Η μαθηματική ανάλυση των φτερών της μύγας των φρούτων δείχνει τα όρια της εξέλιξης

Πριν από δύο χρόνια, για να προετοιμαστεί για μια ασυνήθιστη φωτογράφηση, μια ομάδα επιστημόνων μάδησε τα φτερά από χιλιάδες μύγες φρούτων και πίεσε κάθε νιφάδα ιριδίζοντος ιστού ανάμεσα σε γυάλινες πλάκες. Όσες φορές και αν όχι, το φτερό σκιζόταν ή δίπλωσε, ή ένας θύλακας αέρα ή ένα λανθασμένο κομμάτι σκόνης παγιδεύτηκε μαζί του, καταστρέφοντας το δείγμα. Τα φτερά της μύγας «δεν είναι σαν το περιτύλιγμα Saran», είπε ο Madhav Mani, εφαρμοσμένος μαθηματικός και μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Northwestern που ηγήθηκε του έργου. Είναι εύθραυστα, είπε, «σαν φύλλο χρυσού».

Επιμένοντας μέχρι να τοποθετήσουν τέλεια περίπου 2.000 ζεύγη, οι επιστήμονες φωτογράφισαν στη συνέχεια τα φτερά σε υψηλή ανάλυση και συνέκριναν συστηματικά τις φωτογραφίες σε 30.000 σημεία.

Αυτό δεν ήταν απλή άσκηση ταξινόμησης. Μάλλον, η μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό eLife , έχει προσφέρει μια εξαιρετικά λεπτομερή ματιά στην παραλλαγή που μπορεί να υπάρχει σε ένα είδος. Τα αποτελέσματα αρχίζουν να επιλύουν μια μακροχρόνια ένταση στη βιολογία.

Από τη μια πλευρά, παρά τις δραματικές μεταλλάξεις στα γονίδια των ατόμων και τα διαφορετικά περιβάλλοντα στα οποία αναπτύσσονται, τα μέλη ενός είδους εξελίσσονται σε εντυπωσιακά παρόμοια πλάσματα. Αυτή η στιβαρότητα διασφαλίζει ότι σχεδόν όλα τα άτομα είναι λειτουργικά. Από την άλλη πλευρά, για να συμβεί η εξέλιξη, τα μέλη ενός είδους χρειάζονται διάφορα χαρακτηριστικά στα οποία μπορεί να ενεργήσει η φυσική επιλογή. Αυτές οι δύο δυνάμεις - ευρωστία και εξελικτικότητα - έλκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Κάποιος θέλει λιγότερη ποικιλία και κάποιος θέλει περισσότερη.

Πώς επιτυγχάνεται μια ισορροπία;

Πριν από περίπου 20 χρόνια, οι βιολόγοι περίμεναν ότι οι γενετικοί και οι περιβαλλοντικοί παράγοντες θα παράγουν σημαντική ετερογένεια, δίνοντας πολλές επιλογές στη φυσική επιλογή, είπε ο Άλεξ Λάνκαστερ, εξελικτικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Ronin στο Νιου Τζέρσεϊ που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Όμως, είπε, πιο πρόσφατες παρατηρήσεις έχουν επιβεβαιώσει απροσδόκητη ομοιότητα μεταξύ των πληθυσμών.

Κατά τη διάρκεια του δείπνου με τον συν-συγγραφέα Richard Carthew πριν από μερικά χρόνια, η Mani άρχισε να σκέφτεται να καθορίσει ακριβώς πόσο και με ποιους τρόπους τα άτομα μπορούν να διαφέρουν σωματικά. Με άλλα λόγια, ποιες επιλογές υπάρχουν εντός των περιορισμών της εμβρυϊκής και μεταγεννητικής ανάπτυξης; Για έναν αναπτυσσόμενο οργανισμό, "Τι υπάρχει στο μενού;" αναρωτήθηκε η Μάνη. "Στους ανθρώπους αρέσει να λένε ότι η επιστήμη είναι ένα είδος μεθόδου, αλλά ξεκίνησε με αυτήν ακριβώς την παιδική, τρελή ερώτηση."

Προηγούμενες μελέτες βασίζονταν σε μερικά σημεία σύγκρισης για έναν οργανισμό, αλλά οι Mani, Carthew και οι συν-συγγραφείς τους Vasyl Alba και James Carthew (ο γιος του Richard Carthew και μέλος του εργαστηρίου του) ήθελαν πιο εμπεριστατωμένες πληροφορίες. Γνώριζαν ότι, κατά τον προσδιορισμό της αλληλουχίας των γονιδιωμάτων, οι αλγόριθμοι παρατάσσουν τμήματα του γενετικού κώδικα για σύγκριση. Με τον ίδιο τρόπο, οι επιστήμονες αποφάσισαν να ευθυγραμμίσουν τα φτερά της κοινής Drosophila melanogaster μύγες φρούτων.

Οι χιλιάδες φωτογραφίες φτερών τους μοιάζουν με γραμμικά σχέδια με σκούρες φλέβες που ξεχωρίζουν από ανοιχτόχρωμα φόντο. Ένα πρόγραμμα υπολογιστή τυποποίησε αυτές τις εικόνες, προσαρμόζοντας την καθεμία σε έναν κύκλο διατηρώντας παράλληλα χαρακτηριστικά όπως οι γωνίες των φλεβών και στοίβαξε ψηφιακά τις χιλιάδες εικόνες η μία πάνω στην άλλη. Αυτό έδωσε στους ερευνητές περίπου 30.000 σημεία σύγκρισης - κάθε pixel σε αυτή τη στοιβαγμένη εικόνα - αντί για μερικές δεκάδες ακατέργαστα ορόσημα. «Είναι πιο περιεκτικό», είπε ο Λάνκαστερ. "Πιάνει χαρακτηριστικά που κανονικά δεν θα συλλαμβάνονταν."

Από αυτά τα πλούσια δεδομένα προέκυψε απροσδόκητη απλότητα. Οι επιστήμονες είδαν ένα στενό εύρος πιθανών εμφανίσεων για τα φτερά, τα οποία ως επί το πλείστον διέφεραν σε ένα μικρό σύνολο χαρακτηριστικών. Η παραλλαγή συγκεντρώθηκε κοντά στον μεντεσέ του πτερυγίου και εμφανίστηκε σε μερικά συγκεκριμένα σημεία, όπως το σχήμα της πιο μπροστινής φλέβας. Επιπλέον, αυτά τα μεταβλητά γνωρίσματα συνδέονταν:Όταν ένα από τα χαρακτηριστικά σε ένα φτερό ήταν πολύ μακριά από το μέσο όρο, συνήθως ήταν και τα άλλα χαρακτηριστικά. Αυτό ίσχυε ανεξάρτητα από τις γενετικές ή περιβαλλοντικές τροποποιήσεις που υπέστησαν οι πτήσεις, πράγμα που σημαίνει ότι αυτοί οι παράγοντες μεμονωμένα έχουν πολύ περιορισμένη επιρροή.

Ο Richard Carthew είχε προβλέψει ότι περισσότερη από την αναπτυξιακή πολυπλοκότητα των μυγών θα αποτυπωνόταν στις φυσικές τους μορφές. Το ότι η παραλλαγή διοχετεύτηκε όλη σε μια σύντομη λίστα επιλογών μενού είναι «πολύ θαυμάσιο», είπε. Καθώς οι μύγες μεγαλώνουν σε ενήλικες, έχουν «αυτή τη μαγική ικανότητα να διορθώνουν τις διαφορές και να δημιουργούν μια πολύ στιβαρή τελική μορφή».

Οι φωτογραφίες των φτερών της μύγας δεν έδωσαν στοιχεία για τους μηχανισμούς που περιορίζουν τις πιθανές μορφολογίες που μπορούν να αναπτυχθούν. Μάλλον, τα αποτελέσματα τεκμηρίωσαν την εκτεταμένη ισχύ αυτών των προστατευτικών κιγκλιδωμάτων. Η φυσική επιλογή πρέπει να ενεργεί ως επί το πλείστον στη σημαντική ποικιλομορφία που εμφανίζεται στον μικρό αριθμό συνδεδεμένων, μεταβλητών χαρακτηριστικών, ενώ η ευρωστία περιορίζει αυστηρά τα υπόλοιπα.

Για ορισμένους επιστήμονες, η απλότητα δεν προκαλεί έκπληξη. Η Luisa Pallares, οικολόγος και εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ανέμενε περιορισμούς στην ποικιλία, με βάση τη βιολογική θεωρία γύρω από την ευρωστία. Δηλαδή, για να μοιάζουν τα μέλη ενός είδους, πρέπει να περιοριστεί αυστηρά η παραλλαγή τους. Αλλά αυτή η μελέτη παρέχει μια «όμορφη» ποσοτικοποίηση, είπε. Τώρα οι επιστήμονες μπορούν επιτέλους να δουν τη θεωρία σε δράση πολύ πιο καθαρά.

Ο Άλμπα είναι βιολόγος στο Northwestern, αλλά εκπαιδεύτηκε στη φυσική και προσελκύθηκε από τις κατευθυντήριες αρχές που προβλέπουν τόσο μεγάλο μέρος του φυσικού κόσμου. «Στη βιολογία, δεν τα έχουμε», είπε. «Ήμουν πάντα περίεργος αν είναι δυνατό να οικοδομήσουμε κάποιες αρχές για τη βιολογία που θα εξηγήσουν όλα ή πολλά φαινόμενα στη βιολογία ή τουλάχιστον θα μπορούν να απλοποιήσουν την κατανόησή μας».

Για να δούμε αν η περιορισμένη παραλλαγή που παρατήρησαν ο Alba και οι συνεργάτες του ισχύει γενικά για τα ζώα, θα χρειαστεί να αναλυθούν περισσότερα είδη με την ποσοτική τους προσέγγιση. Ο Carthew ελπίζει ότι οι παλαιοντολόγοι θα το δοκιμάσουν σε απολιθωμένα δόντια ή οστά και ο Pallares είναι περίεργος να δει πώς λειτουργεί σε τρισδιάστατες δομές. Στο μέλλον, η κατανόηση της σχέσης μεταξύ γονιδίων και φυσικής μορφής θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκάλυψη της λειτουργίας των ασθενειών, δήλωσε ο Μιχάλης Μπάρκουλας από το Imperial College του Λονδίνου.

Προς το παρόν, η ομάδα Northwestern εργάζεται σε μια άλλη μελέτη, η οποία εξετάζει ακόμη περισσότερες χιλιάδες φτερά φρουτόμυγας. Μετά τη χρήση της ποσοτικής τους προσέγγισης για τον εντοπισμό της παραλλαγής στο Drosophila melanogaster μορφολογία φτερών, έχουν σκεφτεί πώς η φυσική επιλογή θα μπορούσε να έχει ενεργήσει στην ποικιλομορφία των εμφανίσεών τους για να σχηματίσει νέα, στενά συγγενικά είδη. Αναρωτήθηκαν αν η προσέγγισή τους θα μπορούσε να προβλέψει την εμφάνιση αυτών των επόμενων ειδών που θα εξελιχθούν από το Drosophila . «Δελκυστικά, φαίνεται ότι είμαστε στα πρόθυρα να πούμε ναι», είπε η Μάνη. "Μπορεί να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε τα κοντινά είδη."

Σημείωση του συντάκτη:Το Η μελέτη eLife υποστηρίχθηκε εν μέρει από επιχορήγηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας.