Εξελικτική βιολογία

Η εξελικτική βιολογία είναι το υποπεδίο της βιολογίας που μελετά τις εξελικτικές διαδικασίες (φυσική επιλογή, κοινή καταγωγή, ειδογένεση] που παρήγαγε την ποικιλομορφία της ζωής στη Γη. Στη δεκαετία του 1930, η πειθαρχία της εξελικτικής βιολογίας προέκυψε μέσα από αυτό που ο Julian Huxley ονόμασε σύγχρονη σύνθεση της κατανόησης, από προηγούμενα άσχετα πεδία βιολογικής έρευνας, όπως γενετική και οικολογία, συστηματική και παλαιοντολογία. Το ερευνητικό εύρος της τρέχουσας έρευνας διευρύνθηκε ώστε να περιλαμβάνει τη γενετική αρχιτεκτονική της προσαρμογής, μοριακή εξέλιξη, και τις διάφορες δυνάμεις που συμβάλλουν στην εξέλιξη, όπως σεξουαλική επιλογή, γενετική παρέκκλιση και βιογεωγραφία. Επιπλέον, το νεότερο πεδίο της εξελικτικής αναπτυξιακής βιολογίας (evolutionary developmental biology "evo-devo") διερευνά πώς ελέγχεται η εμβρυογένεση, αποδίδοντας έτσι μια ευρύτερη σύνθεση που ενσωματώνει την αναπτυξιακή βιολογία με τους τομείς σπουδών που καλύπτονται από την προηγούμενη εξελικτική σύνθεση.

 Η εξέλιξη είναι η κεντρική ενοποιητική ιδέα στη βιολογία. Η βιολογία μπορεί να χωριστεί με διάφορους τρόπους. Ένας τρόπος είναι από το επίπεδο βιολογικής οργάνωσης, από μόριο έως κύτταρο, από οργανισμό έως πληθυσμό. Ένας παλαιότερος τρόπος είναι με την ταξινομική κατηγορία, με πεδία όπως ζωολογία, βοτανική και μικροβιολογία, που αντικατοπτρίζουν αυτό που κάποτε θεωρούνταν ως οι κύριες διαιρέσεις της ζωής. Ένας τρίτος τρόπος είναι με προσέγγιση, όπως η βιολογία πεδίου, η θεωρητική βιολογία, η πειραματική εξέλιξη και η παλαιοντολογία. Αυτοί οι εναλλακτικοί τρόποι διαίρεσης του θέματος μπορούν να συνδυαστούν με την εξελικτική βιολογία για τη δημιουργία υποπεδίων όπως η εξελικτική οικολογία και η εξελικτική αναπτυξιακή βιολογία. Πιο πρόσφατα, η συγχώνευση μεταξύ της βιολογικής επιστήμης και των εφαρμοσμένων επιστημών γέννησε νέα πεδία που αποτελούν επεκτάσεις της εξελικτικής βιολογίας, όπως εξελικτική ρομποτική, μηχανική, εξελικτικοί αλγόριθμοι,, εξελικτική οικονομία , και αρχιτεκτονική. Οι βασικοί μηχανισμοί της εξέλιξης εφαρμόζονται άμεσα ή έμμεσα για να προκύψουν νέα σχέδια ή να λύσουν προβλήματα που είναι δύσκολο να λυθούν διαφορετικά. Η έρευνα που δημιουργήθηκε σε αυτούς τους εφαρμοσμένους τομείς με τη σειρά της, συμβάλλει στην πρόοδο, ειδικά χάρη στην εργασία για την εξέλιξη στην επιστήμη των υπολογιστών και σε τομείς μηχανικής όπως η μηχανολογία. Στην εξελικτική αναπτυξιακή βιολογία οι διάφορες διαδικασίες ανάπτυξης μπορούν να παίξουν ρόλο στο πώς ένας συγκεκριμένος οργανισμός φτάνει στο τρέχον σχέδιο του σώματός του. Η γενετική ρύθμιση της οντογονίας και της φυλογενετικής διαδικασίας είναι αυτή που καθιστά δυνατή αυτήν την κατανόηση της βιολογίας. Κοιτάζοντας διαφορετικές