Regola della Regina Nera. L’ipotesi della regina nera potrebbe spiegare l’estinzione dei mammiferi terrestri

È vero che la regina dei problemi evolutivi è la Regina Rossa (ovvero Nera)? Non affrettarti a rispondere: non dimenticare gli ermafroditi!

Anche per noi esseri umani, con tutta la nostra capacità di prevedere gli eventi, non è così facile agire nell'interesse dei nostri immediati discendenti: ricordiamo la distruzione delle foreste, il riscaldamento globale e il problema della sovrappopolazione. Come avrebbe potuto, allora, con la sua cecità ed egoismo, mettere i benefici a lungo termine del sesso per la popolazione al di sopra del suo doppio prezzo a breve termine, con tutte le spiacevoli conseguenze che ne sarebbero derivate? (Nick Lane. La scala della vita)

Discuterò in dettaglio il problema dell'evoluzione della riproduzione e della ricombinazione delle popolazioni (compreso il fenomeno del sesso). Naturalmente, tutti i pensieri chiave possono essere riassunti in un breve testo, ma allo stesso tempo risulteranno dichiarativi e incomprensibili. Per giustificarli occorre un testo più grande di un'intera colonna, ma tale giustificazione risulterà incomprensibile ai non specialisti. Sto cercando di presentare sia un insieme complesso di idee ben note sia i miei sviluppi in modo tale che siano comprensibili ai lettori non biologi attenti. Come incoraggiare tali lettori a comprendere l'argomento in discussione? Per me, trovo spesso materiale interessante su rami della conoscenza che non mi sono familiari, in cui è visibile la logica del ragionamento delle persone che sviluppano questi campi. Questa è la logica che sto cercando di riflettere, al meglio delle mie capacità e della mia comprensione del materiale, in queste colonne. Naturalmente, il volume di testo necessario a questo scopo sta crescendo a passi da gigante. Questa rubrica è già la quinta della serie “sesso”; ce ne saranno altri tre o quattro.

Ma questi esperimenti spiegano le origini del sesso? Autorità come Alexander Markov o Matt Ridley concordano sul fatto che la Regina Rossa abbia spiegato il fenomeno del genere. Tuttavia, dicono che Alexander Kondrashov (l'autore dell'ascia Kondrashov menzionata nell'ultima colonna) continua a ritenere che il fenomeno del genere non abbia mai ricevuto una spiegazione.

Gli esperimenti di cui scrive Naimark sono senza dubbio convincenti. Ma non dimentichiamolo: non possono dimostrare che la “forza” della Regina Rossa sarebbe sufficiente per superare il doppio calo di fertilità causato dal passaggio dalla clonalità alla dioicità al momento dell’origine della riproduzione sessuale.

Quando Caenorhabditis elegans si tratta di una specie in cui la riproduzione sessuale è già perfettamente formata. Il fatto che negli ermafroditi si degeneri per autofecondazione è un effetto secondario. A proposito, quando si analizza l'esperimento descritto, è necessario tenere presente che i discendenti formati a seguito dell'autofecondazione risultano essere più o meno omozigoti (con alleli identici), e i vermi risultanti dall'incrocio di maschi e gli ermafroditi risultano essere molto più eterozigoti (hanno versioni diverse di alleli omologhi). L'aumento dell'eterozigosi può contribuire da solo ad un aumento della resistenza, senza tenere conto delle conseguenze della ricombinazione.

Comunque Caenorhabditis produce sia ovuli che sperma. In questi vermi il ciclo vitale aplo-diploide con fecondazione e meiosi è completamente formato. La Regina Rossa può aumentare la percentuale di vermi con sviluppo sessuale. Allo stesso tempo, dubito che possa garantire l’evoluzione dalla riproduzione clonale a quella sessuale, superando una duplice perdita di efficienza riproduttiva.

Ora ho una confessione da fare. Come ho scritto nel penultimo articolo, ho la mia versione della soluzione, mi sono solo preso il tempo per spiegarla. Per poter apprezzare la via d'uscita da un'impasse teorica, dovevi essere condotto in questa impasse. Anche in questo articolo non avrò il tempo di esporre tutte le motivazioni della decisione, ma posso delinearle.

L'intuitivo (scherzi a parte) Nick Lane, citato in epigrafe, non condivide il sesso e il suo “doppio prezzo”. Non ha ragione. La diminuzione dell'efficienza riproduttiva non è associata alla riproduzione sessuale in quanto tale, ma alla presenza di maschi che non lasciano prole. Ciò che John Maynard Smith chiamava il “doppio prezzo del sesso” potrebbe essere propriamente chiamato il “doppio prezzo della dioicità”. Gli ermafroditi non pagano questo prezzo!

Permettetemi di ricordarvi l'illustrazione che ho fatto all'inizio della conversazione sull'evoluzione della ricombinazione.

Nella mia lontana infanzia, avevo un'amica (e ne ho ancora una), e a quel tempo anche lei aveva un padre che era uno scienziato, un fisico nucleare. La fiaba preferita del papà del mio amico della nostra infanzia era la fiaba su Alice di Lewis Carroll. Allora non l'abbiamo capito molto bene e abbiamo anche frainteso la fiaba, forse era la solita cosa di Cenerentola e Cappuccetto Rosso.

Ora, essendo cresciuto in modo significativo e anche un po 'più saggio, ho imparato che la fiaba su Alice non è così semplice e per niente esasperante, ma al contrario. Ed è stato scritto non solo da un certo narratore inglese Lewis Carroll, ma dal professore di matematica dell'Università di Oxford Charles Lutwidge Dodgson (Carroll è uno pseudonimo). Il padre del mio amico, avendo una vasta conoscenza di fisica e matematica, ha compreso la bellezza delle leggi crittografate del nostro mondo nel comportamento degli eroi del mondo immaginario di Alice.

Richard Dawkins, un etologo e biologo evoluzionista inglese, chiamò questo principio la “corsa agli armamenti evolutiva”.

Gli ecologisti Robert MacArthur e Edward O. Wilson basarono la loro legge sullo stesso effetto della Regina Nera e lo formularono nel libro “The Theory of Island Biogeography”. In breve: gli animali della specie A vengono gettati dal destino su una certa isola. All'arrivo in una nuova vita, la specie molto probabilmente si estinguerà, ma per sopravvivere (e adattarsi rapidamente), la specie A deve riprodursi attivamente. popolare il territorio appena acquisito. Se la prossima specie B verrà portata su quest'isola, dovrà adattarsi non solo alla nuova vita, ma anche alla specie A. Con l'aumento del numero di specie animali sull'isola, aumenterà anche il numero di quelle estinte. Con il passare del tempo, i nuovi arrivati ​​scopriranno sempre più la propria specie sull’isola, il che significa che il numero di specie animali non aumenterà, ma si fermerà anche l’estinzione. Se tracciamo la dipendenza del tasso di insediamento (cioè il numero di nuove specie che arrivano in un dato periodo di tempo) dal numero di specie che hanno già abitato l’isola, si nota che il tasso di insediamento è elevato quando il il numero degli abitanti dell'isola è piccolo, e basso quando il loro numero è grande. Questa legge di equilibrio di MacArthur-Wilson può essere facilmente applicata alla teoria dell’insediamento umano nelle città.

Un'analisi dei processi di speciazione ed estinzione delle specie, effettuata su resti paleontologici di 19 famiglie di mammiferi cenozoici, ha dimostrato la validità dell'ipotesi della Regina Rossa, secondo la quale la principale causa di estinzione era un progressivo deterioramento della qualità del ambiente per il clade in evoluzione (gruppo di specie affini). La diversità dell'intero gruppo diminuisce ugualmente a causa di una diminuzione del tasso di speciazione e di un aumento del tasso di estinzione delle specie.

L'estinzione delle specie, così come la loro comparsa nel processo di evoluzione, avviene costantemente, sebbene l'attenzione del pubblico sia più attratta dalle estinzioni di massa, gli eventi stessi sono piuttosto rari. Per spiegare il tasso costante (di fondo) di estinzione delle specie, i biologi si rivolgono sempre più alla “ipotesi della Regina Rossa” proposta dal paleontologo Leigh Van Valen; vedere: L. M. Van Valen, 1973. Una nuova legge evolutiva (PDF, 2 MB). Questa ipotesi ci riporta a “Attraverso lo specchio”, al luogo di questa insolita fiaba di Lewis Carroll in cui la Regina Rossa fa correre Alice sempre più velocemente. Quando finalmente si siedono a riposare sotto un albero, Alice trafelata è sorpresa di scoprire che sono rimaste nello stesso posto. La Regina spiega che per correre più lontano bisogna correre ancora più velocemente. E quando Alice dice che nel loro paese va tutto male, la regina osserva, non senza malizia: “Un paese lento!” ("Un paese lento!"):

Alice si guardò intorno con grande sorpresa.

"Perché, credo proprio che siamo stati sotto quest'albero tutto il tempo! Tutto è proprio com'era!"

"Certo che lo è", disse la Regina: "cosa vorresti?"

“Bene, dentro Nostro paese”, disse Alice, ancora un po' ansimante, “generalmente arriveresti da qualche altra parte, se corressi molto velocemente per molto tempo, come facciamo noi”.

“Un paese lento!” disse la Regina. "Ora, Qui, vedi, ci vuole tutta la corsa che puoi fare, per restare nello stesso posto. Se vuoi arrivare da qualche altra parte, devi correre almeno il doppio più veloce!”

Alice si guardò intorno stupita.

Cos'è questo? - lei chiese. - Siamo rimasti sotto quest'albero! Davvero non abbiamo mosso un solo passo?

Beh, certo che no", rispose la Regina. - Cosa volevi?

U noi“,” disse Alice, riprendendo appena il fiato, “se corri più veloce che puoi per un lungo periodo, finirai sicuramente in un altro posto.”

Che paese lento! - disse la Regina. - Bene e Qui, sai, devi correre più veloce che puoi solo per restare nello stesso posto! Se vuoi arrivare in un altro posto, devi correre almeno due volte più veloce!

(Traduzione di N. Demurova)

La nostra biosfera, tuttavia, non è un paese lento. Anche l'evoluzione degli esseri viventi che vi si svolge non può fermarsi, poiché l'ambiente è in continua evoluzione. Se alcuni organismi rallentano il tasso di evoluzione e non si adattano più a un ambiente in rapido cambiamento, semplicemente muoiono. Nel processo di selezione naturale, attraverso l’evoluzione darwiniana classica, sorgono nuove specie che si adattano meglio alle nuove condizioni.

Il termine deriva da Alice attraverso lo specchio di Lewis Carroll, dal dialogo di Alice con la Regina Nera:

"Da noi," disse Alice, riprendendo appena il fiato, "quando corri più veloce che puoi per molto tempo, finirai sicuramente in un altro posto."

Che paese lento! - esclamò la Regina. - Beh, qui, sai, devi correre più veloce che puoi pur di restare nello stesso posto.

Traduzione di N. Demurova

Corsa agli armamenti

Il paradosso di genere e il suo significato

L'autore scientifico Matt Ridley ha reso popolare il termine "effetto regina nera" collegandolo alla selezione sessuale nel suo libro La Regina Rossa: il sesso e l'evoluzione della natura umana(1993), in traduzione russa - "Il sesso e l'evoluzione della natura umana" (2011).

Nelle popolazioni bisessuali di esseri viventi, i maschi, che di norma costituiscono circa la metà della popolazione, non hanno l'opportunità di produrre direttamente prole senza la partecipazione del sesso femminile (se non hanno la capacità biologica di cambiare la loro sesso). In alcune specie, come i leoni, è consuetudine tra i maschi uccidere i piccoli generati da un altro maschio (secondo Richard Dawkins si tratta di una manifestazione del cosiddetto gene egoista, il cui scopo è solo riprodursi, e che può di conseguenza sopprimono la riproduzione di altri geni). Inoltre, maschi e femmine devono spendere risorse per attrarre e competere per il sesso opposto. La selezione sessuale può anche produrre tratti che riducono l'idoneità della specie e dell'individuo alla sopravvivenza, in modo tale che il piumaggio dai colori vivaci degli uccelli del paradiso, utilizzato per attirare un compagno, allo stesso tempo aumenta la probabilità di essere notato da potenziali predatori. Pertanto, la riproduzione sessuale può essere molto inefficace in termini di lotta per l'esistenza.

Una possibile spiegazione del fatto che quasi tutti i vertebrati sono dioici è che il sesso aumenta la capacità di adattamento. In primo luogo, se una mutazione benefica si verifica tra individui che si riproducono asessualmente, non c’è modo che quella mutazione si diffonda e che gli individui acquisiscano geni da altre linee della loro specie che potrebbero aver sviluppato le proprie mutazioni benefiche. In secondo luogo, mescola gli alleli. Alcuni casi di variazione ereditaria potrebbero essere vantaggiosi solo quando una mutazione si combina con un'altra mutazione e la riproduzione sessuale aumenta la probabilità che tale connessione si verifichi.