발달 생물 학자 Cassandra Extavour는 보스턴의 Symphony Hall에서 Handel과 Haydn Society와 함께 무대에서 클래식과 바로크 음악을 부릅니다. 아름다운 소프라노 목소리로 축복받은 그녀는 가수로서 경력을 쌓기로 쉽게 선택할 수있었습니다. 그러나 학부가 과학에 찬성하여 규모를 기울여 발달 유전학 실험실에서 일하는 여름은 이제 하버드 대학교의 유기체 및 진화 생물학 부교수입니다. 그녀는 생물학을 선택함으로써 자신의 음악 경력을 파트 타임으로 추구 할 수 있다고 말합니다. 대조적으로 풀 타임 콘서트 소프라노는 옆에 실험실을 운영 할 시간이 없었을 것입니다.
Extavour는 Evo-Devo-Eco (Evolutionary-Developmental-Procological) 네트워크를 나타내는 Eden이라는 국가 연구 협력을 지휘합니다. 국립 과학 재단 (National Science Foundation)이 자금을 지원하는이 단체는 유전 학자들이 유비쿼터스 과일 파리 인 Drosophila Melanogaster보다 더 이국적인 생물을 해부하도록 권장합니다. 에덴 연구원들은 바다 아네모네스, 말굽 게, 이끼, 귀뚜라미, 거미, 유유 버그 및 매우 거친 타르 그라이트의 다양한 진화 경로를 모델링합니다. Extavour의 자체 실험실은 곤충 배아와 난소를 해부하는 데 중점을두고, 다세포의 기원과 호모 사피엔스를 포함하여 다세포성이 가능한 복잡한 유기체에 대한 유전 적 단서를 찾는 데 중점을 둡니다. Extavour의 특별한 전문 지식은 다세포 유기체를 재현하기위한 유전자 코드를 포함하는 배아에 생성 된 세포 인 세포의 발달을 추적하는 데 있습니다.
지난 겨울, Extavour는 산타 바바라 대학교 (University of California)의 Kavli 이론 물리학 연구소에서 논란의 여지가있는 주제“협력과 다세포 성의 진화”에 관한 10 주 프로그램의 주최자 중 하나였습니다. 데일리 토크 세션에는 발달 및 진화론 생물 학자, 수학 물리학 자 및 동물 학자를 포함하여 전 세계의 고도로 존경받는 과학자들과 Quanta 잡지에 대한 내재 된 기자 보고서가 참석했습니다. 이 행사는 장기적이고 여러 분야의 성격 때문에 특이했습니다. 그리고 진화의 생물학에 대한 150 년간의 연구에도 불구하고 과학자들은 여전히 다세포 생물과 식물이 강력하고 자립 한 단일 셀로 셀 수있는 실체로 가득 찬 고대 바다에서 나온 방법과 이유에 대해 여전히 동의하지 않기 때문에 많은 교환이 가열되었다.
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회의에서, 꿀벌, 개미, 늑대, 슬라임 곰팡이 및 기타 생물의 행동을 관찰하는 현장에서 일하는 생물 학자들은 개별 유기체가 두드러기, 둥지, 팩, 대기업 또는 가족으로 자기 조직을 어떻게 조직화하는지 검사함으로써 행동 수준에서 자연 선택의 역학을 찾는 경향이있었습니다. 물리학 자와 분자 생물 학자들은 게놈 수준에서 자연 선택의 미세 역학에 더 중점을 두어 그들이 경쟁하고 협력하는 유전자 또는 세포의 "체력"을 수학적으로 측정하려고합니다.
그러나 과학자들은 협력, 경쟁 및 체력과 같은 주요 개념의 의미에 대해서도 항상 같은 페이지에 있지는 않았습니다. 물리학 자와 분자 생물 학자들은 DNA, 단백질 및 전체 게놈의 설명 수학적 모델을 구축하기 위해 통계 역학 및 게임 이론을 사용했습니다. 미세 정량에 대한 선입견은 때때로 사회적 행동 분석에 더 집중하는 현장 지향 생물 학자들의 해킹을 일으켰습니다.
이 모든 것을 통해 매주, 끊임없는 신속 조합은 Coperees가 중심 문제에 초점을 맞추 었습니다. 정확히 어떤 물리적 메커니즘이 원래 단일 세포를 상호 이익을 위해 통합 시켰는가? 이 혜택을 어떻게 진화 용어로 정량화 할 수 있습니까? 회의 후 몇 달 후, Quanta Magazine은 자신의 관점에 대해 Extavour를 인터뷰했습니다. 이것은 Kavli에서 그녀의 마지막 대화의 일부를 통합 한 해당 인터뷰의 압축 및 편집 버전입니다.
Quanta Magazine :당신은 Evo, Devo 또는 Eco?
입니다Cassandra Extavour :발달 생물 학자 - 당신이 원한다면, 나는 세포가 다세포 생물에서 계란과 정자가되는 방법에 흥미를 느낍니다. 배아 생성이라고 불리는 수정 된 계란 세포에서 동물 배아를 개발하는 동안, 배아를 구성하는 수백만의 유전자 동일한 세포 중 소수만이 게놈을 연속 세대로 전달할 수있는 게임이 될 것입니다.
.배아 세포의 대부분은 소마가됩니다. 중요한 장기, 근육, 피부 및 뼈를 형성 할 수있는 세포. 신체 세포는 유전자로 반영하여 분열하여 재현하지만, 성적 번식을 통해 특정 게놈을 새로운 생물의 형성에 기여할 수는 없습니다. 그것은 전적으로 우리가 세균 라인이라고 부르는 세포의 연속적인 일입니다.
어떤 의미에서, 신체 세포는 생식선 세포를 보호하기 위해 유전 적“불멸”을 희생합니다. 그리고이 원시적 인 생식 노동의 분열은 진화론 적 결과를 초래한다. 그것은 성적 생식을 허용하고 유전 적 다양성과 다세포의 진화를 촉진한다.
이제 Evo-Devo-Eco의 에코가 작용합니다. 다세포 유기체의 발달에 대한 연구의 핵심 문제는 왜 동일한 게놈으로 시작하는 세포가 다른 환경에서 다른 일을 하는가?
실험실에서 생식 세포의 발달을 어떻게 추적합니까?
우리는 분자 생물학 및 현미경 도구를 사용하여 세포 세포의 출현을 안내하는 유전자 메커니즘을 매핑하기 위해 거미, 크리켓 및 유유 벌레의 난소와 배아를 해부합니다. 일부 유기체에서, 생식선에 세포를 할당하는 것은 상속 기반 메커니즘에 의해 야기된다 :배아가 있기 전에, 일부 세포의 분자 함량은 그들을 생식기 또는 소마로 발달시킬 예정이다. 다른 유기체에서는 신호 전달 메커니즘이 있습니다. 배아 세포는 생식선 기능을 허용하는 유전자를 활성화 (또는 억제)하는 인접한 세포로부터 화학 신호를받습니다.
왜 다세포가 되는가?
유기체의 다양한 체세포 기능에 의해 보호되는 독특한 생식선의 진화는 식물이든 동물성 또는 동물성 곰팡이에 관계없이 다세포 유기체에 진화 적 이점 (우리가 체력 혜택이라고 부르는 것)을 부여하는 것으로 생각됩니다.
어떻게?
다세포 대기업에서 체세포와 생식선 세포 사이의 엄격한 노동 분야는 새로운 생태 학적 틈새를 탐색하고 턱, 발, 스토킹, 촉수, 꼬리, 뿌리, 잎 또는 핑거와 같은 전문 된 다세포 기관으로 물체를 조작 할 수 있습니다. 제한된 환경에 테 더링 된 전형적인 단일 세포와 달리, 다세포 단위는 음식이나 더 유리한 생태 조건 또는 다른 다세포 단위를 찾아 멀리 떨어진 곳에서 로밍 할 수 있습니다. 다세포 종은 덜 이동하거나 덜 복잡한 단세포 종을 삭제할 수있는 급격히 변화하는 생태계에 성공적으로 적응할 수있는 더 많은 기회를 찾을 수 있습니다. 따라서 단세포는 많은 유기체의 경우 분명히 성공적인 삶의 방식이지만, 다른 사람들에게는 다세포의 집단적 이점이 특정 게놈을 전달할 수있는 기회가 거부 된 각 체세포에 대한 개별 체력의 상실을 능가하는 것으로 보인다.
