8.1: מהו חידוש אבולוציוני?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 207591

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

עבור אובייקטים ודמויות נפרדים קל לראות מה חדש או חדשני. לדוגמה, אם הייתי הולך צניחה חופשית, זה יהיה חוויה חדשה בשבילי מאז מעולם לא הייתי צניחה חופשית לפני. אם נשים אדם על מאדים, זו תהיה משימה מדעית חדשה למין האנושי. עם זאת, האבולוציה לרוב אינה עובדת עם תווים נפרדים, במקום זאת הקווים מטושטשים ומטושטשים. לדוגמה, אנו עשויים לחשוב על כנפי עטלפים כחידוש בבעלי חוליות מכיוון שהם סינפומורפיה (אופי משותף, נגזר, מגדיר) בשושלת העטלפים. עטלפים המציאו משהו חדש - כנפיים קרומיות. עם זאת, ניתן לטעון כי מדובר בפשטות ב"חידוש פונקציונאלי ", כלומר פירוט של מבנה קיים לביצוע פונקציה חדשה. במובן זה, כנפי עטלף הן פשוט גפיים קדמיות מוארכות עם קצת עור נוסף. אז מה נחשב כחידוש, בדיוק? אם להיות ישיר לגבי זה, אין באמת הגדרה אחת שאפשר להגן עליה. נראה שהבלבול נובע מהטיות שלנו לגבי הדמויות שאנו מוצאים מעניינות ו"חדשות ", כמו נוצות, ידיים ופנים, שלכולן היו מקורות ומסלולים אבולוציוניים שונים.

בהתחשב בכך שאין הגדרה מוסכמת אחת לחידוש, כנראה בשל העובדה שהאבולוציה אינה עוקבת אחר דפוסים קפדניים, כיצד נוכל לחשוב על נושא זה בכלל? בשנת 1963, ארנסט מאייר, ממקימי הביולוגיה האבולוציונית המודרנית הגדיר חידוש כמבנה או תכונה חדשה של אורגניזם המאפשר לו לבצע פונקציה חדשה, ובכך לפתוח "אזור הסתגלות" חדש. בחשבון זה, חידוש מאפשר לאורגניזם לנצל משאב אקולוגי חדש וצריך להוביל לקרינה אדפטיבית ¹. עם זאת, פגם מרכזי בהגדרה זו צוין בשנת 2008 על ידי מאסימו פיגליוצ'י. הוא ציין כי כמה "חידושים", כמו האוזן הפנימית של היונקים, לא הובילו לקרינה אדפטיבית ולכן לא ייפלו תחת הגדרה זו ². אנו יכולים להרחיב את ההגדרה כך שתכלול כל דמות שהיא ייחודית לטקסון ³, אולם היא מתנגדת לאמינות להתייחס לדמות כמו זיפים נוספים על אנטנת סרטנים כחידוש אבולוציוני. פיגליוצ'י משלב את שתי ההגדרות הללו כדי לומר שחידושים הם דמויות ייחודיות המגדירות טקסון שיש לו גם פונקציה חדשה במערכת האקולוגית שלהם. המשמעות היא שהם לא בהכרח מובילים לקרינה אדפטיבית, אך הם עדיין מגבירים את הכושר בהשוואה למצב האבות ². אני אישית אוהב את ההגדרה הזו בכך שהיא נותנת לנו שני דברים ברורים לחפש בחידוש: 1) זה בעצם חדש ו 2) זה עושה משהו למען האורגניזם. עם זאת, הגדרה זו די רחבה ומטושטשת. תחתיו נוצות מעוף בציפורים, חידוש שאיפשר להם לעלות לשמיים ולאכלס את הנקודות הנידחות ביותר על פני כדור הארץ, ממוקמות באותה רמה כמו מוטציה חלבונית תפקודית בחיידק המעניקה לו יכולת גדולה יותר של 10% לעכל חומרי הדברה.

מהי קרינה אדפטיבית?

קרינה אדפטיבית היא האבולוציה המהירה של שושלת למילוי נישות אקולוגיות פתוחות מרובות. אחת הקרינות ההסתגלותיות המפורסמות ביותר היא האבולוציה של פינקים גלפגוס (המכונה גם "פינקים של דרווין"). כאשר אוכלוסיית אבות של חוחיות הגיעה לאיי גלפגוס לאיים לא היו מינים דומים אחרים איתם ניתן להתחרות. הנישות הפתוחות המרובות, כמו האכלה מקקטוסים פורחים, זרעים קשים, זרעים קטנים וחרקים, הטילו בחירה משבשת על הציפורים. כלומר, חוחיות עם מקור המותאם יותר לאכילת חרקים נבחרו וכך גם חוחיות עם מקור המותאם יותר לאכילת זרעים קשים. פינקים עם פנוטיפים ביניים (בינוניים באכילת כל מקור מזון) נבחרו נגד. לאורך פרקי זמן ארוכים, הדבר הוביל לייחוס החוחיות ל-12 מינים נפרדים לפחות שכל אחד מהם מנצל משאב מזון שונה במקצת.

