Kaliforniai botos rovarok segítettek kideríteni, amikor az evolúció kiszámítható és mely esetekben nem áll rendelkezésre. • Alexander Markov • Tudományos hírek az Elemekről • Evolúció, Entomológia, Genetika

A kaliforniai rovarok segítettek kitalálni, amikor az evolúció kiszámítható és mi nem

Ábra. 1. Három festő morph a stick rovarok Timema cristinae: zöld csíkos (zöld csíkos), zöld, nem illékony (zöld csíkos) és sötét vagy melanisztikus (melanisztikus). Az első színező lehetőség jobban maszkolja a rovarokat a chamiz leveleken (Adenostoma fasciculatum)a második a szúrás leveleire (Ceanotus spinosus), a harmadik – mindkét növény száránál. Fotók – a népszerű szinopszistól kezdve a tárgyalt cikkigtudomány, rajz – az A. A. Comeault és munkatársaitól, 2015. A genetikai polimorfizmus ellentétek kiválasztása

Húszéves megfigyelés a ragadozó rovarokról Timema cristinae Kaliforniában lehetséges volt az evolúció kiszámíthatóságának becslése két színparaméteres példa alapján: szín és minta. Kiderült, hogy a kép (a csíkok jelenléte vagy hiánya) előre láthatóan alakul ki: a csíkos és nem sztirikus formák aránya előre jelezhető több évre előre, tudva, hogyan változott az elmúlt években. A kiválasztás irányát meghatározó fő tényező ebben az esetben csak egy, és a felszínen fekszik: ez a formák előfordulási gyakoriságának relatív gyakorisága (a ritka forma előnyös, amely rendszeres, kiszámítható ingadozásokhoz vezet). Éppen ellenkezőleg, a színben (zöld és sötétszürke) eltérő színű rovarok arányát számos rosszul vizsgált tényező határozza meg, ezért a rendelkezésre álló adatok alapján nem lehet előrejelezni.Nyilvánvaló, hogy a mikroevolúciós folyamatok elvileg meglehetősen pontosan megjósolhatóak, de ehhez mélyreható megértés szükséges a szelekció irányát befolyásoló összes tényezőtől, és sokan közülük lehet.

Az evolúció kiszámíthatóságának kérdése már régóta zavarja a biológusokat. Egyfelől ismert, hogy a véletlen események fontos szerepet játszanak az evolúcióban. Ez sok szempontból véletlenszerű mutagenezis (lásd: Az alkalmazkodás korai stádiumai kiszámíthatóak, később véletlenszerűek, "Elemek", 03/03/2015; előre látható alkalmasságnövelés kiszámíthatatlan módon, "Elements", 2014.06.30.) És genetikai sodródás (lásd: : A gyíkok evolúciós kísérlete az "alapító hatás", "Elements", 03/09/2012) hatékonyságát, valamint a környezeti feltételek ingadozását mutatja, amely drámai módon megváltoztathatja a szelekció irányát (lásd: Darwin pintyjének csonkjának gyors evolúciós változásainak genetikai alapja " „25.04.2 016), és mindenféle ritka, valószínűtlen esemény, mint például az állatok egy eldugott szigeten történő véletlen ütése (lásd: A kutatók előtt egy újfajta darwini pinty jelent meg, "Elements", 2017.12.04.).

Az ilyen baleseteknek messzemenő evolúciós következményei lehetnek.Ezért a gyakorlatban általában nehéz vagy lehetetlen előre megjósolni az evolúció további menetét a múltbeli események adatairól, és az evolúciós biológiának meg kell felelnie a "leíró", nem pedig a "prediktív" tudománynak (Peter R. Grant, B. Rosemary Grant, 2002. A kiszámíthatatlan evolúció a Darwin finches 30 éves tanulmányában.

Másrészről a természetes szelekció egyáltalán nem véletlenszerű folyamat, hanem éppen ellenkezőleg irányított és determinisztikus. Ezen túlmenően a legkülönbözőbb természetű (molekuláris, fejlődési, ökológiai) korlátozások jelentősen szűkítik a rendelkezésre álló evolúciós pályák hatókörét (lásd: Az evolúciós útvonalak molekuláris szinten vannak meghatározva, "Elements", 2006. április 12., A fehérjék fejlődését a fitnesz-táj alacsony permeabilitása korlátozza „2015/09/02). Ennélfogva bizonyos mértékig az evolúciónak még előre láthatónak kell lennie, amelyet számos munkában megerősítettek (lásd: A baktériumok különböző hőmérsékletekhez való alkalmazkodásának módszerei kiszámíthatóak voltak, "Elements", 2013. 03. 17., M. Lässig és munkatársai, 2017. Predicting evolúció). Az evolúció részleges kiszámíthatóságát és megismételhetőségét egyértelműen a párhuzamok előfordulása jelenti, vagyis a különböző evolúciós vonalak hasonló jellegzetességeinek és életformáinak független előfordulása (ld.Például: a párhuzamos evolúciót a baktériumok kísérleti elemzésében, "Elements", 2012. február 01 .; A párhuzamosságok – az érzékszervek gyors fejlődésének eredménye, "Elements", 2011.09.20. Ciklák – független párhuzamos evolúció élő modellje, "Elements", 2012.11.14. A méhekben az ezocializmus párhuzamos fejlődése: az általános elv, az evolúciós útvonalak különbözőek, "Elements", 2015.5.05.).

Az Amerikai Egyesült Államokból, Nagy-Britanniából és Kanadából származó biológusok újabb kísérletet tettek arra, hogy értékeljék az evolúció kiszámíthatóságát a repülés nélküli rovarok példáján. Timema cristinae – a kaliforniai káptalan lakói. Ezekről a rovarokról, és miért van kényelmesen tanulmányozni a mikro-evolúciót, amely a hírekben le van írva. A kaliforniai rovarok genomjainak elemzése segítette a véletlenszerűség és az evolúció rendszerességének "Elements", 2014.05.20.

A pálcikás rovarokra ható kiválasztás irányát nagyrészt a madarak határozzák meg, amelyek szelektíven enni olyan egyedeket, amelyek láthatóbbak a környező háttérben. A láthatóság viszont a ragadozó rovarok színétől és attól függ, hogy melyik növényen ül. -ban T. cristinae Három diszkrét változata van a színezésnek, vagy a festési morfáknak (1.
1) zöld csíkos, megnyerte a növény keskeny levelét Adenostoma fasciculatum (Chamiz)
2) zöld nem szőrtelen, maszkoló rovar a növény széles levelén Ceanothus spinosus (Ceanothus)
3) sötétszürke (melanisztikus), amely segít elrejteni mindkét növény száraiban.

Zöld csíkos botos rovarok dominálnak az adenostómia ellen (de ezek a vörös gyökérnövényeken is előfordulnak), zöld, nem csíkos dominálnak a vörös gyökérvirágokon (de jelen vannak az adenosztómia betegségben is), és a sötét botos rovarok átlagosan mindkét növényben 10%.

A színváltozást két jel kombinációja határozza meg: egy szín (zöld vagy sötétszürke) és egy minta (csíkok jelenléte vagy hiánya), a második jel csak zölden jelenik meg. Mindkét jellemvonás nagy örökölhetőséggel rendelkezik, vagyis főként a génekről, és nem a környezetről. Korábban kimutatták, hogy a zöld szín és a csíkok hiánya domináns változatok, a sötét szín és a sávok recesszívek.

A magazin legújabb kiadásában megjelent cikkében tudományA szerzők 1990 és 2017 között a Santa Barbara (California, USA) közelében lévő hegyekben végzett többéves monitoring eredményeit ismertették. Összesen 34.383 pálcát vettek figyelembe az 545 pontból a térben és az időben (545 kombináció "évenkénti pont a földi üzemben").

Kezdetben a tudósok foglalkoztak a vizsgált tulajdonságok genetikai alapjával.A különbözõ színezõmorfók képviselõinek genomjainak szekvenálása és az egyesületek teljes genomikus keresése lehetővé tette számunkra, hogy 10,5 millió bázispár genomi régióját azonosítsuk, amelyen mindkét karakter függ: a szín és a kép. Ezen a helyen, a helyszínnek nevezik Mel csíkos", a meiotikus rekombináció korlátozott (lásd Crossing over), vagyis egyetlen egészként örökölt, és kiderült, hogy a lárváknak három változata létezik (allélok) Mel Stripe. A szerzők betűkkel kijelölték őket. u (unstriped, szőrtelen), s (csíkos, csíkos) és m (melanisztikus, melanisztikus). allél u dominál s és m, s dominál m. Így genotípusú egyedek uu, mi és um – zöld, szőrtelen, genotípusok ss és sm megfelelnek a zöld csíkos fenotípusnak és a genotípus tulajdonosainak mm sötétszürke színű.

A következő feladat, amelyet a szerzõk maguk határoztak meg, biztosítaniuk kellett az allél frekvenciáit Mel csíkos gyorsan változnak a szelekció hatása alatt. Ehhez elemezték a három korábbi vizsgálatból gyűjtött genetikai adatokat (amelyek közül az egyik a botos rovarok egyik növényről a másikba történő átvitelével kapcsolatos).A kaliforniai ragadozó rovarok genomjainak elemzése segítette felmérni a véletlen arány és az evolúció rendszerességét, "Elements", 2014. 05. 20.). Kiderült, hogy a lókusz Mel csíkos valójában hajlamos a felgyorsult evolúcióra: az allélfrekvenciák ebben a lókuszban gyorsabban változnak, mint a genom más részein. Nehéz megmagyarázni másokat, mint az intenzív kiválasztást, amelynek iránya a körülményektől függően változhat.

A két tulajdonság (szín és minta) evolúciójának kiszámíthatóságát autoregressziós modellekkel – mozgó átlaggal (Autoregressive-moving-average model) becsültük. A szerzők kiszámították azt a pontosságot, amellyel több előtti (3-10) év előtti előfordulási gyakoriság változását lehet előre jelezni a korábbi évek gyakoriságára vonatkozó adatok alapján.

Kiderült, hogy kiszámíthatóság színes evolúció (a zöld és a sötétszürke rovarok arányának ingadozása) kicsi: a múltbeli adatok csak az ezt követő változások 14% -át magyarázzák. Nyilvánvalóan az ilyen alacsony kiszámíthatóság annak a ténynek köszönhető, hogy a szelekció iránya ebben az esetben sok olyan rosszul vizsgált okból függ, amelyek nincs közvetlen kapcsolatban a lakosság korábbi történelmével.Például a tudósok felfedezték, hogy egy modell prediktív teljesítményét növelhetjük a tavaszi hőmérsékletekre vonatkozó adatok felvételével. Mint kiderült, a faszén faszén rendszerint az elmúlt években egyre inkább számottevővé válik meleg tavasszal. Ez logikus: ilyen években a növények kiszáradnak, és több sötét gallyjuk van, amelyeken a sötét botos rovarok nem olyan érezhetőek, mint a zöldek. A hőmérséklet hatása azonban kétszeres lehet: további kísérletek azt mutatták, hogy a sötét botos rovarok a rosszabb túlmelegedést tűrhetik rosszabbak, mint a zöldek. Így a meleg időjárás egyrészről növeli a sötét botos rovarok arányát (a növények kiszáradása és jobban álcázása révén), másrészt csökkenti azt (a sötét botos rovarok szelektív halálával a súlyos túlmelegedés során). Az első hatás nyilvánvalóan enyhén erősebb, mint a második, így az általános helyzetben a sötét botos rovarok a meleg években előnyösek. De még a hőmérséklet mellett is, a predikciós pontosság alacsony marad.

Az a tény, hogy a színek kiválasztásának irányát számos oka határozza meg, azt is jelzi, hogy a sötétbábú rovarok kevésbé érzékenyek a gombás fertőzésekre, és a szexuális partnereknél sikeresebben versenyeznek, mint a másik két morph.

A hat genotípus túlélésének értékelésére vállalt kísérletek az egyik élelmiszer-ipari üzemen (nevezetesen az adenostómia esetében, ahol a zöld csíkos morfusok érvényesülnek) ellentmondó eredményeket hoztak: kiderült, hogy a meleg szezonban a homozigóták túlélik a legjobbakat ss, a téli pedig jobban tolerálja a heterozigóták sm. Mindkét genotípus ugyanazt a fenotípust adja (zöld csíkos). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a lókusz Mel csíkos Nemcsak a színt érinti, hanem a lokusz kiválasztását sok kevéssé tanulmányozott tényező határozza meg. Ez valószínűleg megmagyarázza az evolúció alacsony kiszámíthatóságát. Annak pontosabb megjósolása érdekében alaposan meg kell érteni a szelekció irányát meghatározó oksági kapcsolatok komplex összefonódását.

előreláthatóság minta evolúció, azaz a csíkos és nem csíkos zöld botos rovarok aránya sokkal magasabbnak bizonyult. Az előrejelzett értékek szigorúan korrelálnak a valódi (r2 = 0,86, azaz az előző évek adatai a jövőbeli ingadozások 86% -át magyarázzák). A magas kiszámíthatóságot azzal magyarázza, hogy az evolúciós dinamika ebben az esetben nagyon egyszerű: a csíkos rovarok aránya ingadozik felfelé és lefelé, és ha az idén nő, akkor a következő biztosan esik.Az ilyen kép legegyszerűbb magyarázata a frekvenciafüggő kiegyenlítő kiválasztás (ez a helyzet neve, ha előnyös egy tulajdonság ritka változata tulajdonosa). Nyilvánvalóan az a tény, hogy a madarak egyre nagyobb tömegeket keresnek, ezért a ritka változat a győztes – de csak addig, amíg ritka.

A frekvenciafüggő szelekció hipotézisének tesztelésére a szerzők további kísérletet végeztek. Tíz adenosztómia bokrokat, amelyeket a ragadós rovaroktól óvatosan tisztítottak, 4: 1 arányú, zöld csíkos és zöld tapadásmentes rovarokkal táplálták, a többi tíz bokros pedig 1: 4 arányban. Összesen 1000 botos rovarokat ültettek át, növényenként 50 rovar. Öt nap elteltével a rovarokat ismét összegyűjtötték és számlálták, így meghatározva, hogy hány csíkos és nem szőrtelen egyedet ettek a madarak az egyes növényekben. Kiderült, hogy azokon a bokrokon, ahol szikrázó botos rovarok uralkodtak, a madarak többnyire ettek, így a túlélő rovarok között a csíkosok aránya meredeken emelkedett. Ugyanazon a helyen, ahol csíkos botos rovarok uralkodtak, a madarak körülbelül ugyanolyan arányban ettek mindkét formában, így egyik alak sem volt előnyös, és arányuk nem változott.Ez az eredmény általában összhangban van a frekvenciafüggő választás ötletével: a csíkos botos rovarok nagy előnnyel rendelkeznek, ha 20%, és nincs előnyük, ha 80% -os. Nem kizárt, hogy a nem szőrtelen rovarok rovarok szelektív előnyökkel is rendelkezhetnek az adenostómia (ahol a csíkos emberek mindig mindig uralják), ha részesedésük kevesebb, mint 20%. De még mindig ellenőrizni kell.

A cikk végsõ részében a szerzõk összehasonlítják az adataikat más (eddig kevés) többéves valós idejû evolúciós projekt eredményeivel, ideértve a házastársak megfigyeléseit is Darwin-tekercsek és a nyírfa moly képzõképességének megfigyelése (lásd: A lepkék ipari melanizmusa genetikai magyarázatot kapott , "Element", 06.06.2016). Nincs elég adat a magabiztos következtetésekhez, de az a benyomás arra a benyomásra jut, hogy a mikroevolúció alacsony előreláthatósága (mint például a botos rovarok esetében) nagyobb valószínűséggel normális, és a nagy kiszámíthatóság (mint a rajz esetében) inkább kivétel. Azonban a pálcákra vonatkozó adatok a szerzők szerint azt sugallják, hogy az alacsony kiszámíthatóság fő oka nem a mikroevolúcióban rejlő alapvető káosz,valamint a szelekció irányát befolyásoló tényezők sokféleségét és róluk szerzett ismereteink hiánytalanságát. Az evolúció pontosabb megjósolásához mélyebbre kell fektetni a részleteket.

Forrás: Patrik Nosil, Romain Villoutreix, Clarissa F. de Carvalho, Timothy E. Farkas, Víctor Soria-Carrasco, Jeffrey L. Feder, Bernard J. Crespi, Zach Gompert. A rovarok természetes kiválasztása és időbeli előrejelzése // tudomány. 2018. V. 359. 765-770. DOI: 10.1126 / science.aap9125.

Lásd még a botos rovarok fejlődését:
1) A kaliforniai rágcsáló rovarok genomjainak elemzése segítette felmérni az esélyek és a fejlődés szabályszerűségét, "Elements", 2014.05.20.
2) A proteobaktériumok pektináz génjeinek létrehozása drámai módon felgyorsította a "Stick" rovarok kialakulását, "Elements", 2014/06/16.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: