Исследование показало, что эволюция может быть не такой случайной, как считалось

Фото из открытых источников

Основы эволюции довольно просты для понимания: организмы, лучше приспособленные к выживанию и размножению, как правило, имеют преимущество перед другими. Эти животные продолжают существовать, в то время как другие — нет.

Биологи иногда рассматривают это как трехмерный «ландшафт приспособленности», где вершинами являются виды, находящиеся в наилучшей форме. Однако к вершинам этого ландшафта ведут множество путей, и возникают вопросы о том, что происходит, когда несколько фенотипов (биологических признаков) находятся на одном уровне.

Традиционно считалось, что на этом этапе эволюция протекает случайным или нейтральным образом, но это не подтверждается новым исследованием, опубликованным в журнале PNAS, проведенным исследователями из Техниона, Израильский институт технологий.

«Эволюцию обычно описывают как процесс восхождения на вершины приспособленности, в ходе которого организмы лучше адаптируются к своей среде и, таким образом, повышают свои шансы на выживание», — говорит биолог Наама Бреннер. «Однако иногда организмы сталкиваются с несколькими эволюционными траекториями, каждая из которых приводит к одинаковому уровню приспособленности. Это поднимает вопрос о том, как эволюция отбирает виды по этим путям с эквивалентной приспособленностью».

В биологии такое достижение несколькими организмами одних и тех же пиков приспособленности называется вырождением. Биологические ландшафты часто сильно вырождены, поскольку многие виды примерно равны по приспособленности, даже если они достигают её разными путями.

«Интуитивно можно предположить, что эволюция затем будет беспорядочно перемещаться между этими вырожденными состояниями», — пишут исследователи. «Но мы показываем, что это, как правило, не так».

Исследователи разработали упрощенную математическую модель для анализа того, как популяции выживают на плоских и деградировавших ландшафтах, учитывая естественный отбор и мутационные события, которые происходили бы в реальном мире.

Затем были проведены дальнейшие прогнозы и моделирование для проверки влияния сотен поколений эволюции и того, как они могут проявиться.

Выявилось нечто отличное от гипотезы случайности: когда организмы достигали точки максимальной приспособленности, они продолжали двигаться вдоль неё к самой плоской точке, даже когда не было никакого «преимущества в приспособленности».

Этот «направленный дрейф» смещается в сторону областей, где определенные характеристики популяции лучше защищены от мутаций и других нарушений. Именно там проявляется преимущество в выживании – в более благоприятных частях карты.

«На гладких многообразиях с одинаковой приспособленностью возникает скрытая предвзятость, которая детерминистически направляет эволюционирующие популяции к более плоским областям», — пишут исследователи. «Эта предвзятость возникает в результате взаимодействия между изменчивостью популяции и геометрией ландшафта».

Исследователи отмечают, что здесь есть ряд важных последствий для эволюционной теории. Эволюционирующие группы могут развивать устойчивость и жизнеспособность благодаря этому направленному дрейфу, почти как побочный эффект, без какого-либо специфического эволюционного давления.

Группа исследователей также утверждает, что незначительные биологические вариации могут быть более важными, чем считалось ранее, возможно, раскрывая лежащую в основе структуру ландшафта приспособленности и то, как популяция перемещалась по нему на протяжении эволюционной истории.

Эта идея также рассматривалась в предыдущих исследованиях, но подход к ней был несколько иным, через концепцию «дружественных к мутациям районов» — более безопасных мест, где генетические вариации сопряжены с меньшими издержками для выживания.

В будущих исследованиях полученные результаты потенциально могут быть связаны с системами глубокого обучения, где нейронные сети, лежащие в основе ИИ, также отдают предпочтение более плоским участкам карты.

Возможно, также потребуется переосмыслить подход ученых к интерпретации эволюционных изменений, особенно если они кажутся нейтральными. Следующие шаги будут заключаться в том, чтобы взять относительно простые модели, использованные здесь, и доработать их для применения к более сложным живым организмам и экосистемам, а также к естественной изменчивости, наблюдаемой в дикой природе.

«Наши результаты указывают на общий механизм, посредством которого вырожденность формирует долгосрочные эволюционные результаты, влияя на нашу интерпретацию фенотипической изменчивости, устойчивости и нейтральности в многомерных биологических системах», — пишут исследователи.