Inligting

Is plaaslike ekwilibrium 'n redelike aanname vir evolusionêre prosesse?

Is plaaslike ekwilibrium 'n redelike aanname vir evolusionêre prosesse?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Wanneer ek na besprekings van fiksheidslandskappe kyk (veral Kauffman se NK-model), is die vrae geneig om soos volg te lyk:

Die populasie is by 'n plaaslike ewewig, maar 'n ander ewewig van hoër fiksheid bestaan, hoe sal die populasie die fiksheidsvallei tussen hierdie ewewigte kruis?

Hierdie soort stellings veronderstel dat die bevolking 'n plaaslike ewewig bereik het. Alhoewel, die plaaslike ewewigte moet bestaan, hoekom glo die mense wat in hierdie veld werk dat hulle gevind kan word voordat omgewings (of ander eksterne gebeurtenisse) die fiksheidsfunksie verander? Is die tydskale wat nodig is om te gaan van 'n ewekansige aanvanklike populasie na een wat by 'n plaaslike ewewig is, versoenbaar met die tipiese tydskale waarop 'n vaste fiksheidslandskap 'n gepaste benadering is?

As ons oorskakel na die polêre teenoorgestelde model van volledige frekwensie-afhanklike seleksie (sê replikatordinamika in evolusionêre spelteorie), dan is limietsiklusse (dink klip-papier skêrspel) en chaotiese aantrekkers algemeen en is dit moontlik vir die bevolkingsgenetika om voortdurend verander en nooit in ewewig wees nie.

In 'n eksperimentele omgewing lyk dit ook asof voordelige puntmutasies baie meer skaars as nadelig is, dit wel bestaan. Dit dui daarop dat organismes eksperimenteel nie in 'n plaaslike ewewig is nie. Is modelorganismes geneig om by plaaslike fiksheidsewewigte te wees?

Oor die algemeen, is die plaaslike ewewigsaanname in fiksheidslandskapnavorsing 'n redelike aanname?


Niks is in 'n genoomwye plaaslike ewewig nie. Graham Bell het redelik breedvoerig hieroor geskryf (IIRC).

Sommige lokusse

  • sal wees op wat waarskynlik globale optimums is (bv. Sitochroomoksidase)
  • sal op plaaslike maar nie globale optimums wees nie (bv. lae-fiksheid malaria weerstand teenoor hoë fiksheid malaria weerstand: vir die uiters cool storie, kyk na hierdie bladsy)
  • sal nie op enige optima wees nie omdat die omgewing te vinnig verskuif (bv. lokusse duidelik onder frekwensie-afhanklike seleksie, soos MHC).

So, oor die algemeen, hang dit af wat jy probeer modelleer. As jy 'n spesifieke soort evolusionêre verandering wil modelleer, modelleer dan daardie soort evolusionêre verandering. As jy 'n ander soort verandering wil modelleer, modelleer dan daardie soort evolusionêre verandering. Natuurlike bevolkings sal waarskynlik van die tyd enige model volg, maar sal waarskynlik nooit die hele tyd enige model volg nie.


Ek dink die jurie is uit oor hierdie een, daar is voorbeelde van bewyse beide vir en teen bereikbaarheid van plaaslike ewewig en selfs hierdie voorbeelde kan op baie maniere geïnterpreteer word. Ek bied drie bewyse en enkele interpretasies aan. Oor die algemeen is my gevoel nadat ek hieroor gelees het, dat die aanname van ewewig ingeburger is in wiskundige modelle vir gerief en historiese redes nie omdat daar vaste bewyse daarvoor is nie. (Ek brei meer hieroor uit in hierdie blogpos).

Bewyse teen: vestigiale kenmerke en makro-evolusionêre verandering

Vanuit 'n genoomwye perspektief blyk dit dat ewewig in stryd is met die intuïsie van natuurkundiges. Oorweeg byvoorbeeld vestigiale kenmerke van jou eie liggaam soos jou blindederm, hoendervleis, mangels, wysheidstande, derde ooglid, of die tweede gewrig in die middel van jou voet wat onbeweeglik gemaak is deur 'n stywer ligament (sien video hieronder). Sou dit nie meer doeltreffend wees (en dus effens hoër fiksheid produseer) as jy nie die energie spandeer om hierdie kenmerke te bou nie? Natuurlik is hierdie naturalistiese argument nie oortuigend nie, aangesien ons nie weet of daar enige klein mutasies is wat hierdie vestigiale kenmerke van ons ontwikkeling kan verwyder nie, ek kan net 'n ander plaaslike optimum beskryf wat aan die ander kant van 'n fiksheidsvallei lê. vanaf my huidige hoekpunt.

Die ander aanloklike naturalistiese voorbeeld van makro-evolusionêre veranderinge soos spesiasie is ook nie oortuigend vir statiese fiksheidslandskappe nie. Die gewone antwoord is dat op hierdie tydskale die omgewing nie konstant is nie en van die organismes afhanklik is deur meganismes soos niskonstruksie of frekwensie-afhanklikheid. Hierdie verdediging van plaaslike ekwilibria is eintlik 'n sentrale deel van die gepunktueerde ewewigsteorie van evolusie; die omgewing verander (óf deur 'n eksterne effek soos meteoor of interne effek soos migrasie of nis-konstruksie) en die wilde-tipe word nie plaaslik optimaal nie, maar aanpassing dra die spesie vinnig na 'n nuwe nabygeleë plaaslike optimum waar dit vir 'n lang tydperk bly van tyd tot die volgende omgewingsverandering. Naturalistiese waarnemings is onvoldoende om hierdie vraag op te los, daarom moet ons ons na eksperimente wend.

Bewyse vir: affiniteit rypwording

Die lengte van evolusionêre proses wat tot affiniteitsrypwording lei, is baie kort, tipies word 'n plaaslike ewewig gevind na slegs 6-8 nukleotiedveranderinge in CDR (Crews et al., 1981; Tonegawa, 1983; Clark et al., 1985), so jy het net 'n paar puntmutasies nodig om vinnig 'n drasties beter gestemde teenliggaam te ontwikkel -- 'n aanpassingsproses wat in die orde van dae plaasvind. Daar is twee voorbehoude om in gedagte te hou:

Eerstens is die aangepaste B-selle nie eksperimenteel geïsoleer nie en al hul puntmutasies is nie nagegaan om te verseker dat 'n fiksheidspiek bereik is nie. In beide teoretiese en eksperimentele behandelings van evolusie is dit bekend dat fiksheidstoenames geneig is om 'n patroon van meetkundig afnemende opbrengste te toon (Lenski & Travisano 1994; Orr, 1998; Cooper & Lenski, 2000) wat beteken dat die fiksheid na 'n paar generasies verander sal so klein wees dat die fiksasietyd in die groot populasie van B-selle langer sal wees as die teenwoordigheid van die patogeen wat die immuunrespons veroorsaak. Ons sal dalk nie meer stappe sien nie, want die volgende stappe kan 'n fiksheidsverhoging te klein hê om te fikseer voordat die omgewing (en dus fiksheidslandskap) weer verander.

Tweedens, soos gesien kan word uit die AID-proteïen (en ander meganismes) wat die mutasietempo met 'n faktor van $10^6$ langs die geen wat teenliggaampies proteïene kodeer, is dit 'n fiksheidslandskap wat gevorm is deur vorige evolusie van die menslike immuunstelsel om so vinnig as moontlik geskikte mutante te vind. Dit lei die verskynsel na landskappe waar plaaslike maksima makliker gevind kan word as gewoonlik, en maak dit dus nie 'n goeie kandidaat om evolusie onder meer tipiese toestande te oorweeg nie.

Bewyse teen: langtermyn evolusie-eksperiment

'n Meer tipiese omgewing kan die evolusie van E coli in 'n statiese fiksheidslandskap. Hier het bioloë langtermyn-eksperimente uitgevoer wat 'n bevolking vir meer as 50 000 generasies volg (Lenski & Travisano 1994; Cooper & Lenski, 2000; Blount et al. 2012) en vind steeds aanpassings en marginale toenames in fiksheid. Dit dui daarop dat 'n plaaslike optimum nie vinnig gevind word nie, al is die omgewing staties. Dit is egter moeilik om die aantal adaptiewe mutasies te skat wat in hierdie populasie vasgestel is, en Lenski (2003) het beraam dat so min as 100 adaptiewe puntmutasies in die eerste 20 000 generasies gefikseer het. Dit is ook moeilik om te argumenteer dat die bevolking nie klein fiksheidsvalleie tussen metings deurkruis nie, wat gebruik kan word om te suggereer dat die kolonie van een maklik-om-te-vind plaaslike ewewig na die volgende spring.

Verwysings

Blount, Z. D., J. E. Barrick, C. J. Davidson, en R. E. Lenski. (2012). Genomiese analise van 'n sleutelinnovasie in 'n eksperimentele Escherichia coli-populasie. Natuur 489: 513-518.

Clark, S.H., Huppi, K., Ruezinsky, D., Staudt, L., Gerhard, W., & Weigert, M. (1985). Inter- en intraklonale diversiteit in die teenliggaamreaksie op griephemagglutien. J. Exp. Med. 161: 687.

Cooper, V.S., & Lenski, R.E. (2000). Die bevolkingsgenetika van ekologiese spesialisasie in ontwikkeling Escherichia coli bevolkings. Natuur 407: 736-739.

Crews, S., Griffin, J., Huang, H., Calame, K., & Hood, L. (1981). 'n Enkele V-geensegment kodeer die immuunrespons teen fosforielcholien: somatiese mutasie is gekorreleer met die klas van die teenliggaam. Sel 25: 59.

Kauffman, S.A., & Weinberger E.D. (1989). Die NK-model van robuuste fiksheidslandskappe en die toepassing daarvan op die veroudering van die immuunrespons. Tydskrif vir Teoretiese Biologie, 141(2): 211-245.

Lenski, Richard E. (2003). "Fenotipiese en Genomiese Evolusie tydens 'n 20 000-generasie eksperiment met die Bacterium Escherichia coli". In Janick, Jules. Plantteling Resensies (New York: Wiley) 24(2): 225-65.

Orr, H.A. (1998). Die bevolkingsgenetika van aanpassing: die verspreiding van faktore wat vasgestel is tydens adaptiewe evolusie. Evolusie 52: 935-949.

Tonegawa, S. (1983). Somatiese generering van diversiteit teenliggaampies. Natuur 302: 575.


Huidige wiskundige modelle van aminosuurvolgorde-evolusie word dikwels toegepas in variante wat hul verwagte aminosuurfrekwensies pas by dié wat in 'n datastel onder ontleding waargeneem word. Dit is bereik deur die oombliklike tempo van vervanging van 'n oorskot in te stel i deur 'n ander oorblyfsel j eweredig aan die waargenome frekwensie van die resulterende oorskot j. Ons beskryf 'n meer algemene metode wat die ooreenstemming tussen verwagte en waargenome frekwensies handhaaf, maar toelaat dat vervangingstempo's eweredig is aan die frekwensies van beide die vervangde en resulterende residue, verhoog tot kragte anders as 1. Ontleding van 'n databasis van aminosuurbelynings toon dat die beskrywing van die evolusionêre proses in 'n meerderheid (ongeveer 70% van 182 belynings) word aansienlik verbeter deur die gebruik van die nuwe metode, en 'n verskeidenheid ontledings dui daarop dat parameterberaming met die nuwe metode goed gedra. Verbeterde evolusionêre modelle verhoog ons begrip van die proses van molekulêre evolusie en word dikwels verwag om te lei tot verbeterde filogenetiese afleidings, en dit lyk dus geregverdig om ons nuwe variante van bestaande standaardmodelle te oorweeg wanneer evolusionêre ontledings van aminosuurvolgorde uitgevoer word. Soortgelyke metodes kan met nukleotiedvervangingsmodelle gebruik word, maar ons het nie gevind dat dit ooreenstemmende beduidende verbeterings gee aan ons vermoë om die prosesse van nukleotiedvolgorde-evolusie te beskryf nie.

Navorsing na beter wiskundige modelle van molekulêre volgorde-evolusie bly om baie redes van belang. Wanneer 'n komplekse model 'n statisties beduidende verbetering gee in passing tot waargenome data in vergelyking met 'n eenvoudiger model, kan die biologiese faktore wat ooreenstem met die addisionele kompleksiteit beskou word as belangrik in die proses van evolusie vir daardie rye. Dit verhoog ons begrip van molekulêre evolusie, en die modelle kan gebruik word om hierdie biologiese faktore in groter detail as voorheen te ondersoek. 'n Voorbeeld is die verbeterde vermoë om molekulêre aanpassing op te spoor wat gekom het van nuwe modelle van selektiewe druk wat op DNA werk, hersien deur Yang en Bielawski (2000).

Ons kan ook verwag dat meer realistiese modelle meer betroubare afleiding sal gee van biologiese faktore wat hulle met eenvoudiger modelle deel, byvoorbeeld filogenetiese topologieë en taklengtes. Hierdie verbetering kan voortspruit uit hul verbeterde vermoë om rekening te hou met faktore wat eenvoudiger modelle verwaarloos en wie se invloed op waargenome data andersins verkeerd geïnterpreteer kan word. Hierdie verwagting is oor die algemeen bevestig deur beide teoretiese resultate van simulasiestudies (bv. Kuhner en Felsenstein 1994 Zhang 1999) en empiriese resultate (bv. Cunningham, Zhu en Hillis 1998 Takezaki en Gojobori 1999 Philippe en Germot 2000 Yoder en Yang 2000). alhoewel Posada en Crandall (2001) 'n interessante uitsondering beskryf.

Baie vordering is onlangs gemaak met die verbetering van modelle van sekwensie-evolusie (hersien, bv. deur Liò en Goldman 1998 Thorne 2000 Whelan, Liò en Goldman 2001). Hierdie werk maak staat op statistiese toetse wat mededingende modelle kan vergelyk en hul tekortkominge kan diagnoseer (Felsenstein 1981 Goldman 1993'n, 1993b Yang, Goldman, en Vrydag 1994 Whelan en Goldman 1999 Goldman en Whelan 2000 Ota et al. 2000). Aminosuurvervangingsmodelle is verbeter deur die gebruik van maksimum waarskynlikheid (ML) metodes om vervangingstempo parameters af te lei (Adachi en Hasegawa 1996 Yang, Nielsen en Hasegawa 1998 Adachi et al. 2000 Whelan en Goldman 2001). Beide aminosuurvervangings- en DNA-vervangingsmodelle is verbeter deur die inkorporering van tussen-terrein heterogeniteit van evolusionêre tempo (Yang 1994)'n, 1996). Kodonvlakmodelle kan nou toets vir effekte van seleksie op volgorde-evolusie en opsporing toelaat van individuele terreine waar seleksie optree (Nielsen en Yang 1998 Yang et al. 2000 Anisimova, Bielawski en Yang 2001).

Die verwagte frekwensies van nukleotiede, aminosure of kodons kan ooreenstem met dié wat in die data onder ontleding waargeneem word. Dit lei oor die algemeen tot aansienlik verbeterde modelle en het wydverspreid geword. Vir DNS-modelle het dit dikwels gelei tot die gebruik van die FEL (Felsenstein 1981) en HKY (Hasegawa, Kishino en Yano 1985) modelle bo die JC (Jukes en Cantor 1969) en K2P (Kimura 1980) modelle. Vir aminosuurmodelle is dieselfde bereik deur die "+F" metode van Cao et al. (1994). Vir kodonmodelle is analogiese metodes die eerste keer beskryf deur Muse en Gaut (1994) en Goldman en Yang (1994). Al hierdie modelle bereik gelykheid van die frekwensies wat deur die model verwag word en in die data waargeneem word deur die oombliklike tempo van evolusionêre veranderinge eweredig te stel aan die waargenome frekwensie van die nukleotied, aminosuur of kodon waarna verander word.

In hierdie artikel beskryf ons 'n veralgemening van hierdie benaderings wat toelaat dat evolusionêre tempo's afhanklik is van die frekwensie van die nukleotied, aminosuur of kodon wat vervang word, sowel as van die frekwensie van die een wat die vervanging vorm. Dit stel net een bykomende parameter (of mate van vryheid) aan die model bekend. Ons het die nuwe metode, aangedui "+gwF," toegepas op modelle van DNA-vervanging en aminosuurvervanging en demonstreer dat die nuwe metode 'n statisties beduidende verbetering gee aan die pas van modelle by data in 'n groot deel van die aminosuurdatastelle in 'n databasis van proteïenfamilie-belynings. Ons metode is ewe toepaslik op kodonmodelle, alhoewel ons nog nie die bruikbaarheid daarvan in hierdie konteks ondersoek het nie.


Moderne benaderings tot plaaslike aanpassing *

Die studie van plaaslike aanpassing was baie belangrik vir die ontwikkeling van evolusionêre biologie in die breë. Hierdie tradisie gaan voort deur nuwe ontwikkelings in diverse gebiede, ons het meer insig in die aard van die voortdurende evolusionêre proses in 'n heterogene ruimtelike konteks as ooit tevore. Hierdie spesiale uitgawe volg op die 2014 visepresidentsimposium van die Amerikaanse Vereniging van Natuurkundiges, wat uitstaande navorsers bymekaarbring wat teoretiese en empiriese werk, laboratoriumwerk en veldwerk doen, met nuwe data en nuwe nodes van analise. Deur studie van plaaslike aanpassing leer ons van 'n geweldige bron van biodiversiteit, beide geneties en fenotipies, binne en tussen spesies.

Die studie van plaaslike aanpassing is sentraal in beide moderne evolusionêre biologie en tot sy wortels. Wanneer aanpassing plaaslik is, kan die evolusionêre proses in aksie bestudeer word, wat ons in staat stel om belangrike genetiese variante in die populasie te sien en om die grondstof te hê om die adaptiewe verskille tussen genotipes te bestudeer.

Histories was die studie van plaaslike aanpassing deurslaggewend vir die ontwikkeling van die veld. Inderdaad, een van die eerste gebruike van die frase "plaaslike aanpassing" - hoewel met 'n effens ander bedoeling, miskien - was in Patrick Matthew se bespreking van bosbou vir vloothout, waarin hy die belangrikheid van die plant van bome beskryf het wat geskik is vir 'n gegewe area (Mattheus 1831 sien bl. 307). Matthew se boek is opvallend vir sy afwagting (in 'n bylaag) van die idee van natuurlike seleksie 28 jaar voor die publikasie van die Oorsprong van spesies (Darwin 1859). Alhoewel hierdie werk byna geen impak op die groei van evolusionêre denke gehad het nie, het die meeste van die klassieke veldstudies van evolusie in aksie—Darwin se vinke, Cepea nemoralis, Biston betularia, stokkies, Agrostis tenuis, Mimulus, ensovoorts—is studies van plaaslike aanpassing.

Plaaslike aanpassing is geneig om die handhawing van biologies relevante genetiese variasie te bevorder. Met "biologies relevant" bedoel ek dat die allele wat beskerm word deur die balanserende seleksie wat met heterogene seleksie gepaard gaan, deur natuurlike seleksie getoets word om in ten minste een of ander omgewing bevoordeel te word. As gevolg hiervan, verskaf hierdie allele 'n reservoir van genetiese variasie wat miskien meer geneig is om voordelig te wees in nuwe kontekste as wat variasie geskep word deur nuwe mutasie. Alhoewel ons steeds nie, selfs na byna 'n eeu se navorsing, die relatiewe belangrikheid van verskillende meganismes vir die handhawing van genetiese variasie weet nie, is dit redelik om te glo dat watter genetiese variasie ook al behoue ​​bly deur ruimtelike balansering seleksie waarskynlik meer bruikbaar sal wees in wat die bevolking toelaat om op toekomstige uitdagings te reageer as ander meganismes wat genetiese variasie handhaaf. In sommige gevalle strek die biologiese diversiteit wat heterogene seleksie skep verder as die spesievlak, want plaaslike aanpassing blyk 'n sleutelfaktor in die evolusie van nuwe spesies te wees.

In onlangse jare het 'n verskeidenheid benaderings en instrumente die studie van plaaslike aanpassing laat herleef, beide empiries en teoreties (Savolainen 2013). Nuwe DNA-tegnologie bied die belofte van beter inligting oor die genetiese basis van plaaslike aanpassing, nuwe statistiese tegnologie laat daardie inligting meer effektief ingesamel word, en nuwe teorie help om te verduidelik wat om te verwag en hoe om hierdie resultate te verstaan. Terselfdertyd is klassieke benaderings so belangrik soos altyd, en daar is 'n opwindende reeks nuwe inligting wat uit veldwaarnemings en eksperimente in natuurlike toestande na vore kom. Hierdie spesiale uitgawe bring 'n versameling bydraes saam van uitstaande navorsers wat 'n verskeidenheid benaderings gebruik om plaaslike aanpassing te bestudeer.

Wanneer ons praat van plaaslike aanpassing, bedoel ons soms 'n proses en soms 'n patroon. In die proses van plaaslike aanpassing ontwikkel bevolkings om beter te pas by plaaslike toestande as gevolg van plaaslike seleksie.In 'n sekere sin is alle seleksie plaaslik, en daarom identifiseer ons plaaslike aanpassing meer spesifiek as bloot aanpassing by plaaslike omstandighede studies van die proses van plaaslike aanpassing is geneig om te fokus op die proses waardeur 'n bevolking besonder goed aangepas word by sy plaaslike toestande. Die patroon wat ons as plaaslike aanpassing beskryf is, in die breë gesproke, dat individue gemiddeld hoër fiksheid het in die gebiede waarin hulle gevind word as op ander plekke, hoewel die spesifieke besonderhede van hoe dit gemeet moet word, onderhewig is aan 'n paar interessante meningsverskil (Kawecki en Ebert 2004 Blanquart et al. 2013).

Interessant genoeg, nie alle gevalle van bevolkings wat by plaaslike toestande aanpas, lei tot patrone waarin plaaslike bevolkings plaaslik hoër fiksheid het as elders nie, en nie alle patrone van hoë of lae plaaslike fiksheid voorspel of seleksie plaaslik bewerkstellig is nie. Die patroon wat ons kan sien stem nie noodwendig perfek ooreen met die prosesse waarin ons belangstel nie. Plaaslike bevolkings kan by plaaslike toestande aangepas word en tog laer fiksheid hê as buitelandse individue, byvoorbeeld as die plaaslike bevolking ook onderhewig was aan voldoende inteling depressie. Omgekeerd kan populasies op 'n baie plaaslike manier ontwikkel, as gevolg van beperkte geenvloei, sodanig dat verafgeleë populasies mekaar nie veel beïnvloed nie en byna onafhanklike evolusionêre bane het. As hierdie populasies egter soortgelyke selektiewe omgewings ervaar, kan genotipes wat in een lokaliteit geskik is, net so geskik wees elders, wat geen verskil in die fiksheid van individue uit een populasie veroorsaak nie, ongeag waar hulle getoets word. So 'n proses van "plaaslike" aanpassing - in die sin dat die aanpassingsproses in wese plaaslik plaasvind - kan genetiese verskille tussen bevolkings genereer, maar sal nie direk lei tot die patroon van plaaslike aanpassing wat ons oor die algemeen verwag nie. Peter Ralph en Graham Coop se artikel in hierdie uitgawe toon dat sulke parallelle evolusie blywende patrone van genetiese differensiasie kan veroorsaak selfs in die afwesigheid van ruimtelik heterogene seleksie (Ralph en Coop 2015). Hulle pas hul teorie toe op die fassinerende voorbeeld van malariaweerstand via evolusie van glukose-6-fosfaatdehidrogenase by mense.

Volgens teorie hang die vermoë van 'n bevolking om te ontwikkel na plaaslike toestande in die lig van geenvloei af van die genetiese basis van die betrokke eienskappe (Haldane 1930 Bulmer 1972 Yeaman en Otto 2011). Verder, soos hierbo genoem, is een van die belangriker gevolge van plaaslike aanpassing dat dit geassosieer kan word met die handhawing van ekologies bruikbare genetiese variansie in 'n spesie. Daarom is die genetiese basis van plaaslike aanpassing uiters interessant, nie net om hierdie spesifieke proses te verstaan ​​nie, maar ook om die genetiese basis van aanpassing meer algemeen te begryp.

Die veld het onlangs aansienlike vordering gemaak in ons kennis van die genetiese basis van plaaslike aanpassing, waarvan sommige in hierdie uitgawe aangebied word. Deur 'n teoretiese benadering te gebruik, toon Sam Yeaman aan dat plaaslike aanpassing baie makliker plaasvind met allele van groot effek, maar sulke aanpassing is moontlik vanuit 'n poligeniese reaksie (sien ook LeCorre en Kramer 2012). Wanneer die reaksie egter te wyte is aan allele van klein effek, word die genetiese divergensie tussen populasies veroorsaak deur subtiele verskuiwings in frekwensie van 'n groot aantal lokusse. Hierdie verskuiwings - en watter lokusse verantwoordelik is vir plaaslike aanpassing - is verbygaande, wat veroorsaak dat die gene verantwoordelik vir genetiese differensiasie met verloop van tyd verskil.

Hierdie resultaat belig interpretasies van die genoomskanderings wat in onlangse jare toenemend moontlik en gewild geword het. Met dalende koste en toenemende analitiese tegnologie wat vir DNA-data beskikbaar is, het dit moontlik geword om ten minste 'n paar insigte te verkry uit die volgorde van data van ruimtelik diverse monsters om van die lokusse te vind wat verantwoordelik is vir plaaslike aanpassing. Hierdie metodes neem gewoonlik twee vorme aan: hulle bereken óf 'n mate van genetiese differensiasie (soos FST) en soek lokusse wat uitskieters van 'n nulverspreiding is, of hulle soek buitengewoon groot assosiasies tussen plaaslike alleelfrekwensies en belangrike omgewingsveranderlikes. Hierdie metodes ly dikwels aan 'n aantal probleme, soms insluitend 'n onbehoorlike keuse van 'n nulmodel, onvolledige data oor die genoom, en beperkte krag wat veroorsaak word deur die kombinasie van beperkte steekproefgroottes en die noodsaaklikheid vir veelvuldige vergelykingskorreksies. Yeaman se artikel toon dat die fraksie van plaaslike aanpassing wat te wyte is aan allele van klein effek moeilik moet wees om op te spoor, nie net as gevolg van die klein effekgroottes per se nie (wat kwantitatiewe eienskap lokus [QTL] benaderings sou beïnvloed, maar nie genoomskanderings direk beïnvloed nie. ), maar ook omdat frekwensieverskille gering moet wees vir sulke lokusse (Yeaman 2015). Onlangse werk deur Berg en Coop (2014) wys op 'n moontlike manier om die kumulatiewe effekte van sulke lokusse te vind, maar die soort data wat nodig is om hierdie metode te gebruik (vorige identifikasie van die lokusse wat die eienskap beïnvloed deur genoomwye assosiasiestudies) is oor die algemeen nie tans beskikbaar vir nie-model stelsels.

Die beperkte krag om loci op te spoor wat werklik verantwoordelik is vir plaaslike aanpassing is egter net die helfte van die probleem. Omgekeerd het baie genoomskanderingmetodes wat algemeen gebruik word ook hoë vals-positiewe koerse (Lotterhos en Whitlock 2014). In hierdie uitgawe bied ek en Katie Lotterhos 'n nuwe metode aan, genaamd OutFLANK, wat die vals-positiewe probleem ten minste gedeeltelik oplos vir FST-gebaseerde genoomskanderings sonder groot verlies aan krag (Whitlock en Lotterhos 2015).

Die fokus op die verspreiding van alleliese effekgroottes vir plaaslike aanpassing het ook belangrike gevolge vir die aard van plaaslike aanpassing self. Wanneer daar aansienlike variasie in die effekgroottes van allele is, kan die verspreiding van teelwaardes in populasies wat plaaslike aanpassing en herhalende migrasie ervaar skeef raak, soms treffend, soos Florence Débarre, Sam Yeaman en Fred Guillaume in hierdie uitgawe wys (Débarre et al. . 2015). Dit word veroorsaak deur die interaksie van plaaslike seleksie en migrasie, waardeur die afstammelinge van onlangse migrante ver van die plaaslike gemiddelde kan wees. Wanneer hierdie effek van migrasie rigtinggewend is, soos verwag sou word in 'n uiterste omgewing of in twee-omgewings scenario's, veroorsaak die genetiese waardes van immigrante en hul nageslag die verspreiding van teelwaardes na die gemiddelde van die ander bevolking(s). Die gevolglike gebrek aan normaliteit veroorsaak dat aannames van sommige kwantitatiewe genetiese voorspellings onakkuraat is.

Afgesien van die verspreiding van die grootte van die effekte, is ander aspekte van die genetiese argitektuur van plaaslike aanpassing belangrik. Die pleiotropiese effekte van allele wat verantwoordelik is vir plaaslike aanpassing bepaal nie net hoe maklik dit vir plaaslike seleksie kan wees om effektief te wees nie, maar ook die gevolge van daardie allele wanneer dit na ander omgewings verskuif word. Teorie oor plaaslike aanpassing het dikwels afwykings ontlok (waarvolgens allele wat goed vaar in een omgewing, swak vaar in ander omgewings, relatief tot ander beskikbare allele by daardie lokus). Onlangse QTL-studies het getoon dat dit dikwels nie noodwendig die geval is nie, baie allele toon patrone van voorwaardelike neutraliteit (waar een alleel in een omgewing bevoordeel word bo die ander, maar daar is geen onderskeibare verskille in fiksheid in ander omgewings nie. Ågren en Schemske 2012 Anderson et al. 2012 Lowry 2012).

Dit is egter moeilik met QTL-data, as gevolg van die probleme om klein effekgroottes te skat, om te sê dat daar werklik nie 'n afweging is nie. Om hierdie rede (onder andere) is dit nuttig om plaaslike aanpassing in 'n meer gekontroleerde omgewing te bestudeer, soos die hoogs herhaalbare toestande wat toegelaat word deur laboratoriumstudies van eksperimentele evolusie met mikrobes. Die artikel in hierdie uitgawe deur Alana Schick, Susan Bailey en Rees Kassen is 'n goeie voorbeeld van sulke werk, wat toon dat die plaaslike aanpassing by 'n nuwe omgewing eerstens kom van allele wat waarskynlik voorwaardelik neutraal sal wees (of moontlik selfs voordelig in die voorvaderlike omgewing Schick et al. 2015). Daaropvolgende plaaslik aangepaste allele is egter meer geneig om afwykings in die voorvaderlike omgewing te veroorsaak. Eksperimentele evolusiestudies oor mikrobes het die belofte om ons in staat te stel om die genetiese basis van plaaslike aanpassing toe te lig op maniere wat dalk nooit moontlik sal wees in meer komplekse en minder beheerde omgewings in organismes met groter genome nie.

Uiteindelik gee ons egter die meeste om oor plaaslike aanpassing in die natuur. Daar is 'n lang geskiedenis van die bestudering van plaaslike aanpassing in natuurlike bevolkings, veral in plante. Daar is drie verwante ontwerpe wat algemeen gebruik is om die genetiese differensiasie van fenotipe en fiksheid onder bevolkings eksperimenteel te bestudeer: gemeenskaplike tuine, wederkerige oorplantings en herkoms proewe. In 'n gemeenskaplike tuinstudie word genotipes van twee of meer lokaliteite onder algemene toestande gekweek om (onder andere) die genetiese basis van verskille tussen daardie lokaliteite te kan bepaal. So 'n eksperiment verskaf baie inligting oor die genetiese basis van fenotipes (Spitze 1993 Whitlock 2008) maar minder inligting oor die mate van plaaslike aanpassing in situ. In 'n wederkerige oorplantingstudie (hersien in Hereford 2009), word individue van ten minste twee lokaliteite gekweek, beide waar hulle versamel is en in die versamelplek(ke) van die ander genotipes, sodat ons "tuis" en "weg" fiksheid het maatreëls vir beide bevolkings. So 'n eksperiment stel ons in staat om die omvang van plaaslike aanpassing te meet (Kawecki en Ebert 2004 Blanquart et al. 2013). Laastens, in 'n eksperimentele ontwerp wat algemeen was in die studie van woudbome, word individue van veelvuldige versamelingsterreine ("herkomste") in veelvuldige toetsterreine gekweek wat oor 'n interessante reeks omgewingsaspekte strek. Hierdie herkoms proewe is nie dikwels op nieboomspesies toegepas nie.

In hierdie uitgawe pas Jill Anderson, Nadeesha Perera, Bashira Chowdhury en Thomas Mitchell-Olds die herkomsproefbenadering toe op een van die bes bestudeerde voorbeelde van plaaslike aanpassing, die forb. Boechera stricta oor hoogtegradiënte in die Rotsgebergte (Anderson et al. 2015). Hulle wys mooi die kompleksiteite van plaaslike aanpassing, insluitend hoe dit kan verskil met betrekking tot watter biotiese of abiotiese omgewingsveranderlike wat oorweeg word, hoe dit sterk in sommige plekke en elders swak kan wees, en hoe selfs plaaslike wanaanpassing in sommige omstandighede moontlik kan wees . Die studie dien as 'n goeie herinnering aan die ongelooflike kompleksiteit van natuurlike stelsels in vergelyking met teoretiese of selfs laboratoriumstudies.

Om plaaslike aanpassing te verstaan ​​vereis 'n verskeidenheid benaderings, insluitend teoretiese, statistiese en empiriese benaderings, in die laboratorium en in die veld. Die studie van plaaslike aanpassing is op 'n opwindende tyd, met nuwe idees en nuwe tegnologie beskikbaar. Ek dink jy sal die diversiteit en kwaliteit van die benaderings in die artikels in hierdie uitgawe geniet.


Resultate en bespreking

Die linkerpaneel van figuur 1 toon die logfrekwensieverspreiding van die lengtes van perifere 5'-randsegmente van AC-mikrosatelliete in die menslike genoom. Frekwensie neem af met lengte tot 10 herhalings en is dan ongeveer uniform met ongeveer 10 3 mikrosatelliete per genoom vir elke lengte tussen 10 en 20 herhalings, met 'n afname daarna. Die resultaat van die passing van 'n 17-parameter glip/punt-mutasie model by hierdie data met behulp van die analitiese metode word in die regter paneel van figuur 1 getoon. Elke parameter spesifiseer 'n lengte-spesifieke gliptempo, si, in veelvoude van die puntmutasietempo. Een parameter is aan elke mikrosatellietlengte tussen vyf en 20 herhalings ingesluit, toegeken, en daarna is lineêre afname aanvaar totdat 'n finale plato bereik word met 'n lengte van 25 herhalings (sien fig. 1, regs). Sestien parameters was nodig om die gliptempo by lengtes tussen vyf en 20 herhalings te spesifiseer, en die finale parameter het die gliptempo by en bo 'n lengte van 25 herhalings gespesifiseer. Parametertoewysing is tot 17 parameters ingekort as gevolg van die dalende beskikbaarheid van data bo 20 herhalings.

Die beraamde glykoerse wat in figuur 1 (regs) getoon word, is relatief laag vir die eerste vier herhalings, en styg dan aanvanklik rofweg lineêr met lengte, soos voorheen gevind (Rose en Falush 1998 Sibly, Whittaker en Talbot 2001). Maar in teenstelling met die teoretiese verwagting dat gliptempo lineêr met lengte toeneem (Kruglyak et al. 1998), dui die meer komplekse model wat hier gebruik word daarop dat gliptempo 'n hoogtepunt bereik met 'n lengte van 10 herhalings en dan rofweg lineêr afneem tot 20 herhalings. Die afname in gliptempo's na 10 herhalings is nodig, in die glip/punt-mutasie model, om die frekwensie-lengte verspreiding van figuur 1 (links) naby horisontaal tussen 10 en 20 herhalings te handhaaf.

Die frekwensie-lengteverdelings van die eerste vyf segmente van onderbroke AC-mikrosatelliete in die menslike genoom, gelees in die 5′ tot 3′ rigting, word in figuur 2 getoon. Die verspreidings toon 'n paar ooreenkomste, maar die latere segmente is korter. Die ewewigsverdelings van segmente anders as die eerste kan nie analities bereken word nie, en ons het simulasie gebruik om die implikasies vir latere segmente van die glipmodel wat in figuur 1 (regs) getoon word, te ontdek. Die frekwensieverdelings wat so verkry is, benader ewewigsverdelings, en word in die onderste ry van figuur 2 getoon. Die frekwensieverdelings van die verskillende segmente van die gesimuleerde verdelings stem baie ooreen met mekaar, en daar is niks van die verkorting van latere segmente wat gesien word in die genoom. Verder is daar minder latere segmente in die genoom as in die simulasie.

Die frekwensies van onderbroke mikrosatelliete wat uit 1, 2, 3 of meer segmente bestaan, word in figuur 3 getoon. Frekwensies neem meetkundig af met mikrosatellietgrootte gemeet in aantal segmente, sodat vir elke bykomende segment, die aantal mikrosatelliete 33,6% minder is. Die pas by 'n streng geometriese afname is uiters goed. Die gesimuleerde mikrosatelliete toon nie hierdie streng geometriese afname nie, en die tempo van afname is stadiger (fig. 3).

Tot dusver is segmente eenvoudig volgens hul posisie vanaf die 5′-kant getel. AC-mikrosatelliete word egter nie net geproduseer deur polimerase wat die volgorde wat in die databasis aangeteken is, te repliseer nie, maar ook deur polimerase wat in die ander rigting op die komplementêre string beweeg. Dit stel voor dat alle perifere segmente as ekwivalent behandel word, ongeag of hulle aan die 5'- of 3'-kant voorkom, en dat die binnesegmente volgens hul afstand in segmente vanaf die periferie geklassifiseer word. Wanneer dit gedoen word (fig. 4 en 5) blyk dit, interessant genoeg, dat perifere segmente konsekwent die langste is en dat segmentlengtes na die middel van die skikking afneem.

Algemene gesprek

Ons resultate toon dat die gedetailleerde struktuur van hierdie AC-onderbroke mikrosatelliete onversoenbaar is met die bestaande glip-/puntmutasie-teorie van mikrosatelliet-evolusie. Die geskatte glytempo's is relatief laag vir die eerste vier herhalings, en styg dan aanvanklik rofweg lineêr met lengte (fig. 1, regs), in ooreenstemming met vorige werk. In teenstelling met verwagting en die eksperimentele bewyse, neem die afgeleide gliptempo egter af in segmentlengtes bo 10 herhalings (Kruglyak et al. 1998 Brinkmann et al. 1998 Brohede et al. 2002 Huang et al. 2002). 'n Verdere probleem is dat die glykoerse te laag blyk te wees. Die glytempo's wat in figuur 1 (regs) getoon word, word gegee in veelvoude van die puntmutasietempo, en die puntmutasietempo by mense is ongeveer 10 -9 per nukleotied per generasie (Crow 1993). Daar kan dus afgelei word dat die gliptempo's wat in figuur 1 (regs) getoon word met ten minste twee ordes van grootte te laag voorkom, aangesien glip by piektempo's (fig. 1, regs) ongeveer 2 × 10 −6 per sal wees. meiose per generasie, terwyl stamboomskattings waardes rondom 5 × 10 −4 per meiose per generasie voorstel (Ellegren 2000). Hierdie teenstrydigheid sal egter verdwyn as puntmutasietempo's hoër is binne mikrosatelliete as in ander DNA-volgordes. Interessant genoeg is daar onlangs voorgestel dat duplisering van onderbrekings deur glip kan plaasvind (Harr, Zangerl en Schlotterer 2000 Rolfsmeier en Lahue 2000). Sulke duplisering van onderbrekings sal 'n soortgelyke effek gee aan verhoogde puntmutasietempo in mikrosatelliete wat ten minste een onderbreking bevat het, en kan dus verduidelik waarom die verhouding van glip tot puntmutasietempo so laag voorkom in figuur 1 (regs).

Die glip-/puntmutasie-teorie slaag ook nie daarin om die frekwensieverdelings van die lengtes van die verskillende segmente voldoende te verduidelik nie (fig. 2 en 5). Die teorie voorspel dat die verskillende segmente soortgelyke verspreidings sal hê, maar in die genoom is die latere segmente korter, tel in die 5′ tot 3′ rigting (fig. 2), en as inwaarts vanaf die periferie getel word, is binnesegmente korter as dié op die periferie (fig. 4 en 5). Die feit dat segmentlengtes na die middelpunt van onderbroke mikrosatelliete afneem (fig. 4) dui daarop dat mikrosatelliete geheel of gedeeltelik gestabiliseer word deur prosesse wat differensieel op binne- en perifere segmente inwerk. Dit dui daarop dat stabiliseringsprosesse sterker in die binneland optree as op die perifere segmente van mikrosatelliete. Daar is verskeie aanneemlike meganismes waardeur hierdie kenmerk bereik kan word. Onderbrekings kan die mikrosatelliet stabiliseer (Petes, Greenwell en Dominska 1997) en moontlik uitbreidings blokkeer (Rolfsmeier, Dixon en Lahue 2000 Rolfsmeier en Lahue 2000) of lei tot segmentverkorting (Taylor, Durkin en Breden 1999).

Stabilisering van die binnesegmente van mikrosatelliete sal ook die andersins verwarrende geometriese afname in die frekwensie van mikrosatelliete verklaar met die aantal onderbrekings wat in figuur 3 getoon word. Die geometriese afname dui daarop dat daar 'n konstante kans is op voorkoms van nog een duplisering, en vanaf figuur 3 hierdie kans is 0,337. Dus, die kans om een ​​duplisering te verkry is 0,337, om twee duplisering te verkry is 0,337 2, om drie duplisering te verkry is 0,337 3, ensovoorts. Met die eerste oogopslag lyk dit vreemd dat die kans om nog een duplisering te verkry nie toeneem met die aantal onderbrekings wat reeds in die mikrosatelliet is nie.As die mikrosatelliet byvoorbeeld vyf onderbrekings bevat, sou mens gedink het dit is vyf keer meer geneig tot glymutasie as 'n mikrosatelliet met een onderbreking. Dit kan egter verduidelik word as interne onderbrekings gestabiliseer word soos hierbo bespreek, sodat slegs perifere onderbrekings geneig is tot duplisering.

Ons kom tot die gevolgtrekking dat die gedetailleerde struktuur van onderbroke mikrosatelliete onversoenbaar is met die glip-/puntmutasie-teorie in die eenvoudige vorm waarin dit hier getoets is. Die afgeleide patroon van mutasietempo's (fig. 1, regs) is teenstrydig met verwagting, die verhouding van glip- tot puntmutasietempo's is twee ordes van grootte minder as wat dit behoort te wees, daar is onverklaarbare variasie tussen die frekwensieverdelings en -groottes van die verskillende segmente (fig. 2, 4 en 5), en die frekwensieverspreiding van onderbrekings val vinniger af as wat voorspel is (fig. 3). Rekonsiliasie van sommige van hierdie resultate met die teorie kan moontlik wees deur 'n beroep te doen op glip om onderbrekings binne mikrosatelliete te dupliseer/verwyder soos hierbo beskryf, maar dit is onseker of dit die gewenste kwantitatiewe effekte sal hê.

Afleiding van voorspellings het ook gesteun op die aanname dat die puntmutasietempo onveranderlik regdeur die genoom is. Daar is egter bewyse van die teendeel (Wolfe, Sharp en Li 1989 Santibanez-Koref, Gangeswaran en Hancock 2002). Onlangs is daar inderdaad daarop gewys dat die glip-/puntmutasie-teorie 'n negatiewe korrelasie tussen mikrosatellietlengte en die plaaslike puntmutasietempo voorspel, en 'n negatiewe korrelasie is gerapporteer tussen mikrosatellietlengtes en die substitusietempo in hul flankerende rye, ortoloë lokusse in muis en rot vergelyk (Wolfe, Sharp en Li 1989 Santibanez-Koref, Gangeswaran en Hancock 2002). Op hierdie basis is voorgestel dat lengteverskille tot 'n mate deur verskille in die plaaslike puntmutasietempo veroorsaak word. Dit is dus die moeite werd om te oorweeg hoe die analise wat figuur 1 (regs) opgelewer het, deur plaaslike variasie in puntmutasietempo beïnvloed sal word. Die maklikste manier om hieroor te dink, is om te veronderstel dat lokusse volgens hul plaaslike puntmutasietempo's geklassifiseer word, en die frekwensie van elke sodanige klas is bekend. Elke klas stem dan ooreen met 'n bepaalde waarde van a in vergelykings (2) en (3). Die ewewigsverspreiding vir elke waarde van a kan soos voorheen bereken word, en die frekwensies van elke mikrosatellietlengte kan dan verkry word deur die klasfrekwensies op te som. Realisering van hierdie analise in die praktyk sal moet wag vir inligting oor die verspreiding van plaaslike puntmutasietempo's.

Gegewe dat die resultate wat hier aangebied word nie versoenbaar is met die bestaande glip-/puntmutasie-teorie, kan dit verklaar word deur die alternatiewe teorie wat in die Inleiding? Volgens hierdie teorie ervaar langer mikrosatelliete meer kontraksies as uitbreidings, sodat daar 'n lengte-afhanklike mutasie-vooroordeel is (Xu et al. 2000). Hierdie "mutasie-vooroordeel"-teorie kan beslis frekwensieverdelings produseer soos wat in figuur 1 getoon worda, maar toe ons probeer het om die effekte daarvan in te sluit, kon die parameterskattings nie konvergeer nie. Ons was dus nie tot dusver in staat om die glip-/puntmutasie- en mutasie-vooroordeel-teorieë in 'n enkele teorie met skatbare parameters te kombineer nie. Let ook daarop dat so 'n teorie steeds probleme sal hê om die waargenome verskille tussen perifere en binnesegmente te verantwoord (fig. 4 en 5), dus sal verdere faktore steeds nodig wees om die stabilisering van binnesegmente te verduidelik

Ten slotte het ons getoon dat die resultate wat hier aangebied word, onversoenbaar is met die bestaande glip-/puntmutasie-teorie, en daarbenewens is belangrike inligting verkry oor die gedetailleerde struktuur van onderbreekte mikrosatelliete. Ons weet nou dat segmentlengtes na die middelpunt van onderbroke mikrosatelliete afneem (fig. 4), en dat mikrosatellietfrekwensie meetkundig afneem met mikrosatellietgrootte gemeet in aantal segmente (fig. 3). 'n Interessante implikasie van hierdie bevindinge is dat perifere segmente in wese optree as twee geïsoleerde en perfekte mikrosatelliete, terwyl naburige segmente die groei van interne segmente sterk beïnvloed. Die meganistiese verduidelikings van hierdie resultate behels waarskynlik stabiliserende effekte van onderbrekings, miskien blokkering van uitbreidings of die moontlikmaking van segmentverkorting, tesame met die verwydering van onderbrekings deur glip.

Huidige adres: Departement van Epidemiologie en Openbare Gesondheid, Imperial College, Londen, Verenigde Koninkryk.


OPSPORING VAN KEURING FORMELE

Pogings om seleksie in natuurlike sisteme te meet deur middel van natuurlike historiese waarnemings van verskillende tipes is naby Darwin se konkrete siening van natuurlike seleksie as die gevolg van die differensiële passing van organismes by hul omgewings wat tot differensiële voortplantingsukses lei. Maar 'n mens kan die fisiologiese, gedrags-, ekologiese en morfologiese onderbou van seleksie uitskakel, d.w.s. die biologie van natuurlike seleksie, en vra bloot of daar bewyse is dat veranderinge in die karakters van spesies bevooroordeeld moes gewees het vir of teen sommige tipes in teenstelling met ander, sodat waargenome verskille nie deur suiwer toevallige gebeure verantwoord kan word nie. Daar is geen manier om hierdie vraag te beantwoord vir fisiologiese, morfologiese of gedragseienskappe nie. Ons ken nie die omgewings van vorige organismes in enige detail nie en veranderinge in organismes veroorsaak veranderinge in hul verhoudings met ander spesies en die fisiese wêreld. Dus, alle aansprake dat sulke veranderinge 'n gevolg van natuurlike seleksie was, kan slegs verhale wees met geen manier van verifikasie of vervalsing nie. Aan die ander kant vorm aminosuur- en nukleotiedsubstitusies in evolusie 'n baie groot en relatief homogene klas veranderinge van bekende genetiese status, sodat die vraag gevra kan word sonder om na natuurlike historiese verduidelikings te verwys. Hierdie vraag was 'n groot bekommernis van evolusionêre studies sedert King & Jukes (13) die eerste keer aandag gevestig het op die feit dat aminosuurvervangings in proteïene blykbaar teen 'n konstante tempo oor lang tydperke van evolusionêre tyd voorkom. Die stryd oor 'n "neutralistiese" versus "selektionistiese" siening van proteïen-evolusie in die breë sin is nie meer 'n aktiewe kwessie in evolusionêre studies nie. As ons in die neutrale teorie insluit dat seleksiekoëffisiënte op aminosuursubstitusies nie-nul kan wees, maar van dieselfde orde of minder as die wederkerige van effektiewe bevolkingsgroottes, dan is die breë prentjie van aminosuursubstitusies oor honderde miljoene jare een van “kwasi-neutraliteit”.

Die huidige rigting van evolusionêre navorsing oor hierdie vraag fokus op baie korter tydintervalle, op die oorgange tussen naverwante spesies, en die variasie binne spesies. Die vrae is: Hoeveel beperk seleksie die aminosuur- en nukleotiedvariasie binne spesies en hoe belangrik was seleksie om aminosuursubstitusies in spesie-divergensie aan te dryf? Omdat dit onmoontlik is om die dinamika van seleksie op die aminosuur- en nukleotiedvlak binne of tussen spesies waar te neem, moet die tegnieke van ontleding van statiese data wat vroeër bespreek is, gebruik word. Pogings om sulke statiese data-analise uit te voer wanneer slegs aminosuurvervangingsdata beskikbaar was, het misluk omdat statistiese toetse dubbelsinnig was in hul interpretasie (16). Sedert die beskikbaarheid van volledige DNA-volgordes van gene, was dit egter moontlik om die kontras tussen nukleotiedvervangings in verskillende funksionele dele van die volgorde te gebruik om vrae te vra oor selektiewe beperkings en selektief gedrewe substitusies. Die data oor selektiewe beperkings op aminosuurvariasie binne spesies is oorvloedig en ondubbelsinnig, en nie meer 'n aktiewe onderwerp van navorsing nie. As ons aanneem, as 'n eerste benadering, dat sinonieme substitusies in kodons selektief onbeperk is, dan sal die nukleotiedpolimorfisme binne 'n spesie dieselfde wees vir sinonieme en vervangingssubstitusies slegs indien vervangingssubstitusies ook selektief neutraal is. Maar 'n groot opeenhoping van volgordedata het getoon dat daar altyd 'n groot tekort aan aminosuurvervangingspolimorfismes is in vergelyking met sinonieme variasies. In Drosophila pseudoobscura dit kan wissel van 'n volledige afwesigheid van aminosuur polimorfismes in 'n geen met 'n 5% sinonieme polimorfisme tempo [alkohol dehidrogenase (23)] tot die behoud van ongeveer 15% van die aminosuur variasie wat verwag word van die sinonieme tempo [xanthine dehidrogenase (21)]. Die meeste mutasies wat tot aminosuurveranderinge lei, is nadelig. 'n Onopgeloste legkaart is hoe seleksie so diskriminerend kan wees dat elke aminosuurvervanging in die alkoholdehidrogenase-proteïen wat meer as 20% leusien, isoleusien en valien is, uitskakel. Kan dit regtig wees dat elke leusien-valien-vervanging beduidend saak maak vir die fisiologie van hierdie organisme in die natuur terwyl dit in werklikheid onder algemene laboratoriumtoestande van kultuur kan oorleef met die geen vir hierdie alkoholdehidrogenase heeltemal geïnaktiveer?

