אבולוציה בסביבה

05.03.2011
01-12-2007
מדעני מכון ויצמן גילו: קצב ההתקרבות למטרה אבולוציונית מואץ דווקא כאשר המטרות עצמן משתנות ללא הרף.
מימין: נדב קשטן, פרופ' אורי אלון ואלעד נור. מציאות משתנה
מימין: נדב קשטן, פרופ' אורי אלון ואלעד נור. מציאות משתנה

 

 
האם תנועה בקו ישר אל המטרה היא הדרך המהירה ביותר להגיעה אליה? לפי מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן, כאשר שם המשחק הוא אבולוציה, קצב ההתקרבות אל המטרה מואץ דווקא כאשר המטרות עצמן משתנות ללא הרף, דבר שמחייב שינויים והתאמות תכופים במסלול ההתקדמות.
 
פרופ' אורי אלון ותלמידי המחקר נדב קשטן ואלעד נור, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, יוצרים הדמיות ממוחשבות שמחקות את האבולוציה הטבעית. בדרך זו הם יכולים לחקור תהליכים אבולוציוניים שמתחוללים בטבע במשך מיליוני שנה. בהדמיות אלה, אוכלוסייה של גנומים (מטענים גנטיים) דיגיטליים מתפתחת בזמן לקראת מטרה מוגדרת: פיתוח כושר הישרדות מרבי בתנאים מסוימים. כמו אורגניזמים חיים, גנומים שמותאמים טוב יותר לסביבתם מעלים את סיכוייהם לשרוד ולעבור לדור הבא, או להיות פוריים יותר. אולם, בהדמיות ממוחשבות אלו, הדרך להשגת המטרות הפשוטות ביותר נמשכת, בדרך כלל, אלפי דורות. כך עולה השאלה, האם שלושה מיליארד שנים (הזמן שעבר מאז התפתחות החיים על-פני כדור-הארץ) מספיקים כדי לפתח את כל המיגוון והמורכבות שקיימים כיום באורגניזמים השונים המתקיימים בעולם.
 
האבולוציה מתחוללת בתנאים סביבתיים משתנים, דבר שמאלץ את האורגניזמים להתאים את עצמם למציאות חדשה פעם אחר פעם. מצב עניינים זה נתפס על-ידי רבים כגורם שאמור להאט את ההתקדמות אל המטרה. אבל כאשר מדעני המכון יצרו הדמיה שבה המטרות עצמן השתנו שוב ושוב, הם מצאו שהאבולוציה דווקא הגבירה את מהירותה. למעשה, התברר להם שככל שהמטרה מורכבת יותר, השינויים שמתחוללים בה גורמים להאצה רבה יותר של האבולוציה לקראתה. שינויים במטרות שהראו האצה באופן עקבי היו דומים לדפוס השינויים בסביבה האבולוציונית שהמדענים סבורים כי הוא נפוץ בטבע.
 
במחקר קודם הראו קשטן ופרופ' אלון, שהאבולוציה היא, לעיתים קרובות, מודולרית: היא מתקדמת בתיקונים קטנים המתבצעים על יחידות, או מקטעים קיימים, ואינה נוטה לבצע "שיפוצים" גדולים. ממצא זה הוביל אותם להשערה, שגם הכוחות אשר פועלים על האבולוציה הם מודולריים. כדי לבחון זאת, הם הגדירו לכל מטרה, מטרות משנה, שהיו מסוגלות להשתנות ביחס לאחרות. "באורגניזם, למשל, אפשר להגדיר את מטרות המשנה האלה כצורך לאכול, הצורך להימנע מלהיטרף, והצורך להתרבות. כדי לשרוד, חייב כל אורגניזם ליישם ולהשיג את מטרות המשנה האלו בכל סביבה חדשה. אבל אורגניזמים שונים עושים את אותו הדבר בדרכם שלהם, בהבדלי סגנון, עיתוי ושילוב, בהשוואה לאורגניזמים אחרים", אומר תלמיד המחקר נדב קשטן. "במעקב אחר המסלולים האבולוציוניים הדומים והשונים האלה גילינו, להפתעתנו, שההתקדמות המהירה ביותר הושגה דווקא כאשר המטרות החדשות השתנו שינויים מודולריים בהשוואה למטרות הקודמות".
 
ממצאים אלה, שפורסמו באחרונה בכתב העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS), עשויים להוביל לפיתוח יישומים בתחומי ההנדסה שבהם משתמשים בכלים אבולוציוניים לתכנון מערכות. בתחום המחקר במדעי המחשב הם עשויים לאפשר האצה של אלגוריתמי אופטימיזציה.
 
ימין: הציור "הגיאוגרף" של הצייר ההולנדי בן המאה ה-17, יוהנס ורמיר (שנודע באחרונה בזכות ציור אחר שלו: "נערה עם עגיל פנינה"). על-פי סברה רווחת, דמות ה"גיאוגרף" צוירה על-פי דמותו של אנטוני ואן לוונהוק, מדען הולנדי בן תקופתו של ורמיר, שנודע כמי שגילה את קיומם של חיידקים (אותם כינה "חיות קטנות השוחות בטיפת מים"). משמאל: ציור (אקריל על בד) של הציירת והמורה לפיסיקה, פנינה אלון, אמו של פרופ' אורי אלון, שבו מופיע פרופ' אלון - החוקר רשתות גנים בחיידקים - במקומו של לוונהוק שכנראה שימש מודל ל"הגיאוגרף". לשמאלו מונח ספרו של פרופ' אלון "מבוא לביולוגיה של מערכות" (ראו גיליון "המכון" מספר 47, יוני 2007). ימין: הציור "הגיאוגרף" של הצייר ההולנדי בן המאה ה-17, יוהנס ורמיר (שנודע באחרונה בזכות ציור אחר שלו: "נערה עם עגיל פנינה"). על-פי סברה רווחת, דמות ה"גיאוגרף" צוירה על-פי דמותו של אנטוני ואן לוונהוק, מדען הולנדי בן תקופתו של ורמיר, שנודע כמי שגילה את קיומם של חיידקים (אותם כינה "חיות קטנות השוחות בטיפת מים"). משמאל: ציור (אקריל על בד) של הציירת והמורה לפיסיקה, פנינה אלון, אמו של פרופ' אורי אלון, שבו מופיע פרופ' אלון - החוקר רשתות גנים בחיידקים - במקומו של לוונהוק שכנראה שימש מודל ל"הגיאוגרף". לשמאלו מונח ספרו של פרופ' אלון "מבוא לביולוגיה של מערכות" (ראו גיליון "המכון" מספר 47, יוני 2007).
ימין: הציור "הגיאוגרף" של הצייר ההולנדי בן המאה ה-17, יוהנס ורמיר (שנודע באחרונה בזכות ציור אחר שלו: "נערה עם עגיל פנינה"). על-פי סברה רווחת, דמות ה"גיאוגרף" צוירה על-פי דמותו של אנטוני ואן לוונהוק, מדען הולנדי בן תקופתו של ורמיר, שנודע כמי שגילה את קיומם של חיידקים (אותם כינה "חיות קטנות השוחות בטיפת מים"). משמאל: ציור (אקריל על בד) של הציירת והמורה לפיסיקה, פנינה אלון, אמו של פרופ' אורי אלון, שבו מופיע פרופ' אלון - החוקר רשתות גנים בחיידקים - במקומו של לוונהוק שכנראה שימש מודל ל"הגיאוגרף". לשמאלו מונח ספרו של פרופ' אלון "מבוא לביולוגיה של מערכות" (ראו גיליון "המכון" מספר 47, יוני 2007).
 

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם