Γιατί δεν μπορούν να αναπαραχθούν οι εργάτριες μέλισσες;
Οι εργάτριες μέλισσες έχασαν την ικανότητά τους να αναπαραχθούν επειδή μοιράζονται περισσότερο DNA με τις αδερφές τους παρά με τα παιδιά τους.
Το 1831, ο Κάρολος Δαρβίνος ξεκίνησε το θρυλικό του ταξίδι στα νησιά Γκαλαπάγκος με το HMS Beagle για να ξεφύγει από τη βαρετή ζωή του ως αποτυχημένος γιατρός. Σε εκείνο το ταξίδι, βίωσε μια από τις πιο σημαντικές πνευματικές επιφάνειες στην ανθρώπινη ιστορία – άρχισε να συλλαμβάνει τη θεωρία του για τη φυσική επιλογή . Ένας άλλος άνδρας, ο Άλφρεντ Ράσελ Γουάλας, έπεσε πάνω σε παρόμοια θεοφάνεια στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου, ενώ συνέλεγε εξωτικά είδη πουλιών. Αυτοί οι δύο άντρες έθεσαν τα πρώτα θεμέλια της εξέλιξης και της φυσικής επιλογής όπως τα γνωρίζουμε σήμερα.
Ωστόσο, υπήρχε ένα μικροσκοπικό σφάλμα σε αυτή την σχεδόν τέλεια ιστορία. Ο Δαρβίνος δεν μπορούσε να καταλάβει γιατί σε ορισμένα ζώα, όπως οι μέλισσες, μόνο ένα θηλυκό μπορούσε να αναπαραχθεί, ενώ όλα τα άλλα ήταν στείρα. Ο Δαρβίνος απέτυχε να λύσει αυτό το πρόβλημα στη διάρκεια της ζωής του, και στην πραγματικότητα, χρειάστηκαν πολλά ακόμη χρόνια και πολλές γενναίες προσπάθειες για να καταλήξει τελικά σε μια ικανοποιητική απάντηση.
Οι εργάτριες μέλισσες δεν μπορούν να αναπαραχθούν. Καθήκον τους είναι να μεγαλώνουν τα μικρά, να βρίσκουν γύρη και να συντηρούν την κυψέλη. (Photo Credit :Diyana Dimitrova/ Shutterstock)
Αναπαραγωγική ικανότητα και ζευγάρωμα
Στον φυσικό κόσμο, η αναπαραγωγή είναι σημαντική. Τα ζωντανά όντα διεξάγουν πόλεμο μόνο και μόνο για να προσελκύσουν το αντίθετο φύλο, καθώς ο απώτερος στόχος είναι να περάσει όσο το δυνατόν περισσότερο το γονιδίωμά του στην επόμενη γενιά. Για να επιτευχθεί αυτό, τα ζώα εργάζονται για να αποδείξουν ότι το DNA τους είναι ανώτερο και πρέπει να διαιωνίζεται.
Δαρβινική γυμναστική
Δεδομένου ότι τα φυτά και (τα περισσότερα) ζώα δεν διαθέτουν μικροσκόπια ή την πολυτέλεια της εκτέλεσης αλληλουχίας DNA, έχουν χρησιμοποιηθεί άλλες παρατηρήσιμες στρατηγικές. Υπάρχουν επιδεικτικά χρώματα, περίτεχνοι χοροί, μεγάλοι μύες, αρωματοποιία και δυνατοί, εκκωφαντικοί βρυχηθμοί. Όλα αυτά γίνονται στη μεγάλη επιδίωξη να διαδοθούν όσο το δυνατόν περισσότερα από τα γονίδιά τους στην επόμενη γενιά. Αυτό αποκαλούν οι εξελικτικοί βιολόγοι Δαρβινική φυσική κατάσταση , σχετική φυσική κατάσταση ή αναπαραγωγική ικανότητα (αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά).
Η σχετική ικανότητα ορίζεται επίσημα ως η σχετική πιθανότητα να αναπαραχθεί ένα κληρονομικό χαρακτηριστικό. Με πιο απλά λόγια, είναι η πιθανότητα να μεταδοθεί ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Γενετικά μιλώντας, είναι η πιθανότητα να εκφραστεί ένα αλληλόμορφο γονίδιο στις μελλοντικές γενιές. Στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, η φυσική επιλογή μπορεί να θεωρηθεί ως η διαδικασία με την οποία τα γονίδια μπορούν να επιβιώσουν και να ευδοκιμήσουν με επιτυχία.
Συμπεριληπτική θεωρία φυσικής κατάστασης
Η διανομή του μεγαλύτερου αριθμού των γονιδίων σας στον πληθυσμό μπορεί να γίνει με έναν από τους δύο τρόπους—μεμονωμένα, έχοντας πολλούς απογόνους ή αλτρουιστικά, αυξάνοντας τις πιθανότητες ένα μέλος της οικογένειας που μοιράζεται μέρος του DNA σας να έχει πολλούς απογόνους. Με άλλα λόγια, μπορείτε είτε να αυξήσετε τη δική σας φυσική κατάσταση είτε να αυξήσετε τη φυσική κατάσταση των συγγενών σας. Αυτό ονομάζεται συμπεριληπτική θεωρία φυσικής κατάστασης.
Για να το εξηγήσουμε περαιτέρω, θα χρησιμοποιήσουμε μια αναλογία από το J.B.S. Haldane, ο διάσημος γενετιστής και βιοχημικός. Η ιστορία λέει ότι ο Haldane κάποτε καθόταν με έναν μεταπτυχιακό φοιτητή του σε ένα μπαρ όταν τον χτύπησε μια σκέψη. Ο Haldane έκανε μερικούς γρήγορους υπολογισμούς και δήλωσε ότι, αν μόνο ένας ή δύο από τους αδερφούς του πνίγονταν σε ένα ποτάμι, δεν θα έκανε τον κόπο να τους σώσει, αλλά εάν περισσότεροι από δύο πνίγονταν, θα ρίσκαρε τη ζωή του για να τους σώσει. Αυτή η ιστορία μπορεί να είναι ή να μην είναι αληθινή, και υπάρχουν διάφορες εκδοχές της ιστορίας, αλλά απεικονίζει μια βασική ιδέα.
Μοιράζεστε το 100% (1,0) του DNA σας με τον εαυτό σας. Όταν αναπαράγετε, κάθε απόγονός σας θα λάβει το 50% (0,5) αυτού του DNA. Όσο περισσότερους απογόνους έχετε, τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό του DNA σας που εισέρχεται στη γονιδιακή δεξαμενή. Με τα αδέρφια σας, μοιράζεστε το 50% (0,5) του DNA σας και το 25% (0,25) του με οποιονδήποτε ανιψιό ή ανιψιό σας. Επομένως, η φροντίδα ενός αδερφού ή 2 ανιψιών είναι φαινομενικά το ίδιο με το να φροντίζεις ένα από τα δικά σου παιδιά!
Επομένως, η εξοικονόμηση 1 αδερφού (0,5×1=0,5) ή 3 ανιψιών/ανιψιών (0,25×3=0,75) είναι μικρότερη από 1,0, επομένως θα χάσετε μέρος του γονιδιώματός σας εάν τους σώσετε σε βάρος της ίδιας σας της ζωής. Ωστόσο, αν πνίγονται 3 αδέρφια, θα άξιζε να τα σώσετε, καθώς θα έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να διαδώσουν το DNA σας στους απογόνους τους (0,5×3=1,50). Παρόμοιοι υπολογισμοί θα κατέληγαν στο ίδιο συμπέρασμα για 5 ανίψια/ανιψιές (προχωρήστε, επεξεργαστείτε το μόνοι σας).
| Εγωισμός | Αλτρουισμός |
| Εσείς στην όχθη του ποταμού =100% ή 1 1 αδελφός πνιγμός =50% ή 1/2 Μην επιχειρήσετε να αποθηκεύσετε | Εσείς στην όχθη του ποταμού =100% ή 1 3 αδερφοί πνιγμοί =150% ή 3/2 Προσπάθεια αποθήκευσης |
| Εσείς στην όχθη του ποταμού =100% ή 1 3 ανιψιοί πνίγονται =75% ή 3/4 Μην επιχειρήσετε να αποθηκεύσετε | Εσείς στην όχθη του ποταμού =100% ή 1 5 ανιψιοί πνίγονται =125% ή 5/4 Προσπάθεια αποθήκευσης |
Πίνακας αναπαράστασης της αναλογίας του Haldane.
Ο Haldane είπε κάτι σχετικά με αυτό σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο πλέον ανενεργό περιοδικό Penguin New Biology το 1953.
Αν και αυτό το διαφωτισμένο μέρος του μυστηρίου που περιβάλλει την περίεργη αναπαραγωγή κοινωνικών εντόμων, δεν έδωσε μια πλήρη και απόλυτα ικανοποιητική επιστημονική απάντηση για το γιατί οι εργάτριες μέλισσες ήταν στείρες. Τουλάχιστον, δεν διευκρινίστηκε έως ότου ο W.D. Hamilton μπήκε στη σκηνή.
