Фраза «выживает наиболее приспособленный» делает принцип эволюции путем естественного отбора простым для понимания - люди с чертой, которая хорошо адаптируется к их обстоятельствам, с большей вероятностью передаст эту черту. Но, как объясняет новое исследование, предсказать судьбу признака чертовски сложно из-за множества факторов.
Усовершенствованные прогностические модели не только помогут ученым лучше моделировать то, как работает эволюция, но также могут помочь в усилиях по предотвращению инфекционных заболеваний. Например, каждый год производители вакцин, эпидемиологи и врачи пытаются предсказать, в каком направлении могут развиваться такие болезни, как грипп, Зика, ВИЧ и Эбола.
По сути, проблема заключается в том, что признак, передаваемый вариантом гена или аллелем, может быть полезным для одного или нескольких поколений, но не давать преимуществ или становиться помехой при изменении обстоятельств, сказал старший автор Даниэль Вайнрайх. профессор экологии и эволюционной биологии Брауновского университета. Но большинство теоретических моделей популяционной генетики предполагают, что приспособленность остается постоянной.
«Мы формулируем ряд различных биологических контекстов, в которых приспособленность аллеля может меняться в течение его «жизненного цикла» или происхождения» в популяции», - сказал Вайнрайх. «Мы убеждены, что другие контексты, в которых это постоянно, являются исключениями, а не правилом."
Новое исследование в Ежегодном обзоре экологии, эволюции и систематики дает обзор того, что усложняет прогностические модели и как ученые пытаются добиться прогресса на благо общественного здравоохранения, среди других областей.
«Инфекционные заболевания испытывают постоянно меняющееся избирательное давление, поскольку они распространяются внутри и между хозяевами и сталкиваются с лекарствами и иммунными реакциями хозяина», - сказал ведущий автор Кристофер Грейвс, получивший докторскую степень. из Брауна и сейчас работает исследователем в Bayer. «Понимание того, как протекает эволюция в сценариях крайне изменчивого селективного давления, повысит нашу способность прогнозировать лекарственную устойчивость и вспышки заболеваний и в конечном итоге приведет к созданию и внедрению более продуманных стратегий лекарств и вакцин».
Фитнес может быть непостоянным
Возможно, самый очевидный способ, которым приспособленность признака может меняться, заключается в том, что окружающая среда может меняться не только во времени, но и в пространстве. Рассмотрим популяцию вида сорняков на пустыре. Некоторые могут нести аллель, помогающий им выжить на жарком солнце, а другие могут иметь аллель, дающую относительное преимущество в прохладной тени. Мало того, что погодные условия могут резко меняться с течением времени от дней до лет, но также новые здания могут возводиться или сноситься вокруг участка, создавая новые участки тени или солнца. Модель, предсказывающая судьбу каждого аллеля, становится намного сложнее по многим параметрам.
Другое измерение, которое может варьироваться, - это «социальная» жизнь аллелей. Аллелей, которые приводят к «обману», в природе много, но они наиболее эффективны, когда встречаются редко. Как только все обманывают, это может перестать быть преимуществом, поэтому черта со временем может стать жертвой собственного успеха. Более того, генетическая предрасположенность к сотрудничеству просто так не зашкаливает. В документе приводятся случаи, в которых развилось «охраняющее» поведение, например, насекомые, которые сохраняют превосходство королевы, уничтожая «эгоистично» отложенные яйца простых рабочих, или гены, которые производят иммунную способность подавлять опухоль для уничтожения раковых клеток, потому что они растут слишком быстро.
Условия могут различаться даже в пределах одной линии, потому что может появиться один аллель, который влияет на другой. Вайнрайх изучал это на примере возникновения у бактерий устойчивости к антибиотикам. Он обнаружил, что четыре мутации определенного фермента иногда повышали лекарственную устойчивость, а иногда нет, в зависимости от того, какие другие мутации присутствовали или отсутствовали.
Еще больше сложностей
То, что любое из этих обстоятельств может измениться со временем, добавляет еще один уровень сложности, сказал Вайнрайх, потому что скорость, с которой меняются обстоятельства, имеет значение. Когда обстоятельства меняются быстрее, чем скорость размножения организма - например, солнечные или пасмурные погодные условия, которые приходят и уходят в течение нескольких дней, - солнцелюбивые или тенелюбивые сорняки испытывают лишь незначительное влияние на свой репродуктивный успех. Но если обстоятельства меняются медленнее - например, большое новое здание затеняет весь участок на десятилетия - носители солнечного аллеля могут исчезнуть с участка, а теневой аллель полностью вытеснит другой тип. В этом случае солнцелюбивые сорняки могут уже вымереть к тому времени, когда здание снова снесут.
Действительно, сказал Вайнрайх, многие модели предсказания судьбы аллелей упускают из виду возможность полного исчезновения признаков.
Между тем, скорость изменения окружающей среды очень похожа на скорость, с которой действует естественный отбор, математика становится особенно сложной.
Нажимаю для прогресса
В поисках решения популяционные генетики использовали новые подходы, пишут Вайнрайх и Грейвс. Среди самых захватывающих, по словам Вайнрайха, те, в которых они объединяют усилия и заимствуют методы из экологии и эпидемиологии - двух областей, в которых моделирование динамических и сложных изменений занимает центральное место. Этим летом, например, прошел семинар «Эко-эволюционная динамика в природе и лаборатории» в Калифорнийском университете в Институте теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре, посвященный изучению таких пересечений.
Вайнрайх сказал, что планирует глубже вникнуть в сложности изменений в физической форме, происходящих из-за различной скорости изменений социальных (например, мошенников), генетических (например, конкурирующих аллелей) или экологических (например, погодных) параметров.
«Наложение экологических и эволюционных процессов - то, что эти две вещи очень тесно связаны друг с другом, что упускается из виду во многих моделях - это путь вперед», - сказал Вайнрайх. «Это то, что необходимо для внесения критических улучшений в модели».
Национальный институт здравоохранения и Национальный научный фонд поддержали исследователей в их работе.