Darwins teori om evolution genom naturligt urval är ofullständig utan bidrag från antihjälten Lamarck
Mycket av modern biologi baseras på Charles Darwins evolutionsteori som en process med naturlig selektion, när naturen väljer de starkaste och mest anpassningsbara organismerna för reproduktion, befolkningstillväxt och överlevnad. Denna process kallas också anpassning, och anpassningsbara är de egenskaper som hjälper kroppen att överleva bättre än andra. När nya modifieringar av organismer förändras och slå rot, dyker arter upp och utvecklas. På 1850-talet, när Darwin beskrev den naturliga selektionsmotorn, var de underliggande molekylära mekanismerna ännu inte kända. Men framstegen inom genetik och molekylärbiologi under förra seklet har beskrivit de grundläggande kriterierna för modern neo-darwinisk teori om hur evolution fungerar: DNA-sekvenser muteras slumpmässigt,och de organismer vars DNA är bäst anpassade till miljön multiplicerar och dominerar. Dessa arter råder tills miljöförhållandena börjar förändras och utvecklingsmotorn startar igen.
Men om vi antar att andra molekylära mekanismer också spelar en roll i utvecklingen av arter, visar sig denna evolutionsförklaring vara ofullständig. Problemet med Darwins teori är att medan arter utvecklar mer anpassningsbara egenskaper (kallade fenotyper i biologi), är hastigheten med slumpmässiga mutationer i DNA-sekvenser för lång för att ta hänsyn till många av de observerade förändringarna. Forskare som är väl medvetna om detta problem antyder ett antal kompensatoriska genetiska mekanismer: gendrift, när allvarliga genetiska förändringar inträffar inom en liten grupp organismer, eller epistas, när en uppsättning gener undertrycker en annan. Och det här är bara två av många exempel.
Men även med dessa mekanismer i åtanke är graden av genetisk mutation bland komplexa organismer som människor betydligt lägre än förändringsgraden i en rad egenskaper från metabolisk reglering till sjukdomsresistens. Den snabba manifestationen av mångfalden av drag är svårt att förklara endast med metoder för klassisk genetik och neo-darwinisk teori. För att citera den framstående evolutionsbiologen Jonathan BL Bard, parafraserar TS Eliot: "En skugga föll mellan fenotyp och genotyp."
De problematiska punkterna i Darwins teori går utöver evolutionsteorin och sträcker sig till andra områden inom biologi och biomedicin. Till exempel, om våra egenskaper bestäms av ärftlighet, varför tenderar identiska tvillingar med samma gener att ha olika sjukdomar? Och varför är det så att bara ett litet antal (ofta mindre än 1%) av de som lider av specifika sjukdomar har vanliga genetiska mutationer? Om mutationsgraden är slumpmässig och enhetlig, varför ökade andelen många sjukdomar tiofaldigt på bara några decennier? Varför ändrar hundratals typer av miljöföroreningar omständigheterna vid sjukdomens början, men inte den sjuka DNA-sekvensen? I evolution och biomedicin är graden av bildning av avvikelser från fenotypiska egenskaper mycket högre än graden av genetiska förändringar och mutationer, men varför?
Vissa svar finns i idéerna från Jean-Baptiste Lamarck, som publicerades 50 år före publiceringen av Darwins verk. Lamarcks teori, som länge gått till historiens soptunna, hävdade bland annat att "miljön ändrar egenskaper som sedan ärvs av nya generationer." Lamarck var professor i ryggradslösa zoologi vid Nationalmuseet för naturhistoria i Paris, och i slutet av 1700- och början av 1800-talet studerade han en mängd olika organismer, inklusive insekter och maskar. Det var han som introducerade orden "biologi" och "ryggradslösa djur" i det vetenskapliga lexikonet, och han var också författare till flera böcker om biologi, ryggradslösa djur och evolution. Trots sin utmärkta vetenskapliga karriär förnekades Lamarck med sina blasfemiska evolutionära idéer av många samtida, liksom forskare under de kommande 200 åren.
Ursprungligen fördömdes Lamarck som en religiös kättare, och nuförtiden minns hans namn bara som ett skämt, på grund av vetenskapens konservatism, och särskilt Darwins okränkbara evolutionsteori. I slutet av sin vetenskapliga resa ändrade Lamarck själv sin tro: även utan bekräftelse från området molekylärbiologi såg han att slumpmässiga förändringar inte kan bli ett fullständigt bevis på hans teori.
Frågan är denna: om genetiska mutationer inte bara påverkas av naturligt urval, vad är då molekylkrafterna som formar hela uppsättningen förändringar i egenskaper som krävs för att slutföra arbetet med naturligt urval? En av ledtrådarna hittades nästan ett sekel efter att Darwin presenterade sin teori. 1953, när James Watson och Francis Crick slog upp mysterierna om DNA och den dubbla helixen, rapporterade den evolutionära biologen Conrad Waddington vid University of Edinburgh att yttre kemiska stimuli eller temperaturförändringar under embryonutveckling kunde orsaka utseendet på olika varianter av vingstrukturen i Drosophila. De förändringar som forskarens handlingar orsakade i organismer av en generation överfördes därefter till avkomman. För att förklara denna mekanism för snabb förändring myntade Waddington den moderna termen epigenetik. Det bör noteras att Waddington var medveten om betydelsen av hans upptäckt för evolutionsteorin, redan innan Watson och Crick drog data om DNA-strukturen. Förändringar i vingstrukturen i en generation av Drosophila bekräftade de ursprungliga idéerna från den kättaren Lamarck. Det visade sig att miljön kan direkt påverka organismernas egenskaper.att miljön direkt kan påverka organismens egenskaper.att miljön direkt kan påverka organismens egenskaper.
Kampanjvideo:
Även om Waddington beskrev den allmänna rollen för epigenetik, visste han inte mer om molekylära element och mekanismer än Darwin eller Lamarck. Men ju djupare molekylärbiologi avkodar hur livet fungerar, desto mer meningsfulla Waddingtons - och Lamarcks begrepp blir. Faktum är att den överväldigande majoriteten av miljöfaktorer inte direkt kan påverka molekylsekvensen för DNA, men de reglerar många epigenetiska mekanismer som kontrollerar DNA: s funktioner: de utlöser eller släcker genuttryck, dikterar sätten att uttrycka i celler av proteiner - produkten av våra gener.
Idag finns det en exakt definition av epigenetik - det är en samling molekylära faktorer som avgör hur DNA fungerar och vilka gener som förekommer, oavsett själva DNA-sekvensen. Epigenetik inkluderar ett antal molekylära processer som signifikant påverkar genomets aktivitet utan att ändra DNA-sekvensen i själva generna.
En av de vanligaste processerna av denna typ är DNA-metylering, där molekylkomponenter som kallas metylgrupper (består av metan) är kopplade till DNA, som sätter på och stänger av gener och reglerar genuttryck. Det har visats att miljöfaktorer som temperatur och känslomässig stress kan förändra DNA-metyleringens gång och förändringar kan bli en del av ett permanent program och börjar ärvas av efterföljande generationer. Denna process kallas epigenetisk arv.
En annan viktig epigenetisk process som upptäckts under de senaste åren är histonmodifiering. Histoner är proteiner som fästs vid DNA och förändrar dess struktur, och DNA i sin tur sveper runt histoner som pärlor på en sträng. Kombinationen av DNA och histoner kallas kromatinstrukturer, och spolarna, slingorna och repen i kromatin är ett svar på miljöspänning som permanent kan förändra genuttryck.
På senare tid har forskare dokumenterat processen för RNA-metylering, i vilken metylgrupper kopplas till hjälpmolekyler, vilket förändrar genuttryck och proteinproduktion i efterföljande generationer. Dessutom förändrar verkan av så kallade icke-kodande RNA: er - små RNA-molekyler som binder till DNA, RNA och proteiner - också genuttryck oavsett DNA-sekvensen.
Alla dessa mekanismer för epigenetik är kritiska och spelar en viktig roll i molekylregleringen av DNA-funktioner. Av detta följer att biologinormerna aldrig bygger endast på genetiska eller bara på epigenetiska processer. Tvärtom är processerna för genetik och epigenetik sammanflätade. Det ena fungerar inte utan det andra.
Enligt epigenetikens lagar, för att en förändring ska påverka evolutionen, måste den ärvas av efterföljande generationer i form av DNA-sekvenser eller genmutationer. Men epigenetisk arv korrelerar inte med många av Mendels lagar som gäller klassisk genetik eller neo-darwinisk evolutionsteori. Enligt dessa regler fungerar DNA-sekvenser och gener separat, som partiklar: under reproduktion kombineras "partiklar" från en förälder slumpmässigt med ett par från den andra föräldern, vilket leder till uppkomsten av en ny DNA-sekvens och en ny manifestation av ärftliga egenskaper.
Däremot inträffar epigenetisk arv när groddlinjen (spermier eller ägg) överför epigenetisk information från en generation till nästa, även i frånvaro av direkta miljöfaktorer på lång sikt. Dessa faktorer, liksom miljöbelastning, är särskilt starka under embryonutveckling, till exempel under den period då fostrets reproduktionsorgan omvandlas till testiklar hos män och äggstockar hos kvinnor för att producera spermier och ägg vid en senare ålder. I själva verket kan miljöfaktorer vid detta kritiska ögonblick inducera permanenta epigenetiska förändringar genom DNA-metylering, histonmodifieringar och omarrangemang av icke-kodande RNA.
År 2000 fick mitt team vid University of Washington bevis för denna ogenetiska form av arv, och det är ganska övertygande. Resultaten, som min grupp publicerade i Science 2005, visade att kemikalier i miljön kan främja överföring av vissa sjukdomar i tre generationer av råttor och därefter, även utan långvarig exponering. Senare, det vill säga under de senaste tio åren, har detta fenomen dokumenterats av många laboratorier för olika arter. Ett exempel är en rapport från Graham Burdge och hans team vid University of Southampton, Storbritannien, om hur överfodring av råttor orsakade epigenetiska metaboliska störningar under tre generationer framöver.
I ett annat arbete fann Sibum Sung och kollegor vid University of Texas i Austin att torka och temperatursvingningar orsakar epigenetisk utveckling av växter, vilket leder till generationer av förändringar i tillväxt och blomning. Enligt ett antal studier kan miljöbelastning bidra till epigenetiska förändringar som överförs till efterföljande generationer och orsaka patologier i dem. En ny studie av Gerlinde Metz och hennes kollegor vid University of Lethbridge i Kanada visade att när gravida råttor fängslades eller tvingades simma, inträffade epigenetisk skada som hotade nyfödda barn. Denna generiska stress utlöste en kedja av epigenetisk ärft av avvikelser under flera generationer längs den stressade kvinnans linje. Miljöspänningens roll i epigenetisk arv av sjukdomar under flera generationer stöds nu av flera andra studier.
Epigenetisk arv under påverkan av miljöfaktorer observeras i växter, insekter, fiskar, fåglar, gnagare, grisar och människor. Därför är det ett mycket bestående fenomen. Det visades att epigenetisk transgenerationsarv av olika fenotypiska egenskaper och sjukdomar förekommer i de flesta organismer under minst tio generationer, och de mest omfattande studierna har studerat hundratals växtgenerationer. Till exempel märkte till och med Carl Linné på 1700-talet att blomningen i växter kan orsakas av en temperaturökning, och senare visade det sig att detta berodde på modifieringar av DNA-metylering i den första växten i kedjan, och egenskapen kvarstår i hundra generationer. I maskar, tecken orsakade av förändringar i näring sträcker sig över 50 generationer. Hos däggdjurVarje generation som lever längre har vi upptäckt avvikelser från normen orsakad av påverkan av gifter och sprids till de kommande tio generationerna. De flesta av dessa studier visar att transgenerationsegenskaper fortsätter snarare än degenererade. Även i Waddingtons experiment med flugor var det fråga om 16 generationer, och alla hade förändrade egenskaper som fortsätter att överföras från en generation till en annan till denna dag.som fortsätter att överföras från en generation till en annan till denna dag.som fortsätter att överföras från en generation till en annan till denna dag.
Förändringar i miljön är bokstavligen förändrade biologi, och detta är i stort sett i linje med Lamarcks antagande. Även om exponeringen är kortvarig överförs biologiska modifieringar som manifesterar sig i vissa egenskaper eller sjukdomar mellan generationer.
Miljön spelar en viktig roll i evolutionen. I Darwinisk mening bestämmer det vilka individer och arter som kommer att överleva i den oförlåtande maskinen med naturligt urval. Men ett stort antal miljöfaktorer kan också påverka evolution och biologi direkt, det vill säga med hjälp av epigenetik: kroppens egenskaper kan förändras under påverkan av temperatur eller ljus, eller som svar på näringsparametrar som en fettrik diet eller kaloribegränsning. En mängd kemikalier och gifter från växter och miljö i allmänhet kan påverka fenotypiska förändringar och hälsa.
Ett exempel som vi studerade i vårt laboratorium involverade kemiska effekter på variationer i tecken och sjukdomar. Vi undersökte förmågan hos toxinet vinclozolin, det vanligaste svampmedlet i jordbruket, att påverka egenskaper genom epigenetiska förändringar. Först utsatte vi en gravid kvinnlig råtta för denna fungicid, varefter vi väntade i tre generationer på hennes avkom, inte längre med toxinet. Nästan alla män visade en minskning av antalet och livskraften hos spermier, och med ålder - och fall av infertilitet. Vi observerade också ett antal andra sjukdomstillstånd hos både män och kvinnor, tre generationer separerade från direkt exponering för toxinet. Bland dessa tillstånd var abnormiteter i testiklarnas, äggstockarnas, njurarna, prostata, bröstkörtlarna och hjärnan. Motsvarande epigenetiska förändringar i spermatozoa medför förändringar i DNA-metylering och uttryck av icke-kodande RNA.
Vår studie visade att exponering för toxinet vinclozolin ledde till sexuell selektion tre generationer framåt. För att observera sexuell selektion, eller kompisens preferens, som har betraktats som den viktigaste drivkraften i evolutionen sedan Darwin presenterade sin teori, fick kvinnor från andra kullar möjlighet att välja mellan manliga avkommor till den utsatta individen och andra män. I den överväldigande majoriteten av fallen valde kvinnor de som inte hade epigenetiska transgenerationsförändringar, det vill säga män vars förfäder inte påverkades av toxinet. Med andra ord förändrade fungicidens inflytande för alltid epigenetiken hos avkommans spermier, vilket i sin tur indikerar den ärftliga karaktären hos egenskaperna hos sexuell selektion, som, som är känt,strävar efter att minska spridningen av gener i en befolkning och påverkar direkt evolutionen i mikroevolutionär skala.
I en ny ny studie, berörde vi den makroevolutionära skalan av evolutionen - specifikation. Ett av de klassiska exemplen på speciation är Darwins finkar på Galapagosöarna. En grupp finkar av samma art producerade sexton nya arter, som skilde sig åt i storlek och hade variation i andra egenskaper, till exempel näbbens struktur. Vårt team beslutade att utforska fem olika arter. Vi följde mutationerna av DNA-sekvenser från en art till en annan, men antalet epigenetiska förändringar i DNA-metylering (epimutationer) var högre och mer korrelerade med det fylogenetiska avståndet mellan arter (stamtavla). Även om det för närvarande är mer betoning på neo-darwiniska genetiska begrepp, tyder våra resultat på att epigenetik spelar en roll i specifikationen och utvecklingen av Darwins finkar.
Erkännandet av epigenetikens roll i evolutionen fortsätter att växa. En intressant studie jämför Neandertal och mänskligt DNA, och det är tydligt att genetiska skillnader är markant mindre uttalade än epigenetiska vad gäller förändringar i DNA-metylering i genom. Kort sagt, att kombinera neo-Lamarckian och neo-Darwinian begrepp till en teori ger en mycket effektivare molekylär grund för evolution.
Evolutionen påverkas av både neo-Darwinian och neo-Lamarckian mekanismer, och de verkar vara nära besläktade. Eftersom miljöepigenetik kan öka variationen hos egenskaper inom en population utvidgar den faktiskt möjligheterna till naturligt urval, där adaptiva egenskaper dominerar alla andra. Klassisk neo-darwinisk utveckling bygger på genetisk mutation och genvariation som den primära molekylära mekanismen som skapar mångfald. Till dessa mekanismer läggs fenomenet epigenetik, som direkt ökar antalet variationer i drag, vilket ökar chanserna för miljön att medla i processen för utveckling och naturligt urval.
Ett kritiskt ytterligare övervägande för oss är epigenetics förmåga att förändra genomets stabilitet och därmed direkt inducera de genetiska mutationer som observeras i cancerbiologi. Sådana genetiska mutationer inkluderar variationer i kopianummer (antalet upprepningar av en kort DNA-sekvens) och punktmutationer (förändringar i individuella nukleotider utanför DNA-sekvensen) i efterföljande generationer. Det är känt att nästan alla genetiska mutationer har epigenetiska prekursorer - förändringar som ökar graden av mottaglighet för mutationer. Vi observerade hur den direkta påverkan av miljön i den första generationen inte orsakade genetiska mutationer, men ledde till epigenetiska förändringar, och i efterföljande generationer hittades en ökning av antalet genetiska mutationer. Eftersom epigenetik är förknippad med båda dragvariationerna,så även med mutationer, påskyndar den evolutionsmotorn, vilket inte kan göras av darwinistiska mekanismer på egen hand.
Många är skeptiska till en enhetlig teori om evolution, särskilt mot bakgrund av den genetiska determinismens paradigm, som har påverkat biologiska discipliner i över 100 år. Genetisk determinism betraktar DNA som den grundläggande byggstenen i biologi och DNA-sekvensen som den ultimata kontrollen på molekylnivå.
Förmodligen var den magiska figuren för genetisk determinism sekvensering av det mänskliga genomet, vars syfte var att tillhandahålla avgörande bevis på genens primat. Enligt prognoser skulle genomomfattande studier identifiera biologiska markörer för normala och onormala livsfenomen och lyfta fram förutsättningarna för sjukdomar. Men efter tillkomsten av sekvensering har den huvudsakliga hypotesen om genetisk determinism - påståendet att det mesta av mänsklig biologi och sjukdomar kan tolkas genom genetikens prisma - inte bekräftats.
Genetik har studerats av många generationer av forskare och allmänheten, men få har vänt sig till den relativt nya vetenskapen om epigenetik: i praktiken har införlivandet av epigenetik i studien av molekylära element i biologi och evolution mött motstånd. Både Watson, som spelade en roll i upptäckten av DNA-strukturen, och Francis Collins, vars arbete med att sekvensera DNA-genomet var betydande, ifrågasatte inledningsvis vikten av den epigenetiska faktorn, men idag är båda mer gynnsamma. Francis Collins är nu chef för US National Institute of Health. Det är dock inte förvånande att efter 100 år med genetisk determinism är många motståndare mot paradigmförändringar.
En månad efter att jag lagt fram en enhetlig teori om evolution, och den publicerades i Genome Biology and Evolution 2015, föreslog David Penny från Massey University New Zealand att epigenetik helt enkelt är en genetisk komponent om ärvda egenskaper. Andra nya publikationer, till exempel en artikel av Emma Whitelaw från Australiens La Trobe University, har utmanat begreppet Lamarckian epigenetisk arv hos däggdjur.
Trots motstånd är jag övertygad om att vi har nått en punkt där en paradigmförändring är överhängande. Erkännandet av att epigenetik spelade en roll i evolutionen bestrider inte genetikens betydelse. Den som tar hänsyn till nylamarkiska idéer utmanar inte alls klassisk neo-darwinisk teori. Erkända läror är viktiga och korrekta, men de är delar av bredare, mer detaljerat material som utvidgar vår förståelse genom att integrera alla våra observationer i en sammanhängande helhet. Den enhetliga teorin visar hur miljön samtidigt påverkar fenotypisk mångfald och förenklar det naturliga urvalet, som visas i diagrammet ovan.
Fler och fler evolutionära biologer visar ett växande intresse för epigenetikens roll, ett antal matematiska modeller har redan skapats som kombinerar genetik och epigenetik i ett enda system, och detta arbete har lönats med intresse. Att titta på epigenetik som en komplementär molekylmekanism hjälper till att förstå fenomen som gendrift, genetisk assimilering (när en egenskap som utvecklats som svar på miljöförhållanden hamnar i generna), och till och med teorin om neutral utveckling, enligt vilken de flesta förändringar inträffar. inte som svar på naturligt urval, utan av en slump. Genom att införa en utvidgad molekylmekanism för observationer av biologer skapar de nya modellerna ett djupare, finare och mer exakt scenario för övergripande evolution.
Sammantaget kräver dessa data att vi tänker om den gamla standarden, genetisk determinism, för att leta efter luckor. 1962 föreslog Thomas Kuhn att när avvikelser uppstår i det nuvarande paradigmet, är det nödvändigt att uppmärksamma ny kunskap: det är så den vetenskapliga revolutionen föds.
En enhetlig evolutionsteori bör kombinera neo-darwinistiska och neo-lamarkiska aspekter för att bredda vår förståelse för hur miljön påverkar den evolutionära processen. För Darwins skull kan man inte diskontera Lamarcks bidrag för över 200 år sedan. Tvärtom, det måste beaktas för att skapa en mer övertygande och omfattande teori. På samma sätt kan genetik och epigenetik inte ses som motstridiga områden; tvärtom bör de kombineras för att få ett större utbud av molekylära faktorer och med deras hjälp förklara vad som driver vårt liv.