На протяжении десятилетий эволюционные биологи руководствовались широко принятой теорией: большинство генетических мутаций нейтральны — ни вредные, ни полезные, просто блуждающие сквозь поколения без существенного влияния. Эта идея, известная как Нейтральная теория молекулярной эволюции, предполагала, что вредные мутации быстро устраняются естественным отбором, а полезные слишком редки, чтобы существенно повлиять на ход эволюции.
Но передовые исследования Университета Мичигана бросают вызов этому установившемуся представлению. Новая работа под руководством эволюционного биолога Цзянцзи Чжана показывает, что полезные мутации могут быть значительно чаще, чем считалось ранее, с потенциально глубокими последствиями для нашего понимания адаптации и того, как организмы эволюционируют в динамической среде.
Исследователи, тщательно анализируя огромные наборы данных, полученные методом «глубокого сканирования мутаций», наблюдали удивительно высокую частоту полезных мутаций — более 1% протестированных вариантов оказывал преимущество дрожжевым и бактериям Escherichia coli при определенных условиях. Это открытие прямо противоречит предсказанию Нейтральной теории о том, что такие выгодные мутации должны быть исключительно редкими.
Однако эта расхождение не означает, что теория полностью ошибочна; скорее, оно указывает на критическую недостающую деталь: саму среду. Исследование предлагает убедительное новое объяснение: Адаптивная динамика с антонимической плеиотропией.
Бег вперегонки с постоянными изменениями
Эта модель предполагает, что полезные мутации возникают часто, но сталкиваются с трудностями при укреплении своих позиций в популяции из-за того, что среды редко бывают статичными. Что оказывается выгодным в одной ситуации, может оказаться вредным в другой. Представьте себе вид, идеально приспособленный к стабильной экосистеме — затем климатические изменения нарушают баланс. Мутации, которые были когда-то полезными, теперь препятствуют выживанию.
Чжан и его команда продемонстрировали этот принцип с помощью экспериментов, включающих эволюцию дрожжей в постоянных и меняющихся условиях. Популяции дрожжей, адаптирующиеся к неизменяющимся условиям, накопили больше полезных мутаций, чем те, которые сталкивались с периодическими сменами источников питательных веществ. В чём причина? В постоянно меняющемся мире у выгодных мутаций было мало времени распространиться широко, прежде чем среда требовала нового набора признаков.
«Мы говорим, что результат был нейтральным, но процесс не был нейтральным», — объясняет Чжан. «Наша модель предполагает, что естественные популяции не являются по-настоящему приспособленными к своим средам, потому что среды меняются очень быстро, и популяции постоянно гонятся за ними».
Влияние на человечество в меняющемся мире?
Исследование имеет значительные последствия далеко за пределами простых дрожжей. Оно заставляет нас пересмотреть до какой степени люди полностью адаптировались к нашему постоянно меняющемуся миру. Наш вид претерпел драматические изменения среды на протяжении всей истории — от аграрной революции до промышленного века и теперь антропоцена.
«Некоторые мутации могут быть полезными в наших старых средах, но не подходят для сегодняшней», — считает Чжан. Он предостерегает, что хотя мы и можем казаться хорошо приспособленными на первый взгляд, стремительный темп изменения окружающей среды может оставить нас с генетическим наследием, которое уже не полностью нам служит. Это может иметь последствия для восприимчивости к болезням, устойчивости к экстремальным погодным явлениям и даже реакций на новые технологии.
Хотя результаты исследования в основном исходят из экспериментов с одноклеточными организмами, они предлагают убедительную схему для понимания адаптации у более сложных живых организмов. Будущие исследования сосредоточатся на повторении этих экспериментов с многоклеточными организмами, такими как люди, чтобы увидеть, наблюдаются ли подобные тенденции.
Теория Адаптивной динамики проливает свет на динамичное взаимодействие между эволюцией и средой, заставляя нас переосмыслить, как мы воспринимаем понятие «адаптации» само по себе. Она рисует картину непрекращающейся эволюционной гонки — постоянной борьбы за поддержание темпа перемен, оставляющей многих организмов постоянно на грани адаптации, но никогда не полностью достигшими ее
