Πώς η ουδέτερη θεωρία άλλαξε τις ιδέες για τη βιοποικιλότητα

Αν είχατε τολμήσει στις ζούγκλες της επαρχίας Φουτζιάν της Κίνας στις αρχές του 20ου αιώνα, διάφορες μαρτυρίες λένε ότι θα μπορούσατε να έχετε δει ένα εκπληκτικά απροσδόκητο ζώο:μια μπλε τίγρη. Αυτές οι τίγρεις περιγράφηκαν ως «υπέροχα όμορφες» με σώματα «μια βαθιά απόχρωση του μαλτέζικου, που μετατρέπεται σε σχεδόν βαθύ μπλε στα κάτω μέρη». Ήδη από τη δεκαετία του 1950, οι κυνηγοί ανέφεραν ότι εντόπισαν τις μπλε τρίχες τους δίπλα στην παραδοσιακή πορτοκαλί γούνα άλλων τίγρεων της Νότιας Κίνας σε μονοπάτια.

Τότε οι μπλε τίγρεις εξαφανίστηκαν. Η τελευταία αναφερόμενη παρατήρηση ήταν το 1953 και οι μπλε τίγρεις έγιναν σύντομα θρύλοι, με όχι τόσο διατηρημένο δέρμα για να αποδείξουν ότι υπήρξαν ποτέ.

Είναι δελεαστικό να πιστεύουμε ότι το μπλε των γατών ήταν συνδεδεμένο με κάποιο ελάττωμα που τις άφηνε ανίκανες να ανταγωνιστούν με τους λαμπερούς πορτοκαλί συγγενείς τους. Αλλά είναι πιο πιθανό τα περίεργα παλτά τους να μην έχουν καμία σχέση με την εξαφάνισή τους. Ήταν απλώς κακή τύχη που το χρώμα προέκυψε σε έναν μικρό πληθυσμό που συνέχισε να συρρικνώνεται.

Αυτό το είδος τυχαίας εξέλιξης είναι η αρμοδιότητα της ουδέτερης θεωρίας, της ιστορικά αμφιλεγόμενης ιδέας ότι η «επιβίωση του ισχυρότερου» δεν είναι ο μόνος, ή ακόμη και ο πιο συνηθισμένος, τρόπος με τον οποίο τα είδη αλλάζουν, χωρίζονται ή εξαφανίζονται. Όσο απλή και αν ακούγεται η πρόταση, οι συνέπειές της για τη γενετική, την εξέλιξη, την οικολογία και ακόμη και τους κλάδους εκτός της βιολογίας ήταν σαρωτικές.

Όχι και τόσο ουδέτερη θεωρία

Η τυχαία αύξηση ή πτώση των παραλλαγών γονιδίων σε έναν πληθυσμό είναι γνωστή ως γενετική μετατόπιση. Σήμερα είναι αποδεκτό ως βασικός μοχλός εξέλιξης και διαφορετικότητας, αλλά αυτό δεν συνέβαινε πάντα. Μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι βιολόγοι απέδιδαν γενικά όλες τις παραλλαγές σε επιλεκτικές δυνάμεις:τα επιβλαβή χαρακτηριστικά εμπόδιζαν την αναπαραγωγή ενός ατόμου, διασφαλίζοντας ότι με την πάροδο του χρόνου, τα χαρακτηριστικά θα εξαφανίζονταν (αρνητική ή εξαγνιστική επιλογή). Αντίθετα, τα βοηθητικά χαρακτηριστικά ενίσχυσαν τον αριθμό των απογόνων που είχε ένα άτομο και αύξησαν τον επιπολασμό τους (θετική επιλογή) — όλα όπως προβλέφθηκαν από την αρχή της φυσικής επιλογής του Charles Darwin και του Alfred Russel Wallace.

Στη συνέχεια, οι μελέτες αλληλουχίας σε πρωτεΐνες αποκάλυψαν πολύ μεγαλύτερη γενετική διαφοροποίηση στους πληθυσμούς από ό,τι αναμενόταν. Η ιδέα ότι η επιλογή ενεργούσε σε όλα αυτά τα γονίδια ταυτόχρονα, ζύγιζε τα αποτελέσματά τους και επιλέγοντας ποια θα έπρεπε να μείνουν ή να φύγουν, δεν ταίριαζε σε ορισμένους επιστήμονες.

Το 1968, ο διάσημος γενετιστής Motoo Kimura πρότεινε μια εναλλακτική εξήγηση, που τώρα ονομάζεται ουδέτερη θεωρία. Ο Kimura υποστήριξε ότι οι περισσότερες από τις διαφορές μεταξύ των οργανισμών δεν είναι ούτε πλεονεκτική ούτε μειονεκτική. Κατά συνέπεια, το μεγαλύτερο μέρος της ποικιλίας που βλέπουμε δεν είναι προϊόν του κρυφού χεριού της επιλογής αλλά μάλλον της τύχης. «Το μόνο που χρειάζεστε είναι κάποια εισροή παραλλαγής και οι τυχαίες δυνάμεις θα κάνουν τα υπόλοιπα», είπε ο Armand Leroi, εξελικτικός βιολόγος στο Imperial College του Λονδίνου.

Η ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης του Kimura πυροδότησε συζητήσεις επειδή φαινόταν να μειώνει την επιρροή της επιλογής. Αλλά η επανάσταση της γονιδιωματικής στα τέλη του 20ου αιώνα και η ευρέως διαδεδομένη αλληλουχία DNA επιβεβαίωσαν ότι ο Kimura είχε δίκιο. Η εναλλαγή ενός γράμματος με ένα άλλο στον κώδικα ενός γονιδίου έχει συνήθως μικρό αποτέλεσμα.

Έκτοτε, η ουδέτερη θεωρία είναι η προεπιλεγμένη υπόθεση (ή μηδενική υπόθεση) στη γενετική. "Εάν θέλετε να δείξετε ότι μια δεδομένη παραλλαγή σε μια αλληλουχία DNA είναι υπό επιλογή, πρέπει πρώτα να δείξετε πραγματικά ότι δεν μπορεί να εξηγηθεί απλώς με την ουδετερότητα", είπε ο Leroi.

(πληθυσμός) Το μέγεθος έχει σημασία

Μερικοί συνεχίζουν να μάχονται την ιδέα ότι οι ουδέτερες δυνάμεις οδηγούν την ποικιλομορφία σε μοριακό επίπεδο, αλλά ο Parul Johri, γενετιστής πληθυσμού στο κρατικό πανεπιστήμιο της Αριζόνα, το αμφισβητεί σε μεγάλο βαθμό μέχρι την παρανόηση του ρόλου του στην εξέλιξη. «Η Kimura δεν είπε ποτέ ότι όλα είναι ουδέτερα», είπε. Αυτό που έχει σημασία είναι πόσες ουδέτερες δυνάμεις έχουν διαμορφώσει τη βιοποικιλότητα. Και αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος της ομάδας που εξετάζετε.

Φανταστείτε έναν πληθυσμό 10 πουλιών:ένα κόκκινο, ένα πράσινο και όλα τα υπόλοιπα καφέ. Αυτά τα χρώματα δεν είναι επιβλαβή ή χρήσιμα, επομένως όλα τα πουλιά έχουν τις ίδιες πιθανότητες αναπαραγωγής. Τότε ένας ανεμοστρόβιλος σκοτώνει έξι από τα καφέ πουλιά, καθαρά τυχαία. Τώρα ο μισός πληθυσμός είναι καφέ, το ένα τέταρτο είναι κόκκινο και το ένα τέταρτο είναι πράσινο. Ένα τυχαίο γεγονός προκάλεσε μια σημαντική αλλαγή στην ποικιλομορφία. Αυτό είναι γενετική μετατόπιση.

