Hypotéza černé královny

Hypotéza černé královny [1] [2] ( anglicky  Red Queen hypothesis [~ 1] ), nazývaná také „Princip černé královny“, „Účinek černé královny“ nebo „Rasa (běh) černé královny“ , je evoluční hypotéza, kterou lze formulovat následovně: Druh potřebuje neustálou změnu a adaptaci, aby mohl existovat ve světě kolem sebe, neustále se s ním vyvíjet [3] .

Termín pochází z knihy Lewise CarrollaThrough the Looking-Glass “, z dialogu Alice s Černou královnou :

"U nás," řekla Alice s obtížemi popadnout dech, "když poběžíš tak rychle, jak dlouho dokážeš, určitě skončíš někde jinde."

Jak pomalá země! vykřikla královna. - No, tady, víš, musíš běžet tak rychle, jak můžeš, jen abys zůstal na stejném místě.

- překlad N. Demurová

Hypotéza je navržena tak, aby vysvětlila dva odlišné jevy: nadřazenost sexuální reprodukce na individuální úrovni a probíhající evoluční závody ve zbrojení mezi konkurenčními druhy a jejich parazity. V první (mikroevoluční) verzi hypotézy může sexuální reprodukce, která mísí geny matky a otce, umožnit nejpřizpůsobenějším potomkům zůstat v ekologickém prostoru, který druh zaujímá v ekosystému. Ve druhé (makroevoluční) verzi se předpokládá, že pravděpodobnost vyhynutí pro skupiny organismů je v rámci skupiny konstantní a mezi skupinami náhodná.

Závod ve zbrojení

Původně navržená Lee van Valenem (1973), metafora „evolučních závodů ve zbrojení“, ke které dochází, když se druhy společně vyvíjejí na sousedních trofických úrovních, byla považována za vhodnou pro popis biologických procesů, podobných závodům ve zbrojení mezi zeměmi. Na základě výzkumu Lee van Valena zjistil, že schopnost skupiny organismů přežít se v průběhu času nezlepšuje a že pravděpodobnost vyhynutí jakéhokoli druhu je náhodná a nezávisí na délce jeho existence na planetě. . Šance na přežití druhu jsou tedy nejisté [4] .

Příkladem „závodu ve zbrojení“ mezi predátorem a kořistí jsou králíci běžící rychleji než jejich rodiče a lišky běží rychleji než jejich rodiče při pronásledování králíka. Dalším příkladem je „konkurence“ mezi parazity a jejich hostiteli. Během života jednoho králíka se může vystřídat obrovské množství generací patogenních bakterií. A čím silnější bude imunita králíka, tím tvrdší bude přirozený výběr parazitů.

Biologové z Belgie , Švýcarska a Francie provedli demonstrativní experiment izolováním vajíček dafnií ( Daphnia magna ) a spór jejich parazitů, bakterií Pasteuria ramosa , z vrstev spodních sedimentů vytvořených během 30 let v malém jezírku v Belgii. Bylo odebráno osm vrstev o tloušťce 2 cm s předpokladem, že každá taková vrstva vznikla z organických sedimentů během 2–4 let, což je období, během kterého se vystřídalo 10–20 generací dafnií. Tři skupiny z každé vrstvy byly infikovány bakteriemi ze stejné, překrývající a pod ležící vrstvy. Výsledek pozorování byl plně v souladu s teorií „evolučního závodu ve zbrojení“: pouze 35 % dafnií bylo odolných vůči infekci „současnými“ parazity, 43 % bylo odolných vůči infekci parazity z překrývající pozdní vrstvy a 45 % bylo rezistentních vůči parazitům ze spodní rané vrstvy [5] .

Paradox sexu a jeho význam

Vědecký autor Matt Ridley popularizoval termín „Efekt černé královny“ tím, že jej dal do souvislosti se sexuálním výběrem ve své knize The Red Queen: Sex and the Evolution of Human Nature (1993), v ruštině přeložené jako Sex a evoluce lidské povahy (2011) .

V knize Ridley diskutoval o debatě v teoretické biologii o adaptačních výhodách sexuální reprodukce u druhů, u kterých se vyskytuje. Spojení hypotézy Černé královny s touto debatou je výsledkem skutečnosti, že populární „hypotéza Vicar of Bray“ [~2] ve 20. století prokázala adaptivní přínos sexuální reprodukce na úrovni druhu nebo skupiny, ale nevysvětlila ji na úrovni genetickou úroveň. Podle „hypotézy černé královny“ jsou organismy neustále zapojeny do „cyklického“ závodu ve zbrojení se svými parazity a sexuální reprodukce umožňuje přenos genů, které v současnosti nejsou prospěšné, ale na pozadí pravděpodobného budoucího výskytu parazitů odolných k obraně těla, mohou pomoci v boji s nimi.

V bisexuálních populacích živých bytostí muži zpravidla tvořící asi polovinu populace nemají možnost přímo zplodit potomstvo bez účasti ženského pohlaví (pokud nemají biologickou schopnost změnit pohlaví ). Některé druhy, např. lvi, mají mezi samci ve zvyku zabíjet potomstvo narozené jinému samci (podle Richarda Dawkinse jde o projev tzv. sobeckého genu , jehož cílem je pouze rozmnožování a který může jako výsledkem je potlačení reprodukce jiných genů). Kromě toho musí muži a ženy vynakládat prostředky, aby přilákali opačné pohlaví a soutěžili o něj. Sexuální výběr může také produkovat rysy, které snižují schopnost přežití druhu a jednotlivce, takže jasně zbarvené peří rajských ptáků , používané k přilákání partnera, zároveň zvyšuje pravděpodobnost, že si toho všimnou případní predátoři. Pohlavní rozmnožování tak může být velmi neefektivní z hlediska boje o existenci.

Možným vysvětlením skutečnosti, že téměř všichni obratlovci jsou dvoudomí, je to, že sex zvyšuje potenciál pro adaptaci. Za prvé, pokud dojde k prospěšné mutaci mezi jedinci, kteří se rozmnožují nepohlavně, pak neexistuje způsob, jak se tato mutace rozšířit a jedinci získat geny z jiných linií svého druhu, které by mohly vyvinout vlastní prospěšné mutace. Za druhé, zamíchá alely . Některé případy dědičné variace mohou být prospěšné pouze tehdy, když se jedna mutace spáruje s jinou mutací, a sexuální reprodukce zvyšuje pravděpodobnost, že k takové kombinaci dojde.

Aby bytosti s rozdělením pohlaví měly výhodu, je nutná neustálá změna podmínek jejich existence. Nejdůležitějším faktorem, který by to mohl způsobit, jsou neustálé závody ve zbrojení mezi parazity a jejich hostiteli. Pokud se geny potomků příliš neliší od genů rodiče, pak paraziti, kteří mají vyvinutou adaptaci na obranné mechanismy mateřského organismu, mohou snadno infikovat i jeho potomky. Pohlavní rozmnožování zajišťuje genetickou odlišnost a umožňuje hostitelskému organismu odolávat adaptaci parazita.

Curt Lively a spoluautoři provedli experimentální pozorování na rybách peciliopsis ( Poeciliopsis ) a jejich parazitech motolice , kteří způsobují bílé, jasně viditelné skvrny na těle ryb, vhodné pro analýzu stupně infekce populace. V roce 1976 přežily v důsledku vysychajícího sucha v jednom rybníku pouze tři exempláře peciliopsis, jejichž potomci, rozmnožující se nepohlavně a jako vysoce inbrední klon, následně osídlili celý rybník. Tyto ryby byly silně zamořeny motolicemi. Poté, co bylo několik samců vypuštěno do rybníka, peciliopsis přešla na pohlavní rozmnožování a nemoc téměř úplně ustoupila.

Také pro vědecké účely se uvažovalo o háďátku Caenorhabditis elegans , který se dělí na dvě pohlaví - samce a hermafrodity . Při nepohlavním rozmnožování u tohoto druhu došlo k samooplození hermafroditů, což znemožnilo genovou rekombinaci. V přírodě je podíl hlístic, které se sexuálně rozmnožují, zpravidla 1-30%. Když byl do populace periodicky zaváděn smrtící parazit-bakterie, pak během prvních deseti generací dosáhl podíl jedinců reprodukujících se pohlavně 80 %, poté opět klesl na přirozenou úroveň. Po selekci bakterií na virulenci (paraziti byli odebráni z mrtvol háďátek uhynulých během prvního dne) dosáhl podíl jedinců, kteří se sexuálně rozmnožují ve studované populaci, 80 %, poté již opět neklesal, ale po 20 generací dosáhl 90 %. První případ byl podmíněně nazýván „evolucí“ a druhý – „spoluevoluce“. Pokud byli z populace odstraněni samci a ona prošla „současnou evolucí“, pak po 20 generacích zcela vymřela [6] .

Poznámky

Komentáře
  1. V angličtině známá jako „Hypotéza červené královny“, protože barva šachových figurek z Carrollovy doby byla blízká červené. Překladatelé vždy překládají „Red Queen“ jako Černá královna, na základě tradičního ruského jména.
  2. Pojmenováno po fiktivním knězi ze 16. století, který v závislosti na preferencích druhého z nich přešel z protestantismu na katolicismus a naopak, prokázal nedostatek pevného přesvědčení, ale vynikající schopnost přizpůsobit se měnícím se podmínkám
Prameny
  1. A. Markov, E. Naimark. Vývoj. Klasické myšlenky ve světle nových objevů. - M. : AST, 2014. - S. 162.
  2. J. Maynard Smith. Evoluce sexuální reprodukce. Za. A. D. Bazykina. M.: Mir. 1981. S. 30-45.
  3. The Red Queen Principle Archived 12. května 2017 na Wayback Machine 
  4. Samoorganizovaná kritičnost v živých systémech, C. Adami, Physics Letters A,  1995
  5. Alexandr Markov. Moderní paraziti jsou nebezpečnější než ti minulí a budoucí . elementy.ru Získáno 12. srpna 2011. Archivováno z originálu dne 7. října 2011. (Zdroj: Ellen Decaestecker et al. Dynamika hostitele-parazita 'Red Queen' archivována v sedimentu rybníka // Nature. 2007. V. 450. S. 870-873)
  6. elementy.ru/ Elena Naimark Experimentálně ověřené výhody samců Archivováno 24. července 2011 na Wayback Machine (Zdroj: Levi T. Morran, Olivia G. Schmidt, Ian A. Gelarden, Raymond C. Parrish II, Curtis M. Lively. with the Red Queen: Host-Paasite Coevolution Selects for Biparental Sex // Science 2011 V 333 pp 216-218)

Odkazy