|
Ученые думали, что они понимают эволюцию
|
|
|
|
24 ноября 1859 года геолог, ставший биологом, Чарльз Дарвин опубликовал книгу "Происхождение видов", в которой определил эволюцию и естественный отбор как естественные механизмы, стоящие за широким разнообразием жизни на Земле. Хотя теория эволюции выдержала испытание временем, по мере совершенствования наших средств изучения мира природы в нее вносились дополнения и усовершенствования. Но, возможно, никакое усовершенствование не потрясло эту область больше, чем идея о том, что на молекулярном уровне именно случайный дрейф, а не естественный отбор, приводит к большинству эволюционных изменений.
|
|
|
|
Это уточнение появилось в конце 1960-х годов, когда японский биолог Мотоо Кимура представил “нейтральную теорию” молекулярной эволюции. В то время как теории Дарвина описывают процессы, которые создают физические характеристики фенотипов, теория Кимуры исследовала область ДНК и белков, или генотипов. Обе теории работают согласованно, чтобы объяснить разнообразие жизни на Земле, но гипотеза Кимуры в гораздо большей степени фокусируется на молекулярном устройстве жизни. Короче говоря, Кимура предложил нечто радикальное: большинство изменений в ДНК вызваны вовсе не выживанием наиболее приспособленных, а чистой случайностью. Эта идея в корне изменила представления биологов о том, что на самом деле происходит под поверхностью эволюции.
|
|
|
|
|
|
|
Теперь группа ученых из Мичиганского университета (UM) опубликовала в журнале Nature Ecology & Evolution новое исследование, в котором критически рассматривается одно из ключевых предположений “нейтральной теории” Кимуры о том, что полезные мутации относительно редки. Нейтральную теорию часто считают единственной настоящей концептуальной революцией в эволюционной биологии с 1940-х годов, которая более 50 лет настолько хорошо подкреплялась геномными данными, что стала общепринятым предположением о том, как эволюционирует ДНК. Но новое исследование показывает, что одно из основополагающих предположений, лежащих в основе десятилетий молекулярной эволюционной биологии, нуждается в серьезном пересмотре. Кимура не ошибся, но реальная история гораздо динамичнее и удивительнее, чем он себе представлял.
|
|
|
|
Проанализировав восемьсот поколений в более чем трехстах популяциях модельных одноклеточных организмов, включая дрожжи и кишечную палочку, авторы пришли к выводу, что полезные мутации возникают чаще, чем полагал Кимура, но изменяющаяся окружающая среда часто препятствует распространению этих мутаций на всю популяцию. “Мы утверждаем, что результат был нейтральным, но процесс не был нейтральным”, - сказал в заявлении для прессы биолог-эволюционист Цзяньчжи Чжан, старший автор исследования. “Наша модель предполагает, что естественные популяции на самом деле не адаптированы к окружающей среде, потому что окружающая среда меняется очень быстро, а популяции всегда стремятся к окружающей среде”.
|
|
|
|
Поскольку мутации возникают случайно, некоторые из них — особенно бесполезные — устраняются естественным отбором, в то время как небольшое количество полезных мутаций распространяется на всю популяцию в процессе, известном как фиксация. В то время как нейтральная теория молекулярной эволюции утверждает, что полезные мутации редки, в новом исследовании использовались методы мутационного сканирования различных наборов данных и было установлено, что один процент мутаций, изменяющих аминокислоты, были полезными. Этот процент может показаться небольшим, но, поскольку вероятность распространения полезных мутаций намного выше, чем нейтральных, практически каждое изменение аминокислот, которое становится постоянным у вида, должно быть вызвано естественным отбором. Это прямо противоположно тому, что утверждает теория Кимуры. В то время как концепция Кимуры привела ученых к тому, что они, по сути, отвергли полезные мутации как эволюционный фоновый шум, новые результаты показывают, что они представляют собой постоянный мощный барабанный бой, который, должно быть, подавляется чем-то другим. Генные мутации должны происходить быстрее и чаще, чем то, что ученые наблюдают в природе. Так почему же большинство из этих мутаций не приживаются? В чем разница?
|
|
|
|
Чтобы ответить на эти вопросы, команда разработала новую теорию о том, что то, что полезно сегодня, может оказаться не столь полезным завтра, поскольку окружающая среда изменится. Чтобы проверить свою идею, команда вывела 1320 популяций дрожжей в течение 800 поколений на 100 различных питательных средах. Среды были случайным образом сгруппированы в десять наборов по десять особей. В каждом наборе некоторые популяции эволюционировали в одной постоянной среде в течение всего эксперимента, в то время как другие чередовались во всех десяти средах, переключаясь на новую среду каждые 80 поколений. Исследователи обнаружили, что полезные мутации гораздо реже закреплялись в популяциях, сталкивающихся с меняющимися условиями, что позволяет предположить, что изменение окружающей среды фактически уничтожило преимущества мутации до того, как она смогла распространиться по популяции. Полученные данные выявили поразительную закономерность: среди мутаций, которые были полезны по крайней мере в одной среде, примерно 70 процентов были активно вредны по крайней мере в одной другой среде — генетический обоюдоострый меч, который исследователи называют антагонистической плейотропией.
|
|
|
|
“Я думаю, что это имеет широкие последствия”, - сказал Чжан в заявлении для прессы. “Например, люди. Наша окружающая среда так сильно изменилась, и наши гены, возможно, не подходят для сегодняшней среды, потому что мы прошли через множество других условий. Некоторые мутации могут быть полезны в нашей старой среде обитания, но не соответствуют сегодняшнему дню”.
|
|
|
|
Конечно, тестирование этой идеи на более сложных существах, будь то люди или даже просто многоклеточные организмы, представляет собой другую задачу. В конце концов, поколение дрожжевых клеток длится всего три часа, в то время как люди обычно живут немного дольше. Команда отмечает, что необходимо будет провести дополнительное мутационное сканирование, чтобы выяснить, применимо ли это правило аналогичным образом к растениям и животным, но имеющиеся данные свидетельствуют о том, что животные никогда не бывают идеально приспособлены к окружающей среде. Например, открытие команды перекликается с давней идеей генетики человека: гипотезой “бережливого гена”, которая предполагает, что аллели, которые помогали нашим предкам пережить голод, теперь могут предрасполагать нас к диабету в эпоху изобилия продуктов питания.
|
|
|
|
“Мы, вероятно, никогда не увидим ни одной популяции, которая полностью адаптировалась бы к окружающей среде, - сказал Чжан в заявлении для прессы, - потому что полная адаптация заняла бы больше времени, чем почти любая природная среда может оставаться неизменной”.
|
|
|
|
Источник
|
