Используя ваш пример, ген ничего не знает. Мутации приводят к тому, что некоторые потомки красной лягушки становятся зелеными, некоторые - синими, некоторые - флуоресцентно-желтыми, а некоторые остаются красными. Птицы не видят зеленых так же хорошо, как и других, поэтому больше зеленых лягушек выживает и производит больше зеленых лягушек. Красные лягушки, флуоресцентные желтые, синие лягушки в основном съедаются. Через несколько поколений почти все лягушки стали зелеными — не потому, что ген что-то знал, не потому, что мутации пошли в любом направлении, а потому, что все другие изменения были контрпродуктивными и были съедены.

Ген ничего не знает. Это просто набор химических веществ, которые беспорядочно реагируют с космическими лучами, случайностью, чем угодно. Большинство изменений несущественны или явно вредны, и лягушка, несущая эти конкретные химические вещества, не выживает. Но иногда изменение приносит пользу лягушке, несущей определенные химические вещества, и тогда лягушка отправляет эти химические вещества своему потомству.

Очевидно, что это сильно упрощено. Краткое и простое введение в основы эволюции — « Понимание эволюции » Калифорнийского университета в Беркли.

Цвет каждого потомства немного отличается от его родителей. Некоторые цвета помогают лягушке выжить, другие цвета, как правило, убивают ее до того, как она размножится. Со временем вид склоняется к цвету, который улучшает выживаемость, потому что те, которые лучше подходят для своей среды, будут размножаться, а те, которые хуже подходят для своей среды, размножаются с разной скоростью.

Конечно, как известно, ген не имеет никакого сознания, ген ничего не знает. Это всего лишь набор химических реакций.

Центральная дилемма

Во-первых, вы должны понимать, что ген — это часть ДНК, которая будет транскрибироваться в мРНК, а мРНК будет транслироваться в белок (это некоторое упрощение). Белок – это молекула, вызывающая действие. Концентрация белков в клетке играет ключевую роль в возникновении фенотипического эффекта.

Регуляторные механизмы

На концентрацию белков могут влиять многие регуляторные механизмы.

Регуляция экспрессии генов

Регуляция экспрессии генов включает широкий спектр механизмов, которые используются клетками для увеличения или уменьшения продукции специфических генных продуктов (белков или РНК), и неофициально называется генной регуляцией. Сложные программы экспрессии генов широко используются в биологии, например, для запуска путей развития, реагирования на стимулы окружающей среды или адаптации к новым источникам пищи. Можно модулировать практически любой этап экспрессии генов, от инициации транскрипции до процессинга РНК и посттрансляционной модификации белка. Часто один ген-регулятор контролирует другой и т. д. в сети регуляции генов.

Посттранскрипционная регуляция

Посттранскрипционная регуляция представляет собой контроль экспрессии генов на уровне РНК, то есть между транскрипцией и трансляцией гена. 1 Он вносит существенный вклад в регуляцию экспрессии генов в тканях человека.

К ним относятся такие механизмы, как

• укупорка
• соединение
• Добавление поли(А) хвоста
• Редактирование РНК
• мРНК стабильность

Посттрансляционное регулирование

Посттрансляционная регуляция относится к контролю уровней активного белка.[..] Она осуществляется либо с помощью обратимых событий (посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование или секвестрация), либо с помощью необратимых событий (протеолиз).

Изменение цвета кожи у лягушек

Должен быть задействован один такой регуляторный механизм.

Я действительно мало знаю о физиологии и молекулярной биологии, но я мог найти большое количество статей (включая Taylor and Hadley 1969 и Fernandez and Bagnara 1991 ), показывающих, что изменение цвета опосредовано выработкой меланофор-стимулирующего гормона (МСГ). вырабатывается гипофизом. Возможно, лучший физиолог/молекулярный биолог мог бы дать вам лучший ответ.

Если вас интересует конкретный случай изменения цвета, вы также можете взглянуть на Neri and Castrucci 1997 и Skold et al. 2012 .

Другим забавным примером является определенный тип моли, который жил в Западной Германии («Рурпотт») и других районах во время индустриализации. Его основной средой обитания являются березы, т.е. в основном кора белых деревьев. Так что раньше животное было белым с несколькими черными пятнами.

Когда-то в Рурпотте было ужасно много добычи угля, и в некоторых районах березы действительно почернели от всего загрязнения воздуха. Глядь, через какое-то время мотылек тоже почернел с белыми пятнами.

Как уже упоминалось, очевидно, что это просто базовая эволюция. Что хорошо в вашем и моем примере, так это то, что это очень прямая , четкая связь. Если животное явно выделяется из-за своего цвета, его часто убивают. Это не наоборот, когда слегка положительный уклон дает немного больше потомства, а четкий, прямой факт «будь красным (или белым) и попадись».

Результатом этого является то, что этот вид эволюции работает очень быстро . Это может иметь огромный эффект уже через одно или два поколения (очевидно). Таким образом, при таких резких изменениях окружающей среды, через несколько поколений белых мотыльков может не остаться буквально, тёмные тогда получают всю среду обитания для своих (т. ). Следовательно, этот вид эволюции — в отличие от других разработок, которые могут занять сотни или тысячи лет — очень заметен для людей.

Еще один забавный факт: после индустриализации наш воздух стал чистым, березы побелели, а мотыльков снова уничтожили , пока они снова не стали белыми. Бедные животные...

Источник: Эволюция перцовой моли . Интересно читать; все это не было тогда "очевидным" для людей, и можно найти и критику.

Изменение окраски может быть вызвано новыми мутациями или эпигенетическими изменениями (например, изменение рациона беременных грызунов может изменить окрас шерсти детенышей, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC165709/ ). Если изменение носит эпигенетический характер, это означает, что схема образования нового цвета уже присутствовала в генах животного до того, как изменение цвета было вызвано у его потомства изменением окружающей среды. В случае с лягушками могло случиться так, что у красных лягушек были зеленые предки, которые развили способность переключать свой цвет между зеленым и красным в ответ на фактор окружающей среды (например, наличие определенной пищи).

Однако я не знаю, что имеет в виду комментатор Дэвид, говоря: «Цветовая адаптация не связана с изменениями в генах». Даже если изменение является эпигенетическим, оно все равно влияет на функционирование генов.

вступление

На самом деле есть по крайней мере три способа, которыми цвет лягушки может измениться, чтобы приспособиться к цвету окружающей среды. Я кратко объясню, как работают эти три, потому что из некоторых комментариев кажется, что между ними есть некоторая путаница, а также потому, что вопрос смешивает изменения в течение жизни отдельной лягушки с изменениями в геноме лягушки. Эти три категории могут быть более широко применены к вопросу о том, как животные приспосабливаются к окружающей среде.

Эволюция

• Происходит в течение нескольких жизней лягушки
• Включает изменения в генах
• Наследуется потомством

Эволюция происходит посредством естественного отбора. Другие ответы, такие как ответ @iayork, объяснили этот механизм.

Генная экспрессия

• Происходит в течение жизни лягушки
• Геном лягушки не изменен, и изменения не передаются по наследству
• То, как интерпретируется ген, меняется

Хотя гены организма не меняются в течение жизни, способ их экспрессии может измениться. Это может привести к изменению цвета кожи в зависимости от изменений окружающей среды. Это объясняется в разделе «Влияние окружающей среды на экспрессию генов» .

Это будет уже существующая реакция на определенный набор условий; таким образом, они «знают», на что им измениться, потому что реакция на изменение окружающей среды предопределена их генами.

То, как на экспрессию генов влияет окружающая среда, будет зависеть от конкретного рассматриваемого признака. Механизмы этого недостаточно изучены, по крайней мере, для некоторых признаков, как показано в разделе «Влияние света на экспрессию генов и биосинтез подофиллотоксина в культуре клеток Linum album» из публикации «Физиология и биохимия растений», том 56 (июль 2012 г., страницы 41-46).

Адаптация фона

• Не затрагивает гены животного, за исключением случаев, когда каждый биологический механизм закодирован в генах.
• может произойти быстро

Фоновая адаптация — это подход, используемый хамелеонами, но некоторые виды лягушек, а также различные рыбы и ракообразные также обладают этой способностью. По сути, можно изменить распределение пигментов в специализированных структурах кожи, чтобы изменить цвет животного.

По крайней мере, у некоторых видов этот процесс зависит от способности животного видеть, поэтому, вероятно, информация о том, какой цвет выбрать, передается через нервную систему. Статья Википедии о хроматофорах дает дополнительную информацию в разделе о фоновой адаптации .

Вывод

Изменения, описанные в примере, не могут быть результатом генетических изменений, поскольку они происходят в течение многих поколений, а не в течение одной жизни. Чтобы понять, как животные приспосабливаются к окружающей среде, важно отделить этот вид адаптации от более долгосрочной адаптации посредством естественного отбора.

При этих более быстрых изменениях цвета, на которые может измениться животное, уже закодированы в его генах. Одним из механизмов, с помощью которого изменения в окружающей среде могут быть переданы для физической адаптации, является нервная система.

TLDR:

• Изменения в геноме животного не происходят в течение жизни человека, но естественный отбор в сочетании со случайными мутациями может вызвать изменения в течение нескольких поколений.
• Немедленные изменения в ответ на окружающую среду, подобные изменениям у хамелеонов (и в меньшей степени у лягушек), вызваны не изменениями в экспрессии генов, а механизмами, встроенными в рассматриваемое животное.
• В течение жизни животного интерпретация генов может меняться в зависимости от окружающей среды, но это также встроенный механизм, и эти изменения не передаются по наследству.

ДНК содержит утверждения «если-то», которые предписывают мРНК транскрибировать один фрагмент, а не другой. Я не микробиолог, поэтому я приукрашиваю здесь, но механизм транскрипции — это то, что позволяет строить белки, которые затем каким-то образом собираются в гормоны, ткани и различные жидкости, такие как слизь, желчь и т. д.

На самом деле вопрос в том, что запускает одну ветвь «если-то» по сравнению с другой? Температура оказывается одна: олени, например, половозрелы только осенью. Когда температура падает, они начинают вырабатывать высокие уровни половых гормонов, из-за чего у самцов вырастают рога и они дерутся друг с другом.

Восприятие цвета должно быть другим: хамелеоны и некоторые виды кальмаров — очень яркие примеры. Глаза содержат различные клетки, чувствительные к определенным длинам волн ( https://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision ). Клетки передают сигналы в мозг, что должно каким-то образом привести к выработке гормонов, которые, в свою очередь, запускают клетки кожи.

Некоторое химическое вещество достигает мРНК в соответствующих клетках, что устанавливает переменные SeasonIsAutumn или environmentIsGreen в значение true, и у оленей начинают расти рога, а лягушки, хамелеоны и кальмары становятся зелеными.

Конечно, эти сигналы температуры или цвета будут воздействовать только на те виды, подвиды и полы, ДНК которых содержит соответствующее утверждение «если-то». У оленей, очевидно, нет функции switchColor, как и у лягушек, или нет функцииrowBigAntlers.

Я хотел бы начать свой ответ с того, что никогда не извиняюсь за то, что чего-то не знаю. Нечего стыдиться, и хорошо спрашивать о вещах, которых не знаешь! Это должно делать больше людей, и вас не должны за это критиковать.

Я хочу сначала обратиться к вашему примеру, так как я считаю, что есть некоторое (общее) недоразумение. Сценарий, который вы описали, является типом ламарковской эволюции, которая на самом деле была лучшей попыткой объяснить механизм эволюции до дарвинизма. Ламарк был великим биологом, и, хотя мы можем высмеивать его идеи, они были прогрессивными для того времени с доступной ему информацией! Как бы то ни было, идея Ламарка заключалась в том, что организмы могут изменяться в течение своей жизни, чтобы приспособиться к конкретной среде, а затем передавать эти изменения своим потомкам. Самый классический пример — длинная шея жирафа. Согласно ламаркистской мысли, жираф вытягивал шею, чтобы дотянуться до листьев высоко на деревьях, и передал эту только что вытянутую шею своему потомству (и, следовательно, у всех жирафов теперь длинные шеи).

Вот почему эта идея не работает:

Все организмы несут одномерный «код» в своей клетке (ячейках), который действует как рецепт «построения» этого организма вместе с характеристиками организма, составляющими их фенотип (включая цвет, который вы описываете). Чаще всего этот код «записывается» и хранится в виде ДНК, цепочки биомолекул, называемых нуклеиновыми кислотами. Информация считывается из этого кода с помощью сложного биологического молекулярного механизма и используется для формирования каждого аспекта организма и влияния этого организма на окружающую среду; то есть информация течет из кода в среду, а не наоборот (то есть: она не перемещается из среды обратно в гены). Я должен сказать, что есть исключения, известные как эпигенетика, которая, хотя и чрезвычайно интересна, выходит за рамки этого вопроса.

Вы можете представить это так: представьте, что у вас есть рецепт торта. Все инструкции по выпечке торта закодированы в виде одномерной последовательности букв на странице вашей кулинарной книги. Это код для приготовления торта. Вы читаете эти буквы, и ваш мозг интерпретирует их значение. Вы используете эту интерпретированную информацию для выполнения действий, необходимых для выпечки пирога. Теперь, когда торт готов, вы отрезаете от него кусочек. Конечно, процесс разрезания и удаления ломтика не передает информацию рецепту. Вы можете себе представить, если бы это произошло, следующий торт, который вы сделали бы по этому рецепту, был бы с уже удаленным кусочком!

Я хочу подчеркнуть здесь, что лягушка, несущая ген красного цвета, не может добровольно или спонтанно изменить свой цвет на зеленый, чтобы соответствовать окружающей среде. Нет обратной связи с генами лягушки из окружающей среды. Способность выполнять такое изменение должна быть закодирована в ДНК этой лягушки и, вероятно, быть частью сложного механизма, который развивался на протяжении миллионов лет. Например, у многих птиц брачное оперение меняет цвет в определенное время года, но это наследственный признак, отточенный действием естественного отбора на протяжении миллионов лет и не имеющий ничего общего с сознательным желанием птицы быть более привлекательный.

Пожалуйста, не путайте: окружающая среда организма (включая «генетическую среду», набор генов в генофонде), а также такие вещи, как среда обитания, хищники и т. д., являются факторами давления, которые движут эволюцией путем естественного отбора. В этом смысле существует обратная связь с окружающей средой, но она происходит в популяциях видов на протяжении многих поколений, а не в течение жизни отдельных организмов, и действует совершенно другими способами, чем те, которые воображаются в рамках ламаркистской эволюции.

Это большая тема, и я мог бы продолжать и продолжать, но я надеюсь, что на данный момент это достаточный ответ на ваш конкретный вопрос. Я рекомендую вам ознакомиться с чрезвычайно увлекательной и познавательной книгой прославленного Ричарда Докинза «Слепой часовщик». Мой пример торта был взят из этой замечательной книги, и есть еще много других источников!