Ο W.D. Hamilton ήταν Βρετανός εξελικτικός βιολόγος και γενετιστής που έκανε μια από τις πιο σημαντικές προόδους στην εξελικτική βιολογία. Το 1964, ο Hamilton δημοσίευσε μια εύστοχη και σχετικά μαθηματική εργασία (τουλάχιστον για την εξελικτική βιολογία εκείνη την εποχή) με τίτλο «The Genetical Evolution of Social Behaviour». Αυτή η εργασία, παρά την έλλειψη ευγλωττίας της, έλυσε το αίνιγμα του Δαρβίνου τόσο μαθηματικά όσο και κομψά.
Η λύση:Ο κανόνας του Χάμιλτον
Κανόνας του Χάμιλτον.
Η παραπάνω εικόνα δείχνει τον κανόνα του Hamilton και τον μαθηματικό τύπο σε απλοποιημένη μορφή.
Ο κανόνας του Hamilton δηλώνει απλώς ότι μια συγκεκριμένη κοινωνική συμπεριφορά θα ευνοηθεί εάν b, το όφελος για τον αποδέκτη (όσον αφορά την αναπαραγωγική ικανότητα), είναι μεγαλύτερο από c , το κόστος που επιβαρύνει τον δότη (όσον αφορά την αναπαραγωγική ικανότητα). Μαθηματικά, αυτό μπορεί να εκφραστεί ως rb> γ, όπου r είναι ο συντελεστής συγγένειας που μετρά τη στατιστική σχέση μεταξύ των γονιδίων του δότη και των γονιδίων του λήπτη.
Πώς μας λέει κάτι ο κανόνας του Χάμιλτον για τα κοινωνικά έντομα και τις στείρες εργάτριες μέλισσες;
Πριν εξηγήσουμε πώς ο κανόνας του Hamilton εξηγεί τη στειρότητα των εργατών μελισσών, πρέπει να ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στην αναπαραγωγή των μελισσών και την κατανομή του γενετικού υλικού μεταξύ των αρσενικών και θηλυκών γαμετών.
Στον άνθρωπο, υπάρχει μια απλή μείωση κατά το ήμισυ του γενετικού υλικού, 23 χρωμοσώματα από το θηλυκό και 23 χρωμοσώματα από το αρσενικό. Αυτό δεν συμβαίνει στις μέλισσες, καθώς είναι απλοδιπλοειδείς πλάσματα, που σημαίνει ότι το θηλυκό έχει 2n χρωμοσώματα, αλλά το αρσενικό έχει μόνο n (μισά) χρωμοσώματα. Αυτό αλλάζει τη συγγένεια που θα έχει κάθε απόγονος μεταξύ τους και με τους γονείς τους.
Απλοδιπλοειδία στις μέλισσες.
Οι κόρες έχουν συγγένεια με τη μητέρα τους μόνο από το r =½, αλλά επειδή τα αρσενικά συνεισφέρουν ολόκληρο το γονιδίωμά τους στους απογόνους, οι κόρες σχετίζονται με τους πατέρες τους κατά r =1. Επομένως, ο τρόπος με τον οποίο τα αδέρφια συνδέονται μεταξύ τους μπορεί να εκφραστεί ως:r =1+1/2=3/4.
Δεδομένου ότι οι εργάτριες θα σχετίζονταν με τους απογόνους τους μόνο από το r =½, το όφελος από την εκτροφή των απογόνων τους και την αύξηση της αναπαραγωγικής ικανότητας της βασίλισσας είναι μεγαλύτερο από το κόστος. Μια εργάτρια βοηθά στην ίδρυση του δικού της γονιδιώματος στη γονιδιακή δεξαμενή καλύτερα, καθώς μοιράζεται περισσότερο DNA με τον αδερφό της από ό,τι θα έκανε με τους απογόνους της.
Ενώ ο κανόνας του Χάμιλτον φαίνεται λίγο πολύ απλός για την πολυπλοκότητα της εξελικτικής βιολογίας, ορισμένες από τις αποχρώσεις είναι ακόμα υπό συζήτηση. Η ιδέα της εφαρμογής του κανόνα του Χάμιλτον σε πιο περίπλοκες καταστάσεις και ζωικές κοινωνίες (εκτός από τα απλοδιπλοειδή έντομα) είναι περίπλοκη και εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλη συζήτηση σχετικά με τη χρησιμότητά του στη μελέτη της κοινωνικής εξέλιξης.
Επιπλέον, καθώς οι επιστήμονες ερευνούν τη μοριακή λειτουργία της εξέλιξης των στείρων μελισσών (και άλλων τέτοιων κοινωνικών εντόμων), υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι μπορεί να λείπουν πολλά περισσότερα κομμάτια στο παζλ. Ακόμα κι έτσι, αυτό δεν μειώνει τη σημασία του κανόνα του Χάμιλτον, ο οποίος βρίσκεται στη μαθηματική του βάση, επιτρέποντάς του να χρησιμεύσει ως πλαίσιο για μελλοντική έρευνα εντός της εξελικτικής επιστήμης.