תמונה מתוך "מסע הביגל ", נחלת הכלל

אחד המאורות בתחום החידוש האבולוציוני, גונטר וגנר, יצר הגדרה של חידוש שיכול לעזור לכוון תוכניות מחקר. ההגדרה שלו פונקציונלית וספציפית יותר מהגדרות אחרות. לפי החישוב שלו ישנם שני סוגים של חידושים:

סוג I, חלק גוף חדש שאינו הומולוגי לחלוטין לחלקי גוף אחרים
סוג II, גרסה חדשה על חלק גוף המאפשרת פונקציה חדשה.

חידוש מסוג II יכלול את התפתחות הסנפירים ביונקים ימיים - זהו רק תצורה מחדש של חלק גוף קיים. במקרה של חידושים מסוג II ההומולוגיה לחלקי גוף אבות ברורה, בסוג I זה לא אמור להיות ⁴. לפי הגדרה זו, עלינו להחליט מה אנו רואים כחידוש משכנע ומה אנו רואים כראיה משכנעת. לדוגמה, אנו עשויים להחליט שבלוטות החלב - הנגזרות מבלוטות שיער - הן חדשות מכיוון שאנו באופן אישי מרגישים שיש להן מספיק הבדלים מבלוטות השיער כדי להיות יחידות אבולוציוניות עצמאיות, אך מחליטים כי קשקשים מבריקים של דג (קשקשים גנואידים) דומים מדי לקשקשי דגים סטנדרטיים לספור. במקרה האחרון, אנו מתעלמים מהתרכובות החדשות היוצרות את הברק.

וגנר התייחס לבעיית השימוש בפרספקטיבה שלנו כדי להחליט מה נחשב כחידוש או לא על ידי הגדרת חידושים כקשורים לרשתות ליבה חדשות של Gene-Regulatory-Networks (GRN). מידע מיקום יכול להשתנות בין המינים (ראה דוגמה Bicoid!) אבל מידע מיקום משתנה אבולוציוני זה נקרא על ידי Core-GRN יציב מבחינה אבולוציונית. Core-GRN זה מציין את הרקמה על ידי הפעלת "גנים מממשים", המכונים לפעמים "גנים מבניים". אלה הגנים שעושים את העסק לתת לאיבר את התכונות התפקודיות שלו. הפלט הזה של ריאליזר-גן, כמו המידע המיקום, משתנה גם הוא. ^{ניתן לשנות את הגנים המממשים על ידי הסתגלות לסביבות מקומיות 4,5.} מכיוון ש- Core-GRN הוא המרכיב היציב של הגנטיקה העומדת בבסיס התפתחות האיבר החדש, Core-GRN חדש קשור אפוא לאיבר חדש באמת.

למרות שאני באמת אוהב את ההגדרה הזו בגלל הפשטות שלה - כדי להבין איך מתעורר חידוש אנחנו פשוט הולכים אחרי אותם Core-GRN חדשים המגדירים את החידוש - יש לה חולשות. חולשה טכנית היא שאנחנו לא יכולים להיות בטוחים בגנים המרכיבים GRN עם הטכנולוגיה הנוכחית שלנו. לדוגמה, אפשר בקלות לפספס גן בעת רצף תעתיקים, או תוכניות התפתחות פלסטיות כדי לפצות על גן שאנו מקריספר מהגנום. חולשה פילוסופית יותר היא שבהיבריס שלנו קל מאוד לשנות את הגבולות של מה שאנו רואים כ- Core-GRN וקל באותה מידה להתעלם מראיות לאותם או דומים ליבה-GRNs ברקמות לא הומולוגיות בעליל (כמו האינטראקציה של Notch/Hes בהיותה Core-GRN בפילוח לא הומולוגי בכמה annelids, פרוקי רגליים ובעלי חוליות). ^{עם זאת, נראה כי ישנן עדויות גוברות לכך שלפחות במקרים מסוימים אנו יכולים לשייך איבר חדש לליבה-GRN 4.}

לעת עתה, ננסה לנצל את המיטב מכל ההגדרות הללו כדי לבחון כמה דמויות מעניינות שהתפתחו בקבוצות שונות. אנו יכולים אפילו לנסות להגדיר אותם כרומנים (או לא) לפי הגדרות אלה. נבחן ביולוגיה התפתחותית השוואתית וגנטיקה של מספר "חידושים" מרכזיים (מונח שקשור לתפקוד ולא לייחודיות). בפרק זה נבחן חידוש אקטודרמי אחד, כנפי חרקים.