[image]

Что, если Ламарк в чём-то прав? - О возможности наследования приобретённых признаков

 

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Fakir> Три исхода одного опыта: Фаги, бактерии и ламаркизм – аналитический портал ПОЛИТ.РУ
> Все это изрядно напоминает работу антител у высших животных. Но формирование антител - процесс строго дарвиновский, хотя и искусственно ускоренный. А вот в системе CRISPR/Cas нет ни случайных изменений, ни отбора: запись в геном, обеспечивающая адаптацию к новому фактору среды (в роли которого выступает фаг), вносится непосредственно самим этим фактором. И в дальнейшем наследуется всеми потомками приобретшей его бактерии: по набору спейсеров в данной клетке можно узнать, с какими фагами сталкивалась она и ее предки. То есть именно так, как постулировал Ламарк.
> При этом система CRISPR/Cas - не такая уж экзотика: ею обладают почти все археи (наиболее древние безъядерные организмы, выделяемые ныне в особое царство живых существ) и около 40% изученных бактерий.

По мнению Е. В. Кунина, работу систем CRISPR-Cas можно рассматривать как эволюционный процесс, удовлетворяющий эволюционному сценарию Ламарка, а именно, следующим критериям:

Геномные изменения в локусах CRISPR (вставка новых спейсеров) вызываются воздействием среды (точнее, чужеродных генетических элементов).
Изменения ограничены специфическими геномными локусами.
Изменения обеспечивают адаптацию к конкретному воздействию (к конкретному чужеродному генетическому элементу)[37][38].

Впрочем, такой взгляд на CRISPR подвергается критике. По мнению А. Висса, соответствие CRISPR-Cas ламарковским критериям носит лишь поверхностный характер[37].

Стоит отметить, что системы CRISPR-Cas проявляют некоторые свойства эволюции по Дарвину — в частности, выглядящее на уровне популяции случайным приобретение спейсеров, вслед за чем следует отбор выживающих клонов с наилучшей приспособленностью[17].
 
   51.051.0

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Кажется очевидным, что умение наследовать приобретенные признаки было бы для живого организма очень ценным приобретением (пардон за каламбур) - сразу ускоряет эволюция, можно избежать многих проб и ошибок, вид может быстрее размножаться и т.п., эволюционная выгодность буквально вопиет. Да и в конце концов, на примере человечества мы знаем, что наследование (через обучение) приобретенного опыта весьма полезно и даёт большие преимущества - а если б оно еще и напрямую...?!
Ну допустим, это выгодно, но просто "технически невозможно". Однако всё же теперь есть надёжные свидетельства, что даже земная биология иногда в наследование приобретенных умеет. Очень, чрезвычайно редко, примеры единичны и по большой части среди простейших - но всё же. Почему же эволюция не способствовала дальнейшем развитию и совершенствованию такой полезной функции за сотни миллионов лет? Всё-таки не получается?
Но тогда, быть может, в целом во Вселенной, где жизнь гипотетически может быть устроена и на совершенно иных биомолекулах и даже базовых принципах, "ламарковская" эволюция должна быть распространённым, если не повсеместным явлением, а земная жизнь - просто исключение, которому не повезло с базисом? И в целом более удачливая "ламарковская" внеземная жизнь и развивается быстрее нас - вот, кстати, и еще вариант объяснения парадокса Ферми: они куда быстрее эволюционируют, и давно вышли на уровень сверхцивилизаций, нам непонятных и даже незаметных.

А может, такого в принципе не может быть? Вдруг наследование приобретенных не так уж выгодно, даже если возможно??? Неожиданная мысль! Где-то контринтуитивная. Но кто-то её подумал, и даже нашёл некоторые аргументы в её защиту, хотя ИМХО и не совсем железобетонные. Но сама постановка вопроса очень интересна, даже если небесспорна.

«Путеводитель зоолога по Галактике». Отрывок из книги • Книжный клуб

О возможностях недарвиновской эволюции — как естественной, так и искусственной, созданной другой разумной жизнью, а также о необходимых для нее условиях. //  elementy.ru
 



...

