Przez dziesięciolecia biolodzy ewolucyjni kierują się powszechnie akceptowaną teorią, że większość mutacji genetycznych jest neutralna — ani szkodliwa, ani korzystna, po prostu wędrują przez pokolenia bez znaczącego wpływu. Idea ta, znana jako Neutralna Teoria Ewolucji Molekularnej, zakładała, że szkodliwe mutacje są szybko eliminowane w drodze doboru naturalnego, podczas gdy korzystne są zbyt rzadkie, aby znacząco wpłynąć na przebieg ewolucji.
Jednak nowatorskie badania przeprowadzone na Uniwersytecie Michigan podważają tę konwencjonalną wiedzę. Nowe prace prowadzone pod kierunkiem biologa ewolucyjnego Jiangji Zhanga pokazują, że korzystne mutacje mogą występować znacznie częściej niż wcześniej sądzono, co może mieć poważne implikacje dla naszego zrozumienia adaptacji i ewolucji organizmów w dynamicznych środowiskach.
Naukowcy analizujący ogromne zbiory danych uzyskane w wyniku „głębokiego skanowania mutacji” zaobserwowali zaskakująco wysoką częstotliwość korzystnych mutacji — ponad 1% testowanych wariantów w pewnych warunkach faworyzowało drożdże i bakterie Escherichia coli. Odkrycie to bezpośrednio zaprzecza przewidywaniom Teorii Neutralnej, że takie korzystne mutacje powinny być niezwykle rzadkie.
Jednak ta rozbieżność nie oznacza, że teoria jest całkowicie błędna; wskazuje raczej na kluczowy brakujący element: samo środowisko. Badanie oferuje nowe, przekonujące wyjaśnienie: dynamikę adaptacyjną z antonimiczną plejotropią.
Wyścigi z ciągłymi zmianami
Model ten sugeruje, że korzystne mutacje pojawiają się często, ale mają trudności z ustaleniem swojej pozycji w populacji ze względu na fakt, że środowiska rzadko są statyczne. To, co jest korzystne w jednej sytuacji, może być szkodliwe w innej. Wyobraźcie sobie gatunek doskonale przystosowany do stabilnego ekosystemu – wtedy zmiany klimatyczne zaburzają tę równowagę. Mutacje, które kiedyś były korzystne, obecnie utrudniają przetrwanie.
Zhang i jego zespół zademonstrowali tę zasadę poprzez eksperymenty obejmujące ewolucję drożdży w stałych i zmieniających się warunkach. Populacje drożdży, które przystosowały się do stałych warunków, zgromadziły bardziej korzystne mutacje niż te, które doświadczyły okresowych zmian w źródłach składników odżywczych. Jaki jest powód? W stale zmieniającym się świecie korzystne mutacje miały niewiele czasu, aby się szeroko rozprzestrzenić, zanim środowisko zażądało nowego zestawu cech.
„Mówimy, że wynik był neutralny, ale proces nie był neutralny” – wyjaśnia Zhang. „Nasz model sugeruje, że naturalne populacje nie są w pełni przystosowane do swojego środowiska, ponieważ środowisko zmienia się tak szybko, a populacje nieustannie je gonią”.
Wpływ na ludzkość w zmieniającym się świecie?
Badania mają istotne implikacje wykraczające daleko poza zwykłe drożdże. Zmusza nas to do ponownego rozważenia, w jakim stopniu ludzie w pełni przystosowali się do naszego stale zmieniającego się świata. Nasz gatunek przeszedł dramatyczne zmiany środowiskowe na przestrzeni dziejów, od rewolucji agrarnej po epokę przemysłową, a obecnie antropocen.
„Niektóre mutacje mogą być przydatne w naszych starych środowiskach, ale nie nadają się do dzisiejszego środowiska” – mówi Zhang. Ostrzega, że chociaż na pozór możemy wydawać się dobrze przystosowani, szybkie tempo zmian środowiskowych może pozostawić w nas dziedzictwo genetyczne, które już nam w pełni nie służy. Może to mieć wpływ na podatność na choroby, odporność na ekstremalne zjawiska pogodowe, a nawet reakcję na nowe technologie.
Chociaż wyniki badania pochodzą w dużej mierze z eksperymentów na organizmach jednokomórkowych, oferują one przekonujące ramy dla zrozumienia adaptacji w bardziej złożonych organizmach żywych. Przyszłe badania skupią się na powtórzeniu tych eksperymentów na organizmach wielokomórkowych, takich jak ludzie, aby sprawdzić, czy zaobserwowane zostaną podobne tendencje.
Teoria dynamiki adaptacyjnej rzuca światło na dynamiczną interakcję między ewolucją a środowiskiem, zmuszając nas do ponownego przemyślenia sposobu, w jaki myślimy o samej koncepcji „adaptacji”. Maluje obraz trwającego wyścigu ewolucyjnego – ciągłej walki o utrzymanie tempa zmian, która stawia wiele organizmów stale na krawędzi adaptacji, ale nigdy do końca.
