Ученые утверждают, что эволюция работает не так, как мы думали

Эволюция не является нейтральной или завершенной — это бесконечная гонка с постоянно меняющимся миром.

 

Согласно одной из основных эволюционных теорий, большинство генетических изменений не имеют большого значения, но новые данные свидетельствуют о том, что это не так. Исследователи обнаружили, что полезные мутации происходят удивительно часто. Но есть одна загвоздка: изменяющаяся окружающая среда не дает этим мутациям широко распространиться, прежде чем они станут бесполезными или вредными. Оказывается, эволюция — это не стремление к совершенству, а бесконечная погоня за движущейся целью.

 

На протяжении десятилетий многие эволюционные биологи считали, что большинство генетических изменений, формирующих гены и белки, являются нейтральными. Согласно этой точке зрения, мутации обычно не являются ни полезными, ни вредными, что позволяет им тихо распространяться, не подвергаясь сильному предпочтению или отторжению со стороны естественного отбора.

 

Новое исследование Мичиганского университета ставит под сомнение это давнее предположение и предполагает, что эволюция может работать совсем иначе, чем считалось ранее.

 

По мере эволюции видов возникают случайные генетические мутации. Некоторые из этих мутаций становятся фиксированными, то есть распространяются до тех пор, пока каждый индивид в популяции не станет носителем этого изменения. Нейтральная теория молекулярной эволюции утверждает, что большинство мутаций, достигающих этой стадии, являются нейтральными. Вредные мутации быстро устраняются, а полезные, как предполагается, встречаются крайне редко, объясняет эволюционный биолог Цзяньчжи Чжан.

 

Чжан и его коллеги решили проверить, выдерживает ли эта идея более тщательную проверку. Их результаты указали на серьезную проблему. Исследователи обнаружили, что полезные мутации происходят гораздо чаще, чем допускает нейтральная теория. В то же время они наблюдали, что общая скорость, с какой мутации закрепляются в популяциях, намного ниже, чем можно было бы ожидать, если бы так много полезных мутаций закреплялось в популяциях.

 

 

Чтобы объяснить это противоречие, команда предложила новое объяснение, основанное на изменениях окружающей среды. Мутация, которая дает преимущество в одной среде, может стать вредной, когда условия изменяются. Поскольку окружающая среда часто меняется, многие полезные мутации никогда не распространяются достаточно широко, чтобы закрепиться.

 

Исследование, поддержанное Национальным институтом здоровья США, было опубликовано в журнале Nature Ecology and Evolution.

 

«Мы говорим, что результат был нейтральным, но процесс не был нейтральным», — сказал Чжан, профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Мичигана. «Наша модель предполагает, что естественные популяции не являются по-настоящему адаптированными к своей среде, потому что среда меняется очень быстро, а популяции всегда гонятся за средой».

 

Чжан называет эту концепцию «адаптивным отслеживанием с антагонистической плейотропией». Эта идея помогает объяснить, почему организмы редко идеально подходят к своему окружению.

 

 

Чжан считает, что эти выводы имеют широкие последствия, в том числе для людей. Современная среда резко отличается от той, в которой жили наши предки, что может помочь объяснить, почему некоторые генетические черты больше не служат нам так же хорошо, как раньше.

 

«Я думаю, что это имеет широкие последствия. Например, для людей. Наша среда обитания сильно изменилась, и наши гены могут быть не самыми лучшими для сегодняшней среды, потому что мы прошли через много других различных сред. Некоторые мутации могут быть полезны в наших старых средах, но не подходят для сегодняшней», — сказал Чжан.

 

Он добавил, что степень адаптации популяции зависит от того, как недавно изменилась ее среда.

 

«В любой момент времени, когда вы наблюдаете за естественной популяцией, в зависимости от того, когда в последний раз окружающая среда претерпела большие изменения, популяция может быть очень плохо адаптирована или относительно хорошо адаптирована. Но мы, вероятно, никогда не увидим популяцию, полностью адаптированную к своей среде, потому что полная адаптация займет больше времени, чем может оставаться постоянной почти любая естественная среда».

 

 

Нейтральная теория молекулярной эволюции была введена в 1960-х годах, когда прогресс в области секвенирования белков и генов позволил ученым изучать эволюцию на молекулярном уровне, а не сосредотачиваться только на физических характеристиках, таких как форма и структура.

 

Чтобы измерить частоту возникновения полезных мутаций, Чжан и его команда проанализировали большие наборы данных глубокого мутационного сканирования, полученные в их собственной лаборатории и других лабораториях. В этих экспериментах исследователи намеренно создали множество различных мутаций в одном гене или участке генома таких организмов, как дрожжи и E. coli.

 

Затем они отслеживали эти организмы на протяжении многих поколений и сравнивали их рост с диким типом, или наиболее распространенной формой, встречающейся в природе. Измерив различия в росте, исследователи могли оценить, помогала ли мутация организму или вредила ему.

 

Результаты показали, что более 1% мутаций были полезными. Этот показатель намного выше, чем предсказывает нейтральная теория. Если бы все эти полезные мутации закрепились, почти все генетические изменения были бы полезными, и эволюция протекала бы гораздо быстрее, чем наблюдают ученые. Это понимание заставило команду усомниться в предположении, что окружающая среда остается постоянной во времени.

 

 

Чтобы изучить влияние изменений окружающей среды, исследователи изучили две группы дрожжей. Одна группа эволюционировала в стабильной среде в течение 800 поколений (каждое поколение длилось 3 часа). Вторая группа эволюционировала в течение того же количества поколений, но в меняющейся среде, состоящей из 10 различных типов сред или растворов для роста. Каждая среда использовалась в течение 80 поколений, после чего переходили к следующей.

 

У дрожжей, подвергшихся воздействию изменяющихся условий, было зафиксировано гораздо меньше полезных мутаций, чем у дрожжей, находившихся в стабильной среде. Даже когда появлялись выгодные мутации, они редко длились достаточно долго, чтобы распространиться, прежде чем условия снова изменялись.

 

«Отсюда и происходит несоответствие. Хотя мы наблюдаем много полезных мутаций в данной среде, эти полезные мутации не имеют шанса закрепиться, потому что, когда их частота увеличивается до определенного уровня, среда изменяется», — сказал Чжан. «Эти полезные мутации в старой среде могут стать вредными в новой среде».

 

Чжан предупредил, что исследование было сосредоточено на дрожжах и E. coli, одноклеточных организмах, у которых эффекты мутаций легче измерить. Для определения того, применимы ли те же закономерности к более сложным формам жизни, включая человека, потребуются данные о многоклеточных организмах.

 

Исследовательская группа сейчас планирует последующие исследования, чтобы лучше понять, почему организмам требуется так много времени для полной адаптации, даже когда условия окружающей среды остаются стабильными.

 

Среди других авторов исследования — бывшие аспиранты Мичиганского университета Силян Сун и Сюкан Шэнь, а также бывший постдокторант Мичиганского университета Пяопяо Чен.

Источник