.피트니스 란 무엇을 의미합니까?
피트니스는 인구 유전학 분야에서 모호하지 않은 수학적 정의를 가질 수 있지만 생물학적 피트니스의 다른 영역에서는 의미 적으로 고정하기가 어렵습니다. 비인간 유기체 (효모 나 조류 또는 토끼의 행동을 설명하는 데 사용될 때 갈등과 협력과 같은 단어도 마찬가지입니다. 그러한 단어는 비대적으로 진행되는 일을 전달하는 데 필요하지만 사회 학적으로도 적재됩니다. 그들은 선택을 할 수있는 능력을 의미합니다. 실험실에서는 절대 수치 값을 사용하여 체력을 정의하지 않습니다. 우리는 부기를합니다 :우리는 얼마나 많은 계란을 놓았는지 계산합니다. 우리는 몇 개의 알을 부화시킨다. 그러나 우리는이 숫자만으로도 자신있게 피트니스 라벨을 붙일 수있는 것과 동등하다고 제안하지 않습니다.
Charles Darwin의 기원을 출판 한 이후 피트니스 개념의 사회 학적 사용이 어떻게 진화 했는가?
사회적 다윈 주의자 허버트 스펜서 (Herbert Spencer)가 150 년 전“가장 적합한 생존”트로프를 시작한 이래로 사람들은 생존과 생존과 체력과 생존을 동등하게 해왔다. 그것은 우리에게 문제를 일으키는 팽팽한학이지만 여전히 남아 있습니다. 예를 들어, 수학적 생물 학자 R. A. Fisher는 1920 년대와 1930 년대에 인구 유전학의 창시자였으며 유전자 분산과의 체력과 관련된 그의 작품은 엄청나게 중요했습니다. 그러나 피셔 자신은 상류층 사람들이 상류층이기 때문에 우수한 지능과“도덕적 성격의 자질”에 유전 적 소인을 가지고 있다고 믿는 유전 학자였습니다. 그는 저급 개인이 출생률이 가장 높은 것처럼 보이므로 집단적으로 열등한 유전자의 확산이 확인되지 않은 상태에서 문명의 몰락으로 이어질 것이라고 우려했다. 그는 사회가 상류층 유전자의 확산을 보장하기 위해 특정 조치를 취한다고 주장했다. 이것이 과학자들이 피트니스가 가치 판단이 아니라 사실에 대한 진술이라는 것을 결정 해야하는 이유 중 하나입니다.
그러면 왜이로드 된 단어를 사용합니까?
그들은 부적절하고 속기에 편리하게 진화했습니다. 실제로, 규범 적 수하물을 가지고 다니지 않고 수학적 구조를 대체 할 수있는 단어는 없을 수 있습니다.
실험 생물학에서 협력의 의미는 무엇입니까?
생물학적 협력은 단일 세포 또는 멀티 셀러 된 단위 인 두 명 이상의 개인이 함께 그룹을 구성하여 새로운 개체를 형성하여 실험 자의 관점에 따라 새로운 개인 또는 아마도 개인 그룹을 형성 할 때 발생할 수 있습니다. 다세포 실체에서의 생식 노동의 분열은 세포가 함께 작용하여 그들이 일부인 개체의 생식 잠재력을 극대화하도록 요구한다.
이를 위해, 협력 세포는 다른 세포가 게놈을 전염시키는 능력을 향상시키는 행동을 나타내며, 때로는 차세대에 대한 자신의 유전 적 기여를 최소화하는 비용으로 인해 행동을 나타냅니다. 이 세포들은 종종 실험실에서 "이타 주의자"라고 불립니다. 그들은 그룹을위한 에너지 자원을 생산하거나 보존 할 수 있습니다.
반면에, 비수 수술 세포 (또는 실험실에서“결함”으로 표시되는 것은 지속 가능성에 기여하지 않고 부족한 자원을 먹는 생태계를 중심으로 움직일 것입니다. 결함의 "이기적인"행동은 그룹을 희생시키면서 세대 간 전송을 위해 자체 게놈을 보존하는 경향이 있습니다.
성적으로 재현하는 유기체는 전체 유기체에 이익이되는 방식 으로이 두 가지 상충되는 접근법을 활용했습니다. 체세포는 협력자로 작용하고 생식 세포는 탈북자로 작용합니다. 우리가 알고있는 다세포성은 탈북자와 협력자를 모두 갖지 않으면 불가능했을 수도 있습니다. 각 유형의 행동이 필요합니다.
다윈의 진화는 협력 행동을 보상합니까?
행동은 종의 진화에 영향을 미치며 그 반대도 마찬가지입니다. 그러나 진화가 자연 선택의 대상이되는 결과를 초래하는 임의의 사건의 결과라는 것을 잊지 마십시오. 일부 무작위 변화는 특정 환경에서 유기체의 생존 및 재생 가능성을 향상시키고 일부는 감소합니다. 과학자들은 이러한 변화를 통계적으로 정량화하기 위해 노력하여 우리가 예측하고 과거에 무슨 일이 있었는지 알아낼 수 있도록 노력합니다.
분명히 :주어진 실체의 진화 적 궤적에 내장 된 의식적 목표 나 방향 또는 전신적 의도는 단세포 또는 다세포이기 때문에. 그럼에도 불구하고, 과학적 대화에서, 행동에 대해 마치 선택의 결과 인 것처럼 이야기하는 것이 종종 편리합니다. 그러나 세포는 죄수의 딜레마와 같은 게임에서 경쟁하는 의식적인 존재가 아니며 결과를 결정으로 취급합니다.
그렇다면 왜 게임 이론이 진화 생물학에서 많이 사용 되는가?
그것은 원래 의식 에이전트가 수행하는 제로섬 게임에 대한 솔루션을 찾기위한 도구로 개발되었으며 서구 자본주의 환경에서 경제 분석에 광범위하게 사용되었습니다. 그것은 의인화 적, 가치가 부여 된 언어로 가득 차 있으며, 그 결과, 많은 진화론 생물학 학자들에 의한 채택은 이제 우리가 테스트 튜브에서“공공재”의“경쟁”에 대한“경쟁”을“원한”과“결함”으로“협력”함으로써 유전 적“자살”을 저지르는“이타적인”세포에 대해 우연히 이야기한다는 것을 의미합니다.
.언어 속기가 인간 사회와 우리 자신의 선택을 언급하지 않는다는 것을 잊을 때 이러한 인간 중심의 은유가 문제가됩니다. 그렇기 때문에 Evo-Devo-Eco 사물 체계에서 나는 발달 생물학과 물리적 및 화학적 구조를 정량적으로 이해하는 데 중점을 둔 이유입니다.
다세포 생물로서 우리가 어떻게 생겼는지에 대한 비밀을 잠금 해제 할 수 있습니까?
저의 목표는 다세포 실체의 세포가 특정 환경에서 생식 노동의 생식기 석사 분할을 진화시킬 수있는 유전자 프로그램을 이해하는 것입니다. 솔직히, 나는 인간 사회의 주관성의 양에 고민하고 있으며, 나는 과학에서 그것을 피하려고 노력합니다. 그러나 나는 우리가 다세포 생물이기 때문에 생물 학자들은 다세포의 진화에 매료되어야한다고 부여한다. 단일 세포는 교향곡으로 노래 할 수 없습니다!