Αν υπήρχαν 98 καστανά πουλιά και τα ίδια μοναχικά κόκκινα και πράσινα, ωστόσο, η καταστροφή δεν θα είχε τόση σημασία. Ακόμα κι αν ο ανεμοστρόβιλος εξακολουθούσε να σκοτώνει το 60% του πληθυσμού, όλοι τους καφέ, 38 καστανά πουλιά θα τον είχαν καταφέρει μαζί με τα πολύχρωμα, με αποτέλεσμα έναν πληθυσμό που εξακολουθεί να είναι κατά 95% καφέ. "Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του πληθυσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση", είπε ο Johri.

Μέρος της απήχησης της ουδέτερης θεωρίας είναι ότι είναι μαθηματικά απλή. «Πολλά από τη θεωρία ήταν εύκολη», εξήγησε ο Johri, αφού ουσιαστικά «όλα είναι απλώς πιθανότητες». Αυτό επέτρεψε στους γενετιστές για πρώτη φορά να ανατρέξουν στην ιστορία:Υποθέτοντας ότι οι γενετικές αλλαγές ήταν ουδέτερες, οι επιστήμονες μπορούσαν να υπολογίσουν το μέγεθος ενός πληθυσμού στο παρελθόν ή να καθορίσουν την ηλικία του τελευταίου κοινού προγόνου μιας ομάδας.

Αλλά για να είναι ακριβή τέτοια συμπεράσματα, οι επιστήμονες πρέπει να συνδυάσουν την ουδέτερη θεωρία με τα αποτελέσματα της επιλογής. Αυτό ήταν ένα πρόβλημα από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, σημείωσε ο Johri, επειδή τα μαθηματικά δεν έχουν αλλάξει πραγματικά από την αναταραχή της δουλειάς μετά την πρόταση της Kimura, παρά την πληθώρα νέων δεδομένων. "Το μαθηματικό πλαίσιο - πρέπει να συνεχίσει να εξελίσσεται", είπε.

Αυτό ακριβώς σκόπευαν να κάνουν εκείνη και οι συνάδελφοί της σε μια εργασία στη Γενετική τον Μάιο. Πρότειναν ένα νέο στατιστικό πλαίσιο που ενσωμάτωσε τόσο την ουδέτερη θεωρία όσο και την επιλογή καθαρισμού, φέρνοντας τα μαθηματικά πιο κοντά στην αντίστοιχη πραγματικότητα.

Βλέποντας το ουδέτερο δάσος για τα δέντρα

Ενώ η ουδέτερη θεωρία έχει γίνει ως επί το πλείστον αποδεκτή στη γενετική του πληθυσμού, συνεχίζει να υποκινεί διαμάχες σε άλλους τομείς - ιδίως στην οικολογία. Στην παραδοσιακή οικολογία, τα είδη θεωρούνται ότι καταλαμβάνουν μοναδικές θέσεις όπου μπορούν να ευδοκιμήσουν καλύτερα από οποιοδήποτε άλλο είδος. όσο περισσότερες κόγχες υπάρχουν, τόσο περισσότερα είδη μπορεί να υπάρχουν. "Μαθηματικά, είναι ακριβώς το ίδιο επιχείρημα που χρησιμοποιούσαν οι γενετιστές πληθυσμού" σχετικά με τις παραλλαγές των γονιδίων, είπε ο Leroi.

Έτσι, ο Stephen Hubbell του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες, προσάρμοσε το πλαίσιο της Kimura στην οικολογία. Στο βιβλίο του Hubbell το 2001, The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography , υποστήριξε ότι πολλά είδη μπορούν να καταλάβουν οποιαδήποτε συγκεκριμένη θέση, και το αν την κατέχουν τελικά οφείλεται στην τύχη. Ολόκληρα οικοσυστήματα εξελίσσονται μέσω τυχαίας «οικολογικής μετατόπισης», όπως η γενετική μετατόπιση επηρέασε τη συχνότητα των χαρακτηριστικών.

Αυτό μπορεί να ακούγεται αντιδαρβινικό - και πολλοί βιολόγοι το θεωρούν προκλητικό. Αλλά οι ουδέτεροι θεωρητικοί παίρνουν τη θέση ότι, για έναν μεμονωμένο οργανισμό, τα είδη των ανταγωνιστών του δεν έχουν σημασία:ένας κοκκινολαίμης ανταγωνίζεται με άλλους κοκκινολαίμης για τα σκουλήκια όσο και με τα κοτσύφια, και κάθε δέντρο σε ένα δάσος ανταγωνίζεται τα υπόλοιπα για ηλιακό φως. Ως αποτέλεσμα, τα τυχαία συμβάντα μπορούν να καθορίσουν ποια είδη επιμένουν.

Σε μελέτες, αυτή η ουδέτερη θεωρία γενικά δεν ήταν πολύ επιτυχής στην πρόβλεψη της σύνθεσης των οικοσυστημάτων, αλλά πολλοί οικολόγοι συνεχίζουν να τη βρίσκουν χρήσιμη ως μηδενική υπόθεση για την όξυνση των αναλύσεών τους μοντέλων ποικιλότητας που βασίζονται σε εξειδικευμένες θέσεις. Και πολλοί θεωρούν την ιδέα ως το ένα άκρο ενός φάσματος, καθώς τόσο επιλεκτικές όσο και ουδέτερες δυνάμεις λειτουργούν πάντα.

Από τα γονίδια στα ονόματα μωρών

Η διάδοση της ουδέτερης θεωρίας δεν σταμάτησε στην οικολογία. Έχει χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει την ποικιλομορφία σε οτιδήποτε, από τα κρυπτονομίσματα μέχρι τα ονόματα μωρών, σύμφωνα με τον Leroi, επειδή είναι ένα «πολύ κομψό» πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι παραλλαγές μπορούν να αυξηθούν και να μειωθούν ακόμη και αν δεν υπάρχουν λειτουργικές διαφορές μεταξύ τους.

Αλλά και οι ουδέτερες δυνάμεις μερικές φορές λαμβάνουν περισσότερα εύσημα από όσα τους αξίζει. Σε ένα άρθρο του Μαΐου στο Nature Human Behaviour , ο Leroi και οι συνεργάτες του περιέγραψαν αυτό που ονόμασαν «ουδέτερο σύνδρομο»:την τάση να απορρίπτονται οι επιλεκτικές δυνάμεις ως εξηγήσεις απλώς και μόνο επειδή ένα μοτίβο στην παραλλαγή θα μπορούσε να εξηγηθεί από την ουδετερότητα. Για να πούμε πραγματικά πόσο σημαντικές είναι οι ουδέτερες δυνάμεις, χρειάζονται καλύτερα τεστ για τη διάκριση των επιπτώσεών τους από την επιλογή, υποστήριξαν οι ερευνητές. «Η εντόπιά μου αίσθηση είναι ότι όταν κάνουμε τέτοιες δοκιμές, θα ανακαλύψουμε για τον πολιτισμό και σίγουρα για τα δέντρα στον Αμαζόνιο ότι, στην πραγματικότητα, οι ουδέτερες δυνάμεις δεν είναι τόσο σημαντικές», είπε ο Leroi.

Ωστόσο, δεν βρέχει εντελώς στην παρέλαση της ουδέτερης θεωρίας. «Αν και έχω παραπονεθεί ότι επεκτείνεται ηθελημένα και σε άλλα πράγματα, είναι επίσης καλό», αναγνώρισε, καθώς θα μπορούσε να δημιουργήσει νέες ιδέες σε τομείς όπως τα οικονομικά.

Είτε θέλουμε να το παραδεχτούμε είτε όχι, οι τυχαίες δυνάμεις πάντα επηρεάζουν διακριτικά τον κόσμο. Η ουδέτερη θεωρία παρέχει ένα πλαίσιο για να γίνουν αυτές οι δυνάμεις γνωστές και μετρήσιμες. Η Leroi πιστεύει ότι θα πρέπει να συνεχίσει να επεκτείνει την επιρροή της «μέχρι να γίνει αναπόσπαστο μέρος της εξήγησης της διαφορετικότητας όπου κι αν τη βλέπουμε στον κόσμο, είτε στο σούπερ μάρκετ είτε σε ένα τροπικό δάσος.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο TheAtlantic.com .