Hva forhindrer overgangen fra mikro til makroevolusjon?
via Otangelo Grasso på FB -lenke.

SPØRSMÅL: Hvilke barrierer eksisterer som kan hemme progresjonen fra mindre adaptive variasjoner i en art til fremveksten av enklart nye arter, eller signante evolusjonære trans -transformasjoner? I hovedsak, hvilke faktorer kan potensielt forstyrre en sømløs overgang fra mikroevolusjonær prosess til makroevolusjonære utfall? Dette har tradisjonelt vært et hardt spørsmål å svare på.

Respons: Den utallige utviklings- og reguleringsprosessen som ligger til grunn for organismer for biologi er begge et vitnesbyrd om fenotypisk plastisitet, og et sett med begrensninger som definerer spekteret av besittbar tilpasning av livet. Disse prosessene regjererer det strukturelle og funksjonelle landskapet til organismer. På genetisk nivå former mekanismer som DNA -metylering, kromatindynamikk og ikke -kodende RNA -regulering, uttrykk og regulering av gener. For eksempel, DNAs organisasjon innen kjernen, bestemt av kromatindynamikk, dikterer tilgjengelig-heten til gener for transkripsjon. Når disse reguleringssystemene forstyrres betydelig, fører det til dødelige eller skadelige utfall, og begrenser dermed fenotypisk mangfold.

Bilde 1. Makro evolusjon vs skapelse med. mikro-evolusjon, bilde fra O. Grasso

Minst 47 forskjellige mekanismer virker synergistisk for å definere kjerne- egenskapene for organismens biologi, som omfatter form, utvikling, regulering og tilpasning. Fra og med organismens form, legger mekanismer som angiogenese og vaskulogenese grunnlaget for viktige sirkulasjonsnettverk. Vev og organer får sine distinkte former og strukturer fra prosessen slik celle-celleadhesjon, EkstraCellulær Matriks-celle-interaksjoner (ECM) interaksjoner, mønsterdannelse og regional spesifikasjon. Intratikathetene til cytoskjelettet, drevet av cytoskeletale matriser, tildeler celler med strukturell integritet, tilrettelegging for bevegelse og deling. I løpet av utviklingsfaser satte hendelser som gastrulasjon og nevrulering scenen for henholdsvis kimlagsdannelse og nervesystemets opprinnelse. Prosesser som celle- skjebnebestemmelse og avstamnings-spesifikasjon, guidet celler mot deres spesialiserte roller, mens mekanismer som morfogengradienter og signalveier gir stiene for celler, å følge for utviklingsbaner. Homeobox og Hox-gener fungerer som masterregulatorer for å sette opp kroppens tidlige-posterior akse, og følger at ethvert segment utvikler seg passende. Regulerende aspekter innen organismer er veldig avhengige av molekylære og cellulære kontrollsystemer. Kromatindynamikk, DNA -metylering og epigenetiske koder modellerer tilgjengeligheten og ekspresjonen av gener. Genreguleringsnettverket sikrer at gener kommer til uttrykk i harmoni, og synkronisert med organismenes behov. På cellenivå opprettholder cellesyklus-regulering balansen mellom cellevekst og inndeling, mens cellulær senescence fungerer som et sjekkpunkt, og stopper celler som kan utgjøre en risiko. Systemer som immunsystemets utvikling bevæpner organismen mot ytre trusler, mens hormonelle traséer koordinerer intern fysiologiske prosesser.

For at organismer skal være adaptive, må de respondere på interne og eksterne endringer. Cellemigrasjon, kjemotaksis og nevrale CREST -cellers migrasjon, viser den dynamiske naturen til celler, og beveger seg som respons på spesifikke signaler. Mekanismer som ionekanaler og elektromagnetiske felt modulerer cellulære responser på miljøstimuli. Tilbakemeldingssløyfer og sjekker etablert ved signaliseringsveier og spatiotemporale genuttrykk, sikrer at organismen reagerer nøyaktig på midlertidige og romlige endringer. Reproduksjon og generativ prosess, inkludert dannelse av kimcelle, oogenese og spermatogenese, gjenoppretter det kontinuerlige livet, med spesifikke kontroller og stadier som realiserer skapelsen av levedyktig avkom. Påvirkningen av mikrobiota og symbiotiske forhold minner oss om at organismer ikke opererer isolert, men kontinuerlig samhandler med og blir påvirket av et utall eksterne enheter. Til slutt, den dynamiske naturen til genomet, høydepunkt av transposoner og retrotransposoner, hinter om livets iboende plastisitet og tilpasningsevne. Men selv når livet endrer seg og utvikler seg, gjentar den orkestrerte dansen til disse 47 mekanismene en såre orden, kontinuitet og sammenheng, men også et begrenset utvalg av mulig endring.

