과일 플라이 날개의 수학적 분석 Evolution의 한계에 대한 힌트

2 년 전, 특이한 사진 촬영을 준비하기 위해 과학자 팀은 수천 개의 과일 파리에서 날개를 뽑아 유리 판 사이에 무지개 빛깔의 조직의 각 조각을 눌렀습니다. 종종 날개가 찢어 지거나 접 히거나 공기 주머니 또는 잘못된 먼지 조각이 갇혀 샘플을 망쳤습니다. 노스 웨스턴 대학교 (Northwestern University)의 응용 수학자이자 엔지니어 인 마드 하프 마니 (Madhav Mani)는 플라이 윙은“사란 랩과 같지 않다”고 말했다. 그는 깨지기 쉽다고 말했다

그들이 약 2,000 쌍을 완벽하게 장착 할 때까지 인내 한 후 과학자들은 날개를 고해상도로 촬영하고 30,000 장소에서 사진을 체계적으로 비교했습니다.

이것은 분류법에서 단순한 운동이 아니 었습니다. 오히려, 최근에 저널 elife 에 발표 된이 연구 , 종 내에 존재할 수있는 변형에 대해 매우 상세하게 살펴 보았습니다. 결과는 생물학에서 오랜 긴장을 해결하기 시작합니다.

한편으로, 개인의 유전자와 그들이 자라는 다양한 환경에서 극적인 돌연변이에도 불구하고, 종의 구성원은 놀랍도록 유사한 생물로 발전합니다. 이 견고성은 거의 모든 개인이 기능적임을 보장합니다. 반면에, 진화가 일어나기 위해서, 종의 구성원은 자연 선택이 행동 할 수있는 다양한 특성이 필요합니다. 이 두 힘 (견고성과 진화 가능성)은 반대 방향으로 잡아 당깁니다. 하나는 덜 변형을 원하고 더 많은 것을 원합니다.

균형은 어떻게 닥쳤습니까?

약 20 년 전, 생물 학자들은 유전학과 환경 적 요인이 상당한 이질성을 생성 할 것으로 예상하여 자연 선택을 많이 할 수 있다고 새로운 연구에 참여하지 않은 뉴저지의 로닌 연구소 (Ronin Institute)의 진화 생물 학자 인 알렉스 랭커스터 (Alex Lancaster)는 말했다. 그러나 그는 최근의 관찰이 인구의 예기치 않은 유사성을 증명했다고 말했다.

몇 년 전 공동 저자 인 Richard Carthew와의 저녁 식사를 통해 Mani는 개인이 물리적으로 다양 할 수있는 방법과 어떤 방법을 정확하게 파악하는 것에 대해 생각하기 시작했습니다. 다시 말해, 배아 및 산후 발달의 제약 내에 어떤 옵션이 존재합니까? 성장하는 유기체의 경우“메뉴에 무엇이 있습니까?” 마니가 궁금해했다. "사람들은 과학이 일종의 방법이라고 말하기를 좋아하지만, 그 유치하고 구제적인 질문으로 시작했습니다."

이전의 연구는 유기체에 대한 몇 가지 비교 지점에 의존했지만 Mani, Carthew 및 그들의 공동 저자 인 Vasyl Alba와 James Carthew (Richard Carthew의 아들 및 그의 실험실 회원)는 더 철저한 정보를 원했습니다. 그들은 게놈을 시퀀싱 할 때 알고리즘이 비교를위한 유전자 코드의 섹션을 정렬한다는 것을 알고있었습니다. 같은 방식으로 과학자들은 일반적인 Drosophila melanogaster의 날개를 정렬하기로 결정했습니다 과일 파리.

그들의 수천 개의 날개 사진은 밝은 배경에서 눈에 띄는 어두운 정맥이있는 선 그림과 비슷합니다. 컴퓨터 프로그램은 이러한 이미지를 표준화하여 정맥의 각도와 같은 기능을 보존하면서 각각 원에 맞추고 수천 개의 사진을 서로 쌓았습니다. 이로 인해 연구원들은 수십 개의 원유 랜드 마크 대신 약 30,000 점의 비교 (쌓인 이미지의 모든 픽셀)를 제공했습니다. 랭커스터는“이것은 더 포괄적입니다. "일반적으로 잡히지 않는 기능을 포착합니다."

이 풍부한 데이터에서 예기치 않은 단순성이 나타났습니다. 과학자들은 날개에 대한 좁은 범위의 외관을 보았으며, 대부분 작은 특성으로 분기되었습니다. 변화는 날개의 힌지 근처에 집중되어 가장 앞쪽 정맥의 모양과 같은 몇 가지 특정 지점에 나타났습니다. 더욱이, 이러한 가변적 특성은 연결되었습니다. 날개의 특성 중 하나가 평균과는 거리가 멀었을 때, 다른 특성도 일반적으로있었습니다. 비행이 경험 한 유전자 또는 환경 변형이 어떤 유전자 또는 환경 적 변형을 경험하든, 이러한 요소가 개별적으로 매우 제한된 영향을 미친다는 것을 암시합니다.

Richard Carthew는 더 많은 파리의 발달 복잡성이 물리적 형태로 포착 될 것으로 예상했습니다. 그는 변형이 모두 짧은 메뉴 옵션 목록으로 퍼져 있다는 것은“매우 놀라운 일”이라고 말했다. 파리가 성인으로 자라면서“차이를 교정하고 매우 강력한 최종 형태를 만들 수있는이 마법의 능력”을 가지고 있습니다.

Fly Wings의 사진은 개발할 수있는 가능한 형태를 제한하는 메커니즘에 대한 단서를 제공하지 않았습니다. 오히려 결과는이 가드 레일의 광범위한 힘을 입증했다. 자연 선택은 대부분 소수의 연결된 가변적 특성에 전시 된 상당한 다양성에 대해 대부분의 역할을해야하며, 견고성은 나머지를 단단히 제한합니다.

일부 과학자들에게는 단순성이 놀라운 일이 아닙니다. 프린스턴 대학교의 생태 학자이자 진화 생물 학자 인 루이사 팔라 레스 (Luisa Pallares)는 견고성에 대한 생물학적 이론에 근거하여 변동에 대한 제한이 예상되었습니다. 즉, 종의 구성원이하는 것과 비슷하게 보이려면 그들의 변이가 심각하게 제한되어야합니다. 그러나이 연구는“아름다운”정량화를 제공한다고 그녀는 말했다. 이제 과학자들은 마침내 이론을 훨씬 더 명확하게 볼 수 있습니다.

알바는 노스 웨스턴의 생물 학자이지만 물리학 훈련을 받았으며 물리적 세계의 많은 부분을 예측하는 지침 원칙에 끌 렸습니다. "생물학에서는 우리에게는 가지고 있지 않습니다"라고 그는 말했습니다. "생물학의 전부 또는 많은 현상을 설명하거나 최소한 우리의 이해를 단순화 할 수있는 생물학에 대한 몇 가지 원칙을 구축 할 수 있는지 항상 궁금했습니다."

Alba와 그의 동료들이 관찰 한 제한된 변이가 일반적으로 동물을 가로 지르는 지 확인하기 위해, 더 많은 종을 양적 접근으로 분석해야합니다. Carthew는 고생물학 자들이 화석화 된 치아 나 뼈에서 그것을 시도하기를 희망하며, 팔라는 그것이 3 차원 구조에서 어떻게 작동하는지 궁금합니다. 미래에 유전자와 물리적 형태의 관계를 이해하면 질병의 작동을 풀 수 있다고 런던 임페리얼 칼리지의 Michalis Barkoulas는 말했다.

현재 노스 웨스턴 팀은 또 다른 연구를 진행하고 있으며,이 연구는 여전히 수천 개의 과일 플라이 날개를 검사합니다. Drosophila melanogaster의 변화를 식별하기 위해 정량적 접근 방식을 사용한 후 날개 형태로, 그들은 자연 선택이 어떻게 새롭고 밀접하게 관련된 종을 형성하기 위해 다양한 외모에 대해 어떻게 행동했는지에 대해 생각하고 있습니다. 그들은 그들의 접근 방식이 다음 종의 출현이 drosophila에서 진화 할 수있는 것을 예측할 수 있는지 궁금해했다. . 매니는“정교하게도, 우리가 예라고 말하기 직전에있는 것 같습니다. “우리는 근처의 종을 예측할 수 있습니다.”