Жизнь – без начала и конца

[egovoru]

Дарвин предложил механизм приспособительной эволюции, но генетики быстро обнаружили, что не всякая эволюция непременно повышает приспособленность: генофонд популяции может изменяться и ненаправленно. Одна из причин такого «дрейфа генов» – случайные колебания численности организмов, «волны жизни». До разгрома генетики в Советском Союзе их изучал Сергей Четвериков. Современный генетик Майкл Линч полагает, что «дрейф генов» может объяснить постепенное усложнение живых организмов в ходе эволюции.

Строго говоря, он имеет в виду не сложность организмов, универсальной количественной оценки которой еще никто не придумал, а сложность генома и даже просто его размер. В самом деле, размеры геномов прокариот – примерно 1-10 млн пар нуклеотидов, а геномов многоклеточных эукариот вроде нас с вами – порядка 3000 млн. Линч объясняет это тем, что где-то на пути от бактерий к человеку жизнь прошла через «бутылочное горлышко» малочисленных популяций.

Скорость утраты случайной мутации (например, дупликации какого-то гена) в череде поколений пропорциональна размеру популяции. То есть, в больших популяциях дупликации будут исчезать, а в малых – сохраняться и накапливаться. Каждый ген из пары будет мутировать независимо, а один из них может даже рекрутироваться для новой функции. В конце концов из одного гена получатся два разных, увеличив тем самым сложность генома.

Для проверки своей гипотезы Линч попробовал оценить «эффективный размер популяции» организмов с геномами разной величины по уровню «бесшумных» полиморфизмов (нуклеотидных замен, не влияющих на последовательность кодируемого белка из-за вырожденности генетического кода и потому не подверженных отбору). У него действительно получилась обратная зависимость от размера генома (график внизу справа). Правда, ему тут же указали, что распространенность полиморфизмов определяется не только величиной полуляции, но и вероятностью мутагенеза, а она может быть разной у разных видов. Критики высказали и другие сомнения, но мне кажется, рациональное зерно в гипотезе Линча все же может быть.

Диаграмма из упомянутой в тексте статьи Линча, показывающая его оценки произведения эффективного размера популяции и скорости мутагенеза (N_eu) для разных видов, и график зависимости
этого параметра и числа генов от размера генома

Comments

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[egovoru.livejournal.com]

Правильно, Фрэнк!

[lj-frank-bot.livejournal.com]

ОК

[serge no (from livejournal.com)]

А что такое "размеры популяции" - это по всей планете, что ли?

[egovoru.livejournal.com]

Вот, это то, что и меня смущает. Как я помню из университетского курса, само понятие "популяции" определено только для организмов с половым процессом, поскольку обозначает совокупность организмов, способных к свободному скрещиванию (панмиксии). При этом понятно, что полная панмиксия возможна только в теории - на практике вероятность скрещивания никогда не одинакова для особей, живущих, например, на разном расстоянии от данной.

Тем не менее, у популяционных генетиков понятие "эффективного размера популяции" - вполне нормативное (https://en.wikipedia.org/wiki/Effective_population_size). Ввел его в употребление, насколько я понимаю, Сьюэлл Райт, и Вики, надо полагать, цитирует именно его (хотя и не дает ссылки, как должна): The effective population size (Ne) is defined as "the number of breeding individuals in an idealized population that would show the same amount of dispersion of allele frequencies under random genetic drift or the same amount of inbreeding as the population under consideration."

Тем не менее, зависимость интенсивности дрейфа генов от численности организмов - явление, насколько я понимаю, твердо установленное. Проверить гипотезу Линча на ископаемом материале будет, наверное, трудновато - ведь речь идет об одноклеточных организмах, но сравнительная геномика должна дать информацию к размышлению. Статья Линча 2003 года, и с тех пор наверняка уже накоплено гораздо больше геномной информации, чем было в его распоряжении тогда. Сам Линч в 2007 издал целую книжку, развивая свои идеи, но я не берусь судить, насколько он преуспел в убеждении своих критиков. Сейчас он вроде пишет новую книжку, где пытается приложить свою модель к объяснению происхождения эукариотической клетки.

[yoginka.livejournal.com]

Все это не убеждает в естественном усложнении строения тела и его функций.
//Строго говоря, он имеет в виду не сложность организмов, универсальной количественной оценки которой еще никто не придумал, а сложность генома и даже просто его размер. //
- А это не намного более удивляет, чем обычная полимеризация.

James M Tour

[sergecpp.livejournal.com]

Any massive functional change of a body part would require multiple concerted lines of variations. Sure, one can suggest multiple small changes ad infinitum, but the concerted requirement of multiple changes all in the same place and at the same time, is impossible to chemically fathom. One day the requisite chemical basis might become apparent so that the questions can be answered. But present-day biology is far from providing even a chemical proposal for body plan changes, let alone a data-substantiated chemical mechanism.

James M Tour
https://www.jmtour.com/personal-topics/evolution-creation/

[egovoru.livejournal.com]

"Все это не убеждает в естественном усложнении строения тела и его функций"

А что именно кажется Вам здесь неубедительным? В истории каждой эволюционной группы наверняка встречаются периоды малой численности (особо суровые зимы, наводнения и т.п.), в течение которых они накапливают нейтральные мутации. Потом, в изменившихся условиях эти мутации оказываются полезными и начинают отбираться.

"А это не намного более удивляет, чем обычная полимеризация"

Согласна, что подмена организма его геномом - вещь довольно опасная, в том смысле что в некоторых отношениях она может не быть эквивалентной. Но в такой глобальной шкале, на которой оперирует Линч, соответствие явно прослеживается: бактерия со своим маленьким геномом в любом раскладе устроена проще, чем человек с его большим.

Re: James M Tour

[egovoru.livejournal.com]

Судя по описанию на его сайте, автор, которого Вы процитировали - по профессии не биолог:

"Tour’s scientific research areas include nanoelectronics, graphene electronics, silicon oxide electronics, carbon nanovectors for medical applications, green carbon research for enhanced oil recovery and environmentally friendly oil and gas extraction, graphene photovoltaics, carbon supercapacitors, lithium ion batteries, CO2 capture, water splitting to H2 and O2, water purification, carbon nanotube and graphene synthetic modifications, graphene oxide, carbon composites, hydrogen storage on nanoengineered carbon scaffolds, and synthesis of single-molecule nanomachines which includes molecular motors and nanocars."

Биологи же уже довольно хорошо понимают, как происходят "massive functional changes of a body part". Поскольку и другие читатели проявляли интерес к этой проблеме, я уже приготовила отдельный пост о ней, но размещу его после некоторого перерыва, чтобы не утомлять читателей однообразной тематикой :)

A этот пост посвящен другой проблеме - проблеме увеличения биологической сложности в ходе эволюции, которую мы уже начали обсуждать некоторое время назад (https://egovoru.livejournal.com/153333.html).

[yoginka.livejournal.com]

Я не понимаю, чем это принципиально лучше полиплоидии. Иными словами, чем последовательное расположение новых генов так уж принципиально лучше для усложнения организма. Клубника имеет аж 8-кратный набор хромосом, читала, что уже миллион лет назад такая была. Но ни во что другое не превратилась.

[steblya-kam.livejournal.com]

Про дрейф генов неточно. Результат генного дрейфа вполне МОЖЕТ повысить приспособленность и оказаться полезным. Просто биологи не рассматривают признаки, возникшие в результате генного дрейфа, как адаптивные, потому что они НЕ возникли под действием естественного отбора. Адаптацией считается не всё вообще полезное, а только то, что возникло под действием естественного отбора.

[egovoru.livejournal.com]

"Результат генного дрейфа вполне МОЖЕТ повысить приспособленность и оказаться полезным"

Точно так же, как случайная мутация может оказаться полезной - это все равно не делает мутагенез направленным.

А что Вы скажете о гипотезе Линча?

[egovoru.livejournal.com]

"Но ни во что другое не превратилась"

Чтобы превратиться во что-то другое, нужно, чтобы отбор пошел в другом направлении, полиплоид ты или нет. Про конкретно клубнику я не знаю, но вообще-то полиплоидия считается важным фактором в эволюции растений. Вот в этом обзоре (http://image.sciencenet.cn/olddata/kexue.com.cn/upload/blog/file/2008/8/200882817352725790.pdf) на Рис. 1 приведено эволюционное дерево покрытосеменных, кде кружочками показаны предполагаемые моменты масштабных генетических дупликаций.

Но, насколько я понимаю, все же удвоение целого генома - скорее исключение, чем правило: ведь, чем больше хромосом, тем труднее их аккуратно сегрегировать в процессе клеточного деления. Что же касается "последовательного расположения новых генов", так оно ведь не навечно последовательное: гены могут перемещаться в пределах генома.

Насколько я понимаю, именно дупликация генов и считается основным источником сложности генома. У высших организмов не так уж много белков, которых совсем нет у низших, и очень часто ситуация такая: у бактерий есть только один вариант какого-нибудь, например, ионного канала, а у млекопитающих - целое семейство их, из 5-10 вариантов, каждый из которых работает только в каком-нибудь одном типе тканей.

Если задуматься, то не очень понятно, а откуда еще могут взяться новые гены? Конечно, их могут притащить вирусы из другого организма (горизонтальный перенос генов), но у эукариот, особенно многоклеточных, этот механизм все же не очень распространен. А сам собой новый ген ведь не может зародиться?

[yoginka.livejournal.com]

//Конечно, их могут притащить вирусы из другого организма (горизонтальный перенос генов)//
- Я уже раньше в другой дискуссии писала, что больше верю в перенос как механизм увеличения сложности. То, что это бывает редко, компенсируется тем, что это проверенный, работающий где-то ген, а не случайный мусор. Лучше меньше, да лучше :)
-

[skogar.livejournal.com]

Очень много проверенных, работавших генов - в трупах животных.

[yoginka.livejournal.com]

Это Вы к чему?

[skogar.livejournal.com]

К тому, что их много, но они не используются как гены для других организмов. И чтобы обратить внимание на естественный процесс распада, который гораздо более распространен, чем сколько нибудь существенное самоусложнение (которого в живой природе, насколько я понимаю, вообще никто никогда нигде не видел).

[yoginka.livejournal.com]

Иногда испольуются, это факт. Модификации получаются. Достаточно ли это для усложнения, я не утверждаю.

[skogar.livejournal.com]

Как используются? Клетка умершего существа как-то встраивается (не переселяется) в другое? (Это к теме не имеет отношения, просто интересно, раз разговор зашёл.)

[yoginka.livejournal.com]

Умершие существа тут ни при чем, горизонтальный перенос осущестляется между живыми. Считается, что вирусами.

[skogar.livejournal.com]

Вирусы пусть переносят - вряд ли много перенесут. Я спрашивал про мертвых. Всё это о том, что как только жизнь очень развитого существа прекращается со смертью, весь организм разлагается, хотя, казалось бы, сколько эволюционного материала пропадает.

[yoginka.livejournal.com]

Все-таки не понимаю, к чему Вы начали эту тему разложения?

[skogar.livejournal.com]

В связи с Вашим упоминанием проверенных, работающих генов. Если они где-то уже работали, то далеко не факт, что будут работать на новом месте.

[yoginka.livejournal.com]

Это я прекрасно понимаю и писала в предудущих дискуссиях, например, здесь:
https://egovoru.livejournal.com/153333.html?thread=10860533#t10860533
И дальше вниз по нити.

[skogar.livejournal.com]

Тогда я не понимаю, как Вы можете хоть как-то верить в перенос как механизм увеличения сложности, как Вы написали здесь выше.