하버드 대학교 (Harvard University)의 4 층 실험실에서 마이클 데사이 (Michael Desai)는 직장에서의 진화를보기 위해 수백 개의 동일한 세계를 만들었습니다. 그의 세 심하게 통제 된 환경은 각각 베이커 효모의 별도의 긴장이 있습니다. 12 시간마다 Desai의 로봇 조수는 각 세계에서 가장 빠르게 성장하는 효모를 뽑았습니다. 그런 다음 Desai는 500 세대에 걸쳐 진화 할 때 균주를 모니터링합니다. 다른 과학자들이 전례가없는 그의 실험은 생물 학자들이 오랫동안 침해 된 생물 학자들에 대한 통찰력을 얻으려고합니다. 우리가 세상을 다시 시작할 수 있다면 인생이 같은 방식으로 진화 할 것인가?
많은 생물 학자들은 종의 진화 여행 초기에 우연히 돌연변이가 운명에 큰 영향을 미칠 것이라고 주장합니다. Desai는“당신이 인생의 테이프를 재생한다면, 당신은 완전히 다른 방향으로 당신을 데려가는 초기 돌연변이가있을 수 있습니다.
Desai의 효모 세포는이 믿음을 의문으로 부릅니다. 6 월 과학에 발표 된 결과에 따르면, Desai의 모든 효모 품종은 각 균주가 취한 정확한 유전 적 경로에 관계없이 거의 동일한 진화 종말점 (특정 실험실 조건 하에서 성장하는 능력에 의해 측정 됨)에 도달했습니다. 마치 100 개의 뉴욕시 택시가 태평양 경주에서 별도의 고속도로를 가져 오는 데 동의 한 것처럼, 50 시간 후에 그들은 모두 산타 모니카 부두에 수렴했습니다.
이 발견은 또한 유전자 수준과 전체 유기체의 수준에서 진화 사이의 분리를 제안합니다. 유전자 돌연변이는 대부분 무작위로 발생하지만 이러한 목표가없는 변화의 합은 어떻게 든 예측 가능한 패턴을 만듭니다. 많은 유전학 연구가 개별 유전자의 돌연변이의 영향에 초점을 맞추었기 때문에 구별은 가치가 있음을 증명할 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 종종 단일 돌연변이가 에 어떤 영향을 줄 수 있는지 묻습니다. 미생물의 독소에 대한 내성 또는 a 인간의 질병 위험. 그러나 Desai의 발견이 다른 유기체에서 사실이라면, 시간이 지남에 따라 많은 수의 개별 유전자 변화가 어떻게 작동하는지 조사하는 것이 똑같이 중요하다고 제안 할 수 있습니다.
미네소타 대학교의 생물학자인 마이클 트래 비노 (Michael Travisano)는“개별 유전자에 대한 사고와 전체 유기체를 변화시키기위한 진화 가능성 사이에는 진화 생물학에 일종의 긴장이있다”고 말했다. “모든 생물학은 지난 30 년 동안 개별 유전자의 중요성에 초점을 맞추었지만,이 연구의 큰 테이크 홈 메시지는 반드시 중요하지는 않습니다.”
.Desai의 실험의 주요 강점은 전례없는 크기이며,이 분야의 다른 사람들이“대담한”것으로 묘사되었습니다. 실험의 디자인은 제작자의 배경에 뿌리를두고 있습니다. Desai는 물리학 자로 훈련을 받았으며 4 년 전에 실험실을 시작한 시점부터 생물학에 통계적 관점을 적용했습니다. 그는 로봇을 사용하여 수백 줄의 효모를 정확하게 조작하여 대규모 진화 실험을 정량적으로 실행할 수있는 방법을 고안했습니다. 과학자들은 오랫동안 미생물의 유전 적 진화를 연구 해 왔지만 최근까지 한 번에 몇 가지 균주 만 검사 할 수있었습니다. 대조적으로 Desai의 팀은 모두 단일 부모 세포에서 진화 한 640 라인의 효모를 분석했습니다. 이 접근법을 통해 팀은 진화를 통계적으로 분석 할 수있었습니다.
펜실베이니아 대학교의 진화 생물 학자 인 조슈아 플롯 킨 (Joshua Plotkin)은“이것은 진화에 대한 물리학 자의 진화에 대한 접근법이다. "그들은 기회가 얼마나 많은지, 출발점에 얼마나 많은지, 그리고 측정 소음에 얼마나 많은 영향을 미치는지 분할 할 수 있습니다."
.Desai의 계획은 동일한 조건에서 자라면서 효모 균주를 추적 한 다음 최종 체력 수준을 비교하는 것이 었으며, 이는 원래 조상 균주와 비교하여 얼마나 빨리 성장했는지에 따라 결정되었습니다. 이 팀은 12 시간마다 효모 식민지를 새 집으로 옮기기 위해 특별히 설계된 로봇 암을 사용했습니다. 그 기간에 가장 많이 성장한 식민지는 다음 라운드로 진행 되었으며이 과정은 500 세대 동안 반복되었습니다. Desai의 실험실의 박사후 연구원 인 Sergey Kryazhimskiy는 때때로 실험실에서 밤을 보냈으며 640 균주 각각의 체력을 세 가지 시점에서 분석했습니다. 그런 다음 연구원들은 균주마다 체력이 얼마나 많은지 비교하고 균주의 초기 능력이 최종 지위에 영향을 미쳤는지 알아낼 수있었습니다. 그들은 또한 초기 돌연변이가 궁극적 인 성능을 변화 시켰는지 여부를 파악하기 위해 균주 104의 게놈을 시퀀싱했습니다.
이전의 연구에 따르면 진화 여행 초기에 작은 변화가 나중에 큰 차이를 초래할 수 있으며, 이는 역사적 우발 사태로 알려진 아이디어입니다. 예를 들어, 대장균 박테리아에서의 장기 진화 연구는 미생물이 때때로 새로운 유형의 음식을 먹기 위해 진화 할 수 있지만, 이러한 실질적인 변화는 특정한 돌연변이가 먼저 발생할 때만 발생한다는 것을 발견했습니다. 이 초기 돌연변이는 그 자체로 큰 영향을 미치지 않지만 나중에 돌연변이에 필요한 토대를 마련합니다.
그러나 이러한 연구의 소규모로 인해 이러한 사례가 예외인지 규칙인지 여부는 Desai에게는 명확하지 않았습니다. "당신은 일반적으로 자연스러운 진화 과정에서 발생하는 진화 잠재력에서 큰 차이를 얻습니까? 그는 말했다. “이에 대답하기 위해서는 대규모 실험이 필요했습니다.”
이전 연구에서와 같이 Desai는 초기 돌연변이가 미래의 진화에 영향을 미쳐 효모가 취하는 길을 형성한다는 것을 발견했습니다. 그러나 Desai의 실험 에서이 경로는 최종 목적지에 영향을 미치지 않았습니다. Desai는“이 특별한 비상 사태는 실제로 체력 진화를보다 예측할 수 없게 만듭니다.
Desai는 체육관으로의 한 번의 여행이 운동 선수보다 소파 감자에 혜택을주는 것처럼, 성장하기 시작한 미생물은 게이트에서 촬영 한 적합한 상대보다 유익한 돌연변이에서 더 많은 것을 얻었습니다. DeSai는“불운 때문에 처음에 뒤쳐지면 앞으로 더 잘하는 경향이있다”고 말했다. 그는이 현상을 수익 감소의 경제적 원칙과 비교합니다. 특정 시점 후에, 각각의 추가 된 노력 단위는 점점 줄어 듭니다.
.과학자들은 왜 효모의 모든 유전자 도로가 같은 종말점에 도달하는 것처럼 보이는지 모르겠습니다. Desai와 분야의 다른 사람들이 특히 흥미로운 질문입니다. 효모는 많은 다른 유전자에서 돌연변이를 일으켰으며, 과학자들은 그들 사이에서 명백한 연관성을 발견하지 못했기 때문에 이러한 유전자가 세포에서 어떻게 상호 작용하는지는 확실하지 않습니다. 뉴햄프셔 대학교 (University of New Hampshire)의 생물 학자 인 본 쿠퍼 (Vaughn Cooper)는“아마도 아무도 손잡이를 가지고 있지 않은 또 다른 대사 층이있을 것”이라고 말했다.
또한 Desai의 신중하게 통제 된 결과가 유기체와 환경이 끊임없이 변화하고있는보다 복잡한 유기체 나 혼란스러운 실제 세계에 적용되는지는 아직 확실하지 않습니다. Travisano는“현실 세계에서 유기체는 다른 것들을 능가하여 환경을 분할합니다. 그는 생태 학적 틈새 시장 내의 인구는 여전히 적응을 겪을 때 여전히 수익이 줄어들 것이라고 예측했다. 그러나 그것은 여전히 열린 질문으로 남아 있다고 그는 말했다.
그럼에도 불구하고, 복잡한 유기체가 더 비슷해지기 위해 빠르게 진화 할 수 있다는 힌트가있다. 5 월에 발표 된 연구는 새로운 환경에 적응하면서 유 전적으로 별개의 과일 파리 그룹을 분석했습니다. 다른 진화 궤적을 따라 여행 함에도 불구하고, 그룹은 단지 22 세대 이후에 열성 및 신체 크기와 같은 속성에서 유사점을 개발했습니다. 리버 사이드 캘리포니아 대학의 생물학자인 데이비드 레즈닉 (David Reznick)은“많은 사람들이 한 가지 특성에 대해 하나의 유전자에 대해 생각하고 있다고 생각합니다. “이것은 사실이 아니라고 말합니다. 여러 가지 방법으로 환경에 더 적합하도록 진화 할 수 있습니다.”