В наше время известно, что на планете Земля правила Ламарка по большей части не работают. Но отсюда не следует с очевидностью, что они в принципе неверны, а именно неверны для любой планеты, независимо от биохимической основы роста и размножения обитающих там организмов. Возможно, в инопланетные аналоги генов встроить приобретенные в течение жизни изменения не так трудно, как в ДНК. Можно смело утверждать, что, если существует планета, на которой законы Ламарка работают, или если ее обитатели сконструируют искусственную жизнь, способную передавать накопленный в течение жизни опыт по наследству, — эволюция там пойдет по совсем иному и, вероятно, непостижимому для нас пути. Животные и растения станут приспосабливаться намного быстрее, если смогут передавать свои приобретенные за жизнь признаки потомству напрямую!

В чем заключается фундаментальная ошибка идей Ламарка и ошибка ли это вообще? Биологам трудно уверенно ответить на этот вопрос. Ясно, что представления Ламарка ошибочны применительно к Земле, но, возможно, это не более чем частный случай — продукт конкретных химических механизмов, с помощью которых ДНК воспроизводится в потомстве животных. Есть, однако, два соображения в пользу того, что эволюция по Ламарку вряд ли может быть естественным явлением и на других планетах.

Развитие, развитие, развитие

У большинства людей имеется общее представление о том, что естественный отбор действует через случайные мутации. Благоприятные мутации сохраняются и распространяются в популяции, тогда как неблагоприятные означают, что их неудачливый носитель рано погибнет. Однако на самом деле это не совсем точное объяснение эволюционного процесса. Большинство крупных мутаций — причем подавляющее большинство — крайне вредны. Если бы для появления глаз, крыльев или длинной шеи приходилось дожидаться благоприятной мутации, ожидание было бы очень долгим. Чаще всего полезные адаптации возникают в результате не «мутации, от которой вырастает лишняя рука», а куда более простых мутаций, изменяющих ход эмбрионального развития. Тонкие воздействия могут быть эффективны, но при этом менее рискованны. На гончарном круге можно вылепить горшки чрезвычайно разнообразных форм и размеров, слегка изменяя усилия, которые вы прилагаете к глиняному кому во время вращения. Это гораздо более элегантное решение, чем просто прилепить еще кусок глины, хоть мы и восторгаемся творчеством малышей из начальных классов, которые именно так и поступают.

Возьмем самый знаменитый пример Ламарка — длинную шею жирафа. Если вы жирафий предок с короткой шеей, как вам дотянуться до верхних листьев, которые никто другой не сможет достать? Есть шанс, что ваш жирафенок родится с особой мутацией — дополнительным шейным позвонком! Удачливый Жираф-младший сможет добраться до этих неиспользуемых листьев с большей вероятностью, чем его сверстники, выжить и размножиться, а значит, передать ту же мутацию своим детенышам. У многих животных действительно время от времени случаются мутации, обеспечивающие им дополнительный позвонок. Но у жирафов шейных позвонков столько же, сколько у человека или у мыши. Крупная мутация не только маловероятна, но и опасна. Такому серьезному изменению скелета должны сопутствовать изменения других составляющих эмбрионального развития: одновременно потребуется изменить всю нервную систему и кровоснабжение, иначе Жираф-младший окажется вообще нежизнеспособен. Крупные мутации, как правило, полезными не бывают. Внезапные изменения куда чаще вредят, чем помогают.

Другая возможность состоит в том, что произойдет более простая мутация, влияющая на то, как жирафенок будет расти. Возможно, шея у него начнет расти раньше, чем у других зародышей жирафов. Или шейный скелет будет расти быстрее либо дольше. Шейных позвонков не становится больше, они просто укрупняются. К тому времени, как детеныш родится, шея у него будет немного длиннее, для чего не понадобятся резкие изменения основного плана строения тела — так и происходит в реальности у жирафов. В последние десятилетия биологи пришли к пониманию того, что приспособленность видов обусловлена скорее подобными тонкими процессами, чем внезапными, скачкообразными благоприятными мутациями4. Как в сделках с недвижимостью, где три главных условия — «местоположение, местоположение и снова местоположение», в эволюции, похоже, простейшие способы обеспечить приспособленность — «развитие, развитие и снова развитие».

Но это, разумеется, земной механизм, который не обязательно дает нам понимание того, как эволюционируют животные на других планетах. И все же элемент универсальности в нем присутствует. На самом деле неважно, каков механизм наследственности — в его основе может лежать ДНК, аналогичная ей молекула или даже некий процесс, невообразимо отличающийся от земного. Каков бы ни был этот процесс, можно утверждать, что внезапные изменения функциональности вряд ли будут полезными. Каким бы способом ни размножался инопланетный вид, следует ожидать, что потомство не будет радикально отличаться от родителей. Как говорится, «не сломалось — не чините».

Один из самых наглядных способов представить себе этот процесс популярно изложил биолог-теоретик Стюарт Кауфман5 . Вспомним метафору восхождения на гору в густом тумане, которую мы использовали во втором разделе. Чем выше вы находитесь, тем лучше вы в эволюционном отношении приспособлены к своей среде: тем длиннее у вас шея, если вы жираф, тем быстрее вы бегаете, если вы газель. Как подняться на вершину горы — пик приспособленности? Можно взбираться медленно, следуя дорогой, которая, по вашим ощущениям, ведет наверх — это, очевидно, хорошая стратегия, — но если я дам вам волшебное приспособление для телепортации, некий «мутатор», который мгновенно перенесет вас на 100 м в случайном направлении, стоит ли вам им воспользоваться? Все зависит от рельефа. Если вы находитесь на равнинных болотах Кембриджшира, то, вероятно, стоит. Вы вряд ли где-то поблизости от горы, поэтому беспорядочные скачки — стратегия не хуже любой другой. Но если вы находитесь в Озерном крае или Дымчатых горах, то лучше ползти вверх по склону, не сворачивая. На горе движение вверх непременно приведет вас к вершине; бессистемные скачки с большей вероятностью собьют вас с пути, чем помогут до нее добраться. Эволюционные ландшафты чаще всего пересеченные, но ступенчатые, подобно Озерному краю (почему это так, более подробно объясняется в книге Кауфмана). Продолжайте взбираться. Не телепортируйтесь. Не мутируйте. Это правило, которое может работать для любой планеты.

К барьеру: Ламарк против естественного отбора

Второе основание считать, что эволюция по Ламарку вряд ли может быть нормой на других планетах, дают компьютерные симуляции. Это очень заманчиво — думать, что наследование опыта полезно, ведь чем больше информации, тем лучше? Однако не стоит делать подобные утверждения, не проверив их. Так что же показывают симуляции? Ученые создают компьютерные модели эволюционных миров, населенных множеством виртуальных существ — «агентов», конкурирующих между собой за виртуальные ресурсы6. Агенты наделяются весьма ограниченным искусственным интеллектом, нейросетью определенной конфигурации, и свою виртуальную среду должны познавать самостоятельно. Затем они мутируют и эволюционируют по двум разным правилам: одна группа виртуальных существ развивается путем естественного отбора («дарвиновские» агенты), так что наиболее успешные умножают свою численность, а другая группа («ламарковские» агенты) может передать обученную нейросеть своему «потомству» — иными словами, потомство с рождения обладает информацией, которую усвоила нейросеть родителей. Какой вариант будет успешнее? Если стравить их в клетке, кто победит? Ламарк или Дарвин?

Ответ — «в зависимости от обстоятельств». В относительно неизменной среде способность передавать потомству опыт более полезна. Детеныши ламарковских агентов рождаются, уже располагая достаточным знанием о том, как добывать и использовать ресурсы, в то время как тем, кто не унаследовал родительского опыта, приходится усваивать знания о мире с нуля. Может показаться, что врожденное знание — это преимущество.

Однако в изменчивой среде все наоборот. Врожденное знание о мире может оказаться недостатком, если мир непрерывно меняется. Ламарковские детеныши берутся за дело в убеждении, что поступают правильно, а затем оказывается, что они по наследству получили негодные «наставления». Листья на верхушке дерева уже не вкусные, а ядовитые. Как теперь быть с длинной шеей? Как в примере Кауфмана с телепортацией через «мутатор», организмы оказываются в незнакомой среде, и у них нет очевидного способа избавиться от навыков, ставших теперь бесполезными.

Это несколько озадачивает — казалось бы, наоборот, следует ожидать, что в изменчивой среде ламарковское потомство будет обладать преимуществом7. Если внезапно появляется новый хищник, то за одно поколение потомство родителей, которым удалось спастись, станет более осторожным. Это же преимущество. Признаки, которые родители могут передавать детям, не дожидаясь редкой генетической мутации, будут распространяться в популяции быстрее. Однако в быстро меняющейся среде хвататься за любую соломинку рискованно. Это все равно что вкладываться в каждую новую криптовалюту — вы так скорее разоритесь, чем разбогатеете.

- вот эта аргументация выглядит слабовато. В конце концов, наследование приобретенных тем и отличается, что эти признаки, скорее всего, худо-бедно проверены и не очень вредны (иначе организм не дожил бы до возраста размножения). Это ж не случайная мутация, с которой и уместно сравнить вложения в каждую новую крипту - это тогда уж больше похоже на вложения в проверенные акции.


Конечно, подобные компьютерные модели и мысленные эксперименты описывают лишь виртуальные, воображаемые условия и мало что могут сказать нам о реально существующих чуждых мирах других планет. Нельзя быть уверенными, что на реальной планете в меняющейся среде естественный отбор непременно победит ламарковскую схему наследственности. Но это дает нам основательную пищу для размышлений. Эволюционная история Земли всегда была историей грандиозных изменений среды. Падение астероида, ставшее причиной вымирания динозавров, — пустяк на фоне катастроф, которые переживала биосфера на протяжении 3,5 млрд лет. Был момент, когда океаны покрылись льдом от полюсов до экватора, что определенно создало огромные трудности для всего живого, и выжили лишь немногие организмы, сумевшие приспособиться к новым условиям. Мы не знаем климатической истории других планет, но если она хотя бы отчасти напоминает земную, то, вероятно, подобные ламарковские организмы, упорно сохранявшие унаследованный опыт, должны были вымереть еще на раннем этапе истории планеты. К тому времени, когда биосфера успокоится и станет более стабильной, по всей видимости, выживут только неспешные, осторожные приверженцы естественного отбора по Дарвину. Любые формы жизни, воображающие, будто знают, что делают, попадутся в ловушку, когда правила изменятся.

- неочевиден постулат, что ламарковские организмы будут непременно цепляться за устаревший унаследованный опыт. С фига ли бы? Можно сказать с тем же успехом, что и дарвиновские организмы цепляются за устаревший унаследованный опыт. Ведь это просто часть триады "наследственность, изменчивость, отбор", которая в общем-то одинакова и для дарвиновских, и для ламарковских, отличаются лишь детали наследственности. Но изменчивость-то никуда не девается! Причём и "классическую" мутационную для ламарковских организмов вовсе не обязательно отменять. В конце концов, культурная часть человечества вполне по-ламарковски наследуется, но это не слишком мешает человеку и сообществам находиь и запоминать новые методы решения проблем в изменившемся мире.
Так что чего-то там у них недодумано, и если вдруг ламарковский механизм и впрямь фундаментально плох, то, скорее, по каким-то другим причинам. Например, если он из-за "излишне высокой" эффективности быстро выбирает "модель", быстро становящуюся доминантной в данных условиях, и даёт и/или сохраняет меньше альтернативных решений. Т.е. в целом единовременно вид менее вариативен, и вот это уже при сильных быстрых изменениях может привести к тому, что ламарковский слабовариативный вид полностью исчезнет, когюа сильновариативный дарвиновский вымер бы на 99%, но краешек гауссианы, "отщепенцы" - в новых условиях выжили и снова размножились. Т.е. гипотеза неустойчивости ламарковцев к катаклизмам.



Дело в том, что просто унаследовать опыт недостаточно. Это грозит решительным проигрышем в быстро меняющейся среде. Организму нужно знать, когда использовать унаследованный опыт, а когда нет. Это знание, а точнее разумность, наличие которой мы ожидаем у искусственных форм жизни, — необходимое условие эффективного наследования приобретенных признаков по Ламарку. Но такой механизм невозможно представить у ранних форм жизни типа бактерий, поскольку умение принимать подобные решения предполагает уровень обработки информации, намного превосходящий способности примитивных форм жизни. Более того, это умение требует наличия органа для принятия решений — то есть, по сути, мозга. Вероятно, ламарковские животные — если они когда-либо существовали — не могли угнаться за изменениями среды и вымерли много раньше, чем у них мог развиться мозг, необходимый для того, чтобы воспользоваться их дремлющей сверхспособностью.

Все, что я излагал до сих пор, по большей части домыслы. Я склонен думать, что эволюция на других планетах будет подобна земной, но я не удивлюсь и в том случае, если в некоторых мирах обнаружатся ламарковские механизмы эволюции. Ведь мы, конечно, будучи разумными существами, способны справиться лучше, чем примитивные виртуальные агенты? И можем изобрести нечто, что будет работать одинаково хорошо и в постоянной, и в изменчивой среде? А если не мы, то, может быть, более развитая инопланетная раса уже сейчас конструирует искусственные организмы и посылает их завоевывать Вселенную?


   56.056.0

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru