Intelektualna pustka numeru “New Scientist” o ewolucji: 3. Rzekome znaczenie epigenetyki w ewolucji

Jak już pisałem wiele razy, zmiany epigenetyczne nie są dobrymi kandydatami na dziedziczną podstawę zmiany ewolucyjnej, głównie dlatego, że olbrzymia większość epigenetycznych modyfikacji DNA – zazwyczaj przez metylowanie zasad DNA – zanika po jednym pokoleniu, kiedy DNA zaciera epigenetyczne markery podczas rozmnażania płciowego. Kilka genetycznie stworzonych cech może przetrwać przez niewiele pokoleń, ale nie jest to dobra podstawa do trwałej zmiany ewolucyjnej i z pewnością nie jest to ogólne wyjaśnienie adaptacji. W rzeczywistości w wielu wypadkach znamy genetyczną podstawę adaptacji i jest ona niemal w 100% spowodowana zmianami w sekwencjach DNA, nie zaś epigenetycznymi modyfikacjami sekwencji DNA. (Tolerancja laktozy w ludzkich populacjach jest jednym z przykładów.)

Na poparcie twierdzenia, że epigenetyka jest ważna w ewolucji, autorka, Carrie Arnold, przytacza stary przykład ciężarnych Holenderek, pozbawionych pożywienia przez nazistów, których dzieci wyrosły na niezdrowych dorosłych z wysokimi poziomami otyłości, cukrzycy i tak dalej. Poza tym, że nie jest to przykład adaptacyjnej zmiany ewolucyjnej, nadal nie jest pewne, że te zmiany w dzieciach powstały przez epigenetyczne modyfikacje DNA. Te cechy przekazały ciężarne matki i na płody mogła wpłynąć fizjologia matek, nie zaś zmiany w ich DNA. (Sporo mówi fakt, że dzieci niedożywionych ojców nie pokazują zmian.) Mogły być jakieś zmiany epigenetyczne lub efekt matczyny, bo wydaje się, że wnuki też były tym dotknięte, ale na tym zmiany kończą się.  

Następnie Arnold wspomina eksperyment, którego nie znałem, ale który miał pokazywać zmiany epigenetyczne, które trwały przez wiele pokoleń – dokładnie mówiąc, 25:

Późniejsze badania roślin i zwierząt sugerują, że epigenetyczne dziedziczenie jest częstsze niż ktokolwiek oczekiwał. Co więcej, w porównaniu z genetycznym dziedziczeniem ma kilka dużych przewag. Środowisko może zmienić się szybko i radykalnie, ale genetyczne mutacje są losowe, więc często potrzeba pokoleń, by się utrwaliły. W odróżnieniu od tego, markery epigenetyczne są tworzone w ciągu minut lub godzin. A ponieważ wynikają ze zmiany środowiskowej, często są adaptacyjne, wzmacniając przetrwanie kolejnych pokoleń.

Weźmy mszycę grochową. Jest zdolna do zarówno płciowego, jak bezpłciowego rozmnażania i przychodzi w dwóch odmianach: skrzydlatej i bezskrzydłej. Kiedy naukowcy wystawili grupę genetycznie identycznych mszyc grochowych na biedronki, odsetek skrzydlatych mszyc wzrósł z jednej czwartej do połowy. Ta adaptacja, która pomaga im uciec przed drapieżnymi biedronkami, przetrwała przez 25 pokoleń. DNA mszyc nie uległ mutacji i cała zmiana był epigenetyczna.

No więc przeczytałem artykuł, który podobno pokazywał trwanie epigenetycznej odmiany przez 25 pokoleń. Kliknij na link pod zrzutem z ekranu poniżej, żeby dostać się do artykułu (z pisma “Heredity”):

Jest to długa i nieco nużąca lektura, ale są tam dwa punkty.

1.) Plastyczna reakcja na drapieżnika – pojawienie się skrzydeł (jest to genetycznie zakodowana adaptacja) – nie trwała samodzielnie przez 25 pokoleń. W rzeczywistości, jeśli zabierzesz drapieżnika, populacja znowu staje się bezskrzydła w przeciągu jednego pokolenia. Nie mamy więc tu sytuacji epigenetycznych markerów trwających samodzielnie przez wiele pokoleń.

2.) Nie ma dowodu, że tworzenie się skrzydeł jest spowodowane epigenetyczną modyfikacja DNA i autorzy o tym piszą.

Innymi słowy, wszystko, co Arnold mówi lub sugeruje o tym eksperymencie, jest błędne.  

Eksperyment zaczął się od jednej, sklonowanej populacji mszyc, to jest osobników stworzonych partenogenetycznie z jednej samicy. Populacja nie miała genetycznego zróżnicowania poza kilkoma mutacjami, które mogły zdarzyć się po rozpoczęciu eksperymentu. Jedna część populacji była eksperymentalna, wystawiona na drapieżne biedronki. Natychmiast powstały w niej skrzydlate osobniki w około 50% populacji. Ta proporcja pozostała stabilna przez 27 pokoleń. Tworzenie skrzydeł w obecności drapieżników jest oczywiście adaptacyjne, bo można od nich uciec, ale nie tworzenie skrzydeł, kiedy nie ma drapieżników, jest przypuszczalnie także adaptacyjne, bo istnieją metaboliczne i reprodukcyjne koszty nieużywanych skrzydeł.  Tak więc, przerzucanie się od skrzydlatości do bezskrzydłości jest adaptacyjną plastycznością i jest przypuszczalnie zakodowane (nie epigenetycznie!) w DNA mszyc.

Linia kontrolna, bez biedronek, pozostała w proporcjach około 25% skrzydlatych osobników przez około 25 pokoleń.

W trzech odstępach autorzy zabierali mszyce z eksperymentalnej linii i wkładali je do środowiska bez drapieżników. Gdyby genetyczne markery trwały pod nieobecność drapieżników i przetrwały mejozę, można by oczekiwać, że te “powracające” linie nadal będą wykazywały wyższą częstotliwość występowania skrzydlatych osobników. Nie robiły tego. Zasadniczo wracały do poziomu braku skrzydeł w grupie kontrolnej w jednym pokoleniu, przypuszczalnie dlatego, że bodźca do tworzenia skrzydeł (biedronek) tam nie było.

Tak więc, widzimy, to że aby adaptacyjna cecha – skrzydła – trwała, potrzeba nieustannej obecności bodźca. Obecność drapieżnika w jakiś sposób skłania mszyce, by urosły jej skrzydła, tak jak obecność ryb w stawie skłania niektóre wrotki do tworzenia odpędzających ryby kolców. A kiedy zabierasz drapieżnika, mszyce wracają do postaci bezskrzydłej. Tutaj jest wykres pokazujący częstotliwość występowania skrzydeł w eksperymentalnej populacji (czerwona linia), w kontrolnej populacji bez drapieżników (czarna linia) i w przywróconych populacjach, z których usunięto drapieżniki (niebieska linia):

Inaczej niż holenderskiej sytuacji lub innych, w których informowano o trwaniu środowiskowo wywołanych zmian przez kilka pokoleń, w tym wypadku, spowodowana zmiana – obecność skrzydeł – wraca do poziomów grupy kontrolnej w jednym pokoleniu. Nie widzimy tutaj tego rodzaju trwałości cechy, jaką orędownicy epigenetyki zachwalają jako ważną w czynieniu tego zjawiska czymś istotnym dla ewolucji.

A właściwie nie wiemy nawet, czy zmiana bezskrzydłości w skrzydlatość jest zmianą epigenetyczną, w odróżnieniu od jakiejś zmiany chemicznej zachodzącej w mszycy, kiedy wyczuwa obecność drapieżnika, która włącza “tworzące skrzydła geny”. (Tak to działa u wrotek: kiedy ryba zjada wrotka, wypuszcza on do wody substancję chemiczną, która skłania inne wrotki do wyprodukowania kolców. To nie jest epigenetyczna modyfikacja DNA.) Jeśli uważasz, że każda zmiana środowiskowa jest “epigenetyczna”, to tak, ta mogłaby być, ale to nie jest sposób w jaki modni „znawcy” definiują dzisiaj “epigenetykę”. Uważają, że znaczy “zmianę struktury DNA” i to rozumie dziennikarka Arnold, kiedy mówi o “epigenetycznych markerach tworzonych w minuty lub godziny”.

