Nesten all evolusjon forklares best ved ingeniørkunst

Bilde 1. Mais

Oversatt herfra.
I de siste artiklene har jeg oppsummert forelesninger på CELS (Conference on Engineering in Living Systems) som beskrev en ingeniørmodell for tilpasning og forklarte hvordan tilpasning stammer fra organismenes indre kapasitet (her, lenke). Nå vil jeg oppsummere et annet CELS -foredrag som utvidet disse temaene ved å skissere en annen komplementær ingeniørmodell for tilpasning.

Sammenligning av modeller
Standard evolusjonsteori antar at genetisk variasjon ekspanderer gjennom DNA som muterer eller på annen måte endres tilfeldig -lenke. Samtidig forvandler naturlig seleksjon og andre prosesser arter over tid gradvis gjennom mange, påfølgende små modifikasjoner -her. Resultatene er uforutsigbare, og i forskjellige delpopulasjoner kan de variere sterkt.
I sterk kontrast antar den presenterte ingeniørbaserte modellen at organismer tilpasser seg miljøet ved å bruke de samme ingeniørprinsippene som finnes i menneskelige sporingssystemer (her, her). Mer spesifikt overvåker de kontinuerlig miljøet og sporer forhåndsspesifiserte miljøforhold. Når de riktige forholdene oppstår, induserer interne mekanismer forhåndsbestemte responser som målrettede genetiske endringer, fysiologiske justeringer og/eller anatomiske endringer. Disse adaptive prosessene styres av irredusibel kompleksitet som konsekvent inkluderer tre komponenter:

*Sensorer for å oppdage forhåndsspesifiserte miljøforhold som temperatur.
*Logikkbaserte analysatorer som avgjør om spesifikke kriterier er oppfylt, for eksempel at temperaturen overstiger et gitt punkt. Når kriteriene er oppfylt, sender analysatorene signaler for å utløse de riktige responsene.
*Prosesser som genererer forhåndsbestemte utgangssvar når de utløses, for eksempel at tynnere hår gror fram.

Bilde 2. Koder dannes ikke lovmessig eller ved tilfeldighet

De resulterende endringene er målrettede, raske og ofte reversible. De er også forutsigbare og repeterbare. Og størrelsen deres kan variere fra mindre endringer til dramatiske transformasjoner, men endringene er begrensede og forhåndsdefinerte.
I løpet av de siste tiårene har alle fasetter av ingeniør-modellen blitt stadig oftere bekreftet av alt fra vanlige biologer til evolusjonister i tredje bølge til ledende kreasjonister (her, her, her, her). Det sterkeste støttende beviset kommer fra studier av det som har blitt kalt naturlig genetisk ingeniørkunst (NGE) og fenotype plastisitet.

Naturlig ingeniørkunst (NGE)
NGE refererer til genetiske endringer som ikke er tilfeldige. I stedet skyldes de at celler bruker svært komplekse maskiner for å dirigere målrettede DNA -modifikasjoner. Ledende forsker James Shapiro beskriver prosessene i en oversiktsartikkel fra 2016 -lenke:
-Kombinatorisk koding, pluss de biokjemiske evnene cellene besitter for å omorganisere DNA -molekyler, utgjør en kraftig verktøykasse til adaptiv genom-omskriving. Det vil si at cellene har "Lese-Skrive-Genom" de endres ved mange biokjemiske prosesser, som raskt kan omstrukturere cellulære DNA -molekyler. I stedet for å se på genomutvikling som en rekke tilfeldige modifikasjoner, kan vi nå studere det som en kompleks biologisk prosess med aktiv selvmodifisering.
Han utdyper redigeringssystemene ytterligere i en oversiktsartikkel fra 2017 -lenke:
Som alle klasser av cellulær biokjemi, er NGE DNA -transport- og omstrukturerings-funksjoner underlagt kontroll av regulatoriske kretser og reagerer på endrede forhold ... NGE -aktiviteter påvirker vanligvis flere tegn i den varierende celle og organismen. Følgelig kan store fenotypiske transformasjoner oppstå i en enkelt evolusjonær episode og er ikke begrenset til en gradvis opphopning av "mange, påfølgende, små modifikasjoner."

Man kan bestride Shapiros påstander om hva NGE har oppnådd tidligere, men hans generelle beskrivelse samsvarer tydelig med den biologiske ingeniørmodellens sentrale trekk. De regulatoriske kretsene som reagerer på miljøforholdene, tilsvarer sensorer integrert med logiske mekanismer. Transport- og omstruktureringsfunksjonene tilsvarer spesifiserte utgangssvar. I tillegg er DNA -modifikasjonene målrettede, raske og avgrensede slik den tekniske modellen forventer.

NGE har blitt identifisert på alle livsområder, fra de enkleste til de mest komplekse. Gjærceller reagerer på sult av næringsstoffer ved å øke mutasjonshastigheten på bestemte steder referert til som mutasjonelle hot spots -lenke. Og det bemerkelsesverdige mangfoldet i hunderaser er ikke et resultat av helt tilfeldige mutasjoner, men det skyldes også mutasjonelle hot spots som gir mulighet for økning i målrettet genetisk variasjon som kan drive rask tilpasning. Biofysikerne John Fondon og Harold Garner bemerket -lenke:
De høye frekvensene og inkrementelle effektene av gjentatte lengdemutasjoner gir molekylære forklaringer på rask, men topologisk konservativ morfologisk evolusjon ... Vi antar at genassosierte tandemrepetisjoner fungerer som tilrettelegger for evolusjon, og gir rikelig, robust variasjon og dermed muliggjør ekstremt rask utvikling av nye former .
Like slående inneholder plantegener DNA -segmenter kjent som omskiftbare elementer (TE) som kan flytte til nye steder, slik at de kan endre aktiviteten til lokale gener. Spesifikke miljøstimuli kan starte flytting til målsteder (her, her), og stimuli kan aktivere TE -ene, noe som resulterer i adaptive fordeler. TE-ene endrer for eksempel genregulering i mais for å gi tørketoleranse, endre blomstringstid og gjøre planter i stand til å vokse i giftige aluminiumsmasser (her, her).

