Jest mnóstwo czasu dla ewolucji

Jest mnóstwo czasu dla ewolucji
Autor tekstu: Jerry Coyne
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Jednym z najczęstszych problemów, jakie laicy mają z ewolucją, jest to, że wydaje się, jakby
nie było na nią wystarczająco dużo czasu. Przy założeniu, że ewolucja jest stosunkowo powolna,
niemniej nastąpiła niesłychana ilość zmian od czasu pojawienia się pierwszych gatunków kilka
miliardów lat temu, jak mógł dobór naturalny (i inne procesy, takie jak dryf genetyczny) zbudować
wszystkie te wyszukane, funkcjonujące organizmy?
Częścią odpowiedzi jest oczywiście to, że ludzie nie potrafią docenić „głębokiego czasu",
ponieważ wyewoluowaliśmy, by liczyć życie w latach i dziesięcioleciach, nie zaś w milionach
i miliardach lat. Ewolucjoniści często demonstrują to przez skondensowanie całej ewolucji w rok
kalendarzowy, pokazując, jak wiele ewolucji zaszło w krótkim odcinku tego czasu. Na przykład,
używając tej analogii w książce Ewolucja jest faktem, pokazałem, że rozejście się między przodkami
ludzi i szympansów zdarzyłoby się o 6 rano 31 grudnia.
Inną trudnością jest to, że ludzie zakładają, iż jeśli jeden gatunek ewoluuje w drugi przez
zmianę wielu cech, jest wysoce nieprawdopodobne, by wszystkie one mogły zmienić się w tym
samym czasie przez równoczesne zadziałanie adaptacyjnych mutacji. Jeśli zmiana ewolucyjna
gatunku pociąga za sobą substytucję w L genach (L jest tu liczbą), a odsetek wszystkich genów
w każdym pokoleniu, które są bardziej faworyzowane niż typ „prymitywny", wynosi 1/K (ta liczba
jest niska, ponieważ większość mutacji jest szkodliwa), wówczas liczba „prób", jakich potrzeba, żeby
otrzymać adaptacyjne mutacje wszystkich genów, jest rzędu KL. Innymi słowy, w każdym pokoleniu
powstają nowe mutacje i jeśli nie ma tam adaptacyjnych mutacji dla każdego genu, to cała próba
zostaje odrzucona i proces zaczyna się w następnym pokoleniu. Na koniec, po około KL pokoleń,
masz właściwy typ.
To jednak może zabrać olbrzymią ilość czasu. Jeśli na przykład chcesz zmienić 20 tysięcy
genów, a tylko 1/40 wszystkich segregujących odmian mutacyjnych jest korzystna, to zabrałoby
1034040 „prób" (z grubsza czas potrzebny nowej mutacji adaptacyjnej do „zafiksowania się"), żeby
spowodować tę zmianę. To nigdy nie mogłoby się zdarzyć, ponieważ nawet organizmowi mającemu
100 pokoleń rocznie i z „próbą" odpowiadającą jednemu pokoleniu, zabrałoby to liczbę lat równą 10
z 34038 zerami. (Od rozpoczęcia się życia było tylko lat 3 z dziewięcioma następującymi po nim
zerami.) To nie jest wystarczająco długo!
Jak już pewnie zgadliście, ewolucja nie działa w ten sposób. Kiedy zachodzi zmiana ewolucyjna
w jednym genie, zachodzi równocześnie w innych genach, wpływając na inne cechy, jeśli istnieją
w populacji adaptacyjne mutacje również dla tych cech. „Próba" nie wymaga produkowania
wariantów każdego genu, z ewolucją zachodzącą tylko wtedy, kiedy wszystkie geny mają
adaptacyjne warianty. Raczej, w każdej próbie powstają nowe adaptacyjne mutacje i zaczynają
marsz ku ustaleniu się w niektórych genach, pozostawiając resztę, by zmieniała się w kolejnych
próbach. Innymi słowy ewolucja zachodzi równolegle, nie zaś seryjnie.
Jak zmienia to tempo ewolucji? Jest to temat nowej pracy w PNAS Herberta Wilfa i Warrena
Ewensa
pod
tytułem
podanym
wyżej:
„There's
plenty
of
time
for
evolution.
(http://www.pnas.org/content/107/52/22454.full" target=)" W pracy Wilfa i Ewensa chodzi
o matematyczne wykazanie, że równoczesna substytucja jest dużo szybsza niż „seryjna"
substytucja, a więc znacząca zmiana ewolucyjna może zajść stosunkowo szybko. Nie jest to nowa
myśl, ale równania są nowe i pokazują, jak to mówi tytuł, że było mnóstwo czasu na zajście
ewolucji.
Wilf i Ewens odwołują się po prostu do faktu, że proces substytucji dzieje się w każdym genie
niezależnie, z zachowaniem nowych mutacji adaptacyjnych w każdym. Jeśli litery reprezentują
mutacje adaptacyjne w każdym miejscu w słowie, a „słowo" reprezentuje liczbę genów
odróżniających potomka od przodka, proponują oni poprawny model:
Ale właściwszy model wygląda następująco: po odgadnięciu każdej z liter
dostajemy informację , która (jeśli którakolwiek) z odgadniętych liter jest poprawna,
a następnie te litery zatrzymujemy. [JAC: nie zaczynasz procesu od nowa w każdym
pokoleniu, ponieważ jeśli dla niektórych genów istnieje już adaptacyjna mutacja, nie
trzeba już dłużej brać tych genów pod uwagę.] Druga runda zgadywania stosowana jest
Racjonalista.pl
Strona 1 z 3
tylko do niepoprawnych liter, które pozostają po pierwszej rundzie, i tak dalej. Pytanie
dotyczy statystyki liczby rund potrzebnych do pomyślnego odgadnięcia wszystkich liter
w słowie.
Tutaj jest skomplikowane równanie dla liczby rund „zgadywania", tj. liczby rund potrzebnych by
osiągnąć ewolucję adaptacyjną dla każdego z L genów:
Średnia liczba rund, które są niezbędne, żeby zgadnąć wszystkie litery słowa z L
literami, które pochodzą z alfabetu o liczbie K liter wynosi:
z β(L) będącą funkcją okresową logarytmu L podanego przez Eq. 7
poniżej. Funkcjaβ(L) oscyluje w zakresie, który dla K≥2 nigdy nie jest większy
niż .000002 w pierwszych dwóch składnikach po prawej stronie Eq. 7.
Podstawmy tutaj nieco danych biologicznych. Załóżmy, że musimy zmienić 20 tysięcy genów,
żeby przejść od przodka do potomka. (To jest MNÓSTWO genów, ponieważ cały genom człowieka
jest tylko odrobinę większy niż to.) I załóżmy, że każdy gen ma tylko 1/40 wszystkich wariantów
genowych, które są adaptacyjne. (Zakładamy, że jeśli populacja ma tylko jeden „adaptacyjny"
wariant, rozejdzie on się po całej populacji. Nie jest to ściśle poprawne, ponieważ niektóre takie
warianty zostaną stracone przez dryf genetyczny i nigdy nie przyczynią się do ewolucji.) 1/40
pochodzi z założenia, że populacja ma milion narodzin na każde pokolenie, że jest tam 20 tysięcy
genów, że w każdym pokoleniu nowe narodziny niosą około 5 milionów nowych mutacji w genomie
— mniej więcej 250 na gen — i że tylko nowe mutacje w 10 tysiącach będą faworyzowane
w stosunku do „istniejącego typu genu". (Dane o mutacjach pochodzą od ludzi i zakłada się, że tylko
niewielki odsetek nowych mutacji powstaje w odcinkach genomu, które rzeczywiście coś robią.)
Przy pomocy tego wzoru Wilf i Ewens obliczyli, że pełna substytucja genu we wszystkich 20
tysiącach genów wymagałaby 390 „rund" zgadywania.
To w porównaniu do 1034,040 rund zgadywania, jeśli wszystkie geny miałyby zmienić się
w jednej „rundzie".
Różnica powstaje, ponieważ przy ewolucji równoległej liczba prób (lub rund mutacji, które
muszą zajść, by spowodować ewolucję) zostaje wprowadzona jako K(log L) zamiast jako KL. Ta
pierwsza liczba jest dużo mniejsza, kiedy L jest duże.