Bilde 2. Feedback og hindring av dette

Utviklingsstier spiller en sentral rolle i å gjeninnføre et konsistent sekvens og mønster, under en organismes dannelse. Prosesser som gastrulasjon, nevrulering og segmentering, er ikke bare hendelsesområder, men er dypt integrerte systemer som renoverer passende utvikling av vev og organer. Store forstyrrelser eller endringer i disse traséene kan gi ikke-levedyktige organismer, som igjen avgrenser fenotypisk plastisitet og organismens muligheter. Videre er de funksjonelle begrensningene innebygd i prosesser som angiogenese, apoptose og hormonell regulering viktig. Mens disse mekanismene gjentar riktig fysiologisk drift av en organisme, kan betydelige avvik forstyrre disse prosessene, noe som gjør at det ikke er unødvendig for organismen å opprettholde homeostase. Rollen til grunnleggende gener, spesielt homeobox og Hox -gener, må ikke undervurderes. Disse genene, som styrer det tidligere-posteriororganet av organismer, kan gjennomgå mindre modifikasjoner over tid. Imidlertid motstår de nødsituasjonen til helt nye kroppsarkitekturer, og understreker komplekset av fylogenetiske begrensninger.

Cellulære og biokjemiske begrensninger manifesterer seg i de essensielle funksjonene utført av mekanismer som celle-celleadhesjon, ionekanaler og signalveier. Dette er ikke bare prosesser, men grunnleggende søyler som støtter livets intrikate nett. En hypotetisk ny livsform vil møte den monumentale utfordringen til enten adopsjonssystemer eller finne funksjonelle uttrykk for alternativer. Reproduksjon, en hjørnestein i livet, presenterer også begrensninger. Sentralt i seksuell reproduksjon, som oogenese og spermatogenese, er et rammeverk. Betydelige endringer kan føre til reproduktive barrierer, som, mens du driver spesifikasjon, også avgrenser grensene for hvor divergerende to organismer kan være mens de fremdeles produserer levedyktige avkom. Mens evolusjonen er dyktig til å endre og diversifisere livsformer innenfor grensene som er satt av prosessene, definerer disse samme prosesser omfanget til denne plastisiteten. Over evolusjonære tidsrammer kan livet finne nye veier eller endre eksisterende, men grunnprinsippene, som definert av prosessene som er oppført, er en konsistent tråd, som utformer hvordan livet fungerer. Dette er eksemplifisert, og godt uttrykt av Davidson, en fremtredende forsker i området Genregulatoriske nettverk. Han skrev:
Davidson EH (2011): Ingen underkretsfunksjoner er overflødige med noen annen, og det er derfor det alltid er en observerbar konsekvens hvis en DGRN -underkrets blir avbrutt. Siden disse konsekvensene alltid er katastrofalt dårlige, er fleksibiliteten minimal, og siden underkretsene er sammenkoblet, er hele nettverket som tar del i kvaliteten, at det bare er en måte for ting å fungere på. Og faktisk utvikler embryoene til hver art seg på bare en måte. (1)

Bilde 3. dGRN via Otangelo Grasso

Mikroevolusjonære tilpasninger manifesterer seg typisk som subtile modifikasjoner innenfor et etablert rammeverk, og sikrer kontinuerlig levedyktigheten til en organismes avstamning. Disse endringene oppstår ofte som ansvaret for miljøtrykk, noe som letter økt overlevelse uten å endre organismens grunnleggende arkitektur. Selv om disse mindre endringene kan akkumuleres over tid, forstyrrer de vanligvis ikke de sentrale grunnlagene for en organisms struktur eller funksjonalitet. Motsatt, da vi vurderte riket til makro-evolusjon-der grunnleggende endringer i kroppsplaner og kjernebiologiske systemer er i spill-blir det evolusjonære landskapet betydelig mer sammensatt. Endringer av denne størrelsesorden satset inn i hjertet av en organismes intrikate biologiske nettverk. Hver komponent i dette nettverket er intrikat koblet for å sikre optimal funksjonalitet. Som et resultat har enhver dyp endring av ett element kaskaderende implikasjoner for andre, og hever risikoen for utilsiktede, skadelige konsekvenser. Dette sammenkoblede nettet av biologiske systemer, prosesjoner og strukturer har en innebygd motstandskraft mot forstyrrelser, som kan kompromittere organismenes integritet. Ansvarlige gener for styring av disse fundamentale-attributtene har sikkerhetstiltak. Disse beskyttelsesmekanismene manifesterer seg først og fremst som robuste negative tilbakemeldingssløyfer, og sikrer at tilfeldige genetiske endringer, som kan destabilisere viktige funksjoner raskt blir motvirket eller negert. I hovedsak, selv om evolusjonen tillater og til og med finner variasjon, håndhever det også grenser for å ha vedlikeholdt den grunnleggende samhørigheten og funksjonaliteten til livsformer. Mens mikroevolusjonære prosesjoner lar arter tilpasse seg og finjustere sine egenskaper til stadig skiftende miljøer, skifter spranget til makroevolusjonære skift til å navigere på stram line, der balansen mellom innovasjon og funksjonell integritet er viktig.

Det biologiske riket tilbyr en mengde eksempel som fremhever prinsippene for irreduserbarhet, gjensidig avhengighet og funksjonell integrasjon, og understreker den intrikate naturen til levende systemer. I hjertet av dette ligger begrepet synergi, der flere midler, mekanismer, spillere eller krefter kommer sammen på en måte der deres kombinerte effekt er betydelig større enn om de opererte uavhengig. Når vi vurderer det cellulære maskineriet og dets utallige prosesser, blir det tydelig at en holistisk perspektiv, som understreker hele systemet i stedet for dets individuelle deler, gir en tydeligere forståelse. Man kan ikke bare dissekere cellen inn i komponentene og forvente å gripe hele bredden av dets operasjoner. De fremvoksende egenskapene til celler - atferd eller evner som oppstår når alle deler fungerer som en sammenhengende enhet - er et vitnesbyrd om denne systemiske kompleksiteten. Disse egenskaper er ikke en funksjon i en enkelt komponent, men oppstår fra de harmoniske interaksjonene mellom flere deler. Tenk på produksjons-, signal- og reguleringskoder for en celle. Disse kodene fungerer i hovedsak som språk, som celler bruker for å produsere proteiner, kommunisere med andre celler og regulerer deres interne prosess.

Bilde 4. Koder skapes ikke av materie

Disse språkene eksemplifiserer funksjonell integrasjon, da de er tett sammenvevd og videresendes med hverandre. For eksempel er det signaliseringsstier som er tilknyttet spesifikke reguleringskoder, for å gjenopprette passende reaksjoner på eksterne stimuli. Tilsvarende videresender produksjonskoder signaler for å modulere proteinsyntese i henhold til cellens krav. Konseptet med kryss-kommuniasjon mellom disse kodene er uunnværlig for sømløse drift av celle, vev, organer, organsystemer, kropper og til og med økologier. Det er mye lik en intrikat dans der hvert trinn, sving og spinn er sammenkoblet. Rør eller endre ett trekk, og hele forestillingen kan falle fra hverandre. For eksempel må et signal om å starte celledeling være i harmoni med forskriftskontroller som sikrer at cellen er forberedt på en slik oppgave. En kobling her kan føre til ukontrollert vekst eller celledød. Fra perspektivet til cellens utvikling og drift antyder denne tett sammensveisede gjensidige avhengigheten at en trinnvis utvikling av disse systemene ville være utfordrende. Hver mekanisme, språk eller kodesystem, isolert, tjener kanskje ikke et funksjonelt formål.

For eksempel kan en signalvei uten en tilsvarende reguleringsmekanisme, for eksempel gjøre banen dysfunksjonell, noe som fører til cellulært kaos. Derfor må disse systemene ha blitt instantiert på en gang, fullt operative, fra bunnen av, for at komplekse biologiske organismer skal være levedyktige. Dette er videre bolstret av vitnesbyrdet om emergente egenskaper i biologiske systemer. Dette er egenskaper som dukker opp når systemet opererer som en helhet. Det tilfører at de individuelle komponentene alene, uten deres synergistiske interaksjoner, ikke kunne produsere slike egenskaper. Videre, speiler samhold i cellulær prosesser de symbiotiske forholdene som finnes i bredere biologiske systemer. Akkurat som to organismer kan sameksistere for gjensidig nytte, fungerer cellulære mekanismer ofte i tandem, noe som forbedrer cellens generelle effektive og funksjonalitet.

Bilde 5. Kalsium-signalering i celler -bilde via Otangelo Grasso.

Ideen om holisme er dyp i denne sammenhengen, og understreker viktigheten av å se på systemet som en sammensetning, snarere enn å fokusere utelukkende på dets individuelle deler. Livets kompleksitet, preget av synergi, fremvoksende egenskaper, funksjonell integritet og gjensidig avhengighet, understreker argumentet for en helhetlig tilnærming, til å undervurdere biologiske systemer. Intrikathetene antyder at den sømløse driften av disse systemene ikke bare kan være et biprodukt av tilfeldige, trinnvise endringer, men heller indikerer en intelligent orkestrering av sammenhengende og synergistiske komponenter.

1. Davidson EH (2011). Evolusjonær biovitenskap som reguleringssystembiologi. Dev Biol, 357 (1): 35-40. .. Denne artikkelen fordyper samspillet mellom evolusjonær biovitenskap og regulatorisk systembiologi, og undersøker implikasjonene for vår forståelse av utvikling og evolusjonsprosess.