Η εύρεση των ενεργειών που αλλάζουν την εξέλιξη

Ο Μάρκους Φέλντμαν δεν σχεδίαζε ποτέ να καταλήξει στην πρώτη γραμμή της εξελικτικής βιολογίας. «Πάντα ήθελα να κάνω μαθηματικά, όσο περισσότερο μπορούσα», είπε. "Υπήρχε λίγος χρόνος όταν φλέρταρα με την ιδέα να γίνω ψυχίατρος."

Περισσότερο από οτιδήποτε άλλο, ο Feldman είναι πολυμαθής. Το γραφείο του στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, όπου είναι καθηγητής για 46 χρόνια, είναι καλυμμένο με στοίβες πάνω σε στοίβες άρθρων περιοδικών, τα περισσότερα από τα οποία ξεπερνούν το ύψος του φλυτζανιού καφέ. Κάθε στοίβα είναι αφιερωμένη σε ένα θέμα που σχετίζεται με κάποιο τρόπο με το έργο του στην εξελικτική θεωρία:την προέλευση των διαταραχών συμπεριφοράς, την επιδημιολογία της φυματίωσης, τον τρόπο με τον οποίο οι σύγχρονοι άνθρωποι υπερέβαλαν τους Νεάντερταλ.

Το άνοιγμα του Feldman σε απροσδόκητες γραμμές σκέψης του επέτρεψε να χαράξει μια αντίθετη θέση σε ένα πεδίο όπου καθιερωμένες ιδέες συνήθως κυριαρχούν στην ημέρα. Μαζί με μια ομάδα παρόμοιων ανορθόδοξων συναδέλφων, ο Feldman έχει αναπτύξει μια πρόταση που ονομάζεται εκτεταμένη εξελικτική σύνθεση (EES). Η EES υποστηρίζει ότι ενώ το υπάρχον πλαίσιο της εξελικτικής θεωρίας, γνωστό ως «μοντέρνα σύνθεση», είναι βασικά στέρεο, πρέπει να επεκταθεί ώστε να ληφθούν υπόψη οι πρόσφατα αναγνωρισμένοι οδηγοί της εξέλιξης. Ένας τέτοιος μοχλός είναι η επιγενετική - αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση που προέρχονται από την έκθεση, ας πούμε, σε φυτοφάρμακα. Αν και αυτές οι επιγενετικές αλλαγές δεν κωδικοποιούνται στα γονίδια ενός οργανισμού, προκαλούν φυσικές και συμπεριφορικές διαφορές στις οποίες μπορεί να ενεργήσει η φυσική επιλογή.

Η EES τονίζει επίσης τη σημασία της κουλτούρας και της συμπεριφοράς στην εξέλιξη. Όταν οι σκύλοι λιβαδιών κατασκευάζουν λαγούμια, για παράδειγμα, οι πιέσεις επιλογής μπορεί να αρχίσουν να ευνοούν συμπεριφορές όπως η φύλαξη λαγούμι για να κρατήσουν τα αρπακτικά έξω. Και τόσο οι άνθρωποι όσο και τα ζώα κατευθύνουν την εξέλιξή τους μέσω των κοινωνικών και πολιτιστικών περιβαλλόντων που κατασκευάζουν για τον εαυτό τους — ένα φαινόμενο που ο Feldman πιστεύει ότι δεν αντικατοπτρίζεται καλά στη σύγχρονη σύνθεση.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τον Feldman στο Στάνφορντ για το πώς τα μαθηματικά μοντέλα μπορούν να φωτίσουν την εξέλιξη, τη συμβολή του στην εκτεταμένη εξελικτική σύνθεση και τον ρόλο του στην αποκατάσταση της ανισορροπίας της αναλογίας φύλου στην Κίνα. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική έκδοση της συνομιλίας.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Όταν ήσασταν νέος στην Αυστραλία, θα είχατε ποτέ φανταστεί την καριέρα σας να εξελίσσεται με τον τρόπο που έχει;

MARCUS FELDMAN:Όχι! Πήγα να δουλέψω στη Μελβούρνη όταν η IBM άνοιξε τα γραφεία της. Δεν μου άρεσε να δουλεύω για την IBM, γι' αυτό προσπάθησα να κάνω μεταπτυχιακό στα μαθηματικά και τη στατιστική στο Πανεπιστήμιο Monash, το οποίο φυσικά περιλάμβανε μια τεράστια περικοπή στους μισθούς. Ήμουν τυχερός που ο σύμβουλός μου είχε μόλις επιστρέψει από την Αμερική. Με εισήγαγε στη χρήση των μαθηματικών σε γενετικά προβλήματα. Δεν είχα κάνει ποτέ μάθημα βιολογίας στη ζωή μου, αλλά άρχισα να δουλεύω πάνω σε αυτήν την κατηγορία προβλημάτων.

Τα δύο πρώτα χρόνια του διδακτορικού μου. στο Στάνφορντ, δεν είχα κάνει ακόμα βιολογία. Αλλά με ενδιέφεραν τόσο πολύ μερικά από τα προβλήματα που δούλευα, που αποφάσισα να παρακολουθήσω κάποια μαθήματα. Βυθίστηκα στην εφαρμογή των μαθηματικών σε ερωτήσεις γενετικής. Από τότε, απλώς προσπαθούσε να επισημοποιήσει με μαθηματικούς όρους τα είδη των ερωτήσεων που θα έκαναν οι βιολόγοι.

Έχετε μπει στο τμήμα βιολογίας του Στάνφορντ ως μέλος ΔΕΠ το 1971. Τι συνέβη μετά από αυτό;

Πολύ σύντομα μετά την άφιξή μου, συνάντησα έναν διάσημο γενετιστή, τον Luigi Luca Cavalli-Sforza. Είναι αυτό που αποκαλώ ο τέλειος άνθρωπος της Αναγέννησης. Ενδιαφερόταν για τις στατιστικές της ανθρώπινης γενετικής και πολιτισμικής ποικιλότητας - γιατί διαφορετικοί άνθρωποι σε διαφορετικά μέρη του κόσμου συμπεριφέρονται διαφορετικά, έχουν διαφορετικούς κανόνες στις κοινωνίες τους και ήταν γενετικά διαφορετικοί μεταξύ τους. Αυτός και εγώ το χτυπήσαμε αμέσως.

Το πρώτο πράγμα που κάναμε ήταν να αναπτύξουμε μαθηματικά μοντέλα για να περιγράψουμε τις πολιτισμικές διαφορές. Τι θα συνέβαινε με το παλιό στυλ της γενετικής εξέλιξης εάν υπήρχαν επίσης πολιτισμικοί παράγοντες που επηρέαζαν το τι συνέβαινε στα γονίδια στους πληθυσμούς; Για παράδειγμα, IQ — εάν συνέβαινε να υπάρχουν γενετικές συνεισφορές στο IQ, αλλά και πολιτισμικά καθορισμένες συνεισφορές στο IQ, πώς θα συνδυάζατε αυτά τα δύο σε ένα δυναμικό σύστημα;

Πώς αποκαλύπτουν αυτά τα μοντέλα πώς λαμβάνει χώρα η εξέλιξη;

Ένα από τα ωραία πράγματα με τα μοντέλα είναι ότι μπορείτε να ρωτήσετε ποιες συνθήκες πρέπει να αλλάξουν για να αλλάξουν τα αποτελέσματα. Όπως λέει ο Murray Gell-Mann, τα μοντέλα είναι προσθετικά για τη φαντασία. Σας βοηθούν να σκεφτείτε τρόπους με τους οποίους μπορείτε να ερμηνεύσετε δεδομένα, ακόμη και περίπλοκα δεδομένα.

Εάν σκέφτεστε τη χρήση του γάλακτος, τα γαλακτοκομικά από μόνα τους μεταδίδονται πολιτισμικά. Αλλά υπάρχει ένα γονίδιο που ονομάζεται γονίδιο επιμονής στη λακτάση, το οποίο επιτρέπει σε μερικούς ανθρώπους να αφομοιώσουν το γάλα. Ας υποθέσουμε ότι οι άνθρωποι που πίνουν γάλα λαμβάνουν αρκετή επιπλέον πρωτεΐνη ώστε να μπορούν να επιβιώσουν καλύτερα. Εάν τα ίδια άτομα μαθαίνουν από κάποιον να χρησιμοποιούν αγελάδες για να πάρουν γάλα, οποιοδήποτε γονίδιο που σας επιτρέπει να πίνετε περισσότερο γάλα χωρίς να αρρωστήσετε θα έχει ένα πλεονέκτημα στην περίπτωση που οι αγελάδες χρησιμοποιούνται για άρμεγμα.

Αν δεν υπήρχαν οι αγελάδες, αυτό το γονίδιο δεν θα είχε κανένα απολύτως πλεονέκτημα. Η χρήση των αγελάδων για την παραγωγή γάλακτος δεν αποτελεί μέρος της γενετικής σας. είναι μέρος του πολιτισμού σας. Η εξάπλωση αυτής της καλλιέργειας είχε ως αποτέλεσμα τη διάδοση του γονιδίου επιμονής στη λακτάση.

Άλλα πολιτιστικά πράγματα έχουν τεράστιες επιπτώσεις σε άλλους οργανισμούς, όχι μόνο σε εμάς. Σκέφτομαι την περίοδο που όλοι χρησιμοποιούσαν αντιβιοτικά — πήγατε το παιδί στο γιατρό, είχατε πονόλαιμο, θα έπαιρνα αντιβιοτικό. Εμείς οι άνθρωποι είχαμε τεράστια επίδραση στην ανάπτυξη της αντοχής στα αντιβιοτικά. Είναι μια ξεκάθαρη προβλέψιμη συνέπεια της εξέλιξης. Εάν υπάρχουν ανθεκτικά γονίδια εκεί, θα πετύχουν.

Ο πολιτισμός άλλαξε την εξελικτική πορεία των ανθρώπων και στο μακρινό παρελθόν;

Μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα μοντέλο για τη μετακίνηση των σύγχρονων ανθρώπων από την Αφρική στην Ευρασία και τον ανταγωνισμό που θα έχουν με τους Νεάντερταλ που ήταν ήδη εκεί. Το διατυπώσαμε σαν διάχυση. Έχετε αυτούς τους ανθρώπους που διαχέονται σε όλη την ήπειρο και μέσα στον πληθυσμό υπάρχει ένα επίπεδο πολιτισμού που θα μπορούσε να είναι πιο προηγμένο από αυτό των κατοίκων. Το ερώτημα που καταλήξαμε είναι:Θα μπορούσε ένας μικρότερος πληθυσμός με πολύ πολιτισμό να ξεπεράσει έναν μεγαλύτερο πληθυσμό που δεν είχε πολύ πολιτισμό;

Διαπιστώσαμε ότι ένας μικρότερος αριθμός ανθρώπων θα μπορούσε να εισβάλει σε έναν πληθυσμό που είναι πολύ μεγαλύτερος εάν είχαν μια αρκετά ανεπτυγμένη κουλτούρα. Ο τρόπος με τον οποίο αυξήθηκαν οι πληθυσμοί εξαρτιόταν από το επίπεδο πολιτισμού. Αυτή η ομάδα που είχε την περισσότερη κουλτούρα - οι σύγχρονοι άνθρωποι - θα ήταν η νικήτρια.

