволюции считался завершенным. Особи были клонированы из популяции на итерациях 198 и 500 и секвенированы. На 500-й итерации все секвенированные клоны содержали 11 мутаций, которые можно было разделить на четыре подгруппы (M1, M2, M3 и M4) на основании их связи с известной вторичной структурой лигазы класса I (рис. 3).Мутации M1 происходят непосредственно на 3′-стороне соединения лигирования, заменяя пару pppA•U парой pppG•C. Эти мутации восстанавливают последовательность инициации транскрипции pppGpG, которая предпочтительна для РНК-полимеразы Т7 [13], сохраняя при этом спаривание Уотсона-Крика 5′-концевого гуанозина. Мутация M2 представляет собой вставку C, которая, по-видимому, расширяет матричную область фермента, так что он связывает шесть дополнительных нуклеотидов в восходящей части субстрата. Мутации M3 (один переход, одна трансверсия и одна вставка) происходят внутри петли шпильки, которая, как считается, находится в непосредственной близости от матричной области, основываясь на моделировании трехмерной структуры лигазы класса I [14]. .Мутации M4 заменяют пару U•A на пару G•C внутри стебля, примыкающего к соединению лигирования.

Рисунок 3. Эволюция генотипа

На диаграмме показана последовательность и вторичная структура конечного эволюционировавшего фермента лигазы. Субстрат олигонуклеотида показан серым цветом, что указывает на те остатки, которые связываются с матричной областью фермента РНК. Сайты связывания праймеров на 3′-конце фермента и 5′-конце субстрата обозначены незакрашенными прямоугольниками. Мутации, которые присутствовали во всех секвенированных клонах, выделены черными кружками.Критические мутации, обозначенные M1, M2, M3 и M4, обозначены прямоугольниками.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.g003

Репрезентативный клон, содержащий все 11 консервативных мутаций, а также три мутации вблизи 3′-конца, исследовали на предмет его каталитических свойств. Он показал 90 656 k 90 657 90 744 cat 90 745 21 ± 0,8 мин 90 798 -1 90 799 , что почти идентично исходному ферменту, и 90 656 K 90 657 90 744 m 90 745 0.4 ± 0,05 мкМ, что соответствует 90-кратному улучшению (рис. 4А). Тот факт, что только 90 656 K 90 657 90 744 m 90 745 улучшились, отражает избирательное давление, которое оказывалось на население. Исходная форма фермента B16–19 была разработана для работы в присутствии 5 мкМ субстрата [8,11], и эта концентрация была уменьшена в 100 раз в течение 500 логарифмов эволюции на кристалле. Таким образом, улучшение в K m близко соответствует степени применяемого селективного давления.

Рисунок 4. Эволюция фенотипа

Каталитическую активность измеряли для начальных (светлые кружки) и конечных эволюционировавших (темные кружки) ферментов.

(A) Наблюдаемая константа скорости, k obs , была определена для различных концентраций субстрата и соответствовала уравнению Михаэлиса-Ментен.

(B) Значения для k obs были получены в присутствии 0,1 мкМ субстрата для вариантов исходного фермента, которые содержали каждую из четырех критических мутаций (слева), и для вариантов эволюционировавшего фермента, в которых отсутствовала каждая из этих мутаций. мутации (справа).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.g004

Для оценки индивидуального вклада мутаций M1–M4 каждую добавляли к исходному ферменту и удаляли из конечного эволюционировавшего фермента. Наблюдаемая скорость реакции в присутствии 0,1 мкМ субстрата определялась для каждой конструкции (рис. 4В). Добавление мутаций M1 или M2 к исходному ферменту вызывало 9-кратное увеличение наблюдаемой скорости, тогда как добавление мутаций M3 вызывало 24-кратное увеличение.Удивительно, но добавление мутаций М4 вызвало двукратное снижение. Возврат мутаций M1, M2 или M4 в эволюционировавшем ферменте вызывал 2-3-кратное снижение наблюдаемой скорости, а возврат мутаций M3 вызывал 10-кратное снижение. Таким образом, мутации M1, M2 и M3, по-видимому, проявляют независимые эффекты, тогда как мутация M4 дает только селективное преимущество по сравнению с другими мутациями. Очевидно, мутации М3 являются наиболее значимыми. При добавлении их к исходному ферменту k cat не изменяется, а K m улучшается в 10 раз.И наоборот, когда мутации M3 удаляются из эволюционировавшего фермента, 90 656 k 90 657 90 744 cat 90 745 не изменяются, а 90 656 K 90 657 90 744 m 90 745 ухудшаются в 10 раз (рис. S1).

Возвращаясь к итерации 198, когда популяция подвергалась адаптации только к 0,5 мкМ субстрата, ни одна из 20 клонированных последовательностей не содержала мутаций M4. Однако все клонированные последовательности содержали мутации М1 и М2. В то время начали появляться мутации M3, причем все 20 клонов содержали вставку G (рис. 3), но только восемь содержали трансверсию A→C и только два содержали переход G→A.Инсерционные и трансверсионные мутации интригуют, поскольку они приводят к последовательности 5′-GACCCAG-3′ (мутации подчеркнуты), которая идентична последовательности 5′-GACCCAG-3′ (мутация M2 подчеркнута), которая встречается в расширенной матричной области. фермента. Возможно, что одна или обе эти области участвуют в парных взаимодействиях с субстратом.

Исследования сайт-направленного мутагенеза были проведены на окончательном эволюционировавшем ферменте, чтобы изучить потенциальные взаимодействия фермент-субстрат, обеспечиваемые мутациями M2 и M3.Был подготовлен альтернативный субстрат, оставив неизменными восемь нуклеотидов, комплементарных исходной матричной области фермента, но заменив шесть нуклеотидов, комплементарных расширенной матричной области (рис. 3). Никакой активности с этим субстратом не наблюдалось. Однако активность была в значительной степени восстановлена ​​за счет введения компенсаторных мутаций в фермент, который восстановил комплементарность Уотсона-Крика с субстратом (рис. S2). Фермент, содержащий эти шесть мутаций, не мог реагировать с исходным субстратом, что также согласуется с требованием комплементарности в этой области.Интересно, что область мутаций М3 может компенсировать частичное несовпадение в расширенной области матрицы. Если только четыре из шести нуклеотидов в расширенной матричной области были мутированы, активность сохранялась до тех пор, пока область М3 оставалась неизменной. Если область M3 также была мутирована, то не было заметной активности (рисунок S2). Таким образом, область мутаций М3, по-видимому, помогает расширенной области матрицы в распознавании субстрата.

Обсуждение

Созвездие мутаций, возникших в ходе эволюции, нельзя было предвидеть, особенно тройные мутации в области M3, которые оказали наиболее сильное влияние на K m , и парные мутации M4, которые имели только выгоду в сочетании с другими мутациями. Неудивительно, что эти более сложные черты возникли позже в процессе эволюции. Снимок эволюционирующей популяции, полученный на итерации 198, выявил промежуточные формы, в которых два полезных признака (М1 и М2) уже приобретены, а приобретение третьего (М3) еще продолжается. Если бы анализ последовательности проводился с более частыми интервалами в течение 500 итераций логарифмического роста и разбавления, это дало бы более подробную картину приливов и отливов генетических признаков.Эта генетическая информация может быть соотнесена с измерениями каталитического поведения и скорости роста для каждого из клонированных индивидуумов. Существуют методы микрофлюидного выделения и амплификации клонов [15], секвенирования ДНК [16] и анализа кинетики ферментов [17], что повышает вероятность проведения дарвиновской эволюции и анализа эволюционирующей популяции в интегрированном микрофлюидном формате. .

Возможно, дальнейшая эволюция чипа, проводимая в присутствии еще более низких концентраций субстрата, приведет к дальнейшему улучшению K m . Однако в конечном итоге это улучшение будет ограничено тремя ограничениями: (1) уменьшенным размером эволюционирующей популяции при работе с очень низкими концентрациями субстрата, но при сохранении условий избытка субстрата; (2) технические ограничения флуоресцентного мониторинга субнаномолярных концентраций РНК; и (3) внутренние ограничения способности РНК катализировать лигирование матричной РНК. Что касается последнего, каталитическая эффективность, k cat / K m , конечного выделенного фермента составляет 5 × 10 7 M -1 мин -1 .Это близко к скорости ассоциации двух комплементарных олигонуклеотидов, которая составляет ∼10 9 ​​ M -1 мин -1 при сходных условиях реакции [18-20]. Если бы каталитическая скорость РНК-фермента оставалась примерно 20 мин -1 , то для K m было бы невозможно улучшить значение выше, чем примерно 20 нМ (улучшение в 20 раз по сравнению с текущим значением). , если только фермент не развил способ связывания субстрата быстрее, чем присущая ему скорость образования дуплекса.

Микрофлюидную систему можно использовать для получения РНК-ферментов с различными фенотипами, включая те, которые были получены традиционными методами эволюции in vitro. Микрофлюидная технология также может быть использована для эволюции белков, вирусов и даже клеточных организмов. Бактериальные популяции поддерживались в микрожидкостном биореакторе [21], и эта система, в принципе, может быть использована для проведения эволюционных экспериментов. Однако, когда эволюция осуществляется на уровне молекул, а не клеток, можно легко получить доступ к генотипу и фенотипу особей в популяции на протяжении всей их эволюционной истории.Такой доступ позволяет наблюдать эволюционную адаптацию и определять конкретные генетические мутации и соответствующие фенотипические изменения, ответственные за эту адаптацию.

Основными преимуществами эволюции на основе микросхем являются ее точность и простота в эксплуатации. Параметры времени выполнения для эволюции устанавливаются в самом начале и строго соблюдаются на протяжении всего эксперимента. Непрерывный поток данных в реальном времени обеспечивает запись эволюционной траектории с высоким разрешением, которая может быть получена в зависимости от размера популяции, неоднородности популяции, условий роста и наличия ограниченных ресурсов.Каждый микрочип содержит несколько микрожидкостных схем, к которым можно обращаться независимо друг от друга, и чип в целом может производиться по номинальной стоимости. Таким образом, дарвиновская эволюция становится товаром, что позволяет проводить многие эволюционные эксперименты с немногим большим трудом, чем выполнение компьютерной программы.

Материалы и методы

Стартовый пул РНК.

Плазмидная ДНК, кодирующая форму В16–19 РНК-лигазы класса I [11], была амплифицирована методом ПЦР с использованием праймера, который превращал 3′-концевые нуклеотиды фермента в 5′-ACGAGCAUGGAGGGACU-3′, чтобы связывать другой кДНК праймер. Продукт ПЦР очищали электрофорезом в агарозном геле, а затем подвергали подверженной ошибкам ПЦР, которая вносила случайные мутации с частотой ~0,7% на нуклеотидное положение [12]. Полученную ДНК транскрибировали in vitro для создания исходного пула РНК, которую очищали с помощью денатурирующего электрофореза в полиакриламидном геле (PAGE) и обессоливали на сефадексе G-25. Микрофлюидную схему заливали раствором 100 нМ исходной пуловой РНК, 15 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl, 50 мМ EPPS (pH 7.5), 4 мМ DTT, 0,1% IGEPAL-CA630 (используется для снижения поверхностного натяжения) и 0,1 мкМ флуоресцеинового красителя (используется в качестве индикатора).

Микросхема системы управления.

Микрожидкостная схема последовательного разбавления [10] с долей переноса 0,1 использовалась для экспериментов непрерывной эволюции на кристалле. Процесс микрообработки [22] и технология мембранных клапанов [23] были описаны ранее. Конструкция схемы была изменена путем разделения входного канала на отдельные входы для полимеразных ферментов ( E ) и моно- и олигонуклеотидных компонентов ( S ), сходящихся в отклоняющей камере для клапана шины в (рис. 1C). .Элементы жидкостного и вакуумного каналов были выгравированы на отдельных стеклянных пластинах на глубину 50 мкм. Жидкостный и вакуумный каналы имели ширину 300 мкм и 55 мкм соответственно. Смесительная петля имела диаметр 1 см и объем 400 нл. Микрожидкостное устройство было прикреплено к алюминиевому столику с помощью вакуумного зажима, снабженного кольцевым тонкопленочным нагревателем (5548, Minco) и датчиком термопары типа K, управляемым ПИД-регулятором температуры (CNi32, Omega Engineering). Сбор данных, пневматический контроль и контроль температуры выполнялись с помощью портативного компьютера, оснащенного картой сбора данных NI6715 и программным обеспечением, написанным собственными силами (LabVIEW, National Instruments).

Управляемое компьютером пневматическое управление клапанами на чипе осуществлялось с помощью массива электромагнитных клапанов (HV011, Humphrey). Капиллярная трубка из ПЭЭК (внутренний диаметр 25 мкм, Upchurch Scientific) использовалась для подачи реагентов и сбора образцов из устройства, соединенного с резервуарами доступа к жидкости с помощью фитингов для капиллярных трубок, затягиваемых пальцами (N-123s, Upchurch Scientific). Трубку для сбора проб прокалывали через перегородку 2-мл силанизированного стеклянного флакона для автоматического пробоотборника. Дополнительную пневматическую линию управления, оснащенную шприцем 24 калибра, вставляли через перегородку и использовали для контроля разгерметизации флакона для сбора проб.

Возбуждение диодным лазером

(490 нм, когерентный) было соединено с оптическим каскадом обнаружения с использованием дихроичного зеркала с длинным проходом (505DRLP, Omega Optical) и сфокусировано на жидкостном канале с помощью объектива микроскопа (40×, 0,6 NA, Newport). Флуоресцентное излучение собирали тем же объективом, спектрально фильтровали с помощью полосового фильтра (535DF60, Omega Optical) и пространственно фильтровали с помощью 100-мкм точечного отверстия перед освещением детектора PMT (H7827, Hamamatsu Photonics). Данные флуоресценции были получены при 0.1 Гц и обработан пятиточечным усредняющим фильтром.

Микрофлюидные программы.

Работа с жидкостью на чипе осуществлялась тремя программами срабатывания клапана: первичный , смешанный и изолированный . Программа prime состоит из открытия клапанов a , b , c , в и из , а затем сброса давления в пробирке для сбора проб (рис. 1C). Это всасывает реагент через линии отбора проб E и S , промывая весь контур реагентом и помещая отходы в пробирку для сбора.Программа mix прокачивает жидкость по смесительному контуру за счет последовательного включения клапанов a , b и c . Время ожидания между срабатываниями клапана составляет 300 мс для медленного перемешивания во время этапов инкубации и 80 мс для быстрого перемешивания после введения свежих реагентов (рис. 1D). Программа изолята состоит из открытия клапанов a , b , в и из и сброса давления в пробирке для сбора проб.Это пропускает реагент через внешнюю часть смесительного контура, содержащую a и b , при этом выделяется аликвота материала в области, содержащей c и ограниченной в и из . Выполнение изолята с последующим быстрым смешиванием приводит к 10-кратному разбавлению переходящих материалов и представляет собой одну итерацию непрерывного процесса эволюции.

Непрерывная эволюция чипа.

Перед использованием каждый новый контур промывали промывочным раствором, содержащим 50 мМ EPPS (pH 7.5) и 0,1% IGEPAL-CA630, выполняя prime в течение 10 с каждую минуту в течение 60-минутного периода. Во время этого процесса температура сцены стабилизировалась на уровне 38,5 °C для поддержания 37 °C внутри устройства (ранее откалиброванного). На устройстве инициировали непрерывную эволюцию путем погружения линий E и S в раствор исходного пула РНК. Цепь активировали до тех пор, пока не стабилизировалась интенсивность флуоресценции флуоресцентного индикатора. Затем линии E и S погружали в промывочный раствор, и схема выполняла 60-секундную программу выделения для промывки входных линий и выделения аликвоты исходного пула РНК внутри схемы.

Пробирку для сбора снова подняли под давлением, а линию E погрузили в раствор, содержащий 20 ЕД/мкл обратной транскриптазы Superscript II (Invitrogen), 5 ЕД/мкл РНК-полимеразы Т7, 0,001 ЕД/мкл дрожжевой неорганической пирофосфатазы (Sigma-Aldrich). ), 15 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl, 50 мМ EPPS (pH 7,5), 4 мМ DTT, 0,1% IGEPAL-CA630 и 6 мМ TO-PRO-1 (Invitrogen). Линию S погружали в отдельный раствор, содержащий олигонуклеотидный субстрат, 5 мкМ праймеров кДНК, имеющих последовательность 5′-AGTCCCTCCATGCTCGT-3′, по 4 мМ каждого NTP, 0.4 мМ каждого dNTP, 15 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl, 50 мМ EPPS (pH 7,5), 4 мМ DTT, 0,1% IGEPAL-CA630 и 6 мкМ TO-PRO-1. Олигонуклеотидный субстрат, который в ходе эволюции присутствовал во все более низких концентрациях, имел последовательность 5′-CCGAAGCCTGGGATCAATAATACGACTCAC UAUA -3′ (последовательность промотора РНК-полимеразы Т7 подчеркнута; остатки РНК выделены жирным шрифтом). Водный глицерин (50%) добавляли к раствору, содержащему субстрат, для обеспечения вязкости раствора, содержащего полимеразу. Оба раствора охлаждали термоэлектрическим способом для сохранения активности полимеразных ферментов.

Сосуд для сбора был снова разгерметизирован, чтобы набрать смесь 1:1 растворов, содержащих субстрат и полимеразу, которая заполнила входные линии и заполнила контур в области, содержащей a и b и ограниченной в . и из . Затем схема была направлена ​​на выполнение быстрого смешивания в течение 40 с, а затем медленного смешивания во время фазы инкубации процедуры эволюции.Медленное циклическое перемешивание предотвращало фотообесцвечивание флуоресцентного красителя. Интеркалирующий краситель TO-PRO-1 был выбран из-за его превосходного увеличения квантового выхода флуоресценции при связывании двухцепочечных нуклеиновых кислот [24]. Фоновая флуоресценция до амплификации РНК обычно составляла ~10 kCPS. Время, необходимое для 10-кратного роста исходного РНК-фермента в присутствии 1 мкМ субстрата, составило 40 мин. Это установило время инкубации для первого раунда и установило порог разбавления на уровне 30 kCPS. Впоследствии, всякий раз, когда детектор регистрировал 30 kCPS, схеме предписывалось выполнить этапы изолята , доставки свежих реагентов с быстрой смесью и инкубации с медленной смесью .

Популяция ферментов РНК подвергалась непрерывной эволюции на чипе до тех пор, пока время между последовательными логарифмическими разведениями не уменьшалось ниже 2 минут или не демонстрировало дальнейшего улучшения. Материалы последних пяти итераций собирали в новый флакон, содержащий 50 мкл 0.1 N NaOH. Эту смесь инкубировали при 95 °C в течение 10 минут для гидролиза компонентов РНК, а оставшуюся ДНК затем амплифицировали как с помощью стандартной ПЦР (в качестве контроля), так и с помощью ПЦР с ошибками. Праймеры для ПЦР-амплификации имели последовательность 5′-AGTCCCTCCATGCTCGT-3′ и 5′-CCGAAGCCTGGGATCAATAA-3′. Образец, собранный после итерации 198, был мутагенизирован с частотой ~10% на положение нуклеотида с использованием гипермутагенного протокола ПЦР [25]. Образцы, собранные после итераций 280, 363 и 428, подвергали мутагенезу с использованием стандартной подверженной ошибкам ПЦР [12].Продукты ПЦР расшифровывали, и полученные РНК очищали с помощью электрофореза в электрофорезе, обессоливали и ресуспендировали в растворе, содержащем 15 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl, 50 мМ EPPS (pH 7,5), 4 мМ DTT, 0,1% IGEPAL- CA630 и 0,1 мкМ флуоресцеина, который использовался для запуска следующего набора итераций на чипе. Концентрация РНК в исходном растворе составляла 100 нМ после итераций 198 и 280, 20 нМ после итерации 363 и 10 нМ после итерации 428, тем самым поддерживая субстрат в избытке фермента РНК на протяжении всего процесса эволюции.

Анализ отдельных ферментов РНК.

Продукты ПЦР, полученные после итераций 198 и 500, были клонированы и секвенированы. Индивидуум, соответствующий консенсусной последовательности 10 клонов, секвенированных после 500-й итерации, амплифицируют с помощью ПЦР, транскрибируют в присутствии [α- 32 P]АТФ, очищают с помощью электрофореза в электрофорезе и обессоливают. Его каталитическую активность измеряли в присутствии 10 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl и 50 мМ EPPS (pH 7,5) при 37 °C, определяя наблюдаемую константу скорости в присутствии 10 нМ фермента и различных концентраций субстрата. .Реакции инициировали путем добавления равных объемов растворов фермента и субстрата, каждый из которых содержал все остальные реакционные компоненты и предварительно уравновешивали при 37°С. Аликвоты отбирали в разное время и гасили добавлением 15 мМ ЭДТА. В течение очень короткого времени реакции (<5 с) реакцию проводили в аппарате для гашения потока (KinTek) с использованием отдельных шприцев для подачи фермента, субстрата и растворов для гашения.

Продукты реакции разделяли с помощью электрофореза в электрофорезе и количественно определяли с использованием молекулярного имидж-сканера PharosFX (Bio-Rad).Двухфазная кинетика наблюдалась при всех концентрациях субстрата. Общую максимальную степень реакции определяли эмпирически путем измерения фракции, прореагировавшей через 2 и 3 часа. Данные были подходят к уравнению: F ( T ) = F Max A 1 E K 1 T A 2 E 2 E K 2 T 2 T

, где F MAX — максимальная степень, A 1 и K 1 — это амплитуда и скорость начальной быстрой фазы и A 2 и k 2 — амплитуда и скорость последующей медленной фазы соответственно.Амплитуда быстрой фазы обычно составляла 0,6–0,7, а общая максимальная протяженность обычно составляла 0,9. График насыщения был построен путем построения k 1 в зависимости от концентрации субстрата, и эти данные соответствовали уравнению Михаэлиса-Ментен для определения k cat и K m .

Варианты исходного и конечного эволюционировавших ферментов, которые содержали различные комбинации четырех критических мутаций, были получены с помощью ПЦР-амплификации с использованием соответствующих праймеров для введения желаемых мутаций. Продукты ПЦР транскрибировали в присутствии [α- 32 P]АТФ, очищали с помощью электрофореза в электрофорезе и обессоливали. Максимальную степень реакции и наблюдаемую константу скорости определяли в присутствии 0,1 мкМ субстрата для каждого варианта. Кроме того, вариант исходного фермента, который содержал мутации М3, и вариант эволюционировавшего фермента, в котором отсутствовали мутации М3, подвергали формальному кинетическому анализу, как описано выше.

