Az evolúció fényében Szathmáry Eörs

Collegium Budapest ELTE

Theodosius Dobzhansky (1900-75) •

„A biológiában minden csak az evolúció fényében nyer értelmet”

• Mi? • Hogyan?

• Miért?

Az evolúció egységei 1. sokszorozódás 2. öröklődés 3. változékonyság Vannak olyan öröklődő bélyegek, melyek a termékenységre és/vagy a túlélőképességre hatnak

John Maynard Smith (1920-2004) • Eaton • Tanára J.B.S. Haldane • Repülőgépmérnök • Szekvencia-tér • A szexuális szaporodás evolúciója • Játékelmélet • Állati jelzések • Balsan, Kyoto és Crafoord díjak

A nagy átmenetek (1995) * * * * * Ezek az átmenetek „nehezek”

Egy átmenet nehézsége • Szelekció által limitált (különleges környezet) – Az első előnye • Variáció által limitált: kis valószínűségű genetikai változatok sorozatának rögzülése (a genetikai kód, vagy az eukarióta nukleocitoplazma eredete)

A nehéz átmenetek „egyszeriek” • Operatív definíció: pl. minden genetikai kóddal rendelkező organizmusnak közös őse van • Ezek az egyszeri átmenetek általában visszafordíthatatlanok (nincs olyan sejt, amelyik másodlagosan elvesztette volna a genetikai kódot, vagy az eukarióta állapotot)

A replikáció eredete?

• Kémiai szempontból mindig autokatalízist igényel • A legegyszerűbb forma: A + X  2 A + Y • A biológia számára kiemelt jelentőségű • Sokkal általánosabb, mint a DNS-replikáció

formaldehid A formóz ‘reakció’ autokatalízis glikolaldehid Butlerow, 1861

Replikáció a formóz reakcióban • Nem-információs replikáció • Autokatalízis – IGEN • Öröklődés – NEM • Jó az anyagcseréhez • Nem jó genetikai célokra

A fordított citrát-kör korai eredete?

• Günter Wächtershäuser (1990) • CO 2 -fixálás pirit felszíneken, a mélytengeri hévforrásoknál • Nincs rá bizonyíték

Az élet keletkezésének a fő problémája a metabolitok kellő kanalizásása a lehetséges reakciók terében • Az enzimek a fontos reakciókat a kellemetlen reakciókhoz

képest

gyorsítják • A spontán mellékreakciók száma rendkívül nagy • A fenntartás, nemcsak a szaporodás, feltétele az autokatalízis d

x

/ d

t

=

k x – d x

= 0

Minden, a mellékreakciókat elhanyagoló „hálózati” modell bűnösen csökött • Pl. a Kauffman által javasolt fehérje hálózatok • A modellekben általában azt feltételezik, hogy a lehetséges reakciók vagy előnyösek, vagy semlegesek • Egy kémiai „kanyonból” jött ki az élet?

A kémiai evolúció az élet kialakulása és a kátrány képződése közötti verseny volt Kémiai hálózatok Élet Kátrány A bolygók hanyad részén lenne végül csak kátrány?

Egy másik mechanizmus: von Kiedrowski’ replikátorai

1986: az első mesterséges replikátor És mi van, ha hosszabb?

• Kísérlet és elmélet nemes versenye

Esetleg hőmérsékleti oszcillációval?

A

spontán

hosszabbodás gátolja a replikációt!

A replikátorok egy osztályozása Holisztikus Korlátos öröklődés formose Korlátlan öröklődés Moduláris Von Kiedrowski gének Korlátos Korlátéan (egyedek száma) > (típusok száma) (# egyedek) << (# típusok)

Eigen paradoxona (1971) • A korai replikáció nagyon hibás volt • A hibaküszöb miatt a nukleotidok száma <100 • Ebből nem lehet több gént csinálni • Egymáshoz nem kapcsolt gének versengenek egymással • A genom összeomlik • Mi a feloldás?

A hibák halmozódása

x

+

y

= 1

A molekuláris hiperciklus (Eigen, 1971) autokatalízis heterokatalitikus segítség

Paraziták a hiperciklusban (JMS) rövidzárlat parazita

Nature 420, 360-363 (2002).

Replikáz RNS Más RNS

A hatékonyság növekedése • Cél-hatékonyság: mennyire fogadja el a segítséget • Replikáz hatékonyság: mennyire ad segítséget • Másolási hűség • Antagonisztikus sajátságok

Az evolválódó populáció Hibaráta Replikáz aktivitás • A molekulák a szomszédokkal hatnak kölcsön • Korlátozott diffúzió a felszínen

Azonos csónakban: a sztochasztikus korrektor modell Szathmáry, E. & Demeter L. (1987) Group selection of early replicators and the origin of life.

J. theor

Biol. 128, 463-486.

Grey, D., Hutson, V. & Szathmáry, E. (1995) A re-examination of the stochastic corrector model.

Proc. R. Soc. Lond.

B

262,

29-35.

Egy társadalmi hasonlat… • Elliot Aronson tanít tanítási kísérlete • Heterogén összetételű csoportok a diákokból • Véletlenszerűen választott diák teljesítményének jutalmát kapja mindenki a csoportban

Egyetemi tanáraim Vida Gábor Gánti Tibor Koch Sándor Juhász-Nagy Pál Károlyházy Frigyes Zboray Géza

Az „egészen nagy” munkatársak Günter von Kiedrowski John Maynard Smith Lewis Wolpert

Az ECAgents csoport • Zachár István • Ittzés Péter • Orbán Gergő • Fedor Anna • Huszár Ferenc • Lengyel Máté

Az ESA csoport • Pócs Tamás • Gánti Tibor • Kereszturi Ákos • Bérczi Szaniszló • Horváth András • Sik András

Mindenfelől… • Mauro Santos • Czárán Tamás • Papp Balázs • Eva Jablonka • Scheuring István

Mindenfelől...

• Tim Lenton • Gulyás Balázs • Papp Balázs • Elias Zintzaras • Pongor Sándor • Pál Csaba

Mindenfelől… • Kun Ádám • Jordán Ferenc

A családi „sponsorok” Szathmáryné Nagy Katalin Szathmáry Zsolt

Az evolúció egy kis lépése… Az evolúcióbiológushoz is sok türelem kell…