Fenotypisk plastisitet
Fenotypisk plastisitet refererer til en organismes evne til å transformere sin anatomi og fysiologi som svar på miljøstimuli. Endringene skyldes ikke genetiske endringer, men interne tilpasningsmekanismer. Utviklingsbiolog Ralf Sommer opplistet disse mekanismens viktige komponenter i en gjennomgangsartikkel fra 2020 -lenke:

- ... plastisitet krever utviklingsmessig omprogrammering i form av utviklingsbrytere som kan inkludere miljøinformasjon. Imidlertid er de assosierte molekylære mekanismene kompliserte og involverer komplekse loci, for eksempel eud-1, som fungerer som brytere og GRN-er. Selv om det fortsatt er tidlig, er det sannsynlig at vekslings-gener peker på et generelt plastisitets-prinsipp fordi andre eksempler på plastisitet også innebærer komplekse vekslings-mekanismer.

Bilde 3. Ulike typer ciklider

"Innlemmelse av miljøinformasjon" innebærer stiltiende tilstedeværelsen av sensorer og signaloverføringsveier. Bryteren som inneholder den sensoriske utgangen tilsvarer en logisk-basert analysator, og genregulerende nettverk (GRN) aktivitet tilsvarer utgangssvaret. Oppsummert samsvarer kjerne-elementene perfekt med ingeniør-modellene for tilpasning.
Fenotypisk plastisitet har blitt observert hos mange arter i forskjellige taxa. Måker fra familien Laridae sporer natriumnivået i blodet med sensorer i hjertekar. Når nivået når en terskel, genererer måker en spesialisert kjertel som trekker ut overflødig natrium fra blodet og skiller det ut gjennom nebbet. Hvis måken vandrer til et ferskvannsmiljø, forsvinner kjertelen.

Ciklidfisk demonstrerer fenotypisk plastisitet for flere egenskaper. Muschick et al, i en studie fra 2011 -lenke, fremalte Midas ciklider på mat med forskjellige hardheter. De forskjellige diettgruppene utviklet signifikant forskjellige faryngeale kjeveben, og forskjellene lignet kvalitativt på forskjellene i kjeveben som finnes hos spesialiserte arter. Härer et al, i en studie fra 2019 -lenke, eksponerte Midas ciklider for lys av forskjellige frekvenser. Som svar på endring i frekvens byttet ciklider uttrykk i en type opsin-gener som er avgjørende for fargesyn, på bare noen få dager. Andre slike mekanismer eksisterer sannsynligvis, basert på observasjon av at ciklider raskt konvergerer til de samme grunnformene gjentatte ganger -lenke.
Som et siste eksempel viser fisk som bor i hulemiljøer særegne egenskaper som forminskede øyne og pigmentering. Standard evolusjonær historie er at disse egenskapene gradvis utviklet seg gjennom naturlig seleksjon. Men eksperimenter det siste tiåret på effekter av å utsette fisk for hulelignende forhold endrer fortellingen.

Rohner et al, i en studie fra 2013 -lenke, dyrket A. mexicanus embryoer i vann med lav ledningsevne som etterligner grotteforhold. Embryoene utviklet seg til voksne med betydelig mindre øyne. Corral og Aguirre i en studie fra 2019 -lenke, fremkalte A. mexicanus i forskjellige temperaturer og forskjellige nivåer av vannturbulens. Variantbetingelsene resulterte i at voksen fisk varierte i vertebral-antall og kroppsform. For eksempel viste fisk som ble oppdratt i mer turbulent vann mer strømlinjeformede kropper og utvidede dorsale og analfinne baser som forbedret deres mobilitet i denne miljøtilstanden. Og Bilandzija et al. i en studie fra 2020 -lenke, reiste den samme arten i mørket, og fisken utviklet mange grotterelaterte egenskaper som motstand mot sult og endret metabolisme og hormonnivå. Fremtidig forskning vil sannsynligvis avdekke enda flere eksempler der grottespesifikke tilpasninger ikke skyldes tilfeldige mutasjoner, men fra interne mekanismer.

Fremtidig forskning
Ingeniørmodellen passer ikke bare best til de nyeste eksperimentelle og observasjonsdataene, men den kan hjelpe til med å veilede fremtidig forskning. Når en art raskt og forutsigbart tilpasser seg en bestemt miljøtilstand (her, her, her), kan etterforskere forvente at endringer styres av sensorer, logikkbaserte analysatorer og utmatingsresponsmekanismer. De kan deretter fokusere forskning på å identifisere og forstå disse komponentene.
Tradisjonelle evolusjonære prosesser spiller en rolle i biologisk tilpasning, men økende bevis viser at deres rolle er relativt liten i livets drama (her, her). I stedet opptrer ingeniørstyrte adaptive mekanismer som styrer målrettede modifikasjoner i sentrum.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund.