evolúció mint opportunista

az evolúció tele van az opportunizmus példáival. A vírusokkal fertőzött gazdaszervezetek új felhasználási lehetőségeket találtak a betegség kórokozói által hátrahagyott genetikai anyag számára; a metabolikus enzimek valahogy megtörték a fénysugarakat a szemlencsén keresztül; az emlősök kihasználták a koponyacsontok közötti varratokat, hogy segítsék fiataljaikat a szülőcsatornán való áthaladásban; és az aláírási példában tollak jelentek meg a kövületekben, mielőtt a modern madarak ősei az égbe szálltak.

az ilyen esetekben az evolúció úgy tett, hogy egy meglévő tulajdonságot választott egy új felhasználásra, amikor a megfelelő körülmények felmerültek. Ezek az esetek azt a leckét kínálják, hogy egy tulajdonság jelenlegi használata nem mindig magyarázza eredetét.

1982-ben Stephen Jay Gould és Elisabeth Vrba nevet adott ennek a jelenségnek: exaptation. Ahogy leírták, az exaptation az adaptáció ismertebb fogalmának megfelelője. Míg az exaptációk olyan tulajdonságok, amelyeket új célokra vettek fel, az adaptációkat a természetes szelekció alakította ki jelenlegi funkciójukhoz, ők írtak.

a szárazföldi állatok négy végtagjának csontjainak sorrendje és elrendezése a szárazföldi járáshoz való alkalmazkodás, mivel ezek a végtagok eredetileg a vízben való navigáláshoz fejlődtek ki; ezzel szemben a csontok alakjának és az izomzatnak a változása adaptáció, Gould és Vrba írta.

a koncepció első megjelenése óta ellentmondásos, főleg azért, mert az evolúció történelmi kontextusában olyan nehéz volt megkülönböztetni a kivonulás és az alkalmazkodás erőit. Egészen a közelmúltig, a tulajdonságok együttes választására vonatkozó bizonyítékok esettanulmányokra korlátozódtak, mint például a toll evolúciója. De a morfológiai, viselkedési és egyre inkább molekuláris területekből származó példák arra késztettek néhány biológust, hogy gyanítsák, hogy ez a jelenség sokkal jelentősebb szerepet játszhat az evolúcióban, mint azt általában értékelik.

egy új tanulmány a Nature kínál, mi lehet az első kísérlet, hogy átfogóan azonosítani a lehetséges exaptációk. A tanulmány eredményei, amelyek az anyagcserére összpontosítottak, kiegészítik az anekdotikus példákat, és kezdeti lépést tesznek az exaptation hozzájárulásának számszerűsítése felé, legalábbis ebben a rendszerben, mondta a kutatók, akik nem vettek részt a munkában.

a tudósok számítógépes modellezéssel randomizált anyagcsere-rendszereket hoztak létre, amelyek egyfajta üzemanyag használatára vannak hangolva, amelyek megmutatták, hogy gyakran látens potenciállal rendelkeznek más olyan üzemanyagok felhasználására, amelyeket még soha nem fogyasztottak. Így egy hipotetikus szervezet, amely megfosztja a szokásos táplálékforrását,csak egy második, teljesen új üzemanyaggal képes kezelni. Ebben a forgatókönyvben az üzemanyagok váltásának képessége exaptációt eredményez.

“azt hiszem, egyre világosabbá válik, hogy az exaptáció nagyon fontos a biológiailag fontos folyamatok evolúciójában” – mondta Joe Thornton, a Chicagói Egyetem és az Oregoni Egyetem Molekuláris evolúciós biológusa, aki nem vett részt a tanulmányban. “Egyre több bizonyíték van arra, hogy ezeknek a folyamatoknak a tényleges jelentősége van, amelyekre Gould és Vrba rámutattak.”

rejtett potenciál keresése

az exaptáció azonosítása visszatekintést igényel a történelemre, amelyet a legtöbb biológiai tulajdonsággal nem könnyű megtenni. Andreas Wagner és Aditya Barve, a Zürichi Egyetem kutatói ezt a problémát az evolúció szimulálásával és az eredmények tesztelésével oldották meg. Az anyagcserére összpontosítottak, az organizmusok által az élelmiszerek lebontására és a túléléshez és növekedéshez szükséges molekulák előállítására használt reakcióhálózatok számítógépes ábrázolásával.

tudni akarták: Ha egy hálózatot úgy alakítottak ki, hogy egy adott szénforrást, például glükózt használjon, használhat-e más szénforrásokat is, például adenozint vagy acetátot?

mivel egy ilyen vizsgálat nem kivitelezhető valódi organizmusok felhasználásával, Barve és Wagner az E. coli baktérium által használt 1397 reakciós hálózat modelljével kezdte. Ebből a kiindulási pontból arra törekedtek,hogy kifejlesszék a hálózatot az E. coli hálózat reakciójának cseréjével, és az ismert metabolikus reakciók halmazából véletlenszerűen kiválasztott reakcióval helyettesítve. (Bár a tudomány nem dokumentált minden metabolikus reakciót a természetben, az anyagcsere viszonylag jól ismert, könnyebben kezelhető és egyetemesebb, mint más rendszerek.)

egy követelményt állítottak fel erre a cserére: a hálózatnak képesnek kell lennie a glükóz használatára. Ez a követelmény szolgált stand-in a természetes szelekció, és kiszűrte a diszfunkcionális Swap.

Barve és Wagner 500 új anyagcsere-hálózatot hoztak létre, mindegyik 5000 Swap eredménye. Ezután mindegyiket értékelték, megkérdezve, hogy a glükóz mellett képes-e metabolizálni a 49 egyéb szénforrást. Kiderült, hogy a hálózatok 96 százaléka több szénforrást is alkalmazhat. Az átlagos hálózat majdnem ötöt használhat. Más szavakkal, egy adaptáció (életképesség a glükózon) több potenciális exaptációval járt.

az eredmények nem korlátozódtak a glükóz-vezérelt hálózatokra. Wagner és Barve megismételték a kísérletet, kiválasztották a többi 49 szénforrás-molekula használatának képességét, és megállapították, hogy ezeknek a véletlenszerűen létrehozott hálózatoknak a többsége több szénforráson is működhet.

azt is megállapították, hogy ez a rugalmasság nem magyarázható könnyen a szénforrások közötti úgynevezett metabolikus közelséggel. Más szavakkal, egy olyan hálózat, amely glükózt tudott használni, nem volt megbízhatóan hajlamos arra, hogy olyan molekulát használjon, amely könnyen előállítható glükózból. “Ha ez lenne az egyetlen magyarázat az exaptatio előfordulására, az nem lenne érdekes” – mondta Wagner. “Ez a biokémia működésének szükséges következménye lenne.”

Ehelyett úgy tűnt, hogy a hálózat összetettsége meghatározza rugalmasságát; minél több reakció van egy hálózatban, annál nagyobb az exaptation lehetősége. “Sok, amit az organizmusok csinálnak, valójában sokkal egyszerűbb módon lehet megtervezni” – mondta Wagner. “Ez az eredmény azt sugallja, hogy ennek a komplexitásnak fontos melléktermékei lehetnek, nevezetesen olyan tulajdonságok, amelyek potenciálisan előnyösek.”

a metabolizmuson túl

a szemlencse tele van kristályoknak nevezett fehérjékkel, amelyek megtörik a fénysugarakat, és a retinára fókuszálják őket. Úgy tűnik, hogy a kristályokat más, nem kapcsolódó munkákból vették kölcsön. Például az alfab-kristály megtalálható a szívben és másutt is, ahol más fehérjéket véd a stressz alatt, mondta Joram Piatigorsky, a Nemzeti Egészségügyi Intézet Nemzeti szemészeti Intézetének nyugalmazott tudósa. Más krisztallinok katalizálhatják az anyagcsere-reakciókat-mondta.

Barve és Wagner munkája egyre több példát mutat a molekuláris szintű exaptációra. Thornton például tanulmányozta a hormonok és receptoraik evolúcióját, amelyek zárként és kulcsként illeszkednek egymáshoz. Megfelelő körülmények között megállapította, hogy a partnerség egyik fele együtt választható, hogy új hormon-receptor rendszert hozzon létre.

harmincegy évvel ezelőtt Gould és Vrba felvetette, hogy a transzpozonokként ismert ismétlődő DNS-szekvenciák, amelyek vírusokból származnak, először nem szolgálhatnak közvetlen funkciót, de később nagy előnyökre használhatók. Azóta a kutatások kimutatták, hogy a transzpozonok fontos szerepet játszottak a terhesség kialakulásában. “Vírusokból származnak, de felhasználhatók valamire, amire nem készültek” – mondta G. D. N. Wagner, a Yale Egyetem Evolúciós biológusa és Andreas Wagner korábbi doktori tanácsadója. A kettő nem kapcsolódik egymáshoz.

az egyensúly megváltoztatása

az anyagcsere-tanulmány azt sugallja, hogy az új tulajdonságok egészséges része exaptációként kezdődik. Valójában, az arány erősen torzul így; az egyik tulajdonságra kiválasztott hálózatok, életképesség a glükózon, átlagosan közel öt nem adaptív tulajdonsággal rendelkeztek, amelyekre potenciálisan támaszkodhatnak. Barve és Wagner szerint ennek újra kell gondolnia a jótékony tulajdonságok eredetére vonatkozó feltételezéseket.

Wagner egy forgatókönyvvel magyarázta: képzelje el, hogy egy Mikrobiológus izolál egy új baktériumot, és megállapítja, hogy a baktérium életképes egy meglehetősen gyakori szénforráson. “Tehát reflexszerűen ez a mikrobiológus azt mondaná, hogy Nos, a baktérium életképes ezen a szénforráson, mert ez egy adaptáció, segített a baktérium túlélésében a múltban” – mondta Wagner. “De megfigyeléseink szerint ez nem feltétlenül igaz. Talán ez csak az egyik melléktermék vonása.”

“ha az, amit találunk, általában igaz, nagyon nehéz lesz megkülönböztetni azokat a tulajdonságokat, amelyek adaptációk, azoktól, amelyek nem adaptációk” – mondta Wagner.

még a tanulmány előtt is nehéz volt elválasztani a két fogalmat — az adaptációt vagy az exaptációt (nem adaptív tulajdonságokból vagy más célra adaptált tulajdonságokból). Gould és Vrba elismerte, hogy az egyik vezethet a másikhoz, és hogy minden összetett tulajdonság mindkettőt tartalmazza.

mások azonban azt mondják, hogy lehetetlen megkülönböztetni az adaptációt az exaptációtól, így Gould és Vrba definíciója feleslegessé válik. “Soha semmit nem terveztek arra, amire jelenleg használják” – mondta Greger Larson, a Durham Egyetem Evolúciós biológusa. Ő és kollégái az evolúcióbiológia irodalmában az alkalmazkodáshoz viszonyított exaptation használatának csökkenését azonosítják, és a tendenciát az egyértelmű megkülönböztetés hiányának tulajdonítják; javasolják a kifejezés újradefiniálását.

a korábbi szelekciós nyomások homályossága miatt nehéz azt mondani, hogy bármely tulajdonság valaha is valóban adaptív volt. A madarak és a denevérek szárnyait nevezhetjük fegyverek exaptációinak; az ezt követő szerkezeti változásokat azonban nem lehet adaptációnak nevezni, mert ” történelmi eseményről beszélsz; ezt nem lehet tesztelni ” – mondta Mark Norell, az Amerikai Természettudományi Múzeum gerinces paleontológusa, aki a Vrba-val tanult.

azonban egyesek ellenzik, hogy az exaptation és az adaptáció valóban különálló, értelmes jelenségek, bár a különbségtétel finom lehet. “Valójában (gyakorlatilag) minden egy korábbi forma módosítása” – írta Thornton egy e-mailben. “De nem ez a lényeg.”A meghatározó tényező, ő és mások szerint, a természetes szelekció hatása.

Thornton két példát mutatott be: Ha az új mutációk lehetővé teszik egy enzim számára a környezetben található peszticid méregtelenítését, akkor a méregtelenítő tevékenység adaptáció; vagyis a természetes szelekció eredményeként jött létre. Másrészt, ha egy hormont, amely egyszer egy folyamat szabályozásáért felelős, egy második folyamat szabályozására választják, ez egy exaptáció, mivel a hormon nem természetes szelekcióval fejlődött ki a második folyamat szabályozására.

Barve és Wagner elméleti megközelítésének erőssége az volt, hogy minden történelmi kontextuson kívül egyértelműen bizonyítani tudták az exaptation lehetőségét. Az anyagcsere-hálózatok véletlenszerű összeszerelésével képesek voltak elkerülni az evolúciós poggyászt, amely a valódi mikrobákat kíséri. De ahhoz, hogy valóban felmérjék az exaptation szerepét az evolúcióban, érvényesíteniük kell eredményeiket az élő szervezetekben. Ez az, amit remélnek, hogy a következő, bár pontosan hogyan kell még látni. “Még mindig próbáljuk kitalálni, hogy ki,” mondta Wagner. “Ez egy nagyon nehéz probléma.”

ezt a cikket újranyomtatták ScientificAmerican.com.