evoluția ca oportunist

Evoluția este plină de exemple de oportunism. Gazdele infectate cu viruși au găsit noi utilizări pentru materialul genetic pe care agenții bolii l-au lăsat în urmă; enzimele metabolice au ajuns cumva să refractă razele de lumină prin lentila ochiului; mamiferele au profitat de suturile dintre oasele craniului pentru a-și ajuta puii să treacă prin canalul de naștere; și, în exemplul semnat, pene au apărut în fosile înainte ca strămoșii păsărilor moderne să urce pe cer.

în astfel de cazuri, evoluția s-a făcut prin cooptarea unei trăsături existente pentru o nouă utilizare atunci când au apărut circumstanțele potrivite. Aceste cazuri oferă lecția că utilizarea curentă a unei trăsături nu explică întotdeauna originea acesteia.

în 1982, Stephen Jay Gould și Elisabeth Vrba au dat un nume acestui fenomen: exaptarea. După cum au descris-o, exaptarea este o contrapartidă a conceptului mai familiar de adaptare. În timp ce exaptările sunt trăsături care au fost înrolate pentru noi utilizări, adaptările au fost modelate de selecția naturală pentru funcția lor actuală, au scris ei.

ordinea și dispunerea oaselor în cele patru membre ale animalelor care locuiesc pe uscat sunt o exaptare pentru mersul pe uscat, deoarece aceste membre au evoluat inițial pentru navigarea pe apă; în schimb, modificările formei oaselor și ale musculaturii sunt adaptări, au scris Gould și Vrba.

conceptul a fost controversat de când a apărut pentru prima dată, în mare parte pentru că a fost atât de dificil să se facă distincția între forțele exaptării și adaptarea în contextul istoric al evoluției. Până de curând, dovezile pentru cooptarea trăsăturilor s-au limitat la studii de caz, cum ar fi evoluția penei. Dar exemple din tărâmurile morfologice, comportamentale și, din ce în ce mai mult, moleculare au determinat unii biologi să suspecteze că acest fenomen poate juca un rol mult mai important în evoluție decât este în general apreciat.

un nou studiu în natură oferă ceea ce poate fi prima încercare de a identifica în mod cuprinzător potențialele exaptări. Rezultatele studiului, care s-au axat pe metabolism, completează Exemple anecdotice și fac un prim pas spre cuantificarea contribuției exaptării, cel puțin în cadrul acestui sistem, au spus cercetătorii care nu sunt implicați în lucrare.

oamenii de știință au folosit modelarea computațională pentru a crea sisteme metabolice randomizate reglate pentru a utiliza un tip de combustibil, care, au arătat, au adesea potențialul latent de a folosi alți combustibili pe care nu i-au consumat niciodată. Astfel, un organism ipotetic lipsit de sursa obișnuită de hrană ar putea gestiona foarte bine un al doilea combustibil complet nou. În acest scenariu, această capacitate de a schimba combustibilii dă naștere unei exaptări.

„cred că devine din ce în ce mai clar că exaptarea este foarte importantă în evoluția proceselor importante din punct de vedere biologic”, a spus Joe Thornton, biolog evolutiv molecular la Universitatea din Chicago și Universitatea din Oregon, care nu a fost implicat în studiu. „Există acum un număr tot mai mare de dovezi care indică importanța reală a acestor procese pe care Gould și Vrba le indicau.”

căutarea potențialului ascuns

identificarea unei exaptări necesită o privire înapoi la istorie, ceea ce nu este ușor de făcut cu majoritatea trăsăturilor biologice. Andreas Wagner și Aditya Barve, de la Universitatea din Zurich, au evitat această problemă simulând evoluția și testând rezultatele. Ei s-au concentrat pe metabolism, folosind o reprezentare computațională a rețelelor de reacții pe care organismele le folosesc pentru a descompune alimentele și a produce moleculele necesare supraviețuirii și creșterii.

au vrut să știe: Dacă o rețea a fost adaptată pentru a utiliza o anumită sursă de carbon, cum ar fi glucoza, ar putea folosi și alte surse de carbon, cum ar fi adenozina sau acetatul?

deoarece un studiu al acestui domeniu nu este fezabil folosind organisme reale, Barve și Wagner au început cu un model al rețelei de reacție 1,397 utilizată de bacteria E. coli. Din acest punct de plecare, au căutat să evolueze rețeaua schimbând o reacție din rețeaua E. coli și înlocuind-o cu o reacție selectată aleatoriu din grupul de reacții metabolice cunoscute. (Deși știința nu a documentat fiecare reacție metabolică din natură, metabolismul este relativ bine înțeles și este mai ușor de lucrat și mai universal decât alte sisteme.)

au stabilit o cerință pentru acest swap: rețeaua trebuie să rămână capabilă să utilizeze glucoza. Această cerință a servit ca un stand-in pentru selecția naturală și a filtrat swapurile disfuncționale.

Barve și Wagner au produs 500 de noi rețele metabolice, fiecare rezultatul a 5.000 de swap-uri. Apoi au evaluat fiecare, întrebându-se dacă ar putea metaboliza oricare dintre alte 49 de surse de carbon în plus față de glucoză. S-a dovedit că 96% din rețele ar putea folosi mai multe surse de carbon. Rețeaua medie ar putea folosi aproape cinci dintre ele. Cu alte cuvinte, o adaptare (viabilitatea pe glucoză) a fost însoțită de multiple exaptări potențiale.

rezultatele nu s-au limitat la rețelele bazate pe glucoză. Wagner și Barve au repetat experimentul, selectând pentru capacitatea de a utiliza fiecare dintre celelalte 49 de molecule de sursă de carbon și au constatat că majoritatea acestor rețele create aleatoriu ar putea funcționa pe mai multe surse de carbon.

au descoperit, de asemenea, că această flexibilitate nu poate fi explicată cu ușurință prin așa-numita proximitate metabolică între sursele de carbon. Cu alte cuvinte, o rețea care ar putea utiliza glucoza nu a fost predispusă în mod fiabil pentru a putea utiliza o moleculă care ar putea fi ușor obținută din glucoză. „Dacă aceasta ar fi singura explicație pentru incidența exaptării, nu ar fi interesant”, a spus Wagner. „Ar fi o consecință necesară a modului în care funcționează biochimia.”

în schimb, complexitatea rețelei părea să-i determine flexibilitatea; cu cât sunt mai multe reacții într-o rețea, cu atât este mai mare potențialul său de exaptare. „Multe din ceea ce fac organismele ar putea fi de fapt proiectate într-un mod mult mai simplu”, a spus Wagner. „Acest rezultat sugerează că această complexitate poate avea produse secundare importante, și anume trăsături care sunt potențial benefice.”

dincolo de Metabolism

lentila ochiului este ambalată cu proteine numite cristaline care refractă razele de lumină și le concentrează pe retină. Cristalinele par să fi fost împrumutate de la alte locuri de muncă fără legătură. De exemplu, alphaB-cristalina se găsește în inimă și în alte părți, unde protejează alte proteine sub stres, a spus Joram Piatigorsky, om de știință emerit la Institutul Național de ochi de la Institutele Naționale de sănătate. Alte cristaline pot cataliza reacțiile metabolice, a spus el.

munca lui Barve și Wagner se adaugă la un număr tot mai mare de exemple de exaptare la nivel molecular. Thornton, de exemplu, a studiat evoluția hormonilor și a receptorilor lor, care se potrivesc împreună ca blocarea și cheia. În circumstanțele potrivite, a constatat el, o jumătate dintr-un parteneriat poate fi cooptată pentru a da naștere unui nou sistem de receptori hormonali.

cu treizeci și unu de ani în urmă, Gould și Vrba au sugerat că secvențele ADN repetitive cunoscute sub numele de transpozoni, care provin din viruși, ar putea să nu servească nicio funcție directă la început, dar pot fi folosite cu mare avantaj mai târziu. De atunci, cercetările au arătat că transpozonii au jucat un rol important în evoluția sarcinii. „Ele provin din virusuri, dar pot fi utilizate pentru ceva pentru care nu sunt construite”, a declarat G. Wagner, biolog evoluționist la Universitatea Yale și fostul consilier de doctorat al lui Andreas Wagner. Cele două nu sunt legate.

schimbarea echilibrului

studiul metabolismului sugerează că o porțiune sănătoasă de trăsături noi își încep începutul ca exaptări. De fapt, raportul înclină puternic în acest fel; rețelele selectate pentru o trăsătură, viabilitatea pe glucoză, au avut, în medie, aproape cinci trăsături neadaptative pe care le-ar putea folosi. Barve și Wagner susțin că acest lucru ar trebui să determine o regândire a ipotezelor despre originile trăsăturilor benefice.

Wagner a explicat prin furnizarea unui scenariu: Imaginați-vă că un microbiolog izolează o nouă bacterie și constată că bacteria este viabilă pe o sursă de carbon destul de comună. „Deci, reflexiv, acest microbiolog ar spune, Ei bine, bacteria este viabilă pe acea sursă de carbon, deoarece aceasta este o adaptare, a ajutat bacteria să supraviețuiască în trecut”, a spus Wagner. „Dar observațiile noastre spun că nu este neapărat adevărat. Poate că aceasta este doar una dintre trăsăturile produsului secundar.”

„dacă ceea ce găsim este valabil în general, va deveni foarte dificil să distingem trăsăturile care sunt adaptări de trăsăturile care nu sunt adaptări”, a spus Wagner.

chiar și înainte de acest studiu, cele două concepte — adaptare versus exaptare (extrase din trăsături neadaptative sau trăsături adaptate pentru un alt scop) — erau dificil de separat. Gould și Vrba au recunoscut că unul poate duce la celălalt și că orice caracteristică complexă conține ambele.

alții, totuși, spun că este imposibil să distingem adaptarea de exaptare, făcând redundantă definiția lui Gould și Vrba a exaptării. „Nimic nu a fost conceput vreodată pentru ceea ce este folosit în prezent”, a spus Greger Larson, biolog evoluționist la Universitatea Durham. El și colegii săi identifică o scădere a utilizării exaptării în raport cu adaptarea în literatura de biologie evolutivă și dau vina pe tendință pe lipsa unei distincții clare; propun redefinirea termenului.

întunecimea presiunilor de selecție din trecut face dificil să spunem că orice trăsătură a fost vreodată cu adevărat adaptativă. Aripile păsărilor și liliecilor ar putea fi numite exaptări ale armelor; cu toate acestea, schimbările structurale care au urmat nu pot fi numite adaptări, deoarece „vorbiți despre un incident istoric; nu este ceva ce poți testa”, a spus Mark Norell, paleontolog vertebrat la Muzeul American de Istorie Naturală, care a studiat cu Vrba.

cu toate acestea, unii contrazic faptul că exaptarea și adaptarea sunt într-adevăr fenomene distincte, semnificative, deși distincția poate fi subtilă. „Într-adevăr, (practic) totul este o modificare a unei forme anterioare”, a scris Thornton într-un e-mail. „Dar nu asta e ideea.”Factorul definitoriu, el și alții au spus, este acțiunea selecției naturale.

Thornton a oferit două exemple: Dacă noile mutații permit unei enzime să detoxifice un pesticid prezent în mediu, activitatea de detoxifiere este o adaptare; adică a apărut ca urmare a selecției naturale. Pe de altă parte, dacă un hormon care se ocupă odată de reglarea unui proces este cooptat pentru a regla un al doilea proces, aceasta este o exaptare, deoarece hormonul nu a evoluat prin selecție naturală pentru a regla al doilea proces.

punctul forte al abordării teoretice a lui Barve și Wagner a fost acela că puteau demonstra cu siguranță potențialul de exaptare în afara oricărui context istoric. Prin asamblarea aleatorie a rețelelor metabolice, au reușit să evite bagajul evolutiv care ar însoți microbii reali. Dar pentru a evalua cu adevărat rolul exaptării în evoluție, vor trebui să-și valideze rezultatele în organismele vii. Asta speră să facă în continuare, deși exact cum rămâne de văzut. „Încă încercăm să ne dăm seama de asta”, a spus Wagner. „Este o problemă foarte grea.”

acest articol a fost retipărit pe ScientificAmerican.com.