διαδικασίες κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και περνώντας από το εξελικτικό δέντρο, μπορεί κανείς να καθορίσει σε ποιο σημείο δημιουργήθηκε μια συγκεκριμένη δομή. Για παράδειγμα, τα τρία στρώματα μικροβίων μπορεί να παρατηρηθεί ότι δεν υπάρχουν σε κνιδόζωα και κτενοφόρα, που υπάρχουν αντίθετα σε σκουλήκια, που αναπτύσσονται λίγο πολύ ανάλογα με το είδος του ίδιου του σκουλήκι. Άλλες δομές όπως η ανάπτυξη γονιδίων Hox και αισθητήριων οργάνων όπως τα μάτια μπορούν επίσης να εντοπιστούν με αυτήν την πρακτική. Η ιδέα της εξέλιξης από φυσική επιλογή προτάθηκε από τον Κάρολο Δαρβίνο το 1859, αλλά η εξελικτική βιολογία, ως ανεξάρτητος ακαδημαϊκός κλάδος, εμφανίστηκε κατά την περίοδο της σύγχρονη σύνθεσης τη δεκαετία του 1930 και του 1940. Μόλις τη δεκαετία του 1980 πολλά πανεπιστήμια είχαν τμήματα εξελικτικής βιολογίας. Στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, πολλά πανεπιστήμια έχουν δημιουργήσει τμήματα μοριακής και κυτταρικής βιολογίας ή οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας, στη θέση των παλαιότερων τμημάτων βοτανικής και ζωολογίας. Η παλαιοντολογία ομαδοποιείται συχνά με τις γεωεπιστήμες. Η μικροβιολογία γίνεται εξελικτικός κλάδος, τώρα που η μικροβιακή φυσιολογία και η γονιδιωματική είναι καλύτερα κατανοητές. Ο γρήγορος χρόνος γενιάς βακτηρίων και ιών όπως οι βακτηριοφάγοι καθιστά δυνατή την εξερεύνηση εξελικτικών ερωτημάτων. Πολλοί βιολόγοι έχουν συμβάλει στη διαμόρφωση του σύγχρονου κλάδου της εξελικτικής βιολογίας. Οι Theodosius Dobzhansky και E. B. Ford δημιούργησαν ένα εμπειρικό ερευνητικό πρόγραμμα. Οι Ronald Fisher, Sewall Wright και J. S. Haldane δημιούργησαν ένα υγιές θεωρητικό πλαίσιο. Οι Ernst Mayr στη συστηματική, George Gaylord Simpson στην παλαιοντολογία και G. Ο Ledyard Stebbins στη βοτανική βοήθησαν στη διαμόρφωση της σύγχρονης σύνθεσης. Οι James F. Crow, Richard Lewontin, Dan Hartl, Marcus Feldman, και Brian Charlesworth εκπαίδευσαν μια γενιά εξελικτικών βιολόγων. Η τρέχουσα έρευνα στην εξελικτική βιολογία καλύπτει διάφορα θέματα και ενσωματώνει ιδέες από διάφορους τομείς, όπως Μοριακή Γενετική και την επιστήμη των υπολογιστών. Πρώτον, ορισμένα πεδία της εξελικτικής έρευνας προσπαθούν να εξηγήσουν φαινόμενα που είχαν ληφθεί υπόψη μόνο λίγο στη σύγχρονη εξελικτική σύνθεση. Αυτά περιλαμβάνουν την ειδογένεση, την εξέλιξη της σεξουαλικής αναπαραγωγής, την εξέλιξη της συνεργασίας και της γήρανσης, καθώς και την εξελιξιμότητα.