Kiek reikia laiko evoliucijai?
5 views
Skip to first unread message
Andrej S
Oct 29, 2010, 1:45:06 PM10/29/10
to G-mokslai
Evoliucija yra sudėtingas procesas, kuris veikia esant kintamumui (mutacijoms), to kintamumo paveldimumui jo natūraliajai atrankai bei dreifui evoliucijos vienetų populiacijose (plačiąja prasme). Tiksliai nuspėti evoliucijos rezultatus yra labai sudėtinga bendru atveju, dėl daugelio veiksnių sudėtingo persipynimo (pvz. genetinė epistazė, evoliucingumo kaita, ekologinių santykių pokyčiai). Tačiau, kai kurias bendras savybes apibrėžti įmanoma, turint pakankamai realistiškas prielaidas proceso atžvilgiu.
Pats Čarlzas Darvinas galvojo, kad evoliucijos procesui reikalingi labai ilgi laiko tarpsniai (dėl to, kad jis manė, kad kiekvienas pokytis (mutacija) yra labai retas ir labai mažo poveikio). Tuo tarpu yra ir kitos prielaidos, kad evoliucija turėtu būti labai lėta ir net kai kurie mokslininkai sakė, kad vykstant evoliucijai neužtektu laiko labai netikėtinų genų kombinacijų atsiradimui. Mutacijos ir natūraliosios atrankos tyrimai rodė, kad laukimo laikas iki norimos mutacijų kombinacijos atsiradimo yra proporcingas K^L (tai yra šis laikas eksponentinis), kur K mutacijų kiekis o L yra lokusų kiekis (priimant, kad pažangus geno variantas (alelis) yra geresnis nei prieš tai fiksuotas K^(-1)). Šis išvedimas glumino biologus, nes rodė, kad evoliucija veikiant naturaliosios atrankos atrenkamoms mutacijoms labai mažai tikėtinas procesas.
Tačiau, kaip įrodė tyrėjai iš Pensilvanijos universiteto - matematikas ir teorinis genetikas (Wilf and Ewens, 2010), pateikę savo straipsnį arxiv.org preprintų archivo tinklapyje, šitoks ilgas tinkamų mutacijų laukimo laikas yra imanomas tiktai tuo atveju jei visi požymiai optimizuojami seka paeiliui o ne lygiagrečiai (kaip vyksta iš tiesų). Pvz. kaip pavyzdį autoriai pateikia, kad akies funkciją pagerinantis alelis gali būti užfiksuotas populiacijoje nepriklausomai nuo tarkim kepenų funkciją pagerinančio (nes mutacijos atsiranda aibėje organizmų skirtinguose jų genomo vietose ir natūralioji atranka apsprendžia kurie iš organizmų išliks, taigi skirtingus požymius vienoje kartoje gali įgyti skirtingi organizmai, o geriausią kombinaciją turės po kurio laiko populiacijos individai po eilės natūraliosios atrankos įvykių ir santykinio optimalesnio požymio kiekio populiacijoje padidėjimo). Autoriai kaip tik ir pasiūlė alternatyvų lygiagrečios daugelio lokusų (genų) optimizacijos modelį, alternatyvu nuoseklios optimizacijos modeliui.
Pirmą modelį metaforiškai galima palyginti su reikiamo žodžio kurio ilgis yra lygus L atspėjimui, turint K ilgio abecelę, atsitiktinai deliojant per kiekvieną kartą raides. Jei raidė atspėjama tiksliai, tuomet optimizacija (kitos reikalingos raidės paieška) tesiama toliau, o jei ne, procesas pradedamas iš naujo. Iš to ir gaunasi, kad vidutinis laukimo laikas iki reikalingo žodžio atspėjimo tokiu būdu yra lygus K^L.
Tuo tarpu antrasis modelis metaforiškai gali būti paaiškintas sekančiu būdu. Po to, kai kiekviena raidė yra sužinoma ar yra teisinga ar ne, žodyje paliekamos tik tos raidės kurios yra teisingos o kitos raidžių pozicijos vėl spėjamos (taigi, raidžių spėjimas vyksta lygiagrečiai).
Kaip parodė teorinės analizės rezultatai, vykstant lygiagrečiam daugelio požymių optimizavimui, vykstant atsitiktinėms mutacijoms ir natūraliajai atrankai vidutinis laukimo laikas yra proporcingas K*logL (t.y. mutacijų kiekio ir lokusų skaičiaus logaritmo sandaugai). T.y. šis laikas yra kur kas trumpesnis nei milžiniškas eksponentinis laikas. Pvz. žinant žmonijos produkuojamų su kiekviena karta de novo mutacijų funkciniuose lokusuose skaičių ir žmogaus genomo ilgį lokusais, mokslininakai paskaičiavo, kad pasiekti norimą būseną optimizuojant lygiagrečiai, teoriškai užtektu 390 optimizacijos raundų (aišku neįskaitant visų evoliucijos proceso sudėtingumų). Šis laikas yra tarsi maksimalus apribojimas evoliucijos greičiui, bet vis dėl to parodo, kad iš principo evoliucija gali būti labai greita (nekalbant apie tai, ar ji apskritai yra tikėtina) ir jai nebūtinas astronomiškai ilgas laikas.
