Зошто dioecism преовладува во природата?

Авто-fertilizing животни се одгледуваат ceteris paribus два пати толку брзо како двудомен. Зошто dioecism се преовладува во природата? За да одговориме на ова прашање се вештачки одгледани раса црви Caenorhabditis elegans

Видео: Па Кропоткин - "анархија " - Дел 1: Анархија во природата (Audiobook)

во roundworms Caenorhabditis elegans нема жени, туку само мажи (лево) И хермафродити (право). Хермафродити може да се одликува со долги тенки опашка. Фотографии од nematodes.org сајтови и kiwicrossing.com

Двојна цена мажи

Зошто ни треба сексуална репродукција, зошто ние треба мажите? Одговорите на овие прашања не се толку очигледни како што можеби изгледа.

Видео: Тајните на среќно семејство од А до Ш (Дел 1/3) Руслан Narushevich 2015/06/29

Дијаграм илустрира "двоен под цена" (или "стапки двојно машки"). Во двудомен организми половина од потомците на секоја жена е машко, кои и самите се произведуваат потомство не може. Кога бесполово размножување сите потомство се состои од жени (со само-оплодување - од само-репродукција хермафродити). Затоа, други работи се еднакви репродукција без мажи двојно ефективни отколку кај мажите. Бројката покажува ситуација каде што секој женски произведува точно две потомци. Цртеж од сајтот en.wikipedia.org

Познатиот еволуционист Џон Мајнард Смит (Џон Мајнард Смит) Го привлече вниманието на сериозноста на овој проблем во својата книга Еволуција на секс (1978). Мајнард Смит смета во детали парадокс, кој го даде името "двоен под цена" (два пати цената на секс). Нејзината суштина е во тоа, други работи се еднакви бесполово размножување (или себе-оплодување) точно два пати поефикасен од крос-оплодување вклучуваат машки (види. Слика). Со други зборови, на машката популација чини премногу скапа. Одбивање им дава непосредна и многу значајно зголемување на стапката на репродукција. Ние знаеме дека чисто технички преминот од двудомен и вкрстено оплодување на бесполово размножување, или само-оплодување е сосема можно дека има многу примери во растенијата и животните (види, на пример. Женски гигант Комодо змеј репродуцира без мажи "Елементи" , 26.12.2006). Сепак sexless трка и населението само-fertilizing хермафродити некоја причина се уште не се наметнува на оние кои пропагираат "вообичаено" начин, со учество на мажите.

Зошто тие се уште треба?

Тоа произлегува од горенаведеното дека вкрстено оплодување треба да се даде одредени бенефиции се толку значајни што тие ги покриваат дури и двојно победа во ефикасноста на одгледување треба да се одбиени од страна на мажите. Покрај тоа, овие придобивки треба да се види веднаш, но не било во милион години. Природната селекција не се грижи за долгорочни перспективи.

Постојат многу теории за природата на овие бенефиции (види.: Еволуција на сексуална репродукција). Ние ќе го разгледаме две од нив. Првиот е познат како "го зголеми Милер" (види.: Muller`s прескокнувачко). прескокнувачко - уред, назначена со тоа, оска може да се движат само во една насока. Идејата е дека ако има е асексуален организми штетни мутации, неговите потомци веќе не може да се ослободи од него. Тоа, како генерички клетва, помина сите негови потомци засекогаш (освен ако не постои обратна мутација, а веројатноста за тоа е многу мал). Во асексуален организми, изборот може да одберам само целиот геноми, но не и на поединечни гени. Затоа, во серија на генерации на асексуален организми може да (под одредени услови) се јавуваат постојан акумулација на штетни мутации. Една од овие услови е доста голем геном. во roundworms, меѓу другото, мали геноми во споредба со другите животни. Можеби тоа е причината зошто тие можат да си дозволат да се само-оплодување (види. Подолу).

Ако организми се размножуваат полово и практиката на вкрстено оплодување, поединецот геноми постојано расфрлани и нервозни, и нови геноми се формираат од фрагменти, кои претходно припаѓале на различни организми. Како резултат на тоа, постои одреден нов ентитет, што не е асексуален организми - гени население. На гени се во можност да се размножуваат или отфрлени независно. Генот со мутација не може да биде одбиена од страна на избор, а други ( "добриот") гени на родителскиот организам може безбедно да останат во населението.

Така, првата помисла е дека сексуалната репродукција помага на чистење на геномите од "генетичкото оптоварување", односно да им помогне да се ослободи од штетните мутации постојано произлегуваат, спречување на дегенерација (намалување на целокупната кондиција на населението).

Втората идеја е слична на првата: тоа укажува на тоа дека сексуалната репродукција му помага на телото ефикасно да се прилагодува на променливите услови преку забрзување на акумулација на мутации кои се корисни во оваа ситуација. На пример, да претпоставиме дека една индивидуа има една корисна мутација, од друга - од друга страна. Ако овие организми се асексуални, тие имаат практично нема шанса да се чека за комбинирање на две мутации во истиот геном. Сексуална репродукција обезбедува таква можност. Тоа, всушност, го прави сите корисни мутации кои се појавиле во населението ", заедничко наследство". Јасно е дека брзината на прилагодување кон променливите услови во организмите со сексуална репродукција треба да биде повисока.

Видео: Концептот на хармонија. Што треба да биде хармоничен однос? Руслан Narushevich

Дијаграм покажува како сексуална репродукција може да се забрза ширењето на корисни мутации кај населението. Во сексуална репродукција (врвот на сликата) Две нови корисни алел (А и Б) во комбинација со брзо премин лица, од кои секоја има само една од овие алели. Кога бесполово размножување (помал број) Мора да се чека додека двете мутации се случуваат случајно од ист клон. Цртеж од сајтот en.wikipedia.org

Сите овие теоретски конструкции, сепак, се врз основа на одредени претпоставки. Математичко моделирање резултати укажуваат на тоа дека степенот на корисност или штетноста на вкрстено оплодување во споредба со бесполово размножување, или autogamy зависи од голем број на параметри. Тие вклучуваат големината populyatsii- брзина mutirovaniya- големина genoma- квантитативните дистрибуција на мутации во зависност од степенот на штетноста / poleznosti- број на деца произведена од еден samkoy- ефикасноста на селекција (во зависност од степенот на преостанатиот број на потомци нема случајно, и на генетските фактори), итн .. Некои од овие параметри се многу тешко да се измери, не само во природата, но исто така и во лабораторија население.

Затоа, сите тие теории се во очајна потреба не е толку многу во теоретска основа и математички модели (сето ова е веќе во вишок), но во непосредни експериментални верификација. Сепак, ваквите експерименти се уште се врши не толку многу (Colegrave 2002. Секс изданија на ограничувањето на брзината на еволуцијата // природата. В. П. 664-666- 420. Goddard et al., 2005 година секс се зголемува ефикасноста на природна селекција во експериментални квасец население // природата. V. 434. P. 636-640). Една нова студија спроведена од страна на биолозите од Универзитетот во Орегон на црви Caenorhabditis elegans, сликовито е прикажано на ефикасноста на двата горенаведени механизми за корист на население, кои не се одбиваат со мажите, и покрај нивната "двојно цената."

А уникатен објект за проучување на улогата на мажите

црви Caenorhabditis elegans како да намерно создадена за експериментални верификација на горенаведените хипотези. Овие црви не се жени. Населението се состои од мажите и хермафродити, вториот доминираат. Во хермафродити два Х-хромозом кај мажите - само еден (секс определување систем X0, и во Drosophila). Хермафродити произведуваат сперма и јајца и може да се репродуцира без помош преку само-оплодување. Само мажите произведуваат сперма може да оплоди и хермафродити. Како резултат на само-оплодување се родени само хермафродити. Кога потомство половина вкрстено оплодување се хермафродитни, половина - мажи. Вообичаено, на фреквенцијата на вкрстено оплодување во популации C. elegans не надминува неколку проценти. Да се ​​утврди фреквенцијата, не мора да се види на интимата на црви - доволно е да се знае процентот на мажи во населението.

Треба да се појасни дека само-оплодување - тоа не е сосема иста работа како асексуален (клонална) репродукција, но разликите меѓу нив брзо светлинка исклучи во серија на авто-fertilizing генерации. Авто-fertilizing организми во рок од неколку генерации стане хомозиготни на сите локуси. После тоа, потомците веќе не е различен од родителите се генетски иста како за клонална размножување.

во C. elegans познати мутации кои влијаат на фреквенцијата на вкрстено оплодување. Еден од нив, xol-1, смртоносна за мажите и всушност води до фактот дека во популацијата има само хермафродити репродуцира со само-оплодување. други, магла-2, негира хермафродити способност за производство на сперма, а всушност ги претвори во жените. Популации во кои сите поединци носат оваа мутација, нормално е dioecious населението, како и во повеќето животни.

Автори од конвенционалните методи (со крстови, а не генетски инженеринг) добиени пилани два пара на црви со речиси идентични геноми се разликуваат само во присуство на мутации xol-1 и магла-2. Првиот раса во секој пар мутација xol-1, репродуцира само autogamy (обврзувате selfing, OS). Второ, со мутација магла-2, може да репродуцира само со вкрстено оплодување (обврзувате outcrossing, ОО). За секој пар на видови во прилог на третото место со ист генетски "потекло", но без двете мутации (див вид, WT). На пилани WT стапка крстот оплодување е помалку од 5% во стандардни лабораториски услови.

Мажјаците треба! потврдено експериментално

Со овие карпи тројца беа спроведени Две серија на експерименти.

Во првата серија Јас се тестира хипотезата дека вкрстено оплодување им помага да се ослободи од "генетичкото оптоварување". Експериментот траеше 50 генерации (црви, се разбира, не експериментатори). Секоја генерација на црви биле изложени на хемиски мутагени - етил метан сулфонат. Ова доведе до зголемување на фреквенцијата на мутација на приближно четири пати. Младите животни беа ставени во садот Петри, поделени на половина од ѕидот вермикулит (Види слика.), И црви беа ставени во една половина од чаши, и нивната храна - Бактерии E. coli - Бев во другата половина. Црви се третираат со трансплантација на антибиотици за да ја избришете бактерии од почитуваат по случаен избор. Како резултат на тоа, со цел да се дојде до храна, а потоа се добие шанса да преживеат и репродукција, црви мораше да се надмине пречката. Така експериментатори зголемена ефективност "чистење" селекција, која ги елиминира штетните мутации. Во конвенционалните лабораториски скрининг ефикасност е многу ниско, бидејќи црви се опкружени со храна од сите страни. Во таква ситуација, може да преживее и множете се, дури и многу слаба, преоптоварени животни штетни мутации. Новиот експериментален подесување на рамноправност дојде до својот крај. За да пребаруваме низ ѕидот, црв треба да бидат здрави и силни.

Експерименталната подесување. Младите срцата на секоја нова генерација се наоѓа во левата половина чаша (син круг). Да се ​​дојде до храна (жолта овална), Тие мора да ги надмине вермикулит бариера. Слаби лица, преоптоварени со штетни мутации ретко се справат со оваа задача. Сл. на дополнителни материјали за да дискутира член природата

Авторите однос на фитнес (фитнес) во црви пред и по експериментот, односно лица на првиот и педесеттата генерација. црви C. elegans Тоа може да се чуваат за долги периоди во замрзната форма. Ова во голема мера го олеснува такви експерименти. Додека експеримент траеше, примерок на црви на 1-ви генерација лежеше тивко во замрзнувачот. Адаптибилност се мери како што следува. Црви се меша во еднакви пропорции со црви контрола во чиј геном прозрачна протеини ген беше вметнат, а засадени во експериментални поставување. Животните се даде време да се надмине бариерата и множете се, и потоа да одреди процент на не-светлечки риба во потомството. Ако овој процент се зголемува во педесеттата генерација во однос на првиот - така, во текот на експериментот зголеми адаптибилност, ако се намали - оттука, има дегенерација.

На експериментални резултати се прикажани на сл. Тие јасно покажуваат дека вкрстено оплодување е моќна алатка во борбата со генетичкото оптоварување. Толку поголема фреквенција на вкрстено оплодување, толку подобро исходот (сите линии во зголемување на сликата од лево кон десно). Вештачки покачена стапка на мутација доведе до дегенерација (намалување на фитнес) на сите видови на црви освен OO - «обврзувате крос-pollinated".

Дури и на карпите во кои мутагеност не е вештачки забрзана, висока фреквенција вкрстено оплодување даде предност. Под нормални лабораториски услови, оваа предност не се појави, бидејќи на црви не треба да се искачи во текот на еден ѕид за да се дојде до храна.

Интересно, во еден од двата контролни пилани оперативен систем ( «обврзувате samooplodotvoriteley"), дури и без зголемување на стапката на мутација на вкрстено оплодување неуспех доведе до дегенерација (лево кутија во горниот пар на криви во бројка е под нула).

Резултати од првиот експеримент. Хоризонталната оска - на фреквенцијата на вкрстено оплодување. Крајната лева позиција окупирана од страна на точка одговара на видови на црви оперативен систем, на екстремната десница - ОО. Помеѓу се наоѓаат точки соодветните видови WT. Триаголници и квадрати кореспондираат со две тројки со ист вид на црви "генетска позадина" (генетски позадина). На вертикална оска - адаптација промени во текот на експериментот. Позитивни вредности значи способност на раст, негативни - дегенерација. На цврсти линии поврзани поени соодветните црв видови во кои стапката на мутација не е зголемена. испрекинатата линија - карпи се изложени на хемиски мутагени. Сл. на член на дискусија во природата

Бројката исто така, покажува дека зачестеноста на вкрстено оплодување во поголемиот дел од "диви" видови (WT) беше значително повисока почетна 5% во текот на експериментот. Ова е можеби најважниот резултат. Тоа значи дека под строги услови (кои се однесуваат и на потребата да се искачи над бариера, и зголемување на стапката на мутагеност) природната селекција, нуди одредена предност поединци, размножување со вкрстено оплодување. Потомство на таквите поединци е поисплатливо, а со тоа и за време на експериментот се избрани врз тенденција да се крос-оплоди.

Видео: предисторискиот природа на Kainuu, Финска (4K)

Така, првиот експеримент убедливо потврдија хипотезата дека вкрстено оплодување му помага на населението да се ослободи од штетните мутации.

Во втората серија експерименти потврдена, дали вкрстено оплодување им помага развијат нова адаптација на акумулација на корисни мутации. Во тоа време, црви да се дојде до храна, тоа е потребно да се надминат зона населени со патогени бактерии Serratia. Овие бактерии се во дигестивниот тракт C. elegans, предизвикаат опасна црв болест, која може да резултира со смрт. За да преживее во оваа ситуација, црви беа или да научат да ги проголта штетни бактерии или се развие отпорност кон нив. Која опција избрани експериментални население од црви - не е познат, но 40 генерации на раса ОО на совршено прилагодени на новите услови, раса WT се адаптирале малку полошо, и оперативен систем не се одгледуваат прилагодени на сите (нивниот опстанок во средини со штетните бактерии остана на почетна ниско ниво). Повторно, во текот на експериментот, WT карпи под влијание на изборот остро го зголеми фреквенцијата на вкрстено оплодување.

Така, вкрстено оплодување не помогне популации се прилагодува на променливите услови, во овој случај - до појава на бактерии кои предизвикуваат болести. Фактот дека во текот на експериментот, WT раси зголемена фреквенција на вкрстено оплодување, значи дека парењето со мажи (што е спротивно на само-оплодување) дава хермафродити непосредна адаптивни предност, која јасно ја надминува "двојно цена" која тие треба да плаќаат, е производство мажите.

Треба да се напомене дека вкрстено оплодување се среќава не само во двудомен организми. На пример, многу безрбетници се хермафродити, fertilizing не е се, но едни со други - крст. Во растенијата, вкрстувањето на бисексуалец ( "хермафродит") лицата, исто така, да го стави благо, не е невообичаено. И двете хипотези се тестирани во оваа студија, таа се однесува на таквите хермафродит. Со други зборови, тоа дело не се покажа дека "крос-хермафродитизам" малку инфериорни двудомен. Но, првата од овие две опции не треба да се плати на злогласниот "двојно зголемување на цената." Како резултат на тоа, проблемот се уште останува.

Експериментите покажаа ограничувањата на само-оплодување во споредба со крстот, но тие не се објасни зошто многу организми преферираат dioecism "крос-хермафродитизам." Клучот за решавање на оваа загатка, најверојатно, е сексуална селекција. Dioecism женски овозможува прецизно ги изберат своите партнери, а тоа може да послужи како дополнителен начин за зголемување на ефикасноста на одберам и штетните акумулација на корисни мутации. Можеби, и оваа хипотеза е постојано добиваат експериментална потврда.