Δεύτερον, οι βιολόγοι θέτουν την πιο απλή εξελικτική ερώτηση: "τι συνέβη και πότε;". Αυτό περιλαμβάνει πεδία όπως η παλαιοβιολογία, καθώς και η συστηματική και η φυλογενετική. Τρίτον, η σύγχρονη εξελικτική σύνθεση επινοήθηκε σε μια εποχή που κανείς δεν καταλάβαινε τη μοριακή βάση των γονιδίων. Σήμερα, οι εξελικτικοί βιολόγοι προσπαθούν να προσδιορίσουν τη γενετική αρχιτεκτονική εξελικτικών φαινομένων με σημαντικό ενδιαφέρον όπως προσαρμογή και ειδογένεση. Αναζητούν απαντήσεις σε ερωτήσεις όπως πόσα γονίδια εμπλέκονται, πόσο μεγάλα είναι τα αποτελέσματα κάθε γονιδίου, πόσο αλληλοεξαρτώμενα είναι τα αποτελέσματα διάφορων γονιδίων, τι κάνουν τα γονίδια και τι αλλαγές συμβαίνουν σε αυτά (π.χ. σημειακές μεταλλάξεις έναντι διπλασιασμού του γονιδίου, ή ακόμη και διπλασιασμός του γονιδιώματος). Προσπαθούν να συνδυάσουν την υψηλή κληρονομισημότητα που παρατηρήθηκε στις διπλές μελέτες με τη δυσκολία εύρεσης των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για αυτήν την κληρονομιδημότητα χρησιμοποιώντας μελέτες συσχέτισης σε ολόκληρο το γονιδίωμα.Μια πρόκληση στη μελέτη της γενετικής αρχιτεκτονικής είναι ότι η κλασική γενετική του πληθυσμού που καταλύει τη σύγχρονη εξελικτική σύνθεση πρέπει να ενημερωθεί για να ληφθεί υπόψη η σύγχρονη μοριακή γνώση. Αυτό απαιτεί μεγάλη μαθηματική ανάπτυξη για να συσχετιστούν τα δεδομένα αλληλουχίας DNA με την εξελικτική θεωρία ως μέρος μιας θεωρίας της μοριακής εξέλιξης. Για παράδειγμα, οι βιολόγοι προσπαθούν να συμπεράνουν ποια γονίδια έχουν υποβληθεί σε έντονη επιλογή ανιχνεύοντας επιλεκτικές σαρώσεις.Τέταρτον, η σύγχρονη εξελικτική σύνθεση περιλαμβάνει τη συμφωνία για το ποιες δυνάμεις συμβάλλουν στην εξέλιξη, αλλά όχι για τη σχετική σημασία τους. Η τρέχουσα έρευνα επιδιώκει να το προσδιορίσει. Οι εξελικτικές δυνάμεις περιλαμβάνουν τη φυσική επιλογή, τη σεξουαλική επιλογή, τη γενετική παρέκκλιση, γενετικό σκαρίφημα, αναπτυξιακούς περιορισμούς, μεροληψία μετάλλαξης και βιογεωγραφία. Μια εξελικτική προσέγγιση είναι βασική για μεγάλο τμήμα της τρέχουσας έρευνας στην οργανισμική βιολογία και οικολογία, όπως στη θεωρία του ιστορικού της ζωής. Ο σχολιασμός των γονιδίων και η λειτουργία τους βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε συγκριτικές προσεγγίσεις. Το πεδίο της εξελικτικής αναπτυξιακής βιολογίας διερευνά τον τρόπο λειτουργίας των αναπτυξιακών διαδικασιών και τις συγκρίνει σε διαφορετικούς οργανισμούς για να προσδιορίσει πώς εξελίχθηκαν. Πολλοί γιατροί δεν έχουν αρκετό υπόβαθρο στην εξελικτική βιολογία, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρήση της στη σύγχρονη ιατρική. Η εξέλιξη παίζει ρόλο στην αντίσταση των φαρμάκων. Για παράδειγμα, πώς το HIV καθίσταται ανθεκτικό στα φάρμακα και το ανοσοποιητικό σύστημα του οργανισμού. Η μετάλλαξη της αντίστασης του HIV οφείλεται στη φυσική επιλογή των επιζώντων και των απογόνων τους. Ο HIV που επέζησε από το ανοσοποιητικό σύστημα αναπαράχθηκε και είχε απογόνους που ήταν επίσης ανθεκτικοί στο ανοσοποιητικό σύστημα.Η αντοχή στα φάρμακα προκαλεί επίσης πολλά προβλήματα για τους ασθενείς, όπως μια επιδεινούμενη ασθένεια ή η ασθένεια μπορεί να μετατραπεί σε κάτι που δεν μπορεί πλέον να θεραπευτεί με φάρμακα. Χωρίς το κατάλληλο φάρμακο μια ασθένεια μπορεί να είναι ο θάνατος ενός ασθενούς. Εάν ο οργανισμός τους αντιστέκεται σε έναν ορισμένο αριθμό φαρμάκων, τότε το σωστό φάρμακο θα είναι όλο και πιο δύσκολο να βρεθεί. Το να μην τελειώσετε ένα αντιβιοτικό είναι επίσης ένα παράδειγμα αντίστασης που θα προκαλέσει την ανάπτυξη και την εξάπλωση των βακτηρίων ή του ιού στον οργανισμό. Όταν η πλήρης δοσολογία του φαρμάκου δεν εισέλθει στο σώμα και δεν εκτελέσει τη σωστή δουλειά του, ο ιός και τα βακτήρια που επιβιώνουν από την αρχική δοσολογία θα συνεχίσουν να αναπαράγονται. Αυτό καθιστά μια άλλη μεταγενέστερη ακόμη πιο δύσκολο να θεραπευτεί, επειδή αυτή η ασθένεια θα είναι ανθεκτική στα πρώτα φάρμακα που χρησιμοποιούνται. Η ολοκλήρωση του φαρμάκου που συνταγογραφείται είναι ένα ζωτικό βήμα για την αποφυγή αντοχής στα αντιβιοτικά. Επίσης, εκείνοι με χρόνιες ασθένειες, ασθένειες που διαρκούν καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους, διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο για αντοχή στα αντιβιοτικά από άλλους. Αυτό συμβαίνει επειδή η υπερβολική χρήση ενός φαρμάκου ή υπερβολικά υψηλή δόση μπορεί να προκαλέσει την αποδυνάμωση του ανοσοποιητικού συστήματος ενός ασθενούς και η ασθένεια να εξελιχθεί και να γίνει ισχυρότερη. Για παράδειγμα, οι καρκινοπαθείς θα χρειαστούν μια όλο και πιο ισχυρή δοσολογία φαρμάκων λόγω του χαμηλού λειτουργικού ανοσοποιητικού τους συστήματος. Μερικά επιστημονικά περιοδικά ειδικεύονται αποκλειστικά στην εξελικτική βιολογία στο σύνολό της, συμπεριλαμβανομένων των περιοδικών Evolution, Journal of Evolutionary Biology και BMC Evolutionary Biology. Ορισμένα περιοδικά καλύπτουν υπο-ειδικότητες στην εξελικτική βιολογία, όπως τα περιοδικά Συστηματική Βιολογία, Μοριακή Βιολογία και Εξέλιξη και τα αδερφά της περιοδικά Genome Biology and Evolution και Cladistics. Άλλα περιοδικά συνδυάζουν πτυχές της εξελικτικής βιολογίας με άλλους σχετικούς τομείς. Για παράδειγμα, Molecular Ecology, Proceedings of the Royal Society of London Series B, The American Naturalist και Theoretical Population Biology αλληλεπικαλύπτονται με την οικολογία και άλλες πτυχές της οργανισμικής βιολογίας. Η αλληλεπικάλυψη με την οικολογία είναι επίσης εμφανής στα περιοδικά κριτικής Trends in Ecology and Evolution και Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics. Τα περιοδικά Genetics και PLoS Genetics αλληλεπικαλύπτονται με ερωτήματα μοριακής γενετικής που δεν είναι προφανώς εξελικτικά στη φύση. Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Evolutionary biology στο Wikimedia Commons Evolution And Paleobotany at Britannica