Nuoroda:
Herbert S. Wilf, Warren J. Ewens. 2010. There's plenty of time for evolution. - Straipsnio preprintas arxiv.org tinklapyje, kuriame nagrinėjama laiko reikalingo norimų mutacijų sekos atsiradimui.
--
AS
Pats Čarlzas Darvinas galvojo, kad evoliucijos procesui reikalingi labai ilgi laiko tarpsniai (dėl to, kad jis manė, kad kiekvienas pokytis (mutacija) yra labai retas ir labai mažo poveikio). Tuo tarpu yra ir kitos prielaidos, kad evoliucija turėtu būti labai lėta ir net kai kurie mokslininkai sakė, kad vykstant evoliucijai neužtektu laiko labai netikėtinų genų kombinacijų atsiradimui. Mutacijos ir natūraliosios atrankos tyrimai rodė, kad laukimo laikas iki norimos mutacijų kombinacijos atsiradimo yra proporcingas K^L (tai yra šis laikas eksponentinis), kur K mutacijų kiekis o L yra lokusų kiekis (priimant, kad pažangus geno variantas (alelis) yra geresnis nei prieš tai fiksuotas K^(-1)). Šis išvedimas glumino biologus, nes rodė, kad evoliucija veikiant naturaliosios atrankos atrenkamoms mutacijoms labai mažai tikėtinas procesas.
Tačiau, kaip įrodė tyrėjai iš Pensilvanijos universiteto - matematikas ir teorinis genetikas (Wilf and Ewens, 2010), pateikę savo straipsnį arxiv.org preprintų archivo tinklapyje, šitoks ilgas tinkamų mutacijų laukimo laikas yra imanomas tiktai tuo atveju jei visi požymiai optimizuojami seka paeiliui o ne lygiagrečiai (kaip vyksta iš tiesų). Pvz. kaip pavyzdį autoriai pateikia, kad akies funkciją pagerinantis alelis gali būti užfiksuotas populiacijoje nepriklausomai nuo tarkim kepenų funkciją pagerinančio (nes mutacijos atsiranda aibėje organizmų skirtinguose jų genomo vietose ir natūralioji atranka apsprendžia kurie iš organizmų išliks, taigi skirtingus požymius vienoje kartoje gali įgyti skirtingi organizmai, o geriausią kombinaciją turės po kurio laiko populiacijos individai po eilės natūraliosios atrankos įvykių ir santykinio optimalesnio požymio kiekio populiacijoje padidėjimo). Autoriai kaip tik ir pasiūlė alternatyvų lygiagrečios daugelio lokusų (genų) optimizacijos modelį, alternatyvu nuoseklios optimizacijos modeliui.
Pirmą modelį metaforiškai galima palyginti su reikiamo žodžio kurio ilgis yra lygus L atspėjimui, turint K ilgio abecelę, atsitiktinai deliojant per kiekvieną kartą raides. Jei raidė atspėjama tiksliai, tuomet optimizacija (kitos reikalingos raidės paieška) tesiama toliau, o jei ne, procesas pradedamas iš naujo. Iš to ir gaunasi, kad vidutinis laukimo laikas iki reikalingo žodžio atspėjimo tokiu būdu yra lygus K^L.
Tuo tarpu antrasis modelis metaforiškai gali būti paaiškintas sekančiu būdu. Po to, kai kiekviena raidė yra sužinoma ar yra teisinga ar ne, žodyje paliekamos tik tos raidės kurios yra teisingos o kitos raidžių pozicijos vėl spėjamos (taigi, raidžių spėjimas vyksta lygiagrečiai).
Kaip parodė teorinės analizės rezultatai, vykstant lygiagrečiam daugelio požymių optimizavimui, vykstant atsitiktinėms mutacijoms ir natūraliajai atrankai vidutinis laukimo laikas yra proporcingas K*logL (t.y. mutacijų kiekio ir lokusų skaičiaus logaritmo sandaugai). T.y. šis laikas yra kur kas trumpesnis nei milžiniškas eksponentinis laikas. Pvz. žinant žmonijos produkuojamų su kiekviena karta de novo mutacijų funkciniuose lokusuose skaičių ir žmogaus genomo ilgį lokusais, mokslininakai paskaičiavo, kad pasiekti norimą būseną optimizuojant lygiagrečiai, teoriškai užtektu 390 optimizacijos raundų (aišku neįskaitant visų evoliucijos proceso sudėtingumų). Šis laikas yra tarsi maksimalus apribojimas evoliucijos greičiui, bet vis dėl to parodo, kad iš principo evoliucija gali būti labai greita (nekalbant apie tai, ar ji apskritai yra tikėtina) ir jai nebūtinas astronomiškai ilgas laikas.
Nuoroda:
Herbert S. Wilf, Warren J. Ewens. 2010. There's plenty of time for evolution. - Straipsnio preprintas arxiv.org tinklapyje, kuriame nagrinėjama laiko reikalingo norimų mutacijų sekos atsiradimui.
--
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages