Misteri asal mula dan perkembangan kehidupan terungkap berkat model komputer
Evolusi sangat lambat, sehingga pengamatan atau eksperimen laboratorium hampir tidak mungkin dilakukan di sini. Evolusionis dari University of Michigan memutuskan untuk mengatasi masalah ini dan mencari tahu alasan kerumitan penampakan dan bentuk makhluk hidup yang diamati, menggunakan simulator evolusi. "Lenta.ru" berbicara tentang penelitian ini.
Ahli biologi evolusi masih bertanya-tanya tentang kompleksitas organisme biologis dan apa peran mekanisme evolusi yang berbeda dalam hal ini. Salah satu mekanisme ini adalah seleksi alam, yang menyebabkan penyebaran varian baru (alel) gen, yang berkontribusi pada kelangsungan hidup pembawa individu. Ini mungkin menjelaskan kompleksitas organisme hidup, meskipun tidak selalu. Terkadang seleksi alam mencegah perubahan dengan melestarikan apa yang telah dimiliki hewan tersebut. Dalam hal ini, orang berbicara tentang menstabilkan seleksi alam.
Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa seleksi alam memang merupakan salah satu penyebab utama perubahan evolusioner, termasuk penyebaran sifat adaptif baru dalam suatu populasi. Misalnya, ahli biologi Amerika Richard Lenski membuat percobaan jangka panjang tentang evolusi Escherichia coli. Percobaan dimulai pada tahun 1988 dan berlanjut hingga hari ini. Para ilmuwan telah mengikuti perubahan 60 ribu generasi E. coli dan menemukan bahwa bakteri, yang sebelumnya tidak dapat memakan natrium sitrat, memperoleh kemampuan ini karena mutasi pada beberapa gen. Ini memberi mereka keuntungan evolusioner di antara bakteri yang tumbuh di media yang kaya sitrat.
Faktor evolusi lainnya adalah ukuran populasi. Semakin kecil populasinya, semakin kuat efek dari proses acak. Misalnya, bencana alam dapat menyebabkan kematian semua individu dengan alel baru, dan seleksi alam tidak lagi dapat bekerja dengan mereka. Ini disebut penyimpangan gen, dan dengan setiap penurunan jumlah hewan (kurang dari 104 individu) dalam populasi, penyimpangan tersebut meningkat, melemahkan pengaruh seleksi.
Dalam evolusi molekuler, yang mempelajari mekanisme evolusi pada tingkat gen dan alelnya, peran genetika yang menumpang dan melayang sudah diketahui dengan baik. Banyak mutasi yang menyebabkan munculnya alel gen baru tetap netral. Artinya, sifat baru tidak muncul, dan hewan tidak berubah secara lahiriah, atau sifat baru sama sekali tidak memengaruhi kebugaran individu. Penyebaran gen dengan mutasi netral, dan karena itu bersifat acak (pergeseran gen). Pilihan lain juga dimungkinkan. Mekanisme non-adaptif berkontribusi pada akumulasi mutasi netral pada populasi, yang nantinya dapat menyebabkan munculnya sifat adaptif.
Ilustrasi penyimpangan gen: setiap kali sejumlah acak bola merah dan biru ditransfer dari toples ke jar, akibatnya, bola dengan warna yang sama "menang"
Video promosi:
Gambar: Wikipedia
Besar kecilnya populasi hewan di mana alel baru menyebar sangat penting untuk perkembangan kompleksitas. Itu tergantung pada seberapa kuat pengaruh seleksi alam atau pergeseran gen. Kerumitan dapat berkembang karena fakta bahwa sejumlah mutasi yang menguntungkan muncul dalam populasi besar, yang disukai oleh seleksi alam. Semakin besar populasinya, semakin banyak mutasi. Atau, dalam populasi besar, banyak mutasi netral yang terakumulasi terbentuk, hanya beberapa yang bertanggung jawab atas beberapa fitur eksternal. Ciri-ciri ini menambah kompleksitas organisme.
Terkadang evolusi menemui jalan buntu. Paradoksnya, mutasi negatif terkadang diperlukan. Bayangkan makhluk yang paling cocok dengan lingkungannya. Misalkan ini adalah hewan laut dengan tubuh langsing dan ukuran sirip yang optimal. Setiap perubahan mengancam keseimbangan, dan tubuh akan kehilangan kesempurnaannya. Misalnya, memperbesar sirip akan menjadi beban, hewan akan kalah dari sesamanya, dan seleksi alam tidak akan memberikan lampu hijau untuk perubahan tersebut. Namun, jika badai dahsyat terjadi dan sebagian besar individu yang "sempurna" mati, penyimpangan genetik akan ikut berperan. Ini akan memungkinkan tidak hanya gen yang cacat dari sirip besar untuk mendapatkan pijakan, tetapi juga membuka ruang untuk evolusi lebih lanjut. Individu dapat memperoleh kembali sirip optimal dari waktu ke waktu, atau mengganti kerugian mereka dengan beberapa properti berguna lainnya.
Populasi yang mendaki "bukit" lanskap evolusioner menjadi lebih mudah beradaptasi, sedangkan di puncak bukit sesuai dengan "jalan buntu" evolusioner
Gambar: Randy Olson / Wikipedia
Untuk mengamati semua ini, dibutuhkan waktu yang sangat lama. Eksperimen biologi yang mendukung teori evolusi sangat sulit untuk diterapkan. Bahkan percobaan Lenski dengan E. coli, yang ditandai dengan perubahan generasi yang cepat dan ukuran genom yang kecil, memakan waktu hampir 30 tahun. Untuk mengatasi keterbatasan ini, evolusionis menggunakan simulator kehidupan artifisial Avida dalam penelitian mereka, yang diterbitkan dalam siaran pers di Arxiv.org. Tujuannya adalah untuk mempelajari bagaimana ukuran populasi mempengaruhi ukuran genom dan totalitas semua sifat (fenotipe) seorang individu. Untuk kesederhanaan, ahli biologi mengambil populasi organisme aseksual dan mengamati "evolusi dalam aksi".
Avida adalah simulator kehidupan buatan yang digunakan untuk penelitian biologi evolusi. Dia menciptakan sistem program komputer yang menggandakan diri (menggandakan) yang berkembang yang dapat bermutasi dan berkembang. Organisme digital ini memiliki analog dari genom - siklus instruksi yang memungkinkan mereka melakukan tindakan apa pun, termasuk reproduksi. Setelah mengikuti instruksi tertentu, program dapat menyalin dirinya sendiri. Organisme bersaing satu sama lain untuk sumber daya yang terbatas: waktu prosesor komputer.
Lingkungan tempat organisme digital hidup dan berkembang biak memiliki jumlah sel yang terbatas untuk program rumah. Ketika program mengambil semua ruang, generasi baru menggantikan program lama dari sel acak, terlepas dari daya saing mereka. Dengan cara ini, analog digital pergeseran gen dicapai. Selain itu, organisme digital mati jika gagal bereproduksi setelah sejumlah siklus instruksi.
Citra dunia Avida dengan organisme digital, yang masing-masing merupakan program yang mereplikasi diri
Gambar: Laboratorium Elizabeth Ostrowsky / Ostrowsky
Agar program dapat menjalankan instruksi, itu membutuhkan sumber daya. Di Avida, sumber daya tersebut adalah unit SIP (unit pemrosesan instruksi tunggal), yang memungkinkan hanya satu instruksi untuk dieksekusi. Secara total, setiap organisme dapat memiliki jumlah unit SIP yang sama, namun, dalam setiap siklus, sumber daya didistribusikan secara tidak merata di antara program - tergantung pada kualitas (analog dari fenotipe) organisme digital. Jika beberapa organisme memiliki kualitas yang lebih baik dari yang lain, maka organisme tersebut menerima lebih banyak unit SIP dan berhasil menjalankan lebih banyak instruksi dalam satu siklus daripada rekannya yang kurang berhasil. Karenanya, ia berkembang biak lebih cepat.
Fenotipe organisme digital terdiri dari ciri-ciri "metabolisme digital", yang memungkinkan (atau tidak) memungkinkannya untuk melakukan perhitungan logis tertentu. Ciri-ciri ini berutang keberadaannya pada "gen" yang memastikan urutan instruksi yang benar. Avida memeriksa untuk melihat apakah tubuh melakukan operasi dengan benar dan memberinya sumber daya sesuai dengan jumlah kode yang diperlukan untuk menjalankan instruksi. Namun, saat menyalin kode, kesalahan dapat terjadi - memasukkan fragmen yang tidak perlu atau menghapus (menghapus) yang sudah ada. Mutasi ini mengubah kemampuan menghitung menjadi lebih baik atau lebih buruk, dengan penyisipan yang memperbesar genom dan penghapusan menyusut.
Populasi digital adalah objek penelitian yang nyaman. Tentu saja, tidak mungkin menguji hipotesis yang berkaitan dengan pengaruh gen, epigenetik, serta faktor molekuler dan biokimia lainnya pada evolusi. Namun, mereka pandai memodelkan seleksi alam, drift, dan mutasi propagasi.
Para peneliti telah mengamati evolusi populasi digital dalam berbagai ukuran, dari 10 hingga 10 ribu individu, melewati masing-masing sekitar 250 ribu generasi. Tidak semua populasi bertahan selama percobaan, sebagian besar kelompok yang terdiri dari 10 individu mati. Oleh karena itu, para ilmuwan mensimulasikan evolusi populasi kecil tambahan dari 12-90 individu untuk mengetahui bagaimana probabilitas kepunahan berkaitan dengan perkembangan kompleksitas. Kepunahan, ternyata, disebabkan oleh fakta bahwa populasi kecil mengakumulasi mutasi berbahaya, yang menyebabkan munculnya keturunan yang tidak dapat hidup.
Para ilmuwan melihat bagaimana ukuran genom berubah selama percobaan. Pada awal “kehidupan” setiap populasi, genom relatif kecil, termasuk 50 instruksi berbeda. Kelompok terkecil dan terbesar dari "organisme" memperoleh genom terbesar pada akhir percobaan, sementara populasi berukuran sedang menyusut genom mereka.
Secara keseluruhan, hasil penelitian menunjukkan bahwa populasi yang sangat kecil cenderung punah. Alasannya mungkin karena "Möller ratchet" - proses akumulasi mutasi berbahaya yang tidak dapat diubah pada populasi organisme yang tidak mampu bereproduksi secara seksual. Populasi yang sedikit lebih besar secara tak terduga dapat meningkatkan ukuran genom mereka karena mutasi negatif ringan yang "memutar kembali" organisme dari adaptasi optimal. Peningkatan ukuran genom, pada gilirannya, menyebabkan munculnya ciri-ciri fenotipik baru dan komplikasi “kemunculan” organisme digital.
Populasi yang besar juga meningkatkan ukuran genom dan kompleksitas fenotipik, tetapi hal ini disebabkan mutasi menguntungkan yang jarang terjadi. Dalam hal ini, seleksi alam bertindak untuk mendorong penyebaran perubahan tersebut. Ada juga cara komplikasi lain: melalui mutasi ganda, salah satunya netral dan tidak memberikan keuntungan apa pun, dan yang kedua menyediakan fungsionalitas pertama. Populasi berukuran sedang harus meningkatkan ukuran genom untuk mengembangkan kompleksitas, tetapi mutasi yang menguntungkan tidak terlalu sering terjadi di dalamnya, sementara seleksi yang kuat menghilangkan sebagian besar perubahan adaptif dalam gen, dan penyimpangannya tetap terlalu lemah. Akibatnya, populasi ini tertinggal dari populasi kecil dan besar.
Simulator evolusi menawarkan model populasi yang ideal dan tidak sepenuhnya menggambarkan apa yang terjadi dalam kenyataan. Untuk pemahaman yang lebih lengkap tentang peran mekanisme adaptif dan non-adaptif dalam perkembangan kompleksitas organisme hidup, diperlukan penelitian lebih lanjut.
Alexander Enikeev
