Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эволюция биологической сложности является одним важным результатом процесса эволюции . [1] Эволюция породила несколько удивительно сложных организмов - хотя реальный уровень сложности очень трудно определить или точно измерить в биологии, с такими свойствами, как содержание гена, количество типов клеток или морфология, которые предлагаются в качестве возможных показателей. [2] [3] [4]

Многие биологи раньше полагали, что эволюция была прогрессивной (ортогенез) и имела направление, ведущее к так называемым «высшим организмам», несмотря на отсутствие доказательств этой точки зрения. [5] Эта идея «прогресса» и «высших организмов» в эволюции теперь рассматривается как вводящая в заблуждение, поскольку естественный отбор не имеет внутреннего направления, а организмы отбираются либо по повышенной, либо по пониженной сложности в ответ на местные условия окружающей среды. [6] Хотя за всю историю жизни наблюдалось увеличение максимального уровня сложности , всегда существовало подавляющее большинство маленьких и простых организмов, а также наиболее распространенных уровень сложности остался относительно постоянным.

Выбор по простоте и сложности [ править ]

Обычно организмы, у которых скорость размножения выше, чем у их конкурентов, имеют эволюционное преимущество. Следовательно, организмы могут эволюционировать, чтобы стать более простыми и, таким образом, быстрее размножаться и производить больше потомства, поскольку им требуется меньше ресурсов для воспроизводства. Хорошим примером являются такие паразиты, как Plasmodium - паразит, вызывающий малярию, - и микоплазма ; эти организмы часто обходятся без черт, которые становятся ненужными из-за паразитирования на хозяине. [7]

Линия также может обойтись без сложности, когда конкретная сложная черта просто не дает избирательного преимущества в конкретной среде. Утрата этой черты не обязательно дает селективное преимущество, но может быть потеряна из-за накопления мутаций, если ее потеря не создает немедленных селективных недостатков. [8] Например, паразитический организм.может обойтись без синтетического пути метаболита, где он может легко удалить этот метаболит от своего хозяина. Отказ от этого синтеза может не обязательно позволить паразиту экономить значительную энергию или ресурсы и расти быстрее, но потеря может быть зафиксирована в популяции за счет накопления мутаций, если потеря этого пути не причинит вреда. Мутации, вызывающие потерю сложного признака, происходят чаще, чем мутации, вызывающие усиление сложного признака. [ необходима цитата ]

С помощью отбора эволюция может также производить более сложные организмы. Сложность часто возникает в совместной эволюции хозяев и патогенов [9], когда каждая сторона развивает все более изощренные адаптации, такие как иммунная система и многие методы, которые патогены разработали, чтобы уклоняться от нее. Например, паразит Trypanosoma brucei , вызывающий сонную болезнь , развил столько копий своего основного поверхностного антигена, что около 10% его генома занято разными версиями этого одного гена. Эта огромная сложность позволяет паразиту постоянно изменять свою поверхность и, таким образом, уклоняться от иммунной системы через антигенные изменения . [10]

В целом, рост сложности может быть обусловлен коэволюция между организмом и экосистемами от хищников , добыча и паразиты , к которым он пытаются остаться адаптированным: как любой из них становится все более сложной для того , чтобы лучше справляться с разнообразием угроз, предлагаемых экосистемой, образованной другими, другие тоже должны будут адаптироваться, становясь более сложными, тем самым вызывая продолжающуюся эволюционную гонку вооружений [9] в сторону большей сложности. [11] Эта тенденция может быть усилена тем фактом, что сами экосистемы со временем становятся более сложными, поскольку разнообразие видов увеличивается вместе со связями или зависимостями между видами.

Типы трендов по сложности [ править ]

Пассивные и активные тенденции в сложности. Организмы вначале красные. Числа показаны по высоте с последовательным увеличением времени.

Если бы эволюция имела активную тенденцию к сложности ( ортогенезу ), как широко считалось в 19 веке [12], то можно было бы ожидать увидеть активную тенденцию к увеличению с течением времени наиболее распространенного значения (режима) сложности среди организмов. . [13]

Однако увеличение сложности также можно объяснить пассивным процессом. [13] Предположение о непредвзятых случайных изменениях сложности и существовании минимальной сложности ведет к увеличению со временем средней сложности биосферы. Это предполагает увеличение дисперсии , но режим не меняется. Тенденция к созданию некоторых организмов с более высокой сложностью с течением времени существует, но она включает все более малый процент живых существ. [4]

Согласно этой гипотезе, любое проявление эволюции, имеющей внутреннее направление в сторону все более сложных организмов, является результатом того, что люди концентрируют внимание на небольшом количестве крупных сложных организмов, которые населяют правый хвост распределения сложности, и игнорируют более простые и гораздо более распространенные. организмы. Эта пассивная модель предсказывает, что большинство видов являются микроскопическими прокариотами , что подтверждается оценками от 10 6 до 10 9 современных прокариот [14] по сравнению с оценками разнообразия от 10 6 до 3 · 10 6 для эукариот. [15] [16]Следовательно, с этой точки зрения, микроскопическая жизнь доминирует на Земле, а крупные организмы кажутся более разнообразными только из-за систематической ошибки выборки .

Сложность генома в целом увеличилась с момента зарождения жизни на Земле. [17] [18] Некоторые компьютерные модели предполагают, что создание сложных организмов является неизбежным признаком эволюции. [19] [20] Белки, как правило, со временем становятся более гидрофобными, [21] и их гидрофобные аминокислоты более вкраплены вдоль первичной последовательности. [22] Увеличение размера тела с течением времени иногда можно увидеть в так называемом правиле Коупа . [23]

Конструктивная нейтральная эволюция [ править ]

В недавних работах по теории эволюции было высказано предположение, что за счет ослабления давления отбора , которое обычно действует для оптимизации геномов , сложность организма увеличивается за счет процесса, называемого конструктивной нейтральной эволюцией. [24] Поскольку эффективный размер популяции у эукариот (особенно многоклеточных организмов) намного меньше, чем у прокариот, [25] они испытывают меньшие ограничения отбора .

Согласно этой модели, новые гены создаются неадаптивными процессами, такими как случайное дублирование генов . Эти новые сущности, хотя и не требуются для жизнеспособности, дают организму избыточную способность, которая может способствовать мутационному распаду функциональных субъединиц. Если этот распад приводит к ситуации, когда теперь требуются все гены, организм оказался в ловушке нового состояния, в котором количество генов увеличилось. Этот процесс иногда называют «храповым механизмом комплексирования». [26] Эти дополнительные гены затем могут быть использованы естественным отбором с помощью процесса, называемого неофункционализацией.. В других случаях конструктивная нейтральная эволюция не способствует созданию новых частей, а скорее способствует новым взаимодействиям между существующими игроками, которые затем берут на себя новые подрабатывающие роли. [26]

Конструктивная нейтральная эволюция также использовалась для объяснения того, как древние комплексы, такие как сплайсосома и рибосома , со временем приобретали новые субъединицы, как возникают новые альтернативные сплайсированные изоформы генов, как эволюционировало скремблирование генов в инфузориях , как повсеместное редактирование пан- РНК могли возникнуть у Trypanosoma brucei , как функциональные днРНК , вероятно, возникли из-за шума транскрипции, и как даже бесполезные белковые комплексы могут сохраняться в течение миллионов лет. [24] [27] [26] [28] [29] [30] [31]

История [ править ]

Дополнительная информация: Ортогенез.

В XIX веке некоторые ученые, такие как Жан-Батист Ламарк (1744–1829) и Рэй Ланкестер (1847–1929), считали, что у природы есть врожденное стремление усложняться с эволюцией. Эта вера может отражать современные на тот момент идеи Гегеля (1770–1831) и Герберта Спенсера (1820–1903), согласно которым Вселенная постепенно эволюционирует к более высокому, более совершенному состоянию.

Эта точка зрения рассматривала эволюцию паразитов от независимых организмов к паразитическим видам как « деволюцию » или «вырождение», противоречащую природе. Социальные теоретики иногда интерпретировали этот подход метафорически, осуждая определенные категории людей как «дегенеративных паразитов». Позже ученые считали биологическую деволюцию чепухой; скорее, линии преемственности становятся проще или сложнее в зависимости от того, какие формы имели избирательное преимущество. [32]

См. Также [ править ]

  • Биокомплексность
  • Биоразнообразие
  • Биосфера
  • Комплексная адаптивная система
  • Сложная системная биология
  • Двухфазная эволюция
  • Экосистема
  • Плотность энергии
  • Эволюционные компромиссы
  • Эволюционируемость

Ссылки [ править ]

  1. ^ Вернер, Андреас; Piatek, Monica J .; Мэттик, Джон С. (апрель 2015 г.). «Перестановка транспозиций и контроль качества в мужских половых клетках для ускорения эволюции сложных организмов» . Летопись Нью-Йоркской академии наук . 1341 (1): 156–163. Bibcode : 2015NYASA1341..156W . DOI : 10.1111 / nyas.12608 . PMC  4390386 . PMID  25557795 .
  2. Перейти ↑ Adami, C. (2002). «Что такое сложность?». BioEssays . 24 (12): 1085–94. DOI : 10.1002 / bies.10192 . PMID 12447974 . 
  3. ^ Waldrop, M .; и другие. (2008). «Язык: спорные определения» . Природа . 455 (7216): 1023–1028. DOI : 10.1038 / 4551023a . PMID 18948925 . 
  4. ^ а б Лонго, Джузеппе; Монтевиль, Маэль (01.01.2012). Диннин, Майкл Дж .; Хусаинов, Бахадыр; Нис, Андре (ред.). Вычисления, физика и не только . Конспект лекций по информатике. Springer Berlin Heidelberg. С. 289–308. CiteSeerX 10.1.1.640.1835 . DOI : 10.1007 / 978-3-642-27654-5_22 . ISBN  9783642276538.
  5. ^ McShea, D. (1991). «Сложность и эволюция: что все знают». Биология и философия . 6 (3): 303–324. DOI : 10.1007 / BF00132234 . S2CID 53459994 . 
  6. Перейти ↑ Ayala, FJ (2007). «Величайшее открытие Дарвина: дизайн без дизайнера» . PNAS . 104 (Дополнение 1): 8567–73. Bibcode : 2007PNAS..104.8567A . DOI : 10.1073 / pnas.0701072104 . PMC 1876431 . PMID 17494753 .  
  7. ^ Sirand-Pugnet, P .; Lartigue, C .; Маренда, М .; и другие. (2007). «Быть ​​патогенными, пластичными и сексуальными при почти минимальном бактериальном геноме» . PLOS Genet . 3 (5): e75. DOI : 10.1371 / journal.pgen.0030075 . PMC 1868952 . PMID 17511520 .  
  8. ^ Maughan, H .; Masel, J .; Бирки, WC; Николсон, WL (2007). «Роль накопления и отбора мутаций в потере споруляции в экспериментальных популяциях Bacillus subtilis» . Генетика . 177 (2): 937–948. DOI : 10.1534 / genetics.107.075663 . PMC 2034656 . PMID 17720926 .  
  9. ^ a b Докинз, Ричард ; Кребс, Дж. Р. (1979). «Гонка вооружений между видами и внутри видов». Труды Королевского общества B . 205 (1161): 489–511. Bibcode : 1979RSPSB.205..489D . DOI : 10,1098 / rspb.1979.0081 . PMID 42057 . S2CID 9695900 .  
  10. Перейти ↑ Pays, E. (2005). «Регулирование экспрессии гена антигена в Trypanosoma brucei». Trends Parasitol . 21 (11): 517–20. DOI : 10.1016 / j.pt.2005.08.016 . PMID 16126458 . 
  11. ^ Heylighen Ф. (1999a) "Рост структурной и функциональной сложности в процессе эволюции " ??, в Ф. Хейлиген, Дж Bollen и А. Riegler (ред.) Эволюция Сложность Kluwer Academic, Dordrecht, 17-44 .
  12. ^ Рус, Майкл (1996). Монада человеку: концепция прогресса в эволюционной биологии . Издательство Гарвардского университета. стр.  526 -529 и в разных местах. ISBN 978-0-674-03248-4.
  13. ^ а б Кэрролл С.Б. (2001). «Случайность и необходимость: эволюция морфологической сложности и разнообразия». Природа . 409 (6823): 1102–9. Bibcode : 2001Natur.409.1102C . DOI : 10.1038 / 35059227 . PMID 11234024 . S2CID 4319886 .  
  14. Перейти ↑ Oren, A. (2004). «Разнообразие прокариот и таксономия: текущее состояние и будущие проблемы» . Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci . 359 (1444): 623–38. DOI : 10.1098 / rstb.2003.1458 . PMC 1693353 . PMID 15253349 .  
  15. ^ Мэй, РМ; Бевертон, RJH (1990). «Сколько видов?». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B: Биологические науки . 330 (1257): 293–304. DOI : 10.1098 / rstb.1990.0200 .
  16. ^ Schloss, P .; Хандельсман Дж. (2004). «Статус микробной переписи» . Microbiol Mol Biol Rev . 68 (4): 686–91. DOI : 10.1128 / MMBR.68.4.686-691.2004 . PMC 539005 . PMID 15590780 .  
  17. ^ Марков, А.В.; Анисимов В.А. Коротаев, А.В. (2010). «Взаимосвязь между размером генома и сложностью организма в линии, ведущей от прокариот к млекопитающим». Палеонтологический журнал . 44 (4): 363–373. DOI : 10.1134 / s0031030110040015 . S2CID 10830340 . 
  18. ↑ Шаров, Алексей А (2006). «Увеличение генома как часы возникновения и эволюции жизни» . Биология Директ . 1 (1): 17. DOI : 10.1186 / 1745-6150-1-17 . PMC 1526419 . PMID 16768805 .  
  19. ^ Furusawa, C .; Канеко, К. (2000). «Происхождение сложности в многоклеточных организмах». Phys. Rev. Lett . 84 (26 Pt 1): 6130–3. arXiv : nlin / 0009008 . Bibcode : 2000PhRvL..84.6130F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.6130 . PMID 10991141 . S2CID 13985096 .  
  20. ^ Адами, C .; Ofria, C .; Кольер, TC (2000). «Эволюция биологической сложности» . PNAS . 97 (9): 4463–8. arXiv : физика / 0005074 . Bibcode : 2000PNAS ... 97.4463A . DOI : 10.1073 / pnas.97.9.4463 . PMC 18257 . PMID 10781045 .  
  21. ^ Уилсон, Бенджамин А .; Фой, Скотт Дж .; Неме, Рафик; Масел, Джоанна (24 апреля 2017 г.). «Молодые гены сильно неупорядочены, как предсказывает преадаптационная гипотеза рождения гена de novo» . Природа, экология и эволюция . 1 (6): 0146–146. DOI : 10.1038 / s41559-017-0146 . PMC 5476217 . PMID 28642936 .  
  22. ^ Фой, Скотт G .; Wilson, Benjamin A .; Бертрам, Джейсон; Кордес, Мэтью HJ; Масел, Джоанна (апрель 2019 г.). «Сдвиг в стратегии предотвращения агрегации отмечает долгосрочное направление эволюции белков» . Генетика . 211 (4): 1345–1355. DOI : 10.1534 / genetics.118.301719 . PMC 6456324 . PMID 30692195 .  
  23. ^ Heim, NA; Ноуп, мл; Schaal, EK; Ван, Южная Каролина; Пейн, Дж. Л. (20 февраля 2015 г.). «Правило Копа в эволюции морских животных» . Наука . 347 (6224): 867–870. Bibcode : 2015Sci ... 347..867H . DOI : 10.1126 / science.1260065 . PMID 25700517 . 
  24. ^ a b Штольцфус, Арлин (1999). «О возможности конструктивной нейтральной эволюции». Журнал молекулярной эволюции . 49 (2): 169–181. Bibcode : 1999JMolE..49..169S . CiteSeerX 10.1.1.466.5042 . DOI : 10.1007 / PL00006540 . ISSN 0022-2844 . PMID 10441669 . S2CID 1743092 .    
  25. ^ Sung, W .; Ackerman, MS; Миллер, С.Ф .; Доук, Т.Г.; Линч, М. (2012). «Гипотеза барьера дрейфа и эволюция скорости мутаций» . Труды Национальной академии наук . 109 (45): 18488–18492. Bibcode : 2012PNAS..10918488S . DOI : 10.1073 / pnas.1216223109 . PMC 3494944 . PMID 23077252 .  
  26. ^ a b c Лукеш, Юлий; Арчибальд, Джон М .; Килинг, Патрик Дж .; Дулиттл, У. Форд; Грей, Майкл В. (2011). «Как нейтральный эволюционный храповик может создать сложную клеточную структуру» . IUBMB Life . 63 (7): 528–537. DOI : 10.1002 / iub.489 . PMID 21698757 . S2CID 7306575 .  
  27. ^ Грей, MW; Lukes, J .; Арчибальд, Дж. М.; Килинг, П.Дж.; Дулиттл, У. Ф. (2010). «Непоправимая сложность?». Наука . 330 (6006): 920–921. Bibcode : 2010Sci ... 330..920G . DOI : 10.1126 / science.1198594 . ISSN 0036-8075 . PMID 21071654 . S2CID 206530279 .   
  28. ^ Даниэль, Чаммиран; Бем, Микаэла; Оман, Мари (2015). «Роль элементов Alu в цис-регуляции процессинга РНК». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 72 (21): 4063–4076. DOI : 10.1007 / s00018-015-1990-3 . ISSN 1420-682X . PMID 26223268 . S2CID 17960570 .   
  29. ^ Covello, PatrickS .; Грей, Майкл В. (1993). «Об эволюции редактирования РНК». Тенденции в генетике . 9 (8): 265–268. DOI : 10.1016 / 0168-9525 (93) 90011-6 . PMID 8379005 . 
  30. ^ Палаццо, Александр Ф .; Кунин, Евгений В. (2020). «Функциональные длинные некодирующие РНК возникают из мусорных транскриптов». Cell . 183 (5): 1151–1161. DOI : 10.1016 / j.cell.2020.09.047 . ISSN 0092-8674 . 
  31. ^ Хохберг, GKA; Лю, Y; Marklund, EG; Мецгер, ДГПЖ; Лагановский, А; Торнтон, JW (декабрь 2020 г.). «Гидрофобная трещотка закрепляет молекулярные комплексы». Природа . 588 (7838): 503–508. DOI : 10.1038 / s41586-020-3021-2 . PMID 33299178 . 
  32. ^ Догерти, Майкл Дж. (Июль 1998 г.). "Человеческая раса развивается или исчезает?" . Scientific American . С биологической точки зрения такой вещи, как деволюция, не существует. Все изменения в частотах генов в популяциях - и довольно часто в чертах, на которые эти гены влияют, - по определению являются эволюционными изменениями. [...] Когда виды эволюционируют, это происходит не из-за необходимости, а скорее потому, что их популяции содержат организмы с различными признаками, которые обеспечивают репродуктивное преимущество в изменяющейся среде.