PNAS: эволюция может развиваться сама по себе

Фото из открытых источников

Как организмы так хорошо эволюционируют, чтобы преодолевать экологические проблемы? Это вопрос, который давно задают исследователи, но ответы на него не слишком ясны. Теперь новое исследование предполагает, что сама эволюция может быть процессом, который может эволюционировать. Исследование опубликовано в журнале PNAS.

Жизнь сумела процветать в некоторых невероятно непригодных для жизни местах, даже в районах, претерпевающих быстрые экологические изменения. Взять, к примеру, микробов — как эти крошечные организмы стали настолько искусными в быстром приобретении устойчивости к противомикробным препаратам? Вирусные патогены, такие как SARS-CoV-2 и птичий грипп (H5N1), особенно примечательны своей способностью адаптироваться к изменениям в иммунной системе хозяина.

«Жизнь действительно очень хороша в решении проблем. Если вы посмотрите вокруг, то увидите, что в жизни так много разнообразия, и то, что все эти вещи произошли от общего предка, кажется мне действительно удивительным», — пояснил ведущий автор исследования эволюционный биолог Луис Заман из Мичиганского университета. «Почему эволюция кажется такой творческой? Кажется, что эта способность возникла сама собой».

Вопрос эволюционируемости организма довольно сложен для рассмотрения, в основном потому, что это не то, что легко измерить. Например, эволюция может быть результатом мутаций, которые со временем повышают приспособленность вида, предоставляя ему больше шансов на выживание в окружающей среде. Но эволюционируемость не то же самое, что приспособленность — она больше связана с потенциалом вида обрести приспособленность в будущем.

«Эта дальновидная особенность эволюционируемости делает ее спорной», — добавил Заман. «Мы считаем, что это важно. Мы знаем, что это происходит. Почему это происходит и когда это происходит — это то, что мы не так ясно понимаем. Мы пытались выяснить: можем ли мы увидеть эволюцию эволюционируемости в более реалистичной вычислительной модели?»

Чтобы проверить это, Заман и его коллеги создали вычислительную модель с использованием фреймворка под названием Avida, который имел набор из трех вознаграждаемых логических функций и трех токсичных логических функций. Эти логические функции можно понимать как красные и синие ягоды, которые могут быть как полезными, так и ядовитыми в определенных средах. Например, в одной из сред модели красные ягоды полезны для популяции, а синие — ядовиты. Затем, в другой, верно обратное. Результатом является то, что популяция не может быть «хорошей» в обеих средах, а может преуспеть только в одной.

Затем команда запустила ряд сценариев и измерила, как эволюционируемость может меняться в ходе каждого сценария. В одном сценарии окружающая среда оставалась постоянной, что означало, что популяция не переходила от поедания одной ягоды к другой.

В другом сценарии популяция была вынуждена циклически переключаться между употреблением в пищу красных и синих ягод. В этой ситуации команда обнаружила, что популяции могли успешно переходить между разными ягодами. В частности, цикличность между средами привела к тому, что популяции имели значительно большее увеличение «мутаций», что позволило им успешно переключаться между употреблением в пищу красных и синих ягод.

Когда исследователи создавали сценарии, циклически переключающиеся между каждой логической функцией, программы в Avida подталкивали себя к новым «мутационным окрестностям». Их можно рассматривать как пути множества генов, состоящие из компьютерного кода. Каждый раз, когда среда переключается, путь необходимо перенастроить, чтобы съесть альтернативные ягоды.

«Мутационные окрестности, которые в конечном итоге занимают популяции, находя их в ходе эволюции, — это места, где отдельные мутации способны перенастроить этот путь», — добавил Заман.

Итак, в этом контексте «мутации» происходят, когда одна из компьютерных инструкций (фактически ее «гены») в программе (ее «генетический путь») изменяется. С течением времени реконфигурация путей в конечном итоге позволяет популяции компьютерных программ «эволюционировать», чтобы они могли успешно жить в районе, где специалисты по красным и синим ягодам «живут по соседству».

Но в какой степени время является фактором этой эволюционируемости? Что ж, исследователи изменили частоту, с которой сценарии циклически переключались между средами. Она варьировалась от популяции, проводящей одно поколение в среде, до ситуаций, когда это менялось на 10 поколений, а затем на 100 поколений. Интересно, что они обнаружили, что если среда менялась слишком быстро, то не было никакого увеличения эволюционируемости. Однако они обнаружили, что даже относительно длинный период цикла, потенциально из сотен поколений, мог вызвать эволюцию и поддержание эволюционируемости.

«Как только популяция достигла такой способности к эволюции, она, по-видимому, не была стерта будущей эволюцией», — сказал Заман.

Это говорит о том, что, как только эволюция научится лучше эволюционировать, она вряд ли исчезнет.