Κατά την άποψή σας, ποιες είναι μερικές από τις αδυναμίες του κλασικού μοντέλου της εξέλιξης — της λεγόμενης «μοντέρνας σύνθεσης»;

Η σύγχρονη σύνθεση αναπτύχθηκε στις δεκαετίες του 1930 και του 1940 και βασικά είχε τελειώσει μέχρι τη δεκαετία του 1950. Εκείνη την εποχή, λίγα ήταν γνωστά για τη μοριακή βιολογία της ανάπτυξης - πώς αυτό που συμβαίνει στην ίδια τη διαδικασία ανάπτυξης επηρεάζει το τι μπορεί να συμβεί στην εξελικτική τροχιά των κυττάρων και των οργανισμών. Αν και ορισμένοι από τους δημιουργούς του ενδιαφέρονταν για τη συμπεριφορά, πολλοί ήταν εμποτισμένοι με την ευγονική παράδοση. Θα πίστευαν ότι η πλειονότητα των συμπεριφορών καθοριζόταν από τα γονίδια. Η συμπερίληψη άλλων μορφών κληρονομικότητας αλλάζει εντελώς την εξελικτική δυναμική.

Ποια ήταν η συμμετοχή σας στα πρώτα στάδια του EES;

Οι συνάδελφοί μου και εγώ ξεκινήσαμε να κατασκευάζουμε τα πρώτα ποσοτικά μοντέλα για την «κατασκευή εξειδικευμένων θέσεων», η οποία είναι μια ιδέα που υπήρχε γύρω, αλλά περιφερειακά, από γραπτά του εξελικτικού βιολόγου Richard Lewontin. Αυτό που είχε προτείνει ο Lewontin ήταν ότι τα άτομα δεν αντιδρούν μόνο στο περιβάλλον τους, αλλά στην πραγματικότητα συμβάλλουν στη δημιουργία τους. Αντί να λύνουν προβλήματα, κατασκευάζουν το περιβάλλον, στο οποίο στη συνέχεια πρέπει να υπάρχουν και οι απόγονοί τους πρέπει να υπάρχουν στο περιβάλλον που άλλαξαν. Οι άνθρωποι το κάνουν συνέχεια, αλλά το κάνουν και άλλοι οργανισμοί. Το κλασικό παράδειγμα είναι τα φράγματα που κατασκευάζονται από κάστορες. αλλάζει το περιβάλλον για τα πάντα γύρω. Έχετε κάστορες που έχουν απογόνους που πρόκειται να ζήσουν στα φράγματα που έχτισαν οι γονείς και οι παππούδες τους. Μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά των επόμενων γενεών.

Και ορισμένες από αυτές τις περιβαλλοντικές αλλαγές μπορεί να επηρεάσουν ποια χαρακτηριστικά προσδίδουν φυσική κατάσταση;

Ναι ακριβώς. Αφού γράψαμε ένα βιβλίο για την κατασκευή εξειδικευμένων θέσεων, άρχισα να σκέφτομαι πώς θα λειτουργούσε η πολιτιστική εξέλιξη και το έργο κατασκευής εξειδικευμένων θέσεων. Όταν είσαι επιστήμονας και εργάζεσαι σε πολλά διαφορετικά πράγματα, δεν μπορείς να τα διαχωρίσεις – οι σκέψεις διασταυρώνονται. Ήταν φυσικό να πιστεύουμε ότι αυτό ήταν μια επέκταση της εξελικτικής σύνθεσης.

Σε ένα σχόλιο στο Nature, εσείς και οι συν-συγγραφείς σας γράψατε, «Πιστεύουμε ότι οι οργανισμοί κατασκευάζονται στην ανάπτυξη, όχι απλώς «προγραμματισμένοι» να αναπτύσσονται από τα γονίδια». Τι σημαίνει "κατασκευασμένο στην ανάπτυξη";

Σημαίνει ότι υπάρχει μια αλληλεπίδραση μεταξύ του θέματος και του περιβάλλοντος. Η ιδέα ενός γενετικού σχεδίου δεν είναι βάσιμη υπό το πρίσμα όλων όσων είναι τώρα γνωστά για το πώς όλα τα είδη περιβαλλοντικών απρόβλεπτων επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά. Για πολλά ζώα είναι έτσι. Ακόμη και τα φυτά — το ίδιο φυτό που είναι γενετικά πανομοιότυπο, αν το βάλετε σε αυτό το περιβάλλον, θα φαίνεται εντελώς διαφορετικό από το αν το βάλετε σε αυτό το περιβάλλον.

Τώρα έχουμε μια καλύτερη εικόνα της ρυθμιστικής διαδικασίας για τα γονίδια. Η επιγενετική αλλάζει το τοπίο στη γενετική επειδή δεν είναι μόνο η καθαρή αλληλουχία DNA που επηρεάζει το τι συμβαίνει στο επίπεδο των πρωτεϊνών και των ενζύμων. Υπάρχει όλο αυτό το άλλο υλικό, το άλλο 95 τοις εκατό του γονιδιώματος, που λειτουργεί σαν ρεοστάτες - σύρετε αυτό το πράγμα πάνω-κάτω, παίρνετε περισσότερο ή λιγότερο από αυτήν την πρωτεΐνη. Είναι ένα κρίσιμο πράγμα στο πόση από αυτή την πρωτεΐνη πρόκειται να παραχθεί. Είναι ενδιαφέρον να σκεφτούμε τον τρόπο με τον οποίο τα πολιτισμικά φαινόμενα, τα οποία παλαιότερα πιστεύαμε ότι ήταν πράγματα από μόνα τους, μπορούν να έχουν αυτήν την επίδραση στο πόσο αγγελιοφόρος RNA παράγεται, και επομένως σε πολλές πτυχές της γονιδιακής ρύθμισης.

Πώς μπορούν αυτές οι επιγενετικές αλλαγές να επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά στα οποία μπορεί να δράσει η φυσική επιλογή — και επομένως τη μελλοντική πορεία της εξέλιξης;

Μόλις υποβάλαμε μια εργασία σχετικά με την επιγενετική συμβολή στη μακροζωία σε κυνηγούς-τροφοσυλλέκτες. Υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις σημαντικών συσχετίσεων μεταξύ του επιπέδου μεθυλίωσης [που επηρεάζει την έντονη έκφραση των γονιδίων σας] και των χαρακτηριστικών του περιβάλλοντός σας, όπως η διατροφή, το άγχος και η φτώχεια.

Εάν αυτά τα πράγματα μεταδοθούν πολιτισμικά, αυτές οι επιπτώσεις στην εξέλιξη θα είναι πιο μακροπρόθεσμες. Οι απλές ιδέες για τους τρόπους με τους οποίους σχηματίζονται τα χαρακτηριστικά θα πεταχτούν από το παράθυρο.

Το EES έχει δεχθεί απώθηση από πολλούς βιολόγους που πιστεύουν ότι πράγματα όπως η πολιτιστική εξέλιξη και η κατασκευή εξειδικευμένων θέσεων έχουν ήδη ληφθεί υπόψη στην εξελικτική θεωρία και ότι επομένως η EES είναι περιττή. Πώς απαντάτε;

Δεν νομίζω ότι υπολογίζονται. Δεν μπορείτε να προβλέψετε, χρησιμοποιώντας την παλιά θεωρία, ποια είναι πιθανό να είναι η επίδραση αυτών των πρόσφατα σημαντικών φαινομένων στην εξέλιξη. Δεν ταιριάζουν στο πλαίσιο όλων των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν για να γίνουν αυτές οι αρχικές προβλέψεις.

Οι άνθρωποι που φτιάχνουν μοντέλα όπως εγώ για να ζήσουν δεν πιστεύουν ότι περιγράφουν την πραγματικότητα. Δεν λέμε ότι το μοντέλο μας είναι πιο πιθανό από ένα άλλο μοντέλο. λέμε ότι εκθέτει ό,τι είναι δυνατό. Το EES περιλαμβάνει περισσότερα από αυτά τα φαινόμενα, τα οποία τώρα μπορούμε να χειριστούμε καλύτερα βιολογικά, στο να σκεφτόμαστε την εξέλιξη.

Έχετε εξετάσει την ανισορροπία στην αναλογία των φύλων στην Κίνα και τις πιθανές μακροπρόθεσμες συνέπειες που θα μπορούσε να έχει αυτή η ανισορροπία. Πώς το υπόβαθρό σας στην εξέλιξη και τη μοντελοποίηση ενημέρωσε αυτήν την έρευνα;

Η πρώτη εργασία που γράψαμε για αυτό αφορούσε πραγματικά τη γενετική. Η ιδέα ήταν να χρησιμοποιήσουμε την τυπική ιδέα του φύλου που καθορίζεται από τα φυλετικά χρωμοσώματα — XX για τα θηλυκά και XY για τα αρσενικά — και να ρωτήσουμε τι θα συνέβαινε εάν η καλλιέργεια επηρέαζε τους διαφορετικούς αριθμούς κάθε παραγόμενου προϊόντος. Ένας από τους συναδέλφους μου στην Κίνα είδε αυτά τα πράγματα. Είπε, «Ας μιλήσουμε για την προτίμηση του γιου στην αναλογία φύλου». Έτσι αρχίσαμε να φτιάχνουμε μοντέλα για μια πολιτιστική προτίμηση για γιους, μια προτίμηση που μπορούσε να μαθευτεί και ως εκ τούτου να μεταδοθεί. Φτιάξαμε μοντέλα όπου ένα δεδομένο ζευγάρι αποφασίζει ότι θα προτιμούσε να κάνει γιους και θα μεταδώσει αυτή την προτίμηση στα παιδιά του.

Αυτό που μπορέσαμε να κάνουμε ήταν να κάνουμε μια προβολή του τι θα συνέβαινε στην Κίνα αν συνέχιζαν σε αυτό το μονοπάτι. Πραγματικά μπορέσαμε να δημοσιεύσουμε πολλά πράγματα, κάποια πράγματα που μπορεί να είχαν επηρεάσει την κυβερνητική πολιτική. Η κυβέρνηση επιτέλους ξύπνησε και είδε ότι όχι μόνο είχε άσχημη επίδραση στις γυναίκες, αλλά επρόκειτο να επηρεάσει την οικονομία επειδή ο αριθμός των γάμων μειώνονταν. Έχετε αυτούς τους 30, 40 εκατομμύρια άνδρες που δεν μπορούν να βρουν γυναίκες και η μακροπρόθεσμη προοπτική για την αγορά εργασίας και την κοινωνική ασφάλιση δεν ήταν ελπιδοφόρα.

Πώς πιστεύετε ότι το EES θα αλλάξει την κατεύθυνση της έρευνας στη βιολογία;

Νομίζω ότι είναι λίγο δύσκολο να το πω ακόμα. Έχουμε ακόμα - θα βάλω το μαθηματικό μου καπέλο - πολύ λίγα μοντέλα για το πώς αλληλεπιδρούν η ανάπτυξη και η εξέλιξη. Βασίζονται σε μοντέλα της δεκαετίας του 1920. Αυτό πρέπει να αλλάξει, κατά την άποψή μου. Έχουμε πολύ λίγα μοντέλα που ενσωματώνουν τη γονιδιακή ρύθμιση και τη γονιδιακή εξέλιξη. είναι πραγματικά αρκετά περιορισμένο σε εύρος.

Είμαι πάντα ενθουσιασμένος που το θέμα γίνεται πιο σύνθετο. Σημαίνει ότι υπάρχει όλο και περισσότερος χώρος για τους ανθρώπους που είναι καλά εκπαιδευμένοι ποσοτικά. Είναι λίγο εγωιστικό, αλλά εδώ είσαι.