Oczywiście wiedzieliśmy już, że ewolucja działa równolegle, ale tym, co mi imponuje, jest
olbrzymie skrócenie czasu, jakie powstaje przy realistycznych założeniach. Jest to kolejny krok do
obalenia idei, że ewolucja darwinowska jest zbyt powolna, by wyjaśnić dzisiejszą różnorodność życia
na Ziemi, nawet przy historii życia liczącej 3,5 miliarda lat.
Potrzebujemy więcej podobnych modeli, ponieważ myśl, że sprawy są zbyt skomplikowane, by
wyewoluowały podczas historii Ziemi, jest zadziwiająco powszechna. Inny pożyteczny przykład to
model Nilssona i Pelger (1994) o tym, jak szybko złożone oko może wyewoluować z prymitywnego
punktu światłoczułego, przy rozsądnych założeniach o tempie mutacji i adaptacyjności. (Także
Dawkins pisze o tym w „Nature" z 1994 r., gdzie naświetla ten wynik.)
__________
Wilf, H. S., and W. J. Ewens. 2010. There's plenty of time for evolution. (http://www.pnas.org/
content/107/52/22454.full) Proc Natl Acad Sci USA 107:22454-22456.
Nilsson, D.-E., and S. Pelger. 1994. A pessimistic estimate of the time required for an eye to
evolve. Proc. Roy. Soc. Lond. B 256:53-58.
Dawkins, R. 1994. The eye in a twinkling. Nature 368:690-691.
Tekst oryginału (http://whyevolutionistrue.wordpress.com/2010/12/29/theres-plenty-of -timefor-evolution/).
Why evolution is true, 29 grudnia 2010
Jerry Coyne
Profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago,
niedawno wydawnictwo Viking wydało jego książkę pt: Why
Evolution is True.
Pokaż inne teksty autora
(Publikacja: 03-01-2011)
Oryginał.. (http://www.racjonalista.pl/kk.php/s,797)
Contents Copyright © 2000-2011 Mariusz Agnosiewicz
Programming Copyright © 2001-2011 Michał Przech
Autorem portalu Racjonalista.pl jest Michał Przech, zwany niżej Autorem.
Właścicielami portalu są Mariusz Agnosiewicz oraz Autor.
Żadna część niniejszych opracowań nie może być wykorzystywana w celach
komercyjnych, bez uprzedniej pisemnej zgody Właściciela, który zastrzega sobie
niniejszym wszelkie prawa, przewidziane
w przepisach szczególnych, oraz zgodnie z prawem cywilnym i handlowym,
w szczególności z tytułu praw autorskich, wynalazczych, znaków towarowych
do tego portalu i jakiejkolwiek jego części.
Wszystkie strony tego portalu, wliczając w to strukturę katalogów, skrypty oraz inne
programy komputerowe, zostały wytworzone i są administrowane przez Autora.
Stanowią one wyłączną własność Właściciela. Właściciel zastrzega sobie prawo do
okresowych modyfikacji zawartości tego portalu oraz opisu niniejszych Praw
Autorskich bez uprzedniego powiadomienia. Jeżeli nie akceptujesz tej polityki możesz
nie odwiedzać tego portalu i nie korzystać z jego zasobów.
Informacje zawarte na tym portalu przeznaczone są do użytku prywatnego osób
odwiedzających te strony. Można je pobierać, drukować i przeglądać jedynie w celach
informacyjnych, bez czerpania z tego tytułu korzyści finansowych lub pobierania
wynagrodzenia w dowolnej formie. Modyfikacja zawartości stron oraz skryptów jest
zabroniona. Niniejszym udziela się zgody na swobodne kopiowanie dokumentów
portalu Racjonalista.pl tak w formie elektronicznej, jak i drukowanej, w celach innych
niż handlowe, z zachowaniem tej informacji.
Plik PDF, który czytasz, może być rozpowszechniany jedynie w formie oryginalnej,
w jakiej występuje na portalu. Plik ten nie może być traktowany jako oficjalna
lub oryginalna wersja tekstu, jaki zawiera.
Treść tego zapisu stosuje się do wersji zarówno polsko jak i angielskojęzycznych
portalu pod domenami Racjonalista.pl, TheRationalist.eu.org oraz Neutrum.eu.org.
Wszelkie pytania prosimy kierować do [email protected]
Racjonalista.pl
Strona 3 z 3