Nachgewiesener Sprungcharakter des Evolutionsprozesses • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Biologie, Genetik

Bewiesener sprunghafter evolutionärer Prozess

Wenn die Evolution nach dem Prinzip des "intermittierenden Gleichgewichts" abläuft, also Sprünge, sollten evolutionäre Bäume wie in Abbildung A aussehen. Wenn die Evolution mit konstanter Geschwindigkeit abläuft, ist Abbildung B korrekt (siehe Abb. Aus dem Artikel in Science).

Britische Biologen haben eine überraschend einfache Methode gefunden, um den seit langem bestehenden Streit zwischen den Anhängern der Theorie der graduellen Evolution (Gradualismus) und den Befürwortern einer abrupten Evolution (Pünktlichkeit) zu lösen. Es stellte sich heraus, dass das Verhältnis von graduellen und punktuellen Komponenten des Evolutionsprozesses quantifiziert werden kann, indem man die Längen der Zweige von "evolutionären Bäumen" – Standardrekonstruktionen der evolutionären Entwicklung verschiedener Organismengruppen vergleicht, die auf einem Vergleich der Nukleotidsequenzen der DNA beruhen. Nach der Analyse von Bäumen, die für 122 Gruppen gebaut wurden, folgerten die Wissenschaftler, dass im Durchschnitt 22% der DNA-Unterschiede in kurzen Zeiträumen intensiver Speziation auftreten, während die restlichen 78% während langer "gradualistischer" Perioden allmählich akkumulieren. Die Diskontinuität der Evolution ist charakteristischer für Pflanzen und Pilze und weniger für Tiere.

Obwohl die biologische Evolution schon lange von Biologen erkannt wurde und nicht den geringsten Zweifel aufkommen lässt, bleiben viele der Schlüsselfragen der Evolutionstheorie umstritten. Eine der drängendsten Fragen dieser Art ist die Frage nach der Einheitlichkeit der Evolutionsrate. Darwin selbst sah, wie viele seiner Anhänger, die Evolution als einen Prozess, der meist sanft und graduell abläuft. Als die synthetische Evolutionstheorie als Ergebnis der Synthese des klassischen Darwinismus mit Genetik und Molekularbiologie entstand, wurde dieser Standpunkt (Gradualismus) stark gestärkt. Die hauptsächliche, sogar die einzige Quelle erblicher Variabilität begann als zufällige Mutation zu gelten – Fehler beim Kopieren von DNA. Viele Forscher glauben, dass, da der Mutationsprozess völlig zufällig und ungerichtet ist, er in allen lebenden Organismen ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen sollte.

Diese Annahme bildete die Grundlage für das Prinzip der "molekularen Uhren", das bis heute aktiv genutzt wird. Basierend auf diesem Prinzip schätzen die Forscher den Zeitpunkt der Artenabweichung (dh bestimmen, wann der letzte gemeinsame Vorfahr gelebt hat) anhand der Anzahl der Unterschiede in den Nukleotidsequenzen der DNA.Und es funktioniert normalerweise nicht so gut, was an sich seltsam erscheinen mag. Schließlich ist sich heute jeder bewusst, dass die Mutagenese nicht immer völlig zufällig ist, ihre Geschwindigkeit kann gezielt von der Zelle reguliert werden, in verschiedenen Organismengruppen und sogar in verschiedenen Teilen desselben Genoms verläuft sie unterschiedlich schnell. All diese Schwierigkeiten scheinen jedoch für viele ziemlich unüberwindbar zu sein. Sie können Vorbehalte und Einschränkungen hinzufügen, ein "geeignetes" Stück des Genoms auswählen, die Eigenschaften der Gruppe berücksichtigen, den Unterschied zwischen bedeutungsvollen und "stillen" Nukleotidsubstitutionen berücksichtigen – und die molekulare Uhr tickt weiter.

Eine Alternative zum Gradualismus ist die Pünktlichkeit oder die Theorie des intermittierenden Gleichgewichts, die 1972 von Stephen Gould (Stephen Jay Gould, 1941-2002) und Niels Eldridge (Niles Eldredge, S. 1943) formuliert wurde.

Dieses Konzept geht davon aus, dass sich in der Evolution der Arten lange Perioden der Stabilität abwechseln, wenn die Hauptmerkmale der Arten unverändert bleiben, sowie kurze Zeiträume schnellen Wandels, in denen die Art transformiert wird – entweder vollständig in eine andere Art umgewandelt oder in zwei oder mehr neue Arten aufgeteilt wird, oder Knospen von ihnen.Der Standpunkt der Pünktlichkeitsanhänger, basierend auf umfangreichem paläontologischen Material, hat genügend starke theoretische Begründungen. Im allgemeinen können sie auf das Folgende reduziert werden. Die Art ist ein relativ stabiles sich selbst erhaltendes System. Damit an seiner Stelle ein neues System entstehen kann, muss das Alte zerstört werden. Wir brauchen eine Art "Umschütteln", das zur Zerstörung der inneren Beziehungen, zur Destabilisierung führt.

In Populationen lebender Organismen manifestiert sich die Destabilisierung hauptsächlich in einem starken Anstieg der Variabilität. Es gibt experimentelle Belege dafür, dass ein scharfer Wechsel der Bedingungen (oder intensive Selektion – beispielsweise in Versuchen zur Domestizierung von Tieren) nicht zu einer allmählichen und allmählichen Veränderung der morphologischen Eigenschaften der Population führt, sondern zu einem starken Anstieg der Variabilität, "Verwischen" der Symptome und erst dann daraus destabilisiert Populationen können neue Arten oder Arten kristallisieren (siehe A. S. Rautian. Die Regel der Destabilisierung).

Anfangs waren die Streitigkeiten zwischen den Pionieren und den Pionieren ziemlich turbulent, aber heute existieren diese beiden Konzepte ziemlich friedlich in einer einzigen sich entwickelnden Evolutionstheorie.Sie werden zu Recht als nicht widersprüchlich betrachtet, ergänzen sich aber gegenseitig und werden schnell mit allerlei Beispielen, Klarstellungen, Ergänzungen und Begründungen überladen. Die meisten Experten erkennen, dass die Evolution manchmal einem pünktlichen, manchmal schrittweisen Szenario folgen kann.

Beide Konzepte gehören jedoch immer noch zu den "empirischen Verallgemeinerungen" und nicht zu rigorosen Theorien – wie übrigens fast alle anderen Entwicklungsgesetze. Dies ist weitgehend darauf zurückzuführen, dass es noch niemandem gelungen ist, das genaue herauszufinden Anteil allmähliche und pünktliche Komponenten im evolutionären Prozess.

Britischer Biologe Artikel in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft, ist ein ernsthafter Versuch, dieses sehr dringende Problem zu lösen. Die Technik, die von Forschern angewandt wird, ist einfach, wie alle genial. Es ist merkwürdig, dass niemand zuvor daran gedacht hat. Die Essenz der Idee ist, dass die gewünschte Beziehung leicht berechnet werden kann, indem die Längen der Zweige von evolutionären "Bäumen" verglichen werden, die unter Verwendung von Standardtechniken basierend auf Matrizen von genetischen Distanzen konstruiert werden.

Der evolutionäre Baum der molekularen Daten ist wie folgt aufgebaut. Die Nukleotidsequenzen eines Gens stammen aus verschiedenen Arten von lebenden Organismen. Vergleichen Sie sie paarweise und bestimmen Sie den Prozentsatz der verschiedenen Nukleotide in jedem Paar. Die resultierende Matrix wird durch eine von mehreren statistischen Standardmethoden verarbeitet, und der resultierende Baum wird am Ausgang erhalten. In der Praxis ist all dies natürlich etwas komplizierter: Zum Beispiel ist die Ausgabe oft nicht eine, sondern mehrere alternative Bäume, von denen man dann einen gewissen "Konsens" konstruieren muss, aber das ist nicht so wichtig. Wichtig ist, dass die Äste des entstehenden Baumes eine bestimmte Länge haben, die der Größe der genetischen Unterschiede oder äquivalent der Größe der evolutionären Veränderungen eines gegebenen Gens in einer bestimmten evolutionären Linie entspricht.

Alle Arten, die bei einer solchen Analyse verwendet werden, sind normalerweise modern (die DNA-Extraktion aus fossilen Rückständen ist immer noch exotisch). Wenn also die Evolution gleichmäßig (gradualistisch) verläuft, sollte der Abstand von der Basis ("Wurzel") des Baumes zur Spitze eines der Zweige (diese Spitzen entsprechen der analysierten Spezies) gleich sein und sollte nicht von der Anzahl der "Knoten" (Verzweigungspunkte) abhängen. zwischen der Astspitze und der Wurzel gelegen.Wenn die Evolution im Moment der Verzweigung beschleunigt wird, dh wenn sie dem pünktlichen Szenario folgt, dann sollte die Entfernung von der Wurzel bis zum Ende der Verzweigung direkt mit der Anzahl der dazwischen liegenden Knoten in Beziehung stehen (siehe Abbildung).

Die "Weglänge" (der Abstand von der Wurzel bis zum Ende der Verzweigung) kann als dargestellt werden x = anz + g, wo g – "graduelle Komponente", b – "punktuelle Komponente" oder die Größe der Änderungen in jedem Knoten, n – Die Anzahl der Knoten zwischen dem Ende der Verzweigung und der Wurzel.

Wenn der "punktuelle Effekt" (Beschleunigung der Evolution während der Artbildung, dh in den Knoten des Baumes) auftritt, dann b muss positiv sein, und daher muss eine positive Korrelation zwischen x und n. Die Forscher analysierten evolutionäre Bäume, die aus molekularen Daten für 122 Gruppen eng verwandter Arten konstruiert wurden. In 57 Fällen von 122 zwischen x und n eine eindeutige, statistisch signifikante Korrelation wurde gefunden. Für die anderen Bäume war die Korrelation unzuverlässig, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass diese Bäume zu wenig Verzweigungen hatten (das heißt, die Anzahl der Arten in der Probe war nicht ausreichend, um statistisch zuverlässige Ergebnisse zu erhalten).

Somit existiert der punktuelle Effekt und manifestiert sich, wenn nicht immer, ziemlich oft. Es ist merkwürdig, dass es bei Pflanzen und Pilzen merklich stärker erscheint als bei Tieren. Die Forscher hörten nicht auf, was erreicht wurde, und bestimmten den relativen Beitrag des punktuellen Effekts zum Gesamtunterschied zwischen den Nukleotidsequenzen der DNA verschiedener Spezies. Dieser Beitrag wurde durch die Formel 2 (s-1)b/Two s – Anzahl der Arten, 2 (s-1) – die Anzahl der Zweige des Baumes, T – Gesamtlänge aller Zweige. Es stellte sich heraus, dass im Durchschnitt etwa 22% der beobachteten Nukleotidunterschiede während der "explosiven" Zeiträume der Artbildung auftreten, während sich die restlichen 78% während der "graduellen" Evolution allmählich ansammeln.

Es sollte beachtet werden, dass in dieser Arbeit nur Unterschiede in Nukleotidsequenzen berücksichtigt wurden und die funktionelle Bedeutung dieser Unterschiede nicht berücksichtigt wurde (ja, dies wird niemals beim Aufbau von "molekularen Bäumen" gemacht). Auf der morphologischen Ebene kann das Bild unterschiedlich sein. Es ist bekannt, dass ein wesentlicher Teil der DNA-Veränderungen die Struktur des Organismus nicht beeinflusst, und selbst kleinste Veränderungen in den Schlüssel-DNA-Segmenten können zu radikalen Veränderungen der Morphologie führen.

Es ist durchaus möglich, dass jene DNA-Veränderungen, die sehr schnell während der Artbildungsperiode auftreten, mit signifikanteren morphologischen Transformationen verbunden sind als jene, die während des "gradualistischen" Stadiums der Evolution auftreten. In diesem Fall wird es viel mehr "Pünktlichkeit" in der morphologischen Evolution als in der molekularen Evolution geben. Was tatsächlich im Fossilienbestand beobachtet wird. Um davon überzeugt zu sein, ist es notwendig, eine Evolutionsbaumanalyse mit ähnlichen Methoden durchzuführen, die nicht durch molekulare, sondern durch morphologische Merkmale konstruiert wurden. Leider sind solche Bäume nicht mehr in Mode, sie werden nur selten veröffentlicht, und es wird nicht leicht sein, das Material zu sammeln, das für solche Forschungen notwendig ist.

Diese Arbeit ist von großem theoretischem Interesse als ein weiterer Versuch einer strengen quantitativen Begründung eines der empirischen "Evolutionsgesetze". Auf einem anderen kürzlichen Versuch dieser Art wurden die Elemente bereits geschrieben (siehe Evolution auf den Inseln ist schneller, 14. September 2006). Dennoch ist es erfreulich, dass Zoologen und Paläontologen, die sich seit langem nicht in der Evolutionstheorie bewährt haben, nach und nach strenge Begründungen erhalten.

Quelle: Mark Pagel, Chris Venditti, Andrew Meade. Großer interpunktioneller Beitrag der Evolutionären Divergenz auf molekularer Ebene // Wissenschaft. 2006. V. 314. S. 119-121.

Siehe auch:
A. S. Rautian über das Prinzip des intermittierenden Gleichgewichts.
Das Problem der evolutionären Neoplasmen.

Alexander Markow


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