Дополнительная информация

Рисунок S1.Влияние мутаций на каталитическую активность

Каталитическая активность исходного фермента с добавленными мутациями М3 (открытые кружки) и конечного фермента с удаленными мутациями М3 (закрашенные кружки). Наблюдаемая константа скорости, k obs , была определена для различных концентраций субстрата и соответствовала уравнению Михаэлиса-Ментен. Исходный фермент с добавленными мутациями M3 показал 90 656 k 90 657 90 744 cat 90 745 из 24,8 ± 1,4 мин 90 798 -1 90 799 и 90 656 K 90 657 90 744 m 90 745 из 2. 4 ± 0,5 мкМ. Развитый фермент с удаленными мутациями M3 показал k cat 24,0 ± 0,8 мин -1 и K m 3,9 ± 0,4 мкМ.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.sg001

(244 КБ PDF)

Рисунок S2. Исследования сайт-направленного мутагенеза

Сайт-направленный мутагенез был проведен для анализа областей конечного эволюционировавшего фермента и олигонуклеотидного субстрата, которые, по-видимому, взаимодействуют. Последовательность этих областей до мутагенеза показана синим цветом, а введенные мутации показаны красным.Изменения только в субстрате указаны слева, изменения в расширенной матричной области фермента и соответствующей части субстрата указаны внизу, а изменения в области мутаций M3 указаны справа. Значения для k obs были получены в присутствии 0,1 мкМ субстрата и показаны ниже для соответствующих модификаций последовательности. Немодифицированная конструкция показала 90 656 k 90 657 90 744 наблюдательных точек 90 745 за 4 мин 90 798 -1 90 799 . Скорость не изменилась, когда выпуклая область субстрата из 14 нуклеотидов (показана серым цветом) была заменена 14 нуклеотидами случайной последовательности или когда сайт связывания праймера на 5′-конце субстрата был удален (конструкции не показаны). Наблюдаемая скорость составила 8 мин -1 , когда 14 выпуклых нуклеотидов были заменены ТТТТ, но не было заметной активности (обозначенной тире), когда выпуклые нуклеотиды были удалены полностью. Изменение четырех нуклеотидов в расширенной матричной области фермента привело к k obs , равному 0.3 мин -1 , но не обнаруживалась активность, если соответствующие нуклеотиды в области мутаций М3 также были мутированы.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060085.sg002

(748 КБ PDF)

Благодарности

Микрожидкостные устройства были изготовлены в лаборатории микропроизводства Беркли при любезном содействии лаборатории доктора Р. Мэтиса. Авторы выражают благодарность С. Гамильтону за помощь в получении и анализе мутантных ферментов.

Вклад авторов

BMP и GFJ задумали и разработали эксперименты. BMP провела эксперименты. BMP и GFJ написали статью.

Каталожные номера

  1. 1. Дарвин Ч.Р. (1859 г.) О происхождении видов путем естественного отбора. Лондон: Джон Мюррей. 502 стр.
  2. 2. Джойс Г.Ф. (2004) Направленная эволюция ферментов нуклеиновых кислот. Annu Rev Biochem 73: 791–836.
  3. 3. Bloom JD, Meyer MM, Meinhold P, Otey CR, MacMillan D, et al.(2005) Развитие стратегий ферментной инженерии. Curr Opin Struct Biol 15: 447–452.
  4. 4. Юань Ю., Курек И., Инглиш Дж., Кинан Р. (2005) Лабораторная эволюция белков. Microbiol Mol Biol Rev 69: 373–392.
  5. 5. Бунка Д.Х., Стокли П.Г. (2006) Аптемеры наконец-то достигли совершеннолетия. Nat Rev Microbiol 4: 588–596.
  6. 6. Whitesides GM (2006) Истоки и будущее микрофлюидики. Природа 442: 368–373.
  7. 7. Бартел Д.П., Шостак Дж.В. (1993)Выделение новых рибозимов из большого пула случайных последовательностей.Наука 261: 1411–1418.
  8. 8. Райт М.С., Джойс Г.Ф. (1997)Непрерывная эволюция каталитической функции in vitro. Наука 276: 614–617.
  9. 9. Войтек С.Б., Джойс Г.Ф. (2007)Появление постоянно развивающейся лигазы рибозима. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 15288–15293.
  10. 10. Paegel BM, Grover WH, Skelley AM, Mathies RA, Joyce GF (2006)Микрофлюидная схема последовательного разбавления. Анальная химия 78: 7522–7527.
  11. 11. Schmitt T, Lehman N (1999) Неединичная молекулярная наследуемость, продемонстрированная непрерывной эволюцией in vitro.Химическая биология 6: 857–869.
  12. 12. Cadwell RC, Joyce GF (1992)Рандомизация генов с помощью ПЦР-мутагенеза. Применение методов ПЦР 2: 28–33.
  13. 13. Имбургио Д., Ронг М., Ма К., Макаллистер В. Т. (2000)Исследования распознавания промотора и выбора стартового сайта с помощью РНК-полимеразы Т7 с использованием обширной коллекции вариантов промоторов. Биохимия 39: 10419–10430.
  14. 14. Бергман Н.Х., Лау Н.К., Ленерт В., Вестхоф Э., Бартель Д.П. (2004)Трехмерная архитектура рибозима лигазы класса I.РНК 10: 176–184.
  15. 15. Zhang C, Xing D (2007)Миниатюрные ПЦР-чипы для амплификации и анализа нуклеиновых кислот: последние достижения и будущие тенденции. Нуклеиновые кислоты Рез. 13: 4223–4237. (2007).
  16. 16. Paegel BM, Emrich CA, Wedemayer GJ, Scherer JR, Mathies RA (2002)Высокопроизводительное секвенирование ДНК с помощью биопроцессора для электрофореза с капиллярной матрицей на 96 дорожек. Proc Natl Acad Sci U S A 99: 574–579.
  17. 17. Seong GH, Heo J, Crooks RM (2003)Измерение кинетики ферментов с использованием микрофлюидной системы с непрерывным потоком.Анальная химия 75: 3161–3167.
  18. 18. Пёршке Д. , Уленбек О.К., Мартин Ф.Х. (1973) Термодинамика и кинетика перехода спираль-клубок олигомеров, содержащих пары оснований GC. Биополимеры 12: 1313–1335.
  19. 19. Williams AP, Longfellow CE, Freier SM, Kierzek R, Turner DH (1989) Лазерный температурный скачок, спектроскопическое и термодинамическое исследование влияния соли на образование дуплекса с помощью dGCATGC. Биохимия 28: 4283–4291.
  20. 20. Санторо С.В., Джойс Г.Ф. (1998)Механизм и применение фермента ДНК, расщепляющего РНК.Биохимия 37: 13330–13342.
  21. 21. Balagadde FK, You L, Hansen CL, Arnold FH, Quake SR (2005)Долгосрочный мониторинг бактерий, подвергающихся запрограммированному контролю популяции в микрохемостате. Наука 309: 137–140.
  22. 22. Симпсон П.С., Роуч Д., Вулли А.Т., Торсен Т., Джонстон Р. и др. (1998)Высокопроизводительный генетический анализ с использованием микропланшетов для электрофореза с капиллярной матрицей на 96 образцов. Proc Natl Acad Sci U S A 95: 2256–2261.
  23. 23.Grover WH, Skelley AM, Liu CN, Lagally ET, Mathies RA (2003)Монолитные мембранные клапаны и диафрагменные насосы для практической крупномасштабной интеграции в микрожидкостные устройства. Приводы Sens B 89: 315–323.
  24. 24. Lee LG, Chen CH, Chiu LA (1986)Тиазоловый оранжевый: новый краситель для анализа ретикулоцитов. Цитометрия 7: 508–517.
  25. 25. Вартанян Дж. П., Генри М., Уэйн-Хобсон С. (1996) Гипермутагенная ПЦР, включающая все четыре перехода и значительную долю трансверсий.Нуклеиновые кислоты, рез. 24: 2627–2631.
.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.