Сва жива бића морају опстати у срединама које се стално мењају. Годишња доба се мењају од лета до зиме, а временски обрасци могу да се мењају од поплава једне године до суше следеће. Популације биљака и животиња увек се суочавају са новим притисцима, објашњава научник са Универзитета Вермонт Цсенге Петак. Оно што остаје нејасно је како ова стална нестабилност обликује еволуцију током времена.
Петак се запитао да ли честе промене животне средине заиста помажу популацији да се прилагоде припремајући их за будуће изазове, или стални поремећаји успоравају напредак. „Да ли популације имају користи од многих флуктуација у животној средини, чинећи нове генерације спремнијима да се суоче са будућим променама“, упитала је она, „или су оне оштећене, принуђене да се изнова и изнова прилагођавају, никада не достижући висину кондиције коју би исте популације у стабилном окружењу могле да постигну?“
Симулација еволуције кроз генерације
Да би истражио ово питање, Петак се удружио са компјутерским научником Универзитета Вермонт Лапо Фрати, заједно са још два УВМ истраживача и сарадником са Универзитета у Кембриџу. Заједно су дизајнирали револуционарну студију користећи напредне компјутерске симулације које су пратиле хиљаде генерација дигиталних организама.
Налази, објављени 15. децембра у Зборнику Националне академије наука (ПНАС), довели су у питање једноставне претпоставке о еволуцији. „Пронашли смо изузетне варијације у томе како су се популације развијале у променљивим окружењима“, известили су истраживачи. „У неким случајевима, промена окружења помогла је популацији да пронађе веће врхове фитнеса; у другим их је ометала.“
Немогуће је тестирати у лабораторији
Традиционална еволуциона истраживања често прате једну популацију која живи под једним скупом услова. Фрати објашњава да овај уски фокус може пропустити важне обрасце. „Истраживачи често посматрају дугорочну путању једне популације у одређеном окружењу, каже Фрати. „Изабрали смо низ окружења и видели како специфичности сваког од њих утичу на путању многих популација.“
Да бисте видели зашто је овај шири приступ важан, размислите о воћним мушицама које живе у веома различитим деловима света. Популација у Сједињеним Државама може доживети сезонске промене температуре, док друга у Кенији наизменично има дуге сушне периоде и јаке падавине. Ове групе припадају истој врсти, али се суочавају са веома различитим изазовима.
„Флуктуације температуре могу допринети бољој адаптацији и на хладне и на топле сезоне“, објашњава Петак. „Али поновљени бициклизам између сушних и влажних сезона може заправо ометати адаптацију на сушу, присиљавајући популацију да ‘поново покрене’ еволуцију након што доживи дуг период падавина – што доводи до лошијих особина него код популација изложених само суши.“ Као резултат тога, једна популација може имати користи од промена у животној средини, док је друга задржана од њих.
Зашто је историја важна у еволуцији
Виши аутор Мелиса Песпени, професор биологије на УВМ, каже да је скала студије омогућила ове увиде. „Оно што је узбудљиво у вези са овом студијом је то што смо еволуцију поновили стотине пута. Ово нам је дало поглед из птичје перспективе на то како се еволуција одвијала у многим различитим окружењима – нешто што би било немогуће тестирати у лабораторији“, рекла је она.
Истицао се један важан закључак. „Највећи закључак за мене је да је полазна тачка заиста важна. Историја популације обликује колико високо може да се попне и колико је тежак пут до тамо, што значи да не можемо претпоставити да једна популација представља читаву врсту.“
Зашто су ови налази сада важни
Резултати имају важне импликације на проблеме у стварном свету. Научници треба да знају да ли биљке и животиње могу да се прилагоде довољно брзо да преживе убрзане климатске промене. У исто време, бактерије непрестано развијају отпорност на антибиотике, што представља растућу претњу по људско здравље.
Упркос овој сложености, истраживања се често фокусирају на само једну популацију под једном врстом еколошког стреса. Затим се доносе широки закључци о томе како ће врста реаговати на промену. Петак тврди да овај приступ може бити погрешан. „Рачунарски модели, попут нашег, могу се користити за формулисање нових хипотеза о стварним биолошким популацијама“, каже она.
Тестирање еволуције у 105 различитих окружења
У својим симулацијама, истраживачи су створили вештачке организме и изложили их широком спектру променљивих услова. Ова дигитална окружења одражавала су природне обрасце као што су температурни циклуси и наизменични периоди суше и падавина.
„Оно што је ново у нашем раду“, објашњава Петак, „је да смо уместо проучавања еволуције у само једном променљивом окружењу, створили 105 различитих варијабилних окружења. Ово нам је омогућило да систематски упоредимо како се популације развијају у многим различитим сценаријима.“
АИ импликације
Налази се такође шире изван биологије и могу помоћи у информисању истраживања у области вештачке интелигенције. Многи системи вештачке интелигенције се боре да науче нове задатке без губитка вештина које су већ стекли. Коаутор и компјутерски научник УВМ Ник Чејни види снажне паралеле између овог изазова и еволуционе динамике.
„АИ системи су традиционално изграђени уско око решавања једног специфичног питања“, каже Чејни. Новији приступи имају за циљ да изграде системе који настављају да уче током времена. Растуће поље познато као континуирано учење на мрежи, додаје он, „лепо одражава идеје истражене у овом раду о томе како еволуција, учење и развој утичу на – и имају користи од – променљивих и динамичних окружења.
Учење како учити
За Фрати, шира порука се односи на системе учења свих врста. „Моје истраживање је о мета-учењу, способности система да науче да уче. каже он. Баш као што се вештачка интелигенција не може проценити на основу једног задатка, еволуција се не може у потпуности разумети проучавањем само једног окружења.
Студија наглашава важност тестирања система у многим упоредивим, али различитим условима када се оцењује еволутивност, коју Фрати описује као способност система да еволуира да би еволуирао.
У суштини, истраживање показује да еволуцију не обликује само промена, већ ред, тип и историја тих промена. Како каже Петак, „наши резултати показују да избор променљивог окружења,“ каже она, „може снажно утицати на исход“.
