Evolúció Az evolúció általános aspektusai

Átírás

1 Evolúció Az evolúció általános aspektusai Teremtés vagy Evolúció: csak az előadáson hangzik el (fakultatív anyag) Az evolúciós gondolat egy evolúciós elképzelés bizonyossága attól függ, hogy milyen absztrakciós szintet érint. 1. szint: az evolúció ténye: Az evolúciós eszme nem csupán egy elmélet, hanem tény. Az egyes fajok, közte az ember, más fajokból származik, a genetikai anyag, s ezzel együtt a fenotípus folytonosan változik. 2. szint: az evolúció alapmechanizmusa: Darwini alapelvek vagy valami más? A manapság létező alternatív elképzelések inkább kiegészítik a darwini koncepciót, mint valódi alternatívaként szolgálnak. Ilyen elképzelések pl. a funkció szempontjából nem-véletlen mutációk; az epigenetikai hátterű sajátságok öröklődése több generáción át; ill. a szimbiózison alapuló együttélési formák. 3. szint: az evolúció modelljei: matematikai és gondolati modelleket foglalnak magukban. Versengő hipotézisek vannak, amelyek gyakran kizárják egymást, tehát, csak egyikük lehet igaz. Az evolúciót tagadók az ezen a szinten folyó vitát hozzák fel érvként, hogy lám, még a kutatók között sincs egyetértés az evolúciót illetően. Ez nyilván csúsztatás, mivel a viták nem érintik az első szintet. Az evolúció bizonyítékai 1. Ősmaradványok Az egyes fajok maradványai a megfelelő korú rétegekben fordulnak elő; egy kambriumi rétegben sosem találunk nyulat (radioaktív kormeghatározás). 2. Kontinensvándorlás (Wegener elmélete): A rokon fajok elterjedését megmagyarázza. 3. Embriológia Rokon fajok: hasonló embriogenezise; ősi jegyek megjelenése: pl. kopoltyúnyílás az emberi embriónál. 4. Molekuláris óra A DNS szekvenciák alapján a leszármazási viszonyok megállapítása. Ez nagyjából megegyezik a korábban morfológiai alapon megállapított leszármazással. Darwin elméletének három fontos állítása van: A közös leszármazás elve Egy faj mindig egy másik fajtól származik. Korábban a fajokat változatlanak gondolták. Amit Darwin nem tudhatott az az volt, hogy az egész élővilág egyetlen közös ősre vezethető vissza. Ez azt jelenti, hogy az élet vagy egyetlen egyszer alakult ki, vagy, ha többször, akkor csak az egyik próbálkozás bizonyult sikeresnek. Ez utóbbit bizonyítja többek között a genetikai kód univerzalitása. Egy bázishármas és az általa meghatározott aminosav között ugyanis nincs semmiféle kémiailag szükségszerű kapcsolat: egy adott kód bármilyen aminosavat meghatározhatna. Egyszer kialakult, aztán befagyott a kódrendszer. A genetikai kódtól való ritka eltérések csupán a szabályt erősítik. Az ember az állatvilágból származik Ez az állítás nagy vihart kavart Darwin idejében, az emberek többsége még ma sem hiszi el, hogy ez a helyzet. Pedig a csimpánz a legközelebbi rokonunk; sőt ez az állítás fordítva is igaz: mi vagyunk a csimpánz legközelebbi rokonai (persze, csak ha a bonobot is csimpánznak tekintjük). Az evolúció mechanizmusa: a természetes szelekció Míg az előző két állítást Darwin korának értelmisége elfogadta, a természetes szelekció elvét azonban nem. Nem tudták ugyanis elképzelni, hogy hogyan jöhetnek létre a szelekció forrásául szolgáló véletlenek (mutációk) útján bonyolult szervezetek. 1

2 Darwin elmélete - az evolúció mechanizmusa Darwin az elméletét 1859-ben a publikálta a Fajok eredete c. könyvében. Darwin állításai az evolúció mechanizmusát illetően az alábbiak: Egy faj egyedei változékonyak Darwin még csak azt látta, hogy az egyes egyedek fenotípusukban különböznek, ma már tudjuk, hogy a populáció egyedei nem csupán a látható jegyeikben, hanem molekuláris szinten is változékonyak. A variációk egy része átadódik az utódoknak (öröklődés) Ez egy hétköznapi tapasztalat, ami abból származik, hogy az utódok hasonlítanak a szüleikre. Több utód születik, mint ahány túlélhet (kompetíció = verseny). Darwin észrevette, hogy a populációknak olyan nagy a termékenységük, hogy a létszámuk exponenciálisan növekedne, ha nem ütközne korlátokba. A források (táplálék, élőhely, stb.) azonban korlátozottak, s emiatt az egyedek versengenek egymással. A túlélés és a szaporodás nem véletlenszerű (szelekció) Ebben a versenyben a kedvező sajátságokkal rendelkező egyedek nagyobb eséllyel élnek túl, ill. hoznak létre utódokat. Ha a kedvező tulajdonság genetikai eredetű, akkor a populáció genetikai állománya megváltozhat. Természetes szelekció meghatározása: a különböző allélvariánsokat hordozó egyedek eltérő mértékben élnek túl és hoznak létre utódokat. A természetes szelekció típusai: Túlélési szelekció lényege az, hogy el kell érni az ivarérettséget, ill. túl kell élni a szaporodási és a szaporodások közötti időszakokat. Túl kell élni a környezet viszontagságait, győzni kell a környezeti forrásokért (élelem, szaporodási és táplálkozási hely, stb.) folyó versenyben a fajtársakkal és más fajok egyedeivel szemben, ill., el kell kerülni, hogy mi magunk táplálék legyünk (préda ragadozó küzdelme). Reprodukciós szelekció A túlélés szaporodás nélkül evolúciós kudarc, fordítva ez nem feltétlenül igaz. Gondoljunk olyan fajokra, amelyek a szaporodást követően azonnal elpusztulnak. Az evolúció lényegéből fakad, hogy minél több utódot hoz létre egy egyed annál sikeresebb. Igen ám, de a lényeg az, hogy az utód elérje az ivarérett kort, és szaporodjon is, ha lehet minél több utódot létrehozva. Az utódok száma a táplálék és egyéb forrás függvénye; cél: sok és egészséges utód. Egy adott környezetben egy egyed eldönti, hogy mi az optimális utódszám. Táplálékhiány esetén pl. kevés utódot célszerű létrehozni. Ez a döntés az állatoknál nem tudatos, hanem fiziológiai, szemben az emberrel, ahol ez a döntés részben tudatos. Az ember által irányított kiválogatódást mesterséges szelekciónak nevezzük. Reprodukciós stratégiák: r stratégia: sok utód születik, alacsony vagy 0 a szülői befektetés mértéke, kevesen élik meg az ivarérett kort. K stratégia: kevés utód születik, nagy a szülői befektetés (sok táplálék a petében, a testében hordja, neveli, stb.; az ember is ezt a stratégiát folytatja), arányaiban sok utód éri el az ivarérett kort. A lényeg: minél több utód érje el az ivarérett kort, szaporodjanak, az utódok utódai is szaporodjanak, stb. A genetikai információ halhatatlansága. Megjegyzés: Az r és K a következő egyenletből származik:, ahol r a populáció maximális növekedési rátája, N a populáció aktuális létszáma; K a populáció létszáma maximális létszáma az adott eltartó képességek megfelelően. (az egyenletet nem kell megtanulni) Ki neveli az utódokat? Külső megtermékenyítésű fajoknál rendszerint nincs utódnevelés, vagy ha van, akkor főként a hím nevel. Belső megtermékenyítésű fajok esetében a nőstény nevel, néha közösen. Alapelv: ha nem szükséges, nincs nevelés, ha szükséges, akkor az a nem nevel, amelyik nem tud időben lelépni. 2

3 Darwin másik elmélete - Szexuális (ivari) szelekció Darwin az Ember Evolúciója c. könyvében bevezetett egy új fogalmat, a szexuális szelekció fogalmát. Azt vette észre, hogy a másik nem a szelekciós forrás szerepét tölti be. A szexuális szelekció alapvetően különbözik a természetes szelekciótól, ugyanis olyan jellegek kialakulásához is vezethet, melyek gyakran hátrányosak a túlélés szempontjából. A későbbiekben az evolúcióbiológusok a szexuális szelekciót elfelejtették, majd később a természetes szelekció egyik aleseteként kezelték, s csak mostanában ismerték fel, hogy két különböző mechanizmusról van szó. Az egyedek közötti legfontosabb konfliktusforrás az, hogy kinek a DNS-e adódik át a következő generációba? A probléma megoldásához a másik nem ízlésbeli preferenciákat alakít ki, s ez alapján dönt. E döntési mechanizmus hosszú-távú következménye az lesz, hogy az adott jelleg vagy viselkedés felerősödik, pl. a pulykakakas egyre csinosabb lesz, legalábbis a pulykatojó szemében, ill. a jellegre való preferencia (ízlés) is felerősödik a nőstényben. Tehát, a természetes szelekció a környezethez, a szexuális szelekció pedig a másik nem igényeihez idomítja az egyedeket. Szexuális szelekció egyenlőtlen befektetés A nőstény befektetése az utódokba rendszerint jóval nagyobb, mint a hímeké. Az emlősök többségénél a nőstények csak néhány utódot hozhatnak létre, a hímek potenciája viszont szinte korlátlan. Ezen helyzetből fakadóan a két nem eltérő stratégiát folytat: a nőstények választanak, a hímek pedig versengenek a nőstényekért. A poligám fajok esetében a hímek többsége nem jut partnerhez, míg egy sikeres hím több nőstény partnert is szerezhet. A nőstények mindegyike partnerhez juthat, azért ellentétben a hímekkel, nem kell versenyezniük. A nőstények bizonyossága, ill. a hímek bizonytalansága a szexuális partnerhez jutásban azt eredményezi, hogy a nőstények szürkék, a hímek pedig színesek (továbbá, erősek és agresszívek) lesznek. Szexuális szelekció vonzó hímek A nőstények, fajtól függően, más-más szempontok alapján választanak a hímek közül: ezek a dominancia, szépség, ügyesség, stb. A dominancia esetében érthető az adott jellegek kialakulásának értelme. A domináns hímeké a legjobb helyek a táplálkozásra és/vagy szaporodásra, talán ügyesebbek a túlélésben is, és nem utolsó sorban ők üldözik el az alárendelt hímeket. A nőstény elvileg választhatná a vesztes hímet is, de ez azzal a veszéllyel járna, hogy így a hím nemű utódjai is nagy valószínűséggel alárendeltek lesznek. Nyilvánvaló, hogy a páva színes tollai, nagy farka, vagy a szarvas hatalmas agancsai a túlélési szelekció szempontjából kedvezőtlenek. Miért alakultak ki ezek mégis? Kezdetben valamilyen okból ízlésbeli preferencia alakul ki valamilyen esztétikai jegyre, ami lehet, hogy eleinte adaptív, pl. az állat egészségi állapotát jelzi (a kakas taréjának piros színe azt jelzi, hogy parazitáktól mentes), vagy teljesen véletlenül alakul ki. A Jó Gének Elmélete szerint a nőstény a hím olyan jegyeit részesíti előnyben, amik azt jelzik, hogy jó génjei vannak. A Megszaladt Szelekció Elmélete szerint, ha kialakul a preferencia, akkor egy olyan önerősítő folyamat indul be, ahonnan már nincs kilépés. A szépnek látott jelleg erősödni fog. Azért van ez, mert az a nőstény, aki nem a színes hímet választja, szürke fiú utódokat hoz létre, akiket a többi nőstény nem fogja majd választani. Tehát, a megszaladt szelekció elmélete szerint a hímek megszaladt jellege és a nőstények erre való preferenciája egy önerősítő folyamatban evolválódnak, s olyan extrém formákat hoznak létre, mint a pávakakas, vagy az óriási szarvas agancs. A szelekció típusai összefoglalás 1. Természetes szelekció - túlélési szelekció: túlélni a környezet viszontagságait, verseny a környezeti forrásokért fajon belül, s fajok között; préda ragadozó küzdelme - reprodukciós szelekció: hány és milyen minőségű utód születik adott környezeti szituációban 2. Szexuális szelekció: verseny a szexuális partnerekért Miért jó a szex? Az eddig ismert közel 10 millió fajból csupán kb. ezer szaporodik kizárólag ivartalanul, a többiek vegyesen, vagy csak ivarosan. Az ivartalan szaporodáshoz csak egy szülő kell, az ivaroshoz kettő. Az ivartalan sokszorozódás gyorsabb és egyszerűbb. Miért van akkor egyáltalán szükség a szexre? A tankönyvi válasz az, hogy az ivaros szaporodás genetikai változatosságot hoz létre, ami segít egy fajnak alkalmazkodni a folytonosan változó környezethez. A legújabb elméletek szerint a legfontosabb környezeti tényezőt a testünkben élő kórokozók 3

4 jelentik. A vírusok, ill. a patogén baktériumok és gombák olyan gyors alkalmazkodóképességgel rendelkeznek, hogy a gazda élőlények csak a genetikai állományuk folyamatos keverésével képesek velük felvenni a harcot. Miért érezzük kellemesnek a szexet? Ugyanazért, amiért a cukrot finom édesnek: olyan tevékenységre sarkall, ami evolúciós szempontból előnyös következményekkel jár (utódnemzés). Modern szintézis A korábban független Mendeli genetika és az evolúció elmélet egyesítésének eredményeképpen jött létre a populáció genetika, az evolúció matematikai elmélete. Populáció genetikai szemszögből az evolúció nem más, mint a gén állomány változása az időben génállomány = gén készlet = gene pool: a populáció teljes genetikai állománya pl. egy gén összes allél változatát illetően, vagy az összes gén összes allél változatait tekintve). A legegyszerűbb modell egy gén két alléljének időbeli változását írja le. Ha az egyik allél fitnesze nagyobb a másikénál, akkor az egyenletek szerint ez az allél idővel teljesen kiszorítja a másikat. A populáció genetikai modellek szerint akkor maradhat fel két allél tartósan, ha pl. a heterozigóták nagyobb fitnesszel rendelkeznek, mint a két homozigóta variáns (pl. sarlósejtes vérszegénység esetén). Kulcsszó: a fitnesz A fitnesz (= alkalmasság) a populáció genetikai kulcsfogalma, amely átment a köztudatba is, nem teljesen az eredeti jelentéssel. A fitnesz (W) a túlélési esély és reprodukció együttesen. W= 1-s, ahol s a szelekciós koefficiens. A legmagasabb fitneszű genotípus s értéke 0, minden más genotípus egy 0 és 1 közé értéket kaphat. Sok evolúcióbiológus a populációgenetikát megengedhetetlen egyszerűsítéseket alkalmazó megközelítésnek tartja, amely az evolúció biológiában nem alkalmazható (az epidemiológiában, az állattenyésztésben és növénytermesztésben viszont igen!). Az Önző Gén Elmélet Richard Dawkins az Önző gén című népszerű könyvében vezette be a fogalmat. Az elképzelés szerint az evolúcióban a gének sikere a lényeg, a test csak eszköz a gének kezében. Más szavakkal, a szelekció egysége nem az egyed, hanem a gén. Pontosabban, nem csupán a gének, hanem bármilyen DNS szekvencia viselkedhet önzően. Az önző gén fogalmát szűkebb értelemben is használják: a magasabbrendű élőlények genomjában található nem-kódoló DNS szekvenciákat nevezik így. Ebben az értelmezésben a nem-kódoló DNS szakaszok csak a saját szaporodásukkal törődnek, de jelenlétük a gazdaszervezet számára semmilyen haszonnal nem jár. Tehát, az önző gén fogalom szűkebb értelemben a szervezet (sejt) számára szükségtelen DNS szakaszokat jelenti, tágabban, - az eredeti dawkinsi értelemben, - pedig minden génre és szekvenciára érvényes. A testben az önző gének szövetségre lépnek, s együtt irányítják a test működését és a szaporodást. Szociobiológia - Önzetlenség a rokonok felé Rokonszelekció: A rokonok azért védik egymást, akár az életük feláldozásával is, mert közös géneket tartalmaznak. Sarkítva a problémát, e nézet szerint egy egyednek akkor érdemes az élete árán megvédeni a testvéreit, ha azok több mint ketten vannak (rokonsági fok ½-ed), az unokatestvéreit pedig, ha azok 8-nál többen vannak (a rokonsági fok 1/8-ad). Ha nem is feltétlenül a fentiek elvek szerint, de nyilvánvalóan működik a rokonszelekció, gondoljunk pl. a saját utódok védelmezésére. Az elmélet szerint a szülői szeretet is ebből az evolúciós matematikából származtatható. Evolúciós pszichológia Új tudományág, az emberi viselkedést vizsgálja evolúciós szemszögből. Alapelvei: Az evolúció nem csak az ember testi, hanem a lelki sajátságait is formálta Az emberi viselkedés alapjai tulajdonságok univerzálisak minden társadalomban Az emberi viselkedés modulokként kódolt az agyban Ezek a modulok egymástól viszonylag függetlenül evolválódnak. Az ábra extrém módon mutatja be a helyzetet: külön agyterületként ábrázolja a pletykát, a nevetést, stb. Valójában, egy viselkedési modul bonyolultabb, s nem csupán egy agyterület által meghatározott. Valószínűleg, a kutya lenne a legalkalmasabb modell a viselkedési modulok tanulmányozására, mivel egy fajon belül rengeteg fajta van, amelyek közül egyes fajták egészen különleges képességekkel rendelkeznek: ha egy újfunlandi kutya úszó embert lát, akkor azonnal ki akarja menteni a vízből, egy puli nyájterelésre született, az agár vadászatra, a német juhász pedig egészen speciális feladatokra kiképezhető a vakvezetéstől a kábítószer felderítésig. A kutyafajtákhoz különféle személyiségjegyek köthetők: egy vizsla vagy egy bernáthegyi szemébe nyugodtan belenézhetünk, de egy rottweilernél érdemes ezt megfontolni. A puli mindig boldog, a pitbull soha, a német juhászkutya pedig a gazda hangulatától függően. Az evolúciós pszichológia jelenleg még erősen spekulatív tudomány, bár bizonyos kísérletek elvégezhetők. A fő probléma az, hogy az egyik tudományterülete, a pszichológia nem egzakt, nehezen értelmezhetőek és reprodukálhatóak az eredményei. Az evolúció pedig nagyobb időtávlatokban működik, ezért kísérleteket végezni nem egyszerű. Mégis, az evolúciós pszichológia azért érdekes, mert ha nem is pontosan azért alakultak ki az egyes viselkedési jegyeink, mint ahogyan egy jelen népszerű elmélet javasolja, maga a szemlélet, - hogy valami ilyesmiről lehet szó,- helyes.. 4

5 Fajképződés A paleontológiai (őslénytani) leletek jellegzetessége, hogy a fajok között általában nincsenek átmeneti formák. Steven J. Gould szerint ez azt jelenti, hogy a fajok, ellentétben Darwin álláspontjával, nem fokozatos, apró változások eredményeképpen (gradualista felfogás) keletkeznek, hanem nagy ugrások által (punktualista felfogás), s ebből következően, az átmenetek nem is léteznek. A szakemberek többsége szerint arról van inkább szó, hogy valójában az átmenetek fokozatosak, csak bizonyos periódusokban ezek üteme gyors. Néhány új eredmény (a kutyafajták nagy morfológiai különbségeiért egy-egy transzkripciós faktorban lévő apró mutáció felel) azonban arra utal, hogy elvileg genetikailag lehetségesek lennének a viszonylag nagy ugrások. Korábban, a genetikai ugrás által létrejött kedvező genotípusú egyedeket reményteljes szörnyeknek nevezték. Adaptáció, komplexitás Az evolúció folyamán elvileg egy faj adaptációjának (a környezethez való alkalmazkodásának) egyre tökéletesebbnek kellene lennie. Ez csak akkor igaz, ha a környezet állandó, ami azonban rendszerint nem áll fenn. Általában az a helyzet, hogy az élőlények folyamatos versenyt futnak a változó környezettel. Amikor evolúciós törzsfákat látunk, ezek csúcsán mindig a bonyolultabb felépítésű élőlények helyezkednek el, ami azt a képzetet kelti, hogy az evolúciós siker záloga a komplexitás növekedése, s ez egyfajta cél is az evolúcióban. Ez azonban nem így van, hiszen vannak példák a komplexitás csökkenésére is (barlangi állatok szeme, mikoplazmák erősen leegyszerűsödött baktériumok, a zsákállatok agyának felszívódása a kifejlett egyedeknél, stb.). A komplexitás és az evolúciós siker közötti nem-lineáris viszonyt jelzi az a tény, hogy a biomassza döntő hányadát ma is baktériumok alkotják; tehát, valójában egy baktérium világban élünk. Az evolúció a szaporodási előnyt díjazza, nem pedig a bonyolultságot. A komplexitás csak egy lehetőség a szelektív szaporodásra bizonyos leszármazási vonalak esetén, bizonyos ökológiai szituációkban. A Red Queen Hipotézis (sötét királynő a sakkban) szerint az adaptáció nem lesz egyre tökéletesebb, egyszerűen követi a változó környezetet. E hipotézis szerint az evolúció tulajdonképpen futás a helyben maradásért, mint Carrol Alice Tükör országban c. regényében a sötét királynő (és népe) folytonos futással tudott csak helyben maradni. Az evolúció értelme A testünket felépítő kémiai anyagok az életünk során kicserélődnek (a csontszövetben maradhatnak meg CaCO 3 molekulák a teljes élettartam alatt). A sejtjeink fokozatosan pusztulnak, kivéve a posztmitotikus (nem osztódó) ideg és izomszövetek, de az ezeket felépítő molekulák állandóan cserélődnek. A DNS molekulából is csak egyetlen diploid sejtnek megfelelőt öröklünk a szüleinktől. Ami folytonos marad az a DNS-ünk által hordozott információ. Az evolúció lényege ennek az utódokba történő átadása. A sok utód az evolúciós siker felé vezető út csupán egyik lehetősége, egy nagy valószínűséggel unokákat biztosító utód evolúciós szempontból értékesebb lehet, mint több kis eséllyel rendelkező utód. Egy érdekesség, hogy az emberi populációban nagyon alacsony a genetikai variabilitás (átlagosan 0,5 %). Nehéz megérteni, hogy miért olyan fontos számunkra, hogy az utódok tőlünk kapják a genetikai információkat, s ne mástól, hiszen egy genetikailag nagyon hasonló populációban a sokadik generációban gyakorlatilag már mindegy, hogy melyik személytől indulunk ki egy amikor egy ük-ükükunoka leszármazását vizsgáljuk. Másszavakkal, a genetikai rekombináció miatt egy távoli leszármazott közelebbi rokonságban lehet egy szomszéd falubelivel, mint a valós ősapával vagy ősanyával. Az evolúció kódja A szelekció rendszerint nem a viselkedés végeredményét, hanem az ehhez vezető utat jutalmazza. Korábban az élvezetek kielégítése nagy valószínűséggel a kívánatos eredménnyel járt. A szexuális vágy kielégítése utódok nemzését eredményezte, az éhség által motivált evés az életben maradást, a domináns pozíció elfoglalása pedig a sikeresebb párválasztást eredményezte. A modern korban fogamzásgátlókat használunk, mértéktelenül eszünk, s a sikerért gyakran feláldozzuk a családi életünket is. Ráadásul, az ember olyan természetes és szintetikus szereket is felfedezett, amelyek közvetlenül stimulálják a jutalmazó központunkat (PFC: prefrontal cortex; NA: nucleus accumbens; VTA: ventral tegmental area), ami normális esetben valami hasznos tevékenység elvégzését követően jutalmazott bennünket kellemes érzéssel. Orvostudomány és evolúció Az orvostudomány áldásos hatása az, hogy a modern ember elődeinél jóval tovább és egészségesen él. Megmentjük azokat az embertársainkat, akik korábban betegségekben vagy balesetekben életüket vesztették volna, vagy olyannyira betegek lettek volna, hogy nem lettek volna képesek utódokat nemzeni. Magyarán, kiiktattuk a természetes szelekciót. Jót tettünk az egyénnel, de ártottunk a populációnak, mivel a gyógyító tevékenység az ember genetikai állományának romlását okozza. Ezt a problémát az orvostudománynak kell megoldania. Az ehhez a tevékenységhez szükséges molekuláris genetikai technikák rohamléptékben fejlődnek. Ezek a technikák a génterápia és a preimplantációs diagnosztika. 5