Istnieje jeszcze jedna komplikacja w tym eksperymencie: w linii poddanej działaniom drapieżników plastyczność osobników maleje; to jest, jest mniejsze prawdopodobieństwo, że zareagują na zmianę w postaci obecności drapieżników produkowaniem skrzydeł. Autorzy pracy przypisują to epigenetyce, ale może to równie dobrze być spowodowane doborem w mutacjach pojawiających się w linii wystawionej na drapieżników. To jest, ponieważ drapieżniki były ciągle obecne, było mniej nacisków selekcyjnych na utrzymywanie „maszynerii zmiany” i plastyczność mogła się zmniejszyć. Dla utrzymania tej maszynerii zmian między skrzydłami i brakiem skrzydeł linia musi doświadczać okresów z drapieżnikami przerywanych okresami bez drapieżników. Sama więc utrata plastyczności nie mówi niczego o tym, czy epigenetyczne markery nagromadziły się w DNA.

Na koniec autorzy przyznają, że nie wiemy, czy ta zmiana jest spowodowana epigenetyczną modyfikacją DNA, a to twierdzi reporterka „New Scientists”. Z artykułu w „Heredity”:

Możemy więc wstępnie przypisać spadek plastyczności zaobserwowany w liniach, które były wystawione na drapieżniki przez wiele pokoleń, działaniu jakiejś nie-genetycznie przekazanej informacji (tj. informacji nie zakodowanej w sekwencji DNA). Hipoteza, że zaobserwowane w fenotypie zmiany były spowodowane odwracalnymi zmianami epigenetycznymi, jest tym samym bardziej prawdopodobna, ale w celu potwierdzenia tego ta hipoteza wymaga poparcia przez analizę molekularną.

Nie mogę znaleźć niczego w tym artykule, co sugerowało by, że epigenetyczne zmiany zachodziły w DNA mszyc, a jeszcze mniej jakikolwiek rodzaj odziedziczonych zmian, które trwają dłużej niż przez jedno pokolenie. Ten artykuł z pewnością nie jest przykładem tego, co twierdzi o nim “New Scientist”.

To jest trzecie modne zjawisko przedstawiane przez “New Scietist” jako ekscytujące nowe odkrycie, które może zmodyfikować Nowoczesną Syntezę Ewolucyjną. I to jest trzecie, które jest błędne. Zaczyna mnie to męczyć i zobaczymy, czy będę nadal musiał obalać dalsze twierdzenia w tym artykule. Co to jednak obchodzi „New Scientist”? Oni chcą kliknięć, a nie poprawności i obawiam się, że marnuję czas. Wolałbym napisać coś o nowej pracy o świadomości wron.

Przynajmniej “New Scientist” przyznaje w tym artykule, że epigenetyka jest kontrowersyjna:

Rozmiary epigenetycznego dziedziczenia są kwestionowane. Niektórzy sceptycy wskazują, że podczas rozmnażania ssaków, tworzenie plemników i jajeczek wymazuje epigenetyczne markery. Inni argumentują, że epigenetyczne przekazywanie poprzez pokolenia jest niezmiernie szeroko rozprzestrzenione i użyteczne. Na przykład, u roślin może odpowiadać za różnice w wielkości owoców, czasie kwitnienia i wielu innych pomagających przetrwaniu cech.

Tak, ale z powodu tego, że transmisja przez pokolenia trwa najwyżej przez dwa lub trzy pokolenia, same modyfikacje epigenetyczne nie są dobrym kandydatem na “replikatora”, który tworzy adaptacyjną ewolucję.  

Pora na obiad!

The intellectual vacuity of New Scientist’s evolution issue: 3. The supposed importance of epigenetics in evolution

Why Evolution Is True, 28 września 2020