Charles Darwin은 진화론 이론에 대한 기본 아이디어를 얻었을 때 아직 30 세가 아니 었습니다. 그러나 그가 50 세가되기 전까지는 자신의 주장을 세상에 제시 한 것이 아니 었습니다. 그는 20 년 동안 그의 이론에 대한 증거를 체계적으로 컴파일하고 그가 생각할 수있는 모든 회의적 반론에 대한 반응을 내놓았다. 그리고 그가 예상 한 반론은 그가 상상 한 점진적인 진화 과정이 특정 복잡한 구조를 생산할 수 없다는 것입니다.
인간의 눈을 고려하십시오. 그것은 망막, 렌즈, 근육, 젤리 등 여러 부분으로 구성되어 있습니다. 예를 들어 망막을 손상시키고 실명이 따라갈 수 있습니다. 실제로, 눈은 부품이 올바른 크기와 모양 인 경우에만 기능합니다. 다윈이 옳다면, 복잡한 눈은 단순한 선구자로부터 진화했다. 종의 기원에서 다윈은이 아이디어가“가능한 한 가장 높은 정도로 자유롭게 고백하고 터무니없는 것 같다”고 썼다.
그럼에도 불구하고 다윈은 복잡성의 진화의 길을 볼 수있었습니다. 각 세대에서 개인은 자신의 특성이 다양했습니다. 일부 변형은 생존을 증가시키고 더 많은 자손을 가질 수있게했습니다. 세대에 걸쳐 이러한 유리한 변형이 더 일반적이 될 것입니다. 한마디로“선택”해야합니다. 새로운 변형이 등장하고 퍼짐에 따라 그들은 점차적으로 해부학을 땜질하여 복잡한 구조를 생성 할 수 있습니다.
다윈에 따르면 인간의 눈은 오늘날 털 벌레와 같은 동물이 자라는 간단한 가벼운 집계 조직에서 진화했을 수 있다고 주장했다. 자연 선택은 패치를 빛의 방향을 감지 할 수있는 컵으로 바꿀 수있었습니다. 그런 다음 일부 추가 된 기능은 컵과 함께 시력을 더욱 향상시켜 유기체를 주변 환경에 더 잘 적응시켜 눈의 중간 전구체가 미래 세대로 전달 될 것입니다. 그리고 단계별로 자연 선택은 각 중간 형태가 이전의 내용에 대한 광범위한 점을 제공하기 때문에 이러한 변형을 복잡성으로 증가시킬 수 있습니다.
.복잡성의 기원에 대한 다윈의 생각은 현대 생물학에서지지를 얻었습니다. 오늘날 생물 학자들은 분자 수준에서 눈과 다른 장기를 자세히 조사 할 수 있으며, 여기서 긴밀하게 복잡한 단백질이 함께 결합되어 포털, 컨베이어 벨트 및 모터와 눈에 띄는 구조를 만들어냅니다. 이러한 복잡한 단백질 시스템은 더 간단한 것들로부터 진화 할 수 있으며, 자연 선택은 길을 따라 중간체를 선호합니다.
그러나 최근에 일부 과학자와 철학자들은 다른 경로를 통해 복잡성이 발생할 수 있다고 제안했습니다. 일부는 인생이 시간이 지남에 따라 더 복잡해지는 경향이 내장되어 있다고 주장합니다. 다른 사람들은 임의의 돌연변이가 발생함에 따라 자연 선택이 없어도 복잡성이 부작용으로 나온다고 주장합니다. 그들은 복잡성이 순전히 자연 선택을 통해 수백만 년의 미세 조정의 결과는 아니며 Richard Dawkins가 유명하게“맹인 감시자”라고 불렀습니다. 어느 정도까지는 그냥 발생합니다.
다양한 부품의 합
생물 학자와 철학자들은 수십 년 동안 복잡성의 진화를 숙고했지만 듀크 대학교의 고생물학자인 Daniel W. McShea에 따르면, 그들은 모호한 정의에 의해 혼란스러워졌습니다. “단지 숫자를 올리는 방법을 모른다는 것은 아닙니다. 그들은 말이 무엇을 의미하는지 모릅니다.”McShea는 말합니다.
McShea는이 질문을 몇 년 동안 고민해 듀크의 Robert N. Brandon과 긴밀히 협력하고 있습니다. McShea와 Brandon은 우리가 살아있는 것들을 구성하는 수많은 부분뿐만 아니라 부분의 유형을보고 있다고 제안합니다. 우리 몸은 10 조의 세포로 만들어졌습니다. 만약 그들이 하나의 유형이라면, 우리는 원형질의 특징이 없을 것입니다. 대신 우리는 근육 세포, 적혈구, 피부 세포 등이 있습니다. 단일 장기조차도 많은 세포 유형을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 망막은 약 60 가지 종류의 뉴런을 가지고 있으며, 각각 뚜렷한 작업을 갖습니다. 이 측정에 따르면, 우리는 인간이 실제로 6 개의 세포 유형 만있는 스폰지와 같은 동물보다 더 복잡하다고 말할 수 있습니다.
이 정의의 한 가지 장점은 여러면에서 복잡성을 측정 할 수 있다는 것입니다. 우리의 골격은 예를 들어 각각의 독특한 모양을 가진 다른 유형의 뼈를 가지고 있습니다. 척추조차도 목의 척추에서 우리의 머리를 잡고 갈비뼈를지지하는 사람들에 이르기까지 다양한 유형의 부품으로 구성됩니다.
2010 년 책 생물학의 첫 번째 법률 , McShea와 Brandon은 이러한 방식으로 정의 된 복잡성이 발생할 수있는 방식을 설명했습니다. 그들은 다소 동일하게 시작하는 많은 부분이 시간이 지남에 따라 차별화되어야한다고 주장했다. 유기체가 번식 할 때마다 하나 이상의 유전자가 돌연변이 될 수 있습니다. 때때로 이러한 돌연변이는 더 많은 유형의 부분을 발생시킵니다. 유기체에 더 많은 부분이 있으면 해당 유닛은 다르게 될 기회가 있습니다. 유전자가 실수로 복사 된 후, 복제는 원래가 공유하지 않는 돌연변이를 선택할 수 있습니다. 따라서 McShea와 Brandon에 따르면 동일한 부품 세트로 시작하면 서로 다르게 달라지는 경향이 있습니다. 다시 말해, 유기체의 복잡성이 증가 할 것입니다.
복잡성이 발생함에 따라 유기체가 더 잘 생존하거나 더 많은 자손을 가질 수 있습니다. 그렇다면 자연 선택으로 선호하고 인구를 통해 퍼집니다. 예를 들어 포유류는 냄새 분자를 코의 신경 종말에 수용체에 결합하여 냄새를 맡습니다. 이들 수용체 유전자는 수백만 년에 걸쳐 반복적으로 복제되었다. 새로운 사본은 돌연변이되어 포유류가 더 넓은 범위의 향기를 냄새 맡을 수 있습니다. 마우스 및 개와 같이 코에 크게 의존하는 동물은 1,000 개 이상의 수용체 유전자를 가지고 있습니다. 반면에 복잡성은 부담이 될 수 있습니다. 돌연변이는 예를 들어 목 척추의 모양을 변화시킬 수 있으므로 머리가 바뀌기가 어렵습니다. 자연 선택은 이러한 돌연변이가 인구를 통해 퍼지는 것을 막을 것입니다. 즉, 이러한 특성으로 태어난 유기체는 재생산하기 전에 죽는 경향이 있으므로, 갈 때 유해한 특성을 유통하지 않습니다. 이 경우 자연 선택은 복잡성에 반대합니다.
표준 진화론과 달리 McShea와 Brandon은 자연 선택이없는 경우에도 복잡성이 증가하고 있습니다. 이 진술은 생물학의 기본 법칙을 유지한다는 것입니다. 그들은 그것을 제로 포스 진화 법으로 불렀습니다.
과일 비행
최근 Duke의 대학원생 인 McShea와 Leonore Fleming은 제로 포스 진화 법을 테스트에 넣었습니다. 피험자들은 drosophila였다 파리. 한 세기가 넘는 과학자들은 실험에 사용하기 위해 파리의 주식을 양육했습니다. 그들의 실험실에서 파리는 끊임없이 음식을 공급하고 꾸준하고 따뜻한 기후를 제공하는 애지중지 수명을 이끌었습니다. 한편, 그들의 야생 친척들은 기아, 포식자, 감기 및 열에 맞서 싸워야합니다. 자연 선택은 야생 파리들 사이에서 강하기 때문에 파리가 많은 도전에 대처할 수없는 돌연변이를 제거합니다. 대조적으로 실험실의 보호 된 환경에서 자연 선택은 연약합니다.
제로 포스 진화 법은 분명한 예측을합니다. 지난 세기 동안 실험실 파리는 불리한 돌연변이를 제거하는 데 적합하지 않았으므로 야생보다 더 복잡해 졌을 것입니다.
Fleming과 McShea는 916 개의 실험실 파리 라인에 대한 과학 문헌을 조사했습니다. 그들은 각 인구마다 다양한 복잡성을 만들었습니다. 저널 진화 및 개발, 그들은 최근 실험실 파리가 실제로 야생보다 더 복잡하다고보고했습니다.
일부 생물 학자들은 스미소니언 국립 자연사 박물관의 주요 고생물학자인 더글러스에 윈 (Douglas Erwin)은 제로 포스 진화 법을 승인했지만 심각한 결함이 있다고 생각합니다. "기본적인 가정 중 하나가 실패합니다."라고 그는 주장합니다. 법에 따르면, 선택이없는 경우 복잡성이 증가 할 수 있습니다. 그러나 그것은 유기체가 실제로 선택의 영향을 넘어서 존재할 수있는 경우에만 해당 될 것입니다. 현실 세계에서, 그들이 과학자들의 가장 점점 더 많은 사람들에게 애지중지 할 때에도 Erwin은 경쟁한다고 주장하면서 선택은 여전히 힘을 가하고 있습니다. 비행과 같은 동물이 제대로 발달 할 수있는 경우 수백 개의 유전자가 정교한 안무에서 상호 작용하여 하나의 세포를 다수로 바꾸어 다른 장기를 일으키는 등입니다. 돌연변이는 해당 안무를 방해하여 파리가 실행 가능한 성인이되는 것을 막을 수 있습니다.
유기체는 외부 선택없이 존재할 수 있습니다. 환경은 진화 인종에서 누가 이기고 잃는지를 결정하는 환경에서 존재할 수 있지만 여전히 유기체 내에서 발생하는 내부 선택의 대상이 될 것입니다. Erwin에 따르면 McShea와 Fleming은 새로운 연구에서 "성인 변종 만 고려하기 때문에"제로 포스 진화 법에 대한 증거를 제공하지 않습니다. 연구자들은 과학자들에 의해 돌보는데도 불구하고 성숙에 도달하기 전에 발달 장애로 사망 한 돌연변이 체를 보지 않았다.
.곤충 중 일부에는 불규칙한 다리가있었습니다. 다른 사람들은 날개에 복잡한 색상 패턴을 얻었습니다. 그들의 안테나의 세그먼트는 다른 모양을 취했습니다. 자연 선택에서 벗어나면서 파리는 복잡성에 환경을 두었습니다.
Erwin과 다른 비평가들이 제기 한 또 다른 반대 의견은 McShea와 Brandon의 복잡성 버전이 대부분의 사람들이 용어를 정의하는 방식에 지식이 없다는 것입니다. 결국, 눈에는 많은 부분이있는 것이 아닙니다. 이러한 부분은 또한 함께 작업을 수행하며 각 부분에는 특별한 일이 있습니다. 그러나 McShea와 Brandon은 그들이 검사하고있는 복잡성이 다른 종류의 복잡성으로 이어질 수 있다고 주장합니다. “우리 가이 Drosophila에서보고있는 복잡성 McShea는 인구는 선택을 잡을 수있는 정말 흥미로운 것들을위한 기초입니다.”McShea는 말합니다.
분자 복잡성
고생물학자인 McShea는 예를 들어 화석에서 볼 수있는 복잡성에 대해 생각하는 데 익숙합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 많은 분자 생물 학자들이 독립적으로 복잡성이 어떻게 나타나는지에 대해 생각하기 시작했습니다.
1990 년대에 캐나다 생물 학자 그룹은 돌연변이가 종종 유기체에 전혀 영향을 미치지 않는다는 사실을 숙고하기 시작했습니다. 이러한 돌연변이는 진화 생물학 전문 용어에서 중립적이다. Halifax에있는 Dalhousie University의 Michael Grey를 포함한 과학자들은 돌연변이가 유기체를 환경에 적응시키는 데 도움이되는 일련의 중간체를 통과하지 않고 복잡한 구조를 야기 할 수 있다고 제안했습니다. 그들은이 과정을“건설적인 중립 진화”라고 불렀습니다.
그레이는 건설적인 중립 진화에 대한 강력한 증거를 제공하는 최근 연구에 의해 격려되었습니다. 이 연구의 리더 중 하나는 오레곤 대학교의 Joe Thornton입니다. 그와 그의 동료들은 곰팡이의 세포에서 모범으로 보이는 것을 발견했습니다. 포르토벨로 버섯과 같은 곰팡이에서 세포는 원자를 한 곳에서 다른 곳으로 이동시켜 살아 남아야합니다. 그들이하는 방법 중 하나는 진공 ATPase 복합체라는 분자 펌프입니다. 단백질의 회전 고리는 곰팡이의 막의 한쪽에서 다른쪽으로 원자를 셔틀합니다. 이 링은 분명히 복잡한 구조입니다. 6 개의 단백질 분자가 포함되어 있습니다. 분자 중 4 개는 VMA3으로 알려진 단백질로 구성됩니다. 다섯 번째는 VMA11과 여섯 번째 VMA16입니다. 세 가지 유형의 단백질은 모두 고리가 회전하는 데 필수적입니다.
이 복잡한 구조가 어떻게 진화했는지 알아 내기 위해 Thornton과 그의 동료들은 단백질을 동물과 같은 다른 유기체의 관련 버전과 비교했습니다. (곰팡이와 동물은 10 억 년 전에 살았던 공통 조상을 공유합니다.)
동물에서, 진공 ATPase 복합체는 또한 6 개의 단백질로 만든 회전 고리를 가지고있다. 그러나 그 고리는 한 가지 중요한 방식으로 다릅니다. 고리에 세 가지 유형의 단백질이있는 대신 두 개만 있습니다. 각 동물 고리는 VMA3의 5 개 사본과 VMA16 중 하나로 구성됩니다. VMA11이 없습니다. McShea와 Brandon의 복잡성 정의에 의해 곰팡이는 동물보다 더 복잡합니다. 적어도 진공 ATPase 복합체와 관련하여
과학자들은 고리 단백질을 암호화하는 유전자를 면밀히 살펴 보았습니다. 곰팡이에 고유 한 고리 단백질 인 VMA11은 동물과 곰팡이 모두에서 VMA3의 친밀한 친척으로 밝혀졌습니다. 따라서 VMA3 및 VMA11의 유전자는 공통 조상을 공유해야합니다. Thornton과 그의 동료들은 곰팡이의 진화 초기에 고리 단백질의 조상 유전자가 실수로 복제되었다고 결론 지었다. 그런 다음이 두 사본은 VMA3 및 VMA11로 진화했습니다.
VMA3 및 VMA11에 대한 유전자의 차이를 비교함으로써 Thornton과 그의 동료들은 그들이 진화 한 조상 유전자를 재구성했다. 그런 다음 해당 DNA 서열을 사용하여 상응하는 단백질을 생성하여 800 만 년 된 단백질을 부활시켰다. 과학자들은이 단백질 ANC.3-11을 anc 라고 불렀습니다 vma 3 의 estor 및 vma 11 . 그들은 단백질 고리 가이 조상 단백질과 어떻게 기능했는지 궁금해했다. 알아 내기 위해, 그들은 ANC.3-11의 유전자를 효모의 DNA에 삽입했습니다. 또한 자손 유전자 인 VMA3 및 VMA11을 폐쇄했습니다. 일반적으로, 효모가 더 이상 고리를 만들 수 없기 때문에 VMA3 및 VMA11 단백질의 유전자를 차단하면 치명적일 것입니다. 그러나 손튼과 그의 동료들은 효모가 대신 ANC.3-11로 살아남을 수 있음을 발견했습니다. ANC.3-11과 VMA16을 결합하여 완전히 기능적인 고리를 만듭니다.
이와 같은 실험을 통해 과학자들은 곰팡이 고리가 어떻게 복잡해 졌는지에 대한 가설을 공식화 할 수있었습니다. 곰팡이는 우리와 같은 동물에서 발견 된 것과 같은 단백질로 만든 고리로 시작했습니다. 단백질은 다재다능했으며 자신이나 파트너에게 결합하여 오른쪽이나 왼쪽에 단백질에 결합했습니다. 나중에 ANC.3-11에 대한 유전자는 VMA3 및 VMA11로 복제되었다. 이 새로운 단백질은 오래된 단백질이 한 일을 계속했습니다. 펌프를 위해 고리에 조립되었습니다. 그러나 수백만 세대에 걸쳐 곰팡이가 돌연변이되기 시작했습니다. 이러한 돌연변이 중 일부는 다재다능 함을 제거했습니다. 예를 들어 VMA11은 시계 방향에서 VMA3에 결합하는 능력을 잃었습니다. VMA3은 시계 방향에서 VMA16에 결합하는 능력을 상실했습니다. 단백질이 여전히 고리와 연결될 수 있기 때문에 이러한 돌연변이는 효모를 죽이지 않았다. 그들은 다시 말해 중성 돌연변이였습니다. 그러나 이제 고리는 세 단백질이 모두 존재하는 경우에만 성공적으로 형성 될 수 있기 때문에 더 복잡해야했습니다.
손튼과 그의 동료들은 제로 포스 진화 법에 의해 예측 된 일종의 진화 적 에피소드를 정확하게 밝혀 냈습니다. 시간이 지남에 따라 생명은 더 많은 부분, 즉 더 많은 고리 단백질을 생산했습니다. 그리고 그 여분의 부품은 서로 분기되기 시작했습니다. 곰팡이는 조상보다 더 복잡한 구조로 끝났습니다. 그러나 다윈이 상상했던 방식은 일어나지 않았으며 자연 선택은 일련의 중간 형태를 선호합니다. 대신 곰팡이 고리는 복잡성으로 변성했습니다.
실수 고정
그레이는 많은 종들이 그들의 유전자를 편집하는 방식에서 건설적인 중성 진화의 또 다른 예를 발견했다. 세포가 주어진 단백질을 만들어야 할 때, 그들은 유전자의 DNA를 RNA, 단일 가닥의 DNA에 대응 한 다음 특수 효소를 사용하여 특정 RNA 빌딩 블록 (뉴클레오티드)을 다른 것과 대체합니다. RNA 편집은 우리를 포함한 많은 종에 필수적입니다. 편집되지 않은 RNA 분자는 작동하지 않는 단백질을 생산합니다. 그러나 그것에 대해 결정적으로 이상한 것이 있습니다. 올바른 원본 시퀀스가있는 유전자가있는 이유는 무엇입니까?
RNA 편집의 진화를 위해 회색이 제안하는 시나리오는 다음과 같습니다. 효소는 RNA에 걸고 특정 뉴클레오티드를 변화시킬 수 있도록 돌연변이됩니다. 이 효소는 세포에 해를 끼치 지 않으며, 적어도 처음에는 그렇지 않은 경우에 도움이되지 않습니다. 해를 끼치 지 않으면 지속됩니다. 나중에 유전자에서 유해한 돌연변이가 발생합니다. 다행히도, 세포는 이미 RNA- 결합 효소를 가지고 있으며, 이는 RNA를 편집 함으로써이 돌연변이를 보상 할 수있다. 그것은 돌연변이의 피해로부터 세포를 보호하여 돌연변이가 차세대로 전달되어 인구 전체에 퍼질 수있게한다. 이 RNA- 편집 효소의 진화와 그것이 고정 된 돌연변이는 자연 선택에 의해 구동되지 않았다고 Gray는 주장했다. 대신이 복잡성의 여분의 층은 자체적으로 진화했다. 그런 다음 널리 퍼지면 제거 할 방법이 없었습니다.
암스테르담 대학교 (University of Amsterdam)의 생화학자인 데이비드 스페이어 (David Speijer)는 그레이와 그의 동료들은 특히 모든 복잡성이 적응력이 있어야한다는 개념에 도전함으로써 건설적인 중립 진화에 대한 아이디어로 생물학을 해왔다고 생각합니다. 그러나 Speijer는 어떤 경우에는 주장을 너무 세게 밀고 있을지도 모른다고 걱정합니다. 한편으로, 그는 곰팡이 펌프가 건설적인 중립 진화의 좋은 예라고 생각합니다. "올바른 마음 속에있는 모든 사람들은 그것에 완전히 동의 할 것"이라고 그는 말합니다. RNA 편집과 같은 다른 경우에는 과학자들이 자신의 견해로는 복잡성이 쓸모없는 것처럼 보이더라도 자연 선택이 작동 할 가능성을 기각해서는 안됩니다.
그레이, 맥셰 아, 브랜든은 깃털을 쌓는 생화학에서 나무 잎 안에 광합성 공장에 이르기까지 생화학에서 우리를 둘러싼 복잡성의 부상에서 자연 선택의 중요한 역할을 인정합니다. 그러나 그들은 그들의 연구가 다른 생물 학자들이 자연 선택을 넘어서 생각하고 무작위 돌연변이가 그 자체로 복잡성의 진화를 불러 일으킬 가능성을 알기를 희망합니다. 그레이는“우리는 그 일부로 적응을 전혀 기각하지 않습니다. "우리는 그것이 모든 것을 설명한다고 생각하지 않습니다."
