기회주의자로서의 진화
진화는 기회주의의 예들로 뒤덮여 있다. 바이러스에 감염된 숙주는 질병의 원인이 남긴 유전 물질에 대한 새로운 용도를 발견했다;대사 효소는 어떻게 든 눈의 렌즈를 통해 광선을 굴절했다;포유류는 출생 운하를 통해 자신의 젊은 패스를 돕기 위해 두개골 뼈 사이의 봉합을 이용했다;그리고,서명 예에서,현대 조류의 조상이 하늘로 데려 가기 전에 깃털은 화석에 등장.
이와 같은 경우,진화는 올바른 상황이 발생했을 때 새로운 사용을 위해 기존의 특성을 공동 선택함으로써 이루어졌습니다. 이러한 인스턴스는 특성의 현재 사용이 항상 그 기원을 설명하지는 않는다는 교훈을 제공합니다.
1982 년 스티븐 제이 굴드와 엘리자베스 브르바는이 현상에 이름을 붙였습니다. 그들이 그것을 설명했듯이,승천은 더 친숙한 적응 개념에 대한 대응 물입니다. 유출은 새로운 용도를 위해 입대 된 특성이지만,적응은 현재의 기능을 위해 자연 선택에 의해 형성되었다고 그들은 썼다.
육지에 사는 동물들의 네 팔다리에 있는 뼈의 질서와 배열은 육지 위를 걷는 데 필요한 물줄기이다.
이 개념은 처음 등장한 이래로 논란의 여지가 있었으며,주로 진화의 역사적 맥락에서 분출의 힘과 적응의 힘을 구별하기가 너무 어려웠기 때문이다. 최근까지 특성의 공동 선택에 대한 증거는 깃털의 진화와 같은 사례 연구로 제한되었습니다. 그러나 형태 학적,행동 적,그리고 점점 더 분자 적 영역의 예는 일부 생물 학자들에게이 현상이 일반적으로 인정되는 것보다 진화에서 훨씬 더 상당한 역할을 할 수 있다고 의심하게 만들었습니다.
자연에서의 새로운 연구는 잠재적 인 추출을 종합적으로 식별하기위한 첫 번째 시도가 될 수있는 것을 제공합니다. 신진 대사에 초점을 맞춘 연구 결과는 일화적인 예를 보완하고 적어도이 시스템 내에서 탐구의 기여도를 정량화하기위한 초기 단계를 밟아 연구원이 작업에 관여하지 않는다고 말했다.
과학자들은 전산 모델링을 사용하여 한 종류의 연료를 사용하도록 조정 된 무작위 대사 시스템을 만들었는데,이는 이전에 소비 한 적이없는 다른 연료를 사용할 잠재력이 있음을 보여주었습니다. 따라서 일반적인 음식 공급원을 박탈당한 가상의 유기체는 완전히 새로운 두 번째 연료를 잘 관리 할 수 있습니다. 이 시나리오에서는 연료를 전환 할 수있는 능력이 급상승합니다.
“나는 생물학적으로 중요한 과정의 진화에 분출이 매우 중요하다는 것이 점점 더 분명 해지고 있다고 생각한다”고 연구에 참여하지 않은 시카고 대학과 오레곤 대학의 분자 진화 생물 학자 인 조 손튼은 말했다. “굴드와 브르바가 지적한 이러한 과정의 실제 중요성을 나타내는 증거가 점점 늘어나고 있습니다.”
숨겨진 잠재력 찾기
급증을 식별하는 것은 역사를 되돌아 보는 것이 필요하며,이는 대부분의 생물학적 특성과는 쉽지 않습니다. 안드레아스 바그너 과 아 디트 야 바브,의 취리히 대학교,진화를 시뮬레이션하고 결과를 테스트함으로써이 문제를 회피했습니다. 그들은 유기체가 음식을 분해하고 생존과 성장에 필요한 분자를 생산하는 데 사용하는 반응 네트워크의 계산 표현을 사용하여 신진 대사에 초점을 맞추었다.
그들은 알고 싶어: 네트워크가 포도당과 같은 특정 탄소 공급원을 사용하도록 적응 된 경우 아데노신 또는 아세테이트와 같은 다른 탄소 공급원도 사용할 수 있습니까?
이 범위의 연구는 실제 유기체를 사용하여 가능하지 않기 때문에,바브와 바그너는 박테리아 대장균에 의해 사용되는 1,397 반응 네트워크의 모델로 시작했다. 이 출발점에서,그들은 대장균 네트워크에서 반응을 교환하고 알려진 대사 반응의 풀에서 무작위로 선택된 반응으로 대체하여 네트워크를 진화하고자. (과학은 자연의 모든 대사 반응을 문서화하지는 않았지만 신진 대사는 상대적으로 잘 이해되어 다른 시스템보다 작업하기 쉽고 보편적입니다.)
이 스왑에 대한 하나의 요구 사항을 설정합니다:네트워크는 포도당을 사용할 수 있어야합니다. 이 요구 사항은 자연 선택을위한 스탠드 인 역할을했으며 기능 장애 스왑을 필터링했습니다.
바브와 바그너는 500 개의 새로운 대사 네트워크를 생성했으며,각각 5,000 개의 스왑 결과가있었습니다. 그런 다음 그들은 포도당 외에 49 개의 다른 탄소원을 대사 할 수 있는지 여부를 묻는 각각을 평가했습니다. 이 네트워크의 96%가 여러 탄소 소스를 사용할 수 있다는 것을 밝혀졌다. 평균 네트워크는 거의 5 개를 사용할 수 있습니다. 즉,하나의 적응(포도당에 대한 생존력)은 여러 가지 잠재적 인 추출을 동반했습니다.
결과는 포도당 구동 네트워크에만 국한되지 않았습니다. 바그너와 바브는 다른 49 탄소 소스 분자의 각을 사용할 수있는 능력을 선택,실험을 반복하고,이 무작위로 생성 된 네트워크의 대부분은 여러 탄소 소스에서 작동 할 수 있음을 발견했다.
그들은 또한 이러한 유연성이 탄소원 사이의 소위 대사 근접성에 의해 쉽게 설명 될 수 없다는 것을 발견했다. 즉,포도당을 사용할 수있는 네트워크는 포도당으로 쉽게 만들 수있는 분자를 사용할 수 있도록 안정적으로 형성되지 않았습니다. 바그너는”그것이 급변의 발생에 대한 유일한 설명이라면 흥미롭지 않을 것”이라고 말했다. “그것은 생화학이 어떻게 작동하는지에 대한 필요한 결과 일 것입니다.”
대신,네트워크의 복잡성은 유연성을 결정하는 것처럼 보였다;네트워크에서 더 많은 반응,급상승을위한 더 큰 가능성. 바그너는”유기체가하는 많은 일은 실제로 훨씬 간단한 방법으로 설계 될 수있다”고 말했다. “이 결과는 이러한 복잡성이 중요한 부산물,즉 잠재적으로 유익한 특성을 가질 수 있음을 시사합니다.”
신진 대사를 넘어
눈의 렌즈는 광선을 굴절시키고 망막에 초점을 맞추는 결정체라는 단백질로 가득 차 있습니다. 크리스탈은 다른 관련없는 직업에서 빌린 것으로 보입니다. 예를 들어,알팝-크리스탈린은 심장과 다른 곳에서 발견되며,스트레스 하에서 다른 단백질을 보호한다고 국립 보건원의 국립 안과 연구소의 명예 과학자 조람 피아티고르스키는 말했다. 다른 결정체는 대사 반응을 촉매 할 수 있다고 그는 말했다.
바브와 바그너의 연구는 분자 수준에서 분출의 예들의 증가에 추가합니다. 손튼은,예를 들어,잠금 및 키처럼 함께 맞는 호르몬과 수용체의 진화를 연구했다. 적절한 상황에서,그는 발견,파트너십의 절반은 새로운 호르몬 수용체 시스템을 야기하기 위해 공동 선택했다 할 수있다.
31 년 전,굴드와 브르바는 바이러스로부터 유래된 트랜스포존으로 알려진 반복적 인 유전자 서열이 처음에는 직접적인 기능을 하지 못하지만 나중에는 큰 이점을 얻을 수 있다고 제안했다. 그 이후로 연구에 따르면 트랜스포존은 임신 진화에 중요한 역할을했습니다. 예일 대학의 진화 생물학자이자 안드레아스 바그너의 전 박사 고문 인 바그너는”그들은 바이러스로부터 왔지만,그들이 만들어지지 않은 것을 위해 활용 될 수있다”고 말했다. 두 사람은 관련이 없습니다.
균형 이동
신진 대사 연구는 새로운 특성의 건강한 부분이 분출로 시작한다는 것을 시사한다. 사실,그 비율은 그런 식으로 크게 왜곡됩니다; 하나의 특성,포도당에 대한 생존 능력에 대해 선택된 네트워크는 평균적으로 잠재적으로 그릴 수있는 거의 5 개의 비 적응 형 특성을 가지고있었습니다. 바브와 바그너는 이것이 유익한 특성의 기원에 대한 가정을 다시 생각해야한다고 주장한다.
바그너는 시나리오를 제공하여 설명했다:미생물학자가 새로운 박테리아를 분리하고 박테리아가 상당히 일반적인 탄소 공급원에서 생존 가능하다는 것을 발견했다고 상상해보십시오. “그래서 반사적으로이 미생물학 말할 것 이다,잘,박테리아는 그 탄소 소스에 가능한 때문에 적응,그것은 과거에 박테리아가 살아남을 도움이 되었습니다.”바그너는 말했다. “그러나 우리의 관찰은 반드시 사실이 아니다 말한다. 어쩌면 이것은 단지 부산물 특성 중 하나입니다.”
“우리가 발견 한 것이 일반적으로 유지된다면 적응이 아닌 특성과 적응을 구별하는 것이 매우 어려워 질 것”이라고 바그너는 말했다.
이 연구 이전에도 적응 대 탈출(비 적응 형질 또는 다른 목적에 적합한 형질에서 도출 됨)의 두 개념은 분리하기가 어려웠습니다. 굴드와 브르바는 하나가 다른 것으로 이어질 수 있으며,어떤 복잡한 기능도 둘 다 포함한다고 인정했다.
그러나 다른 사람들은 적응과 탈취,굴드와 브르바의 탈취 정의를 중복으로 만드는 것을 구별하는 것은 불가능하다고 말한다. 더럼 대학의 진화 생물 학자 인 그레거 라슨은”현재 사용되는 것을 위해 설계된 것은 없다”고 말했다. 그와 그의 동료들은 진화 생물학 문헌에서의 적응에 비해 급상승 사용의 감소를 확인하고 명확한 구별의 부족에 대한 추세를 비난;그들은 용어를 재정의 제안한다.
과거의 선택 압력의 어두움은 어떤 특성이 진정으로 적응력이 있다고 말하는 것을 어렵게 만든다. 새와 박쥐의 날개는 팔의 강탈이라고 할 수 있지만,”당신은 역사적인 사건에 대해 이야기하고 있기 때문에 그에 따른 구조적 변화는 적응이라고 할 수 없습니다; 그것은 당신이 테스트 할 수있는 것이 아니다”마크 노렐은 말했다,미국 자연사 박물관의 척추 동물 고생물학,누가 연구.
그러나 일부는 구별이 미묘 할 수 있지만 분출과 적응이 실제로 뚜렷하고 의미있는 현상이라는 것을 반대합니다. “실제로,(사실상)모든 것은 이전 양식을 수정 한 것”이라고 손튼은 이메일에 썼다. “그러나 그것은 요점이 아닙니다.”그와 다른 사람들은 정의 요소가 자연 선택의 작용이라고 말했다.
손튼은 두 가지 예를 제시했다: 새로운 돌연변이가 효소가 환경에서 존재하는 농약을 해독하는 가능하게 하는 경우에,해독 활동은 적응이다;다시 말하면 자연선택의 결과로 나왔다. 다른 한편으로,한 번 하나의 과정을 규제하는 호르몬이 두 번째 과정을 규제하기 위해 공동 선택된다면,그것은 호르몬이 두 번째 과정을 규제하기 위해 자연 선택에 의해 진화하지 않았기 때문에 분출이다.
바브와 바그너의 이론적 접근의 강점은 그들이 어떤 역사적 맥락 밖에서도 분출의 가능성을 확실히 보여줄 수 있다는 것이었다. 무작위로 신진 대사 네트워크를 조립함으로써,그들은 실제 미생물을 동반 진화 수하물을 회피 할 수 있었다. 그러나 진화에 대한 분출의 역할을 진정으로 평가하기 위해서는 살아있는 유기체에서의 결과를 검증 할 필요가 있습니다. 즉,그들이 다음에 할 수 있도록 노력하겠습니다 무엇,하지만 정확히 어떻게 볼 수 남아. “우리는 여전히 그것을 알아 내려고 노력하고있다”고 바그너는 말했다. “정말 어려운 문제입니다.”
이 문서에 재판 했다 ScientificAmerican.com.