Deur die kontras tussen staande variasie in sinonieme nukleotiedposisies en vervangingsposisies te gebruik, is dit ook moontlik om te vra of daar bewyse is dat aminosuursubstitusies tussen spesies deur seleksie gedryf is. Dit maak gebruik van die statistiese toetse gebaseer op die wiskundige apparaat wat in die inleidende afdeling beskryf word, wat data oor sinonieme en vervangingsvervangings binne en tussen spesies behels. Dit is toegepas op 'n aantal gevalle waar populasiemonsters van rye beskikbaar is en die resultate gewissel het. Vir gene in Drosophila 'n aantal gevalle van selektief gedrewe aminosuurvervangings tussen spesies is afgelei, maar verskillende statistiese toetse is in verskillende gevalle gebruik, en daar kan 'n mate van rapporteringsvooroordeel wees aangesien die versuim om bewyse vir seleksie te vind minder interessant is. Alhoewel elke geen 'n afsonderlike gevallestudie is, kan groot getalle verskillende geenvolgordes met moderne geoutomatiseerde tegnieke bepaal word, anders as vir natuurlike historiese ondersoek, sodat 'n geheelbeeld van hoeveel seleksie betrokke is by proteïenvolgorde-evolusie nou moontlik word. As gevolg van die groot hoeveelheid data wat oor volgordeverskille ophoop, sal dit moontlik wees om veralgemenings te maak oor gene en spesies soortgelyk aan dié wat in die verlede gemaak is oor die omvang van genetiese diversiteit gebaseer op gel-elektroforese en DNA-volgordebepaling en om patrone van verskille waar te neem in selektiewe substitusie tussen klasse gene en spesies met verskillende biologie. Die enigste studie tot dusver wat dieselfde teoretiese prosedure op 'n groot aantal gene gebruik, is dié van Bustamante et al. (3), wat bevind dat van 34 Drosophila gene, 32 het ramings gegee van positiewe seleksie van die substitusie, waarvan 10 as statisties beduidend geag is, terwyl onder 12 Arabidopsis gene, 10 het ramings gegee van 'n mate van seleksie teen die suksesvolle vervangings, waarvan 6 statisties betekenisvol was. Die skrywers skryf hierdie verskil tussen organismes toe aan die kleiner effektiewe bevolkingsgrootte in Arabadopsis, wat ingeteel is. Die teoretiese kwessie wat nog opgelos moet word voordat dit die moeite werd is om hierdie rigting verder te volg, is die toereikendheid van die statistiese prosedures om statiese data in dinamiese afleidings te omskep. Al die toetse wat tot dusver gebruik is maak aannames oor die hoeveelheid herkombinasie tussen terreine, oor die konstantheid van effektiewe bevolkingsgrootte gedurende die evolusionêre geskiedenis van die spesie, en die belangrikste van alles, aanvaar dat die bevolkings in stogastiese bestendige toestand is. Dit wil sê, hulle neem aan dat alle spore van aanvanklike toestande verdwyn het en dat geen ernstige versteurings van bevolkingstruktuur sedert die divergensie van die spesie voorgekom het nie. Maar ons weet dat werklike bevolkings voortdurend demografies versteur word en dat episodes van migrasie, stigting van nuwe bevolkings en bevolkingsvermenging 'n algemene kenmerk van bevolkingslewensgeskiedenis is. Dit is veral ironies dat twee spesies van Drosophila, D. melanogaster en D. simulans, wat menslike kommensale in Noord-Amerika is, en 'n onkruid, Arabidopsis, is gekies vir die toepassing van toetse wat die irrelevansie van onlangse geskiedenis veronderstel. Voordat ons seker kan wees oor die resultate van hierdie studies van seleksie, moet ons baie meer weet oor die werkingseienskappe van die inferensiële metodes wanneer die aanname van bestendige toestand nie nagekom word nie.


Ingenieurswese die vervaardiging van funksie

Genotipes produseer fenotipes via die prosesse van geenuitdrukking, groei en ontwikkeling. As gevolg van die beperkings en vooroordele van hierdie prosesse 44, is fenotipes egter nie noodwendig eweredig deur die volgorderuimte versprei nie en nie alle denkbare fenotipes is moontlik moontlik nie. Verder, op dieselfde manier as wat verskeie genotipes dieselfde fenotipe kan bereik, kan 'n populasie van selle met identiese genotipes ook potensieel baie verskillende fenotipes vertoon as gevolg van die stogastiese aard van die onderliggende prosesse 45 of hul sensitiwiteit vir omgewingsskommelinge (bv. dinamika 46). Baie stelsels het soortgelyke eienskappe getoon in die struktuur van hul kartering van genotipe tot fenotipe. Naamlik oortolligheid (daar is baie meer genotipes as fenotipes) en vooroordeel ('n klein fraksie van fenotipes is oorverteenwoordig). Dit is getoon beide deur simulasie 47 en eksperimenteel in RNA- en proteïenstrukture 47, en DNA-bindingsplekke 48. Hoe hierdie beginsels van toepassing is op meer komplekse biosisteme is 'n groot uitdaging as gevolg van hul groot genotipe ruimtes. Nietemin sal daar 'n statistiese struktuur wees in die kartering van genotipe tot fenotipe. As hierdie struktuur voldoende goed verstaan ​​word, kan dit 'n kragtige manier bied om die evotipe te ontwerp.

Gemanipuleerde biosisteme het fenotipiese eienskappe wat reproduktiewe fiksheid beïnvloed en eienskappe wat 'funksie' beïnvloed—die gedrag of eienskappe wat deur die ontwerper gespesifiseer word (alhoewel dit nie wedersyds uitsluit nie). Die struktuur van die kartering van genotiperuimte tot funksieruimte is dus 'n sleuteldeel van die evotipe. Funksieruimte kan diskreet wees of dit kan kontinu wees (Fig. 1c). In komplekse sisteme, soos biochemiese netwerke, kan selfs voortdurende variasie van parameters tydens evolusie die produksie van identiese funksies tot gevolg hê of faseveranderings veroorsaak waar kwalitatief verskillende funksies ontstaan ​​49 . Ontwerpe funksies kan letterlike wiskundige funksies wees, fisiese eienskappe soos kleur of grootte, of kombinasies van verskeie eienskappe.

Enige ontwerpte stelsel het 'n mate van 'nut'—die mate waarin die stelsel die gespesifiseerde funksie vervul. Die enigste doel van 'n tradisionele ingenieursontwerpproses is om die bruikbaarheid van die ontwerptipe te maksimeer. Die topologie van die funksielandskap rondom die ontwerptipe is egter ook belangrik. Dit kan robuust en hoogs veranderlik wees met die funksie wat vinnig verander oor volgorderuimte of dit kan glad wees en groot neutrale streke hê waar funksie min verander of konstant bly. Of die doel is om nuwe funksies te ontwikkel of om die parameters van 'n bestaande een te verstel, hierdie eienskappe is 'n sleutelontwerpoorweging: wat is die funksionele reeks wat deur die ontwerptipe se evotipe gedek moet word? Moet die variasie groot wees vir verhoogde evolusie, of beperk, vir evolusionêre stabiliteit? Heel waarskynlik behoort die funksielandskap glad en voorspelbaar te wees, maar hoe word dit die beste bereik? Watter streke van funksieruimte moet vermy word, en watter kan geduld word? Dit kan byvoorbeeld nodig wees om irrelevante of skadelike funksies soveel as moontlik te verminder in 'n diagnostiese toepassing waar streke van funksieruimte vals negatiewe veroorsaak, terwyl streke wat vals positiewes veroorsaak, geduld kan word.

Ontwerpe kan identiese funksionaliteit hê, maar beslaan streke van funksieruimte met baie verskillende topologiese eienskappe. As 'n stelsel ontwerp word sonder om die omliggende funksielandskap in ag te neem, kan 'n ontwerp met 'n ongewenste evotipe 'n waarskynlike uitkoms wees. Stelsels met identiese fenotipes, dog verskillende funksie-landskappe, is deur Schaerli et al. 50 , wat twee genetiese stroombane ontwerp het, albei met dieselfde strookgenererende funksie. Daar is gevind dat elkeen 'n ander spektrum van nuwe fenotipes geproduseer het wanneer dit gemuteer is as gevolg van verskille in die regulatoriese meganismes wat gebruik is 50 . Ons begin nou eers verstaan ​​wat die struktuur van die kartering van genotipe tot fenotipe beïnvloed. Daar is egter 'n paar algemene beginsels wat blykbaar oor skale en kontekste heen geld. Gelukkig is baie van hierdie beginsels reeds aan ingenieurswese bekend (Tabel 3).

Algemene fenotipes

Fenotipes wat meer algemeen in volgorderuimte voorkom, kan beide meer robuust wees (aangesien hulle meer geneig is om in genotipenetwerke te wees wat dieselfde fenotipe deel), en meer evolueerbaar (aangesien dit 'n wyer soektog na genotiperuimte moontlik maak, wat toegang tot meer nuwe fenotipes verhoog. ) 23 . Daarom kan die keuse van algemene komponente beide evolusionêre stabiliteit en spesifieke evolusie aanhelp. Byvoorbeeld, as 'n proteïen ontwerp word, kan die kodon wat gekies word, evolusiebaarheid beïnvloed: vir 'n leucienresidu, as UAA gekies word, het sy 1-mutant-omgewing 'n laer voorkoms vir leucine as enige ander kodon (twee teenoor vier, onderskeidelik). Daarom kan UAA laer evolusionêre stabiliteit hê, maar hoër spesifieke evolusievermoë as ander kodons (aangesien dit in staat is om 'n wyer reeks nie-polêre aminosure te genereer). Die heraanpassing van die genetiese kode self is voorgestel as 'n manier om die evolusie daarvan te verander 51 . Ander voorbeelde van die toepassing van fenotipiese voorkoms sluit in die keuse van RNA of proteïenstrukture wat hoogs verteenwoordig is in volgorderuimte 52,53. 'n Interessante vraag is hoe die fenotipiese voorkoms van 'n sisteem se dele verband hou met die algehele fenotipe in vergelyking met hoër-orde eienskappe? Is die robuustheid van 'n genetiese stroombaan se dele of sy netwerktopologie 'n groter determinant van sy algehele robuustheid?

Oortolligheid

Oortolligheid word gebruik in klassieke ingenieurswese en deur evolusie. Dit kan robuustheid byvoeg deur variasie van dele van 'n stelsel toe te laat sonder algehele verlies aan funksie en kan help met evolusie deur oortollige dele in staat te stel om te muteer en sodoende nuwe streke van funksieruimte te verken. Dit kan gesien word in seriële homologie, waar herhaalde dele soos die ledemate of tande evolusie van gespesialiseerde funksies moontlik maak 54, in geenduplisering 55 en in die skaalvrye struktuur van genetiese netwerke waar die meeste nodusse verwyder kan word sonder om die algehele funksie te verander 56 . Dit is opmerklik dat oortollige dele óf herhalings van dieselfde element óf verskillende elemente kan wees wat dieselfde funksie kan produseer (dikwels degenerasie genoem 57 ).

Modulariteit, reëlmaat en hiërargie

Die organisatoriese eienskappe van 'n biosisteem is 'n groot invloed op sy evotipe. Dit kan opgesom word deur modulariteit, reëlmaat en hiërargie 58 . Modulariteit is die verdeling van 'n stelsel in subsisteme (modules), waar elkeen 'n hoë mate van interne konnektiwiteit het, maar min interafhanklikheid tussen subsisteme. Voorbeelde hiervan kan gesien word in die konnektiwiteit van proteïen en regulatoriese netwerke, in RNA-strukture en in ledemaatontwikkeling 59 . Gereeldheid is die gebruik van patrone, herhalings en simmetrieë (bv. reekshomologie en diereliggaamsplanne). Hiërargie is die rekursiewe rangskikking van 'n sisteem in subsisteme (wat self saamgestel is uit subsisteme, ens.) 60 . Byvoorbeeld, 'n organisme is saamgestel uit organe, wat op sy beurt saamgestel is uit weefsels, selle, ens. Hiërargie word ook in geen-regulerende netwerke gesien. Slegs nege proteïene reguleer byvoorbeeld die helfte van alle gene van Escherichia coli 41 .

Hierdie beginsels is afsonderlik, maar werk dikwels saam. Identiese modules word byvoorbeeld dikwels in gereelde patrone herhaal en modules word in 'n hiërargiese struktuur gerangskik.Hierdie beginsels kan elk op verskillende maniere ontwikkelbaarheid bevorder. Modulariteit laat dele van 'n stelsel toe om te muteer en funksie te verander met 'n verminderde negatiewe impak op die res van die stelsel. Pogings om die modulariteit van genetiese stelsels te verbeter is deur sintetiese bioloë aangewend deur die standaardisering en verhoging van ortogonaliteit tussen dele. Gereeldheid verminder die inligting wat nodig is om die stelsel te beskryf (bv. sy genotipe), wat in wese die grootte van die soekspasie verminder. Hiërargie laat die progressiewe toename in die kompleksiteit van 'n stelsel van onder na bo 60 toe. Alhoewel die wydverspreide gebruik van hierdie beginsels in beide biologie en tegnologie duidelik hul belangrikheid demonstreer, is hoe en waar hierdie beginsels toegepas moet word konteksspesifiek. Dit kan geïllustreer word met 'n verbeelde voorbeeld.

Oorweeg twee biosensorstroombane wat elk rooi, groen en blou (RGB) fluoresserende proteïene gebruik om 'n wit uitset te produseer. In stroombaan A moet die algehele uitset van RGB so hoog as moontlik wees wanneer die inset positief is (bv. hoë sensitiwiteit word vereis), die witheid van die sein is minder krities. In stroombaan B is dit belangrik dat die positiewe sein presies wit bly (bv. ander kleure verteenwoordig ander insettoestande) en die algehele uitsetvlak is minder krities. Kring A sal baat vind by 'n modulêre rangskikking van RGB, omdat 'n mutasie in enige van hierdie gene nie die ander twee affekteer nie, en sodoende die impak op algehele uitset verminder. Vir stroombaan B sal 'n minder modulêre ontwerp egter verkieslik wees: alhoewel 'n mutasie die effek op algehele uitset verdriedubbel sal hê, sal alle kleure eweredig beïnvloed word en die algehele skakering bewaar. Die aard van die ontwerpprobleem hou dus verband met hoe modulariteit gebruik moet word. Trouens, Kashtan en Alon 61 het getoon dat modulêre argitekture in geenregulerende netwerke ontwikkel, in reaksie op modulêre omgewingseleksiedruk, en self blyk meer evolueerbaar 61 te wees. Soortgelyke verwantskappe tussen hoe hiërargie en reëlmaat met die ontwerpprobleem moet verband hou, bestaan ​​ongetwyfeld. Ons het egter nog lank nie ontwerpbeginsels vir die toepassing daarvan nie, veral vir meer komplekse probleme.

Omgewingsrobuustheid

Beginsels wat weerstand teen omgewingsverandering of geraas verbeter, kan ook robuustheid teenoor genetiese verandering verbeter. Byvoorbeeld, as 'n genetiese kring sterk is vir geraas in die konsentrasie van 'n regulatoriese proteïen, kan dit ook meer robuust wees vir mutasies wat die promotor se uitdrukkingsvlak 62 verander. Net so kan proteïene wat meer termodinamies stabiel is ook meer evolueerbaar 63 wees. Stelsels kan gebuffer word teen omgewings- en genetiese versteurings deur die gebruik van 'n negatiewe terugvoer 64,65,66, verstelbare genetiese dele 67, streng multi-vlak regulasie 68 of die toepassing van ander beheer-ingenieursbeginsels 69 .

Ontwerp van parameterruimte

Die struktuur van die parameterruimte van 'n sisteem speel 'n groot rol in hoe funksie verander onder genetiese variasie. As die gedrag van 'n stelsel gemodelleer of afgelei kan word teen die variasie van sleutelparameters, kan dit inligting verskaf oor watter funksies toeganklik kan wees en heel waarskynlik regdeur reeksruimte. Byvoorbeeld, deur die reguleringsmeganismes van twee genetiese stroombane te modelleer, het Schaerli et al. 50 verduidelik waarom hulle verskillende verdelings van funksies produseer wanneer hulle aan puntmutasies onderwerp word. Net so, met 'n eenvoudige wiskundige model van ewewigsbinding, het Mayo et al. 22 het getoon dat die cis-regulerende streek van die lac operoon in E coli is nie in staat om toegang tot sekere invoerfunksies via puntmutasie te verkry nie. Parameterruimtes is analoog aan die morfo-ruimtes van evolusionêre-ontwikkelingsbiologie, wat beperkings op organismesvorm 70 verskaf.

Ander beginsels

Stelselspesifieke beginsels kan ook ontwerpreëls vir die evotipe verskaf. RNS-geenregulering kan byvoorbeeld minder evolueerbaar wees as transkripsieregulering 71 en kan dus bepaal of die regulering op die transkripsie- of translasievlak toegepas word. Fisiese en chemiese prosesse van selforganisasie kan selfs 'n funksie se afhanklikheid van die genotipe verminder. Miskien kan idees uit ontwikkelingsbiologie en morfogenese omskep word in ingenieursterme, soos konsepte uit die teorie van gefasiliteerde variasie 72, in die besonder namate bio-ingenieurswese tot meersellige organismes vorder. Metaheuristiese ontwerpbenaderings sal ook ongetwyfeld 'n toenemend kragtige instrument word: masjienleerbenaderings kan moontlik die evolusie van biologiese netwerke voorspel 73 en genetiese algoritmes is gebruik om meer robuuste genetiese netwerke in silico 74 te ontwikkel.


Aansoeke in die klaskamer

Wanneer Hardy-Weinberg-probleme in die klas bekendgestel word, beveel ons aan om eers die meetkundige metode bekend te stel of langs die algebraïese benadering. In ons klasse het ons begin deur 'n probleem aan te bied en 'n weergawe van Figuur 2 op die bord te teken. Ons het die biologiese betekenis van elke veranderlike beskryf en beklemtoon dat die lengte van elke segment aan die kant van die vierkant, bl en q, verteenwoordig die geenfrekwensies van die populasie, en die areas van die binneste reghoeke verteenwoordig genotipefrekwensies. Ons vervang dan die waardes van die voorbeeldprobleem in die vierkant, en pas die lengtes van die lynsegmente en oppervlaktes van die interne reghoeke aan om te pas. Ons het ook dieselfde probleem opgelos deur die meer algemene algebraïese benadering te gebruik. In daaropvolgende voorbeeldprobleme het ons elke metode langs mekaar vertoon, en uitgewys hoe hulle dieselfde doel bereik.

Om te help met die onderrig van die meetkundige benadering, het ons interaktiewe applets (skakels hieronder) geskep wat 'n aanlyn manipulasie (toeganklik deur fone, tablette en skootrekenaars) bied om studente te help verstaan ​​hoe verskuif waardes van bl en q kan genotipefrekwensies in 'n populasie verander. Tydens onderrig kan hierdie applets op 'n skerm geprojekteer word in plaas van teken op die bord. Studente kan ook hierdie applets gebruik om HWE te verken of bykomende Hardy-Weinberg-probleme onafhanklik op te los.

Ons het gevind dat studente wat sterker was in wiskunde dikwels verkies het om 'n algebraïese benadering te gebruik om HWE-probleme op te los, terwyl studente wat 'n afkeer of vrees vir wiskunde uitgespreek het, die meetkundige benadering verkies het. (Ons moes dit aan hulle breek dat dit steeds wiskunde is en hulle was goed daarmee.) Daar was wiskundige waarde vir studente wat albei metodes gesien het en, alhoewel hulle dalk 'n voorkeur gehad het, verstaan ​​het dat hierdie metodes dieselfde proses verteenwoordig, dieselfde numeriese waardes ingesluit het, en dieselfde doel bereik het. Met die klem in die Algemene Kernstaatstandaarde op studente se begrip en regverdiging van algoritmes, is hierdie soort buigsame begrip van meetkundige en algebraïese denke van onskatbare waarde.


4 Bespreking

In die evolusionêre biologie, masjienleer, tegnologie-ontwikkeling en kunsmatige lewensliteratuur, evolusionêr uitbuiting en evolusionêr eksplorasie word gewoonlik gebruik om verskillende aspekte van 'n oorpak te onderskei optimalisering dinamika, terwyl evolusionêr uitbreiding, soos ons dit gedefinieer het, kom selde voor.

In 'n klassieke biologiese voorbeeld word optimale vreetgedrag gesien as 'n balans tussen die soeke na nuwe vreetplekke (verkennings) en die benutting van bekende vreetplekke (uitbuiting) [4]. In so 'n geval optimaliseer die dier sy reeds bestaande gedragsmoontlikhede, wat beide eksplorasie en ontginning insluit, sonder om sy innerlike komponente en interaksies uit te brei. In seldsame gevalle kan die uitbuiting 'n gedragsuitbreiding word—byvoorbeeld, 'n dieregemeenskap of bevolking kan sosiaal 'n nuwe voergedrag aanleer, soos gesien word vir orka's wat robbe op klein ysberge jag deur kollektiewe wakkermaak [2]. Nog 'n klassieke voorbeeld van die optimalisering van 'n gepaste balans tussen ontginning en eksplorasie kom van organisatoriese leer [8]. Verwysing [8] ondersoek hoe eksplorasie en ontginning gesamentlik ondernemings se prestasie kan beïnvloed in die konteks van hul benadering tot tegnologiese innovasie. In hierdie geval is daar egter nie 'n duidelike onderskeid of 'n aanvaarde tegnologiese innovasie deel is van 'n optimerings- of 'n uitbreidingsproses nie. In masjienleer (ML), kan die afweging tussen optimalisering en ontginning meer presies gedefinieer word, soos byvoorbeeld in ML-ondersteunde ontwerp van eksperimentoptimalisering vir selvrye proteïenuitdrukking vir besonderhede sien [6]. Hier kan ontginning gedefinieer word as voorgestelde nuut heuwels klim eksperimente, wat nuwe eksperimente is wat die mees waarskynlike verbetering van proteïenuitdrukking-opbrengs bied, gegewe wat reeds oor die stelsel bekend is. In hierdie ML-omgewing word die eksperimentele ruimte vooraf gedefinieer deur 'n aantal eksperimentele parameters, byvoorbeeld soutsamestelling en konsentrasie, pH en buffers, sowel as 'n vaste stel chemiese en biologiese komponente. Verkenning in hierdie stelsel kan gedefinieer word as voorgestelde nuwe eksperimente wat die minste bekende streke van die eksperimentele ruimte toets, gegewe wat reeds oor die stelsel bekend is. Hierdie verkennende eksperimente kan waardevolle nuwe inligting verskaf oor onbekende parameterstreke van die eksperimentele ruimte. Dus, die ML-ondersteunde ontwerp van eksperimente in [6], insluitend die bergklim en die verkennende eksperimente, spesifiseer 'n evolusionêre optimeringsproses in die sin waarin ons die konsep definieer. 'n Evolusionêre uitbreidingsproses vir die sisteem wat in [6] bespreek word, sou 'n uitbreiding van die eksperimentele ruimte beteken, byvoorbeeld deur 'n toename van die aantal eksperimentele parameters.

In hierdie artikel stel ons 'n nuwe benadering voor vir die kwantitatiewe karakterisering van evolusionêre prosesse met behulp van 'n optimeringsansatz, en demonstreer empiries: Alle evolusionêre prosesse het 'n optimeringsaspek en kan beskryf word as vertraagde kragwette van geskikte funksies van tyd ek(t). Die vorm van ek(t) beskryf op sy beurt die evolusionêre uitbreidingsaspek wat in sommige gevalle teenwoordig is, insluitend oop-einde evolusie.

Vir eenvoudige optimaliseringsprosesse - byvoorbeeld die verslapping van 'n wanordelike magnetiese materiaal (spinglas), of die verbetering van die fiksheid van 'n bakteriese monokultuur -ek(t) is eweredig aan die fisiese tyd t en die biologiese generasie tyd g. In hierdie gevalle is die spinglasmonster konstant en die bakteriese populasiegrootte is ongeveer konstant. Vir tegnologiese optimalisering, die natuurlike onafhanklike veranderlike ek(t) is die aantal vervaardigde eenhede, wat blyk om eksponensieel met tyd te groei vir beide fotovoltaïese en die berekeningskrag van transistornetwerke. In hierdie gevalle, ek(t) kan verklaar word deur 'n eksponensieel groeiende mark, wat 'n eksternaliteit tot die gegewe tegnologie is. Die onderliggende dinamika vir bogenoemde optimeringsvoorbeelde word verduidelik deur 'n eenvoudige teoretiese raamwerk gebaseer op rekorddinamika. 'n Illustratiewe simulasie word ook aangebied.

Laastens ondersoek ons ​​die BBP per capita as 'n aanwyser van menslike fiksheid, maar ons het nie 'n mikroskopiese teorie vir ek(t) wat in die ander voorbeelde gebruik word. Wat veroorsaak dat die BBP per capita uitbrei as e P(t) , ooreenstem met ek(t) ∼ e 1 α P t ⁠ , waar P(t) is 'n polinoom in tyd en α is 'n klein positiewe parameter, bly dus onverklaarbaar. Ons kan egter empiries waarneem dat menslike fiksheid vinniger versnel as die fiksheid van enige gegewe fisiese tegnologie, selfs al aanvaar ons dat die totaal van alle tegnologiemarkte eksponensieel groei, en ons kan die evolusionêre uitbreiding kwantitatief uitdruk. ek(t) vir 'n oop-einde evolusionêre proses: menslike tegnologiese en kulturele evolusie. Om 'n mikroskopiese teorie te ontwikkel vir ek(t) is 'n goed gedefinieerde oop wetenskaplike uitdaging, waarvan die oplossing lig kan werp op die aard van evolusionêre uitbreidingsprosesse sowel as oop-einde evolusie.


Klonale oorerwing?

Dit word algemeen beskou dat mtDNA moederlik oorgedra word, en dus klonaal, in diere (Birky 2001). Paternale mtDNS word voor (soos in kreef, Moses 1961), tydens (soos in Ascidia, Ursprung & Schabtach 1965) of daarna (soos in muis, Sutovsky) uitgeskakel et al. 1999) bevrugting (sien Xu et al. 2005 vir hersiening, en White et al. 2008 vir uitsonderings). Die oordrag van mtDNA in die vroulike kiemlyn word verder gekenmerk deur 'n sterk bottelnek, wat die binne-individuele diversiteit verminder (Shoubridge & Wai 2007). As gevolg van hierdie twee effekte (afwesigheid van vaderlike lekkasie en kiemlyn-bottelnek), kan verskillende mtDNA-afstammelinge saam voorkom binne 'n sigoot, 'n toestand wat effektiewe rekombinasie voorkom. Die gebrek aan genetiese uitruiling is as 'n nuttige kenmerk beskou, aangesien dit impliseer dat die binne-spesie geskiedenis van mtDNA toepaslik voorgestel kan word deur 'n unieke boom, wat die oorsprong en geografiese bewegings van moederlike afstammelinge terugspoor (Avise) et al. 1987). Die hele veld van filogeografie maak dus sterk staat op die aanname van klonale mtDNA-oorerwing.

Stewig genoeg gevestig vanuit klassieke genetika, is die klonaliteitsaanname min bevraagteken tot 1999, toe drie kwasi-gelyktydige artikels skielik die dogma by mense uitgedaag het. Ontleed 29 volledige menslike mitochondriale haplotipes, Eyre-Walker et al. (1999) het 'n onverwagse hoë hoeveelheid binne-spesie homoplasie (d.w.s. filogenetiese konflik tussen terreine) gevind wat blykbaar nie deur mutasiebrandpunte verklaar kon word nie - homoplasiese terreine was nie besonder veranderlik oor hominied spesies nie. Hulle het tot die gevolgtrekking gekom dat hierdie baie homoplasieë heel waarskynlik die gevolg was van rekombinasiegebeure. Met dieselfde data, Awadalla et al. (1999) het 'n negatiewe korrelasie tussen koppelingsonewewig en fisiese afstand vir pare terreine gerapporteer, wat weer die idee ondersteun dat rekombinasie alleliese assosiasies tussen verre lokusse afbreek. Hagelberg et al. (1999) het uiteindelik 'n mitochondriale puntmutasie ontdek wat gedeel word deur ver-verwante mtDNA-haplotipes in 'n klein Melanesiese eiland, maar feitlik nêrens anders in die wêreld nie. Met die argument dat twee onafhanklike voorkoms van hierdie seldsame mutasie op dieselfde eiland onwaarskynlik was, het die skrywers tot die gevolgtrekking gekom dat herkombinasie die mees aanneemlike verduideliking was.

Hierdie opwindende verslae in mense het die soektog na gevalle van mtDNA-rekombinasie in verskeie dierspesies gestimuleer. Sistematiese opnames van binne-spesies mtDNA-data beskikbaar vanaf openbare databasisse het 'n beduidende afwyking van die klonaliteitsaanname in verskeie spesies, insluitend primate (Piganeau) aan die lig gebring. et al. 2004 Tsaousis et al. 2005). Die skrywers het egter versigtig opgemerk dat 'n deel van hierdie bioinformaties-bespeurde gevalle kan ooreenstem met artefakte - bv. in vitro rekombinasie – en gevra vir eksperimentele bevestiging ( Piganeau et al. 2004). Bevolkingsbewyse vir mtDNA-rekombinasie is spesifiek gerapporteer in 'n mossel (Ladoukakis & Zouros 2001), 'n skoenlapper (Andolfatto) et al. 2003), skerpioene (Gantenbein et al. 2005), 'n akkedis (Ujvari et al. 2007) en vis (Hoarau et al. 2002 Ciborowski et al. 2007), gebaseer óf op koppelingsonewewig/fisiese afstandanalise, óf ontdekking van ooglopende rekombinante tussen ver genoeg ouerhaplotipes. Die mosselgeval was die minste verrassend omdat hierdie spesie, soos verskeie ander tweekleppige diere (Breton et al. 2007), huisves 'n mitochondriale genoom wat deur vaderskant oorgedra word, sodat alle manlike individue heteroplasmies is. 'n Geval van vaderlike lekkasie gevolg deur rekombinasie is uiteindelik by 'n menslike pasiënt ontdek (Kraytsberg et al. 2004 ).

By blomplante, terwyl mitochondria, soos chloroplast, vermoedelik hoofsaaklik moederlik oorgeërf word (Reboud & Zeyl 1994), word die voorkoms van rekombinasie ook gedebatteer. In Silene vulgaris, is onlangse rekombinasiegebeure binne en tussen gene, en tussen mitochondria en chloroplast, opgespoor (Holiston & Olson 2006), maar nie in 'n daaropvolgende analise herstel nie (Barr et al. 2007). Op 'n groter evolusionêre skaal ondersteun filogenetiese konflikte wat mtDNA behels die hipotese van herhalende horisontale oordrag van mitochondriale gene gedurende die geskiedenis van angiosperme (Bergthorsson) et al. 2003 ).

Alhoewel sommige waarskynlik bevestiging sal verdien, is hierdie gevallestudies van groot relevansie vir die veld van molekulêre ekologie. Hulle bewys dat mitochondriale rekombinasie moontlik is, en vra omsigtigheid wanneer binne-spesies mtDNA genealogieë gebou en geïnterpreteer word (Hey 2000). Ironies genoeg weet ons nou dat die drie menslike studies wat hierdie vrugbare soektog na mtDNA-rekombinasie gemotiveer het, eintlik twyfelagtig was. Die eilandspesifieke patroon (Hagelberg et al. 1999) was die gevolg van 'n belyningsfout (Hagelberg et al. 2000). Die verval van koppelingsonewewig met fisiese afstand (Awadalla et al. 1999) is sensitief gevind vir metodologiese instellings en vir die geanaliseerde datastel (Ingman et al. 2000 Innan & Nordborg 2002 Piganeau & Eyre-Walker 2004). Die oormaat van binne-spesie homoplasie (Eyre-Walker et al. 1999), uiteindelik, is heel waarskynlik geskep deur kortstondige, ongemaklike mutasies-hotspots (Galtier) et al. 2006 ).

Benewens die staaltjie, is een les wat uit hierdie interessante debat getrek kan word dat eienaardighede van die mitochondriale mutasieproses rekombinasieagtige patrone van volgordevariasie kan genereer. Om hierdie rede, en as gevolg van die gebrek aan krag van rekombinasie-opsporingsmetodes (White & Gemmell 2009), is die voorkoms van mitochondriale rekombinasie oor diere tans moeilik om te bepaal. Ons siening van huidige literatuur sal geneig wees om te suggereer dat 'n groot fraksie van die binne-spesie mtDNA-homoplasie deur mutasie-hotkolle veroorsaak word (Innan & Nordborg 2002 Galtier et al. 2006 sien hieronder). In elk geval, die bestaan ​​van sterk binne-spesie homoplasie is 'n ooglopende praktiese probleem wanneer mtDNA populasie data ontleed word, of dit nou veroorsaak word deur ware rekombinasie of mutasie-geïnduseerde konvergensies.


Gepubliseer deur die Royal Society onder die bepalings van die Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, wat onbeperkte gebruik toelaat, mits die oorspronklike outeur en bron gekrediteer word.

Verwysings

. 1977 Filogenetiese struktuur van die prokariotiese domein: die primêre koninkryke. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 74, 5088–5090. (doi:10.1073/pnas.74.11.5088) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1986 Die probleme van biologie . Oxford, VK: Oxford University Press. Google Scholar

. 1979 Die hipersiklus: 'n beginsel van natuurlike selforganisasie . Berlyn, Duitsland: Springer. Crossref, Google Scholar

. 2006 Vordering om die oorsprong van die RNA-wêreld te verstaan. In Die RNA Wêreld (eds

Gesteland RF, Cech TR, Atkins JF

), pp. 23–56. New York, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. Google Scholar

. 2007 Veertig jaar van in vitro evolusie. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 6420–6436. (doi:10.1002/anie.200701369) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mills DR, Peterson RL, Spiegelman S

. 1967 'n Ekstrasellulêre Darwinistiese eksperiment met 'n selfduplisering van nukleïensuurmolekule. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 58, 217–224. (doi:10.1073/pnas.58.1.217) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1971 'n Benadering tot die eksperimentele analise van presellulêre evolusie. V. Eerw. Biophys . 4, 213–253. (doi:10.1017/S0033583500000639) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1990 In vitro seleksie van RNA-molekules wat spesifieke ligande bind. Natuur 346, 818–822.(doi:10.1038/346818a0) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1990 Sistematiese evolusie van ligande deur eksponensiële verryking: RNA-ligande na bakteriofaag T4 DNA-polimerase. Wetenskap 249, 505–510. (doi:10.1126/science.2200121) Crossref, PubMed, Google Scholar

Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR

. 1982 Self-splyting RNA: outo-uitsnyding en outosiklisering van die ribosomale RNA tussenliggende volgorde van Tetrahymena. Sel 31, 147–157. (doi:10.1016/0092-8674(82)90414-7) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Guerrier-Takada C, Gardiner K, Marsh T, Pace N, Altman S

. 1983 Die RNA-deel van ribonuklease P is die katalitiese subeenheid van die ensiem. Sel 35, 849–857. (doi:10.1016/0092-8674(83)90117-4) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Szathmary E, Santos M, Fernando C

. 2005 Evolusionêre potensiaal en vereistes vir minimale protoselle. Top. Curr. Chem . 259, 167–211. (doi:10.1007/tcc001) Crossref, Google Scholar

. 2012 Wat is die lewe? Hoe chemie biologie word . Oxford, VK: Oxford University Press. Google Scholar

Pascal R, Pross A, Sutherland JD

. 2013 Op pad na 'n evolusionêre teorie van die oorsprong van lewe gebaseer op kinetika en termodinamika. Maak Biol oop. 3, 130156. (doi:10.1098/rsob.130156) Skakel, Google Scholar

. 2015 Stabiliteit en die manifestasie daarvan in die chemiese en biologiese wêrelde. Chem. Commun. 51, 16 160–16 165. (doi:10.1039/C5CC06260H) Crossref, Google Scholar

Vasas V, Szathmary E, Santos M

. 2010 Gebrek aan evolusie in selfonderhoudende outokatalitiese netwerke beperk metabolisme-eerste scenario's vir die oorsprong van lewe. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 107, 1470–1475. (doi:10.1073/pnas.0912628107) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Vasas V, Fernando C, Santos M, Kauffman S, Szathmary E

. 2012 Evolusie voor gene . Biol. Direkte 7, 1. (doi:10.1186/1745-6150-7-1) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2012 Van voorlewe tot lewe: hoe chemiese kinetcis evolusionêre dinamika word. Rek. Chem. Res. 45, 2088–2096. (doi:10.1021/ar2002683) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2002 Stelselbiologie: 'n kort oorsig. Wetenskap 295, 1662–1664. (doi:10.1126/science.1069492) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2002 Rekenaarstelselbiologie. Natuur 420, 206–210. (doi:10.1038/nature01254) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2004 Die evolusie van molekulêre biologie in sisteembiologie. Nat. Biotegnologie . 22, 1249–1252. (doi:10.1038/nbt1020) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2001 Chemie: dinamiese kombinatoriese chemie. Wetenskap 291, 2331–2332. (doi:10.1126/science.1060066) Crossref, PubMed, Google Scholar

Whitesides GM, Gryzbowski B

. 2002 Selfmontering op alle skale . Wetenskap 295, 2418–2421. (doi:10.1126/science.1070821) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Corbett PT, Leclaire J, Vial L, West KR, Wietor JL, Sanders JK, Otto S

. 2006 Dinamiese kombinatoriese chemie. Chem. Ds . 106, 3652–3711. (doi:10.1021/cr020452p) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2006 Die oorsprong en die toekoms van mikrofluidika. Natuur 442, 368–373. (doi:10.1038/nature05058) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2008 Stelselchemie. Chem. Soc. Ds . 37, 101–108. (doi:10.1039/B611921M) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2015 Supramolekulêre sisteemchemie. Nat. Nanotegnologie . 10, 111–119. (doi:10.1038/nnano.2014.337) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ruiz-Mirazo K, Briones C, de la Escosura A

. 2014 Prebiotiese stelselchemie: nuwe perspektiewe vir die oorsprong van lewe. Chem. Ds. 114, 285–366. (doi:10.1021/cr2004844) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

de la Escosura A, Briones C, Ruiz-Mirazo K

. 2015 Die sisteemperspektief by die kruispad tussen chemie en biologie . J. Theor. Biol. 381, 11–22. (doi:10.1016/j.jtbi.2015.04.036) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2016 Die oorsprong van lewe—uit die bloute . Angew. Chem. Int. Ed. 55, 104–121. (doi:10.1002/anie.201506585) Crossref, PubMed, Google Scholar

Sadownik JW, Mattia E, Nowak P, Otto S

. 2016 Diversifikasie van selfrepliserende molekules. Nat. Chem. 8, 264–269. (doi:10.1038/nchem.2419) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ruiz-Mirazo K, Peretó J, Moreno A

. 2010 Om lewe te definieer of biologie tot lewe te bring . Oorspronklik. Lewe Evol. Biosph. 40, 203–213. (doi:10.1007/s11084-010-9201-6) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2016 Besinning oor die oorsprong van lewe: meer as 'n evolusionêre probleem. Metode 6, 151–159. Google Scholar

. 1987 Evolusie, termodinamika en inligting. Uitbreiding van die Darwiniaanse program . Oxford, VK: Oxford University Press. Google Scholar

. 2009 Die probleem van die opkoms van funksionele diversiteit in prebiotiese evolusie. Biol. Filos. 24, 585–605. (doi:10.1007/s10539-009-9178-6) Crossref, Google Scholar

. 2015 Refleksies van 'n Darwinistiese ingenieur. J. Mol. Evol . 81, 145–149. (doi:10.1007/s00239-015-9724-6) Crossref, Google Scholar

Segre D, Ben-Eli D, Lancet D

. 2000 Samestellingsgenome: prebiotiese inligtingoordrag in wedersyds katalitiese niekovalente samestellings. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 97, 4112–4117. (doi:10.1073/pnas.97.8.4112) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2007 Die soeke na die chemie van lewe se oorsprong . Tetraëder 63, 12 821–12 844. (doi:10.1016/j.tet.2007.10.012) Crossref, Google Scholar

. 2011 'n Optimale mate van fisiese en chemiese heterogeniteit vir die oorsprong van lewe? Phil. Trans. R. Soc. B 366, 2894–2901. (doi:10.1098/rstb.2011.0140) Skakel, Google Scholar

Adamala KP, Engelhart AE, Szostak JW

. 2016 Samewerking tussen primitiewe selmembrane en oplosbare katalisators. Nat. Commun. 7, 11041. (doi:10.1038/ncomms11041) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1986 Oorsprong van lewe: die RNA-wêreld. Natuur 319, 618. (doi:10.1038/319618a0) Crossref, ISI, Google Scholar

Powner MW, Gerland B, Sutherland JD

. 2009 Sintese van geaktiveerde pirimidiennukleotiede in prebioties aanneemlike toestande. Natuur 459, 239–242. (doi:10.1038/nature08013) Crossref, PubMed, Google Scholar

Patel BH, Percivalle C, Ritson DJ, Duffy CD, Sutherland JD

. 2015 Algemene oorsprong van RNA, proteïen en lipiedvoorlopers in 'n sianosulfidiese protometabolisme. Nat. Chem. 7, 301–307. (doi:10.1038/nchem.2202) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Hud NV, Cafferty BJ, Krishnamurthy R, Williams LD

. 2013 Die oorsprong van RNA en ‘my oupa se byl’ . Chem. Biol. 20, 466–474. (doi:10.1016/j.chembiol.2013.03.012) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mutschler H, Wochner A, Holliger P

. 2015 Vries-ontdooi-siklusse as drywers van komplekse ribosiemsamestelling. Nat. Chem. 7, 502–508. (doi:10.1038/nchem.2251) Crossref, PubMed, Google Scholar

Briones C, Stich M, Manrubia SC

. 2009 Die aanbreek van die RNA-wêreld: na funksionele kompleksiteit deur afbinding van ewekansige RNA-oligomere. RNA 15, 743–749. (doi:10.1261/rna.1488609) Crossref, PubMed, Google Scholar

Briones C, Stich M, Manrubia SC

. 2010 'n Model vir die modulêre evolusie van RNA wat oop vrae oor die oorsprong van lewe aanspreek. Oorspronklik. Lewe Evol. Biosph . 40, 427–430. Google Scholar

Pressman A, Blanco C, Chen IA

. 2015 Die RNA-wêreld as 'n modelstelsel om die oorsprong van lewe te bestudeer. Curr. Biol . 25, R953–R963. (doi:10.1016/j.cub.2015.06.016) Crossref, PubMed, Google Scholar

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ, Lehman N.

. 2012 Spontane netwerkvorming onder koöperatiewe RNA-replikators. Natuur 491, 72–77. (doi:10.1038/nature11549) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2015 Die RNA-wêreld: molekulêre samewerking by die oorsprong van lewe. Nat. Ds Genet. 16, 7–17. (doi:10.1038/nrg3841) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 1968 Energievloei in biologie . New York, NY: Academic Press. Google Scholar

. 1985 Oorsprong van lewe . Cambridge, VK: Cambridge University Press. Google Scholar

. 1986 Outokatalistiese stelle proteïene. J. Theor. Biol . 119, 1–24. (doi:10.1016/S0022-5193(86)80047-9) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2006 Klein molekule interaksies was sentraal tot die oorsprong van lewe. V. Eerw. Biol. 81, 5–125. (doi:10.1086/506024) Crossref, Google Scholar

Hordijk W, Kauffman SA, Steel M

. 2011 Vereiste vlakke van katalise vir die opkoms van outokatalitiese stelle in modelle van chemiese reaksiestelsels. Int. J. Mol. Wetenskap. 12, 3085–3101. (doi:10.3390/ijms12053085) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Dadon Z, Wagner N, Ashkenasy G

. 2008 Die pad na nie-ensiematiese molekulêre netwerke. Angew. Chem. Int. Ed. 47, 6128–6136. (doi:10.1002/anie.200702552) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2000 Selforganiserende biochemiese siklusse . Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 97, 12 503–12 507. (doi:10.1073/pnas.220406697) Crossref, Google Scholar

. 2008 Die ongeloofwaardigheid van metaboliese siklusse op die prebiotiese Aarde. PLoS Biol . 6,e18. (doi:10.1371/journal.pbio.0060018) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Kurihara K, Tamura M, Shohda K-I, Toyota T, Suzuki K, Sugawara T

. 2011 Selfreproduksie van supramolekulêre reuse vesikels gekombineer met die amplifikasie van ingekapselde DNA. Nat. Chem. 3, 775–781. (doi:10.1038/nchem.1127) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2013 Nie-ensiematiese sjabloongerigte RNA-sintese binne modelprotoselle. Wetenskap 342, 1098–1100. (doi:10.1126/science.1241888) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1986 'n Selfrepliserende heksadeokinukleotied. Angew. Chem. Int. Ed. 25, 932–935. (doi:10.1002/anie.198609322) Crossref, Google Scholar

. 2002 'n Selfrepliserende ligase ribosiem. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 99, 12 733–12 740. (doi:10.1073/pnas.202471099) Crossref, Google Scholar

Lee DH, Severin K, Yokobayashi Y, Ghadiri MR

. 1997 Opkoms van simbiose in peptied selfreplikasie deur 'n hipersikliese netwerk. Natuur 390, 591–594. (doi:10.1038/37569) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2006 Ontwerp en implementering van 'n hoogs selektiewe minimale selfrepliserende stelsel. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 6492–6496. (doi:10.1002/ange.200601845) Crossref, Google Scholar

Carnall JMA, Waudby CA, Belenguer AM, Stuart MCA, Peyralans JJP, Otto S

. 2010 Meganosensitiewe selfreplikasie gedryf deur selforganisasie. Wetenskap 327, 1502–1506. (doi:10.1126/science.1182767) Crossref, PubMed, Google Scholar

Chen IA, Roberts RW, Szostak JW

. 2004 Die ontstaan ​​van mededinging tussen modelprotoselle. Wetenskap 305, 1474–1476. (doi:10.1126/science.1100757) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Mansy SS, Schrum JP, Krishnamurthy M, Tobe S, Treco DA, Szostak JW

. 2008 Sjabloongerigte sintese van 'n genetiese polimeer in 'n modelprotosel. Natuur 454, 122–125. (doi:10.1038/nature07018) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2011 Fisiese effekte onderliggend aan die oorgang van primitiewe na moderne selmembrane. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 108, 5249–5254. (doi:10.1073/pnas.1100498108) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mossio M, Saborido C, Moreno A

. 2009 'n Organisatoriese weergawe van biologiese funksies. Br. J. Philos. Wetenskap. 60, 813–841. (doi:10.1093/bjps/axp036) Crossref, ISI, Google Scholar

Mossio M, Saborido C, Moreno A

. 2010 Organisatoriese sluiting in biologiese organismes . Hist. Filos. Lewenswetenskap. 32, 269–288. PubMed, Google Scholar

. 2015 Sinergistiese seleksie: 'n Darwinistiese raamwerk vir die evolusie van kompleksiteit. J. Theor. Biol. 371, 45–58. (doi:10.1016/j.jtbi.2015.02.002) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2004 Basiese outonomie as 'n fundamentele aspek in die sintese van lewe . Art. Lewe 10, 253–259. (doi:10.1162/1064546041255584) Google Scholar

. 2012 Outonomie in evolusie: van minimale tot komplekse lewe. Sintese 185, 21–52. (doi:10.1007/s11229-011-9874-z) Crossref, Google Scholar

. 2007 Kommentaar . Oorspronklik. Lewe Evol. Biosph . 37, 309–314. (doi:10.1007/s11084-007-9102-5) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2007 Basiese vraag oor die oorsprong van lewe . Oorspronklik. Lewe Evol. Biosph . 37, 303–306. (doi:10.1007/s11084-007-9104-3) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2012 Vloeibare kristallyne nanostrukture: organisering van matrikse vir nie-ensiematiese nukleïensuurpolimerisasie. Chem. Soc. Ds. 41, 5375–5379. (doi:10.1039/c2cs35042d) Crossref, PubMed, Google Scholar

Murillo-Sánchez S, Beaufils D, Mañas JMG, Pascal R, Ruiz-Mirazo K.

. 2016 Vetsure se dubbele rol in die prebiotiese vorming van 'n hidrofobiese dipeptied. Chem. Wetenskap. 7, 3406–3413. (doi:10.1039/C5SC04796J) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 1952 Die chemiese basis van morfogenese . Phil. Trans. R. Soc. B 237, 37–72. (doi:10.1098/rstb.1952.0012) Skakel, ISI, Google Scholar

. 2001 Die manier van die sel . New York, NY: Oxford University Press. Google Scholar

. 2006 Die opkoms van lewe . Cambridge, VK: Cambridge University Press. Crossref, Google Scholar

Segre D, Ben-Eli D, Deamer DW, Lancet D

. 2001 Die lipiedwêreld. Oorspronklik. Lewe Evol. Biosph . 31, 119–145. (doi:10.1023/A:1006746807104) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Szostak JW, Bartel DP, Luisi PL

. 2001 Die sintetisering van lewe . Natuur 409, 387–390. (doi:10.1038/35053176) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Gotoh M, Sugawara A, Akiyoshi K, Matsumoto I, Ourisson G, Nakatani Y

. 2007 Moontlike molekulêre evolusie van biomembrane: van enkelketting tot dubbelketting lipiede. Chem. Biodivers . 4, 837–848. (doi:10.1002/cbdv.200790071) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2004 Prebiotiese chemie en die oorsprong van die RNA-wêreld. Krit. Ds Biochem. Mol. Biol . 39, 99–123. (doi:10.1080/10409230490460765) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Leman LJ, Orgel LE, Ghadiri MR

. 2006 Aminosuurafhanklike vorming van fosfaatanhidriede in water bemiddel deur karbonielsulfied. J. Am. Chem. Soc . 128, 20–21. (doi:10.1021/ja056036e) Crossref, PubMed, Google Scholar

Danger G, Michaut A, Bucchi M, Boiteau L, Canal J, Plasson R, Pascal R

. 2013 5(4H)-Oxazolone as tussenprodukte in die karbodiimied- en siaanamied-bevorderde peptiedaktiverings in waterige oplossing. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 611–614. (doi:10.1002/anie.201207730) Crossref, PubMed, Google Scholar

Jauker M, Griesser H, Richert C

. 2015 Kopiëring van RNA-volgordes sonder voorafaktivering. Angew. Chem. Int. Ed. 54, 14 559–14 563. (doi:10.1002/anie.201506592) Crossref, Google Scholar

. 2004 Membraangroei kan 'n transmembraan pH-gradiënt in vetsuurvesikels genereer. Proc. Natl Acad. Wetenskap. VSA 101, 7965–7970. (doi:10.1073/pnas.0308045101) Crossref, PubMed, Google Scholar

Liu ZW, Beaufils D, Rossi JC, Pascal R

. 2014 Evolusionêre belangrikheid van die intramolekulêre weë van hidrolise van fosfaatester gemengde anhidriede met aminosure en peptiede. Wetenskap. Rep. 4, 7440. (doi:10.1038/srep07440) Crossref, PubMed, Google Scholar

Jauker M, Griesser H, Richert C

. 2015 Spontane vorming van RNA-stringe, peptidiel-RNA en kofaktore. Angew. Chem. Int. Ed. 54, 14 564–14 569. (doi:10.1002/anie.201506593) Crossref, Google Scholar

. 2009 Gekoppelde groei en verdeling van modelprotoselmembrane. J. Am. Chem. Soc. 131, 5705–5713. (doi:10.1021/ja900919c) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2013 Kompetisie tussen modelprotoselle wat deur 'n ingekapselde katalisator aangedryf word. Nat. Chem. 5, 495–501. (doi:10.1038/nchem.1650) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

. 2011 Protocell. In Ensiklopedie van Astrobiologie (eds

Gargaud M, Amils R, Cernicharo J Quintanilla, Cleaves HJ, Irvine WM, Pinti D, Viso M

), pp. 1353–1354. Heidelberg, Duitsland: Springer. Crossref, Google Scholar

. 2002 Oor die vroeë evolusionêre oorsprong van biologiese periodisiteit. Sel. Biol. Int . 26, 729–735. (doi:10.1006/cbir.2000.0668) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2003 Die beginsels van die lewe . Oxford, VK: Oxford University Press. Crossref, Google Scholar

Hemp-Ediss B, Solé RV, Ruiz-Mirazo K

. 2015 Ontluikende chemiese gedrag in veranderlike volume protoselle. Lewe 5, 181–211. (doi:10.3390/life5010181) Crossref, PubMed, Google Scholar

Bich L, Mossio M, Ruiz-Mirazo K, Moreno A

. 2016 Biologiese regulering: beheer van die stelsel van binne . Biol. Filos. 31, 237–265. (doi:10.1007/s10539-015-9497-8) Crossref, ISI, Google Scholar

. 2013 Die oorsprong van lewe: wat ons weet, wat ons kan weet en wat ons nooit sal weet nie . Maak Biol oop. 3, 120190. (doi:10.1098/rsob.120190) Skakel, Google Scholar

. 2017 Studies oor die oorsprong van lewe—die einde van die begin . Nat. Ds Chem. 1, 0012. (doi:10.1038/s41570-016-0012) Crossref, Google Scholar

Solé RV, Munteanu A, Rodríguez-Caso C, Macía J

. 2007 Sintetiese protoselbiologie: van voortplanting tot berekening. Phil. Trans. R. Soc. B 362, 1727–1739. (doi:10.1098/rstb.2007.2065) Skakel, Google Scholar



Kommentaar:

  1. Chayim

    Jammer vir my indringing ... ek verstaan ​​hierdie vraag. Dit kan bespreek word.

  2. Carolos

    Ek stem absoluut met jou saam. Daar is iets hierin en 'n uitstekende idee, ek stem saam met jou.

  3. Kasiya

    Ek dink hulle is verkeerd. Kom ons probeer om dit te bespreek. Skryf vir my in PM, praat.

  4. Akigrel

    Ek is jammer, maar na my mening was hulle verkeerd. Ons moet bespreek. Skryf vir my in PM, dit praat met u.



